автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.03, диссертация на тему:Многорежимный рефрижератор растворения 3Не-4Не с регулируемой площадью поперечного сечения низкотемпературного теплообменника

РГ6 од

1 Ц !!!0!1 1333

Московский ордена Ленина, ордена.Октябрьской революции и ордена Трудового Красного Знамени государственный технический университет км.Н.Э.Баумана

На правах рукописи

Антощук Владимир Петрович

Многорежимный рефрижератор растворения %е-%е с регулируемой площадью поперечного сечения низкотеютературного теплообменника

05.04.03 - Машины и аппараты холодильной и криогенной техники и систем кондипионюовяния

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москяа-1993

уда 621.59

Работа выполнена в Институте теоретической и экспериментальной физики

Научный руководитель*- доктор технических наук,

профессор Микулин Е.И.

Консультант - кандидат технических наук

Чернецкий В.Д.

Официальные оппоненты доктор физико-математических наук,

прр(Ьессор Киселев М'.И._

Доктор $шко-нгтензшгсш наук — Й5Г¿нов Б•С • _

Ведущая организация НПО "Гелиймаш"

Защита состоится 2?" июня 1993 г. на заседании специализированного совета К.053.15.07 в Московском государственном техническом университете им.Н.Э.Баумана, г.Москва, 2-я Бауманская, д.5.

В

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного технического университета им.Н.Э.Баумана

Автореферат разослан 28" мая 1993 г.

Ученый секретарь специализированного

совета, кандидат технических наук, "

доцент ___—>. В.Н.Козлов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ ПРОБЛЕМЫ. В последнее время все большее внимание привлекает область температур ниже I К и особенно ниже 0,3 К, так называемая зона.миллиградусных температур. Исследования в этой пока еще мало освоенной области быстро расширяются, что связано с изучением фундаментальных свойств вешества, обнаружением ноеых и интересных свойств материи, а также с практическим использованием таких низких температур.

Основным методом получения температур ниже 0,3 К является метод растворения ^Не в г1е, который реализуется в рефрижераторах растворения ^Не-^е.

К настоящему времени разработано множество типов рефрижераторов растворения (РР). Значительное место среди них занимают многорежимные РР,'которые применяются для криостатирования поляризованных мишеней, радиационных и монопольных детекторов, нейтринных телескопов, гравитационных антенн и других объектов. Проблема рационального конструирования РР и минимизации потерь холодопроизводительности является актуальной задачей дальнейшего совершенствования рефрижераторов данного типа.

Значительный прогресс в решении этой проблемы может быть достигнут за счет применения в многорежимном РР низкотемпературного теплообменника (КТО) с регулируемой площадью поперечного сечения обратного канала, что обеспечивает устойчивую работу РР при значительном изменении температуры криостатирования .

ЦЕЛЬ РАБОТЫ - создание многорежимного РР с высокоэлективным НТО.

Для реализации этой цели били поставлены следующие конкретные задачи:

- теоретическое исследование оптимальных режимов РР;

- разработка методики расчета режимов РР, применимой в широком диапазоне рабочих температур;

- разработка эффективного Ш'О нового типа для многорежимного РР;

- экспериментальное исследование режимов РР и эффективности НТО;

- разработка рекомендаций по расчету многорежимного РР.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА. В работе проведен анализ возможных, вариантов оптимизации параметров РР и определено обобщенное выражение оптимальной скорости циркуляции. Предложена математическая модель НТО, на основе которой получена система уравнений, применимая для расчета режимов РР в широком диапазоне рабочих температур.

Разработан новый тип НТО, отличающийся от известных возможностью регулирования площади поперечного сечения канала обратного потока. Экспериментальная проверка эффективности данного типа НТО показала, что применение его в многорежимном РР значительно увеличивает холодопроизводительность в высокотемпературной области рабочих температур и дает возможность прак-тичёски полностью использовать производительность вакуумных насосов системы циркуляции.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ. В работе предложена методика расчета многорежимных РР, которая позволяет "при заданных значе-. ниях максимальной холодопроизводительносги и минимальном температурном уровне криостатирования рассчитать требуемую скорость циркуляции, рационально провести выбор, вакуумного оборудования системы циркуляции и определить оптимальные геометрические характеристики НТО с регулируемой площадью поперечного сечения обратного канала.

Результаты настоящей работы использовались при проектировании многорежимного РР большой мощности, создаваемого в Институте теоретической и экспериментальной физики для криостатирования протонной поляризованной мишени.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ И ПУБЛИКАЦИИ. Основные результаты работы докладывались на 4-м Республиканском семинаре по физике и технике сверхнизких температур (Донецк, 1989), 1-й Конференции-по технике низких температур (ЧСФР, Кошице, 1990) и 5-м Всесоюзном семинаре по физике и технике сверхнизких температур (Алушта, 1991).

По теме диссертации опубликовано две печатные работы и имеется авторское свидетельство.

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ РАБОТЫ. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов и приложения. Она содержит 83 стр. основного текста, 20 рисунков и-2 таблицы. Список литературы включает 60 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В ПЕРВОЙ-ГЛАВЕ проведен анализ литературных данных по вопросам оптимизации и расчета РР с циркуляцией Зне. Показано, что в известных методиках расчета оптимальных режимов обычно используются асимптотические выражения энтальпии растворения и энтальпий концентрированного и разбавленного"^, достаточно точные только при температурах ниже 0,06 К. В связи с чем в настоящее время нет надежных расчетных формул, применимых в широком диапазоне рабочих температур РР.

Отсутствие расчетных формул является серьезной проблемой для оптимизации многорежимных РР, диапазон рабочих температур которых достаточно широк. Многорежимные РР используются, в частности, для криостатирования поляризованных мишеней. Процесс охлаждения этих мишеней имеет режим динамической поляризации ядер СДПЯ) и "замороженный" режим. В режиме ДЛЯ в мишени выделяется тепловая мощность, которая должна поглощаться РР, работающим с максимальной холодопроизводительностыо на температурном уровне 0,5 К. После того как достигнута высокая степень поляризации, мишень переводится в "замороженный" режим. В этом режиме РР должен обеспечить криостатирование мишени при температурах 0,02-0,05 К в течение нескольких десятков часов. Холо-допроизводктельност'ь рефрижератора в данном режиме существенно ниже и полностью определяется теплопритоком к камере растворения.

Второй проблемой конструирования многорежимных РР является эффективная работа НТО. Требования к НТО в режиме ДЛЯ и в

"замороженном" режиме существенно различны. В режиме ДЛЯ, характеризующимся большой мощностью охлаждения, большой скоростью циркуляции и сравнительно высокой температурой 10,5 К), основное требование к НТО - обеспечить перенос Не по каналам обратного потока без больших потерь осмотического давления. В противном случае холодопроизводительность и скорость циркуляции будут ниже расчетных. В "замороженном" режиме при меньших значениях скорости циркуляции и холодопроизводительности значительная величина площади поперечного сечения обратного потока НТО, необходимая для режима ДЛЯ, существенно снижает эффективность НТО из-за продольного теплового потока, что, в свою очередь, приводит к повышению предельной температуры РР.

Проведенный анализ существующих конструкций показал, что компромисс между требованиями, предъявляемыми к НТО в режиме ДЛЯ и в "замороженном" режиме, может быть достигнут в теплообменнике с регулируемой площадью поперечного сечения обратного канала.

ВТОРАЯ ГЛАВА посвящена разработке теоретических основ расчета оптимальных режимов РР. Оптимизация РР возможна только при условии задания каких-нибудь двух параметров из четырех: тепловой нагрузки на камеру растворения I От ), температуры камеры растворения ( Тм ), площади поверхности НТО со стороны концентрированного потока ( Гс ) и скорости циркуляции (п. ). При этом существуют следующие вариалгы оптимизации: •

»

Как показал проведенный в работе анализ, оптимальная скорость циркуляции ( Порк ) имеет единственное значение, удовлетворяющее всем вариантам оптимизации СI), и определяется из уравнения

II)

С2).

где Ссо, Тсоор* - теплоемкость и температура концентрированного потока на выходе НТО.

Для определения оптимальной скорости циркуляции из уравнения 12) необходимо найти производную дТсо opt/дnopi , которая определяется из системы уравнений, описывающих теплофи-зические процессы в НТО. Аналитическое решение может быть получено только в случае непрерывно-противоточного НТО, для которого справедливы допущения:

- теплообмен между потоками определяется сопротивлением ■ Капицы, зависимость которого от температуры - Т ;

- продольный тепловой поток и вязкие потери пренебрежимо малые.

В результате совместного решения уравнения оптимизации (.2) и системы урнвнений, описывающих теплофизические процессы в ГОО при установившемся движении потоков, и при использовании в ре-, шении интерполяционной формулы энтальпии концентрированного по-' тока, предложенной Т.О.Нииникоски

Нс(Тс,Х^= ^ус/Тв ' 13)

была получена система уравнений, определяющая оптимальные режимы РР:

0т" 4йкт '

Пор^ = ___(МТсоон) _ У4 (Та) (4)

АКкт Ьн ^ Тсоор! Тс? '

где у6 ~ характеристическая температура, зависящая от концент-

• рации примеси в циркулирующем газе Ха

X* 0 0,1 0,27

Тв,К 0,4 0,5 1,0

Та - температура входа,, концентрированного потока в НТО; 12 + 10 Х^ Дж/К2.моль3Не;

К*»- суммарное значение коэффициента сопротивления Капицы;

■ энтальпия растворения;

У<(Т),У^(Г)- безразмерные функции, зависимость которых от температуры для случая = 0 представлена на рисЛ.

Эта система уравнений в отличие от известных применима в широком диапазоне рабочих температур РР, поскольку при ее выводе использовалась интерполяционная формула (3), достаточно точно описывающая зависимость от температуры энтальпии концентрированного потока. Основными факторами, ограничивающими применимость полученных уравнений, являются принятые допущения, влияние которых становится существенным при температурах ниже 0,02 К". '

Одним из основных выводов, следующих из анализа уравнений (4/, является то, что при * 1т = 0,25 К температура выхода концентрированного потока из НТО становится равной температуре камеры испарения. В связи с этим вообще отпадает необходимость з НТО при температурах больше 0,25 К, поскольку его функцию начинает выполнять теплообменник камеры испарения. А это означает, что увеличение скорости циркуляции всегда будет приводить к увеличению холодопроизводительности подобно тому, как это происходит в криостатах с откачкой паров жидкости. Поэтому температура 0,25 К является предельной, выше которой не существует оптимальных режимов РР.

3 ТРЕТЬЕЙ ГЛАВЕ рассмотрены вопросы, связанные с созданием экспериментального многорежимного РР, дано описание его конструкции, излагается методика проведения и приводятся результЕ-экспериментальных исследований.

Экспериментальный многорежимный РР выполнен по наиболее распространенной схеме "внешний цикл", в котором циркуляция "^Не осуществляется с помощью диффузионных и механических вэ-куумнасосов. 3 его состав входят система циркуляции, криостат и измерительный комплекс.

Система циркуляции состоит из замкнутых на криостат и последовательно соединенных диффузионного насоса НВБМ-2,5 и форвакуумного насоса НЗЗ-20, вакуумной арматуры и вакуумметров. В стационарном режиме работы система циркуляции обеспечивала скорость циркуляции ^Не в диапазоне 50-1400 мкмоль/с, при этом давление на входе в насос НВБМ-2,5 было в пределах 0,5-15 Па, а в линии нагнетания НЗЗ-20 - 25-35 кПа.

Криостат рефрижератора включает в себя- гелиевый сосуд Дьюара с объемом гелиэЕОй полости Ю л и низкотемпературную ■ вставку. Особенностью конструкции криостата является отсутствие градусной ванны. Необходимая для ожижения циркулирующего °Не температура достигал&сь откачкой паров жидкого гелия из сосуда Дьюара.

В верхней части низкотемпературной вставки расположены газовые коммуникации контура циркуляции ^Не и регулятор НТО, е нижней - модуль растворения.

Конструкция модуля растворения с регулируемой площадью поперечного сечения обратного канала НТО в упрощенном виде представлена на рис.2. Камера испарения 2 соединена с камерой растворения 8 конусом 4, нижний конец которого находится ниже границы раздела фаз 9. В конусе 4 размещается вытеснитель 5. На боковой поверхности вытеснителя 5 имеется винтовая канавка с навитой в ней трубкой прямого потока 7. Вытеснитель 5 посредством штока 6, проходящего в откачной трубе 10, связан с чаку-умноплстним регулятором НТО, расположенным на верхнем йланис-низкотемпературной вставки. По трубке I Не поступает в теплообменник камеры испарения 3. который выполнен в виде пружины, благодаря чему с помошью регулятора НТО можно осуществлять пе-ремеления вытеснителя 5 в направлениях, указанных стрелкой.

Такие элементы модуля растворения, как конус 4, вытеснитель 5 и трубка прямого потока 7, составляют конструкцию НТО.

1С

При опущенном-штоке б вытеснитель 5 плотно прижат к конусу 4, и обратный поток из камеры растворения 8 проходит по свободному пространству винтовой канавки, охлаждая при этом трубку прямого потока 7 аналогично тому, как это осуществляется в теплообменниках типа "труба в'трубе". При приподнятом вытеснителе 5 между ним и конусом 4 образуется зазор, увеличивающий площадь поперечного сечения обратного канала. В этом случае теплообмен осуществляется как в теплообменниках "кольцевого" (поперечноточного) типа.

3 разработанном НТО с регулируемой площадью поперечного сечения обратного потока площадь теплообмена со стороны концентрированного (прямого) потока составляла 18 см^, со стороны разбавленного (обратного) - 29,8 см^. Зазор меявдг вытеснителем и конусом & , а также средняя площадь поперечного сечения Аб ср и гидродинамическое сопротивление обратного канала 1 в зависимости от высоты подъема вытеснителя К приведены в таблице:

К ,мм 0 I 2 3 4 5 6

£ ,мм 0 0.035 0,07 0,105 0,14 0,175 0,21

Adcp.мм2 1,5 14,8 29,6 44,5 59,3 74,1 88,9

Zd • КГ12,!«"3 42.46 20,65 9,28 4,36 2,63 1,54 0,91

Основными измерениями*при проведении эиспериментов являлись измерения тепловой нагрузки на камеру растворения, скорости циркуляции, высоты подъема вытеснителя, температур в камерах испарения и растворения. Кроме этого проводились измерения и контроль температуры конденсатора, тепловой нагрузки на камеру испарения и давления в различных точках системы циркуляции.

3 эксперименте были получены рабочие характеристики РР при различных значениях площади поперечного сечения обратного канала НТО и определена область оптимальных режимов.

Кавдая точка кривой оптимальных режимов определялась как экстремум из экспериментально полученных зависимостей вида

при Qm, К - const . С5)

10 20 30 50 100 200 500 Т, мК

Рис. I. Зависимость функций ïj и от таыпаратурц.

Рис. 2. Модуль раствореаия экспериментального шюгореяииного ??.

исследования оптимальных режимов проводились при скоростях циркуляции, реализуемых в рефрижераторе при вариации температуры камеры испарения в диапазоне 0,52-0,85 К. Скорости циркуляции, соответствующие температурам камеры испарения 0,52 и 0.65 К, определяли границы оптимальных режимов, за пределами которых исследования проводились при постоянном значении температуры камеры испарения (0,52 либо 0,81 К). При этом фиксировалась величина подводимой тепловой мощности к камере растворения От , а измерялись ее температура Тт и скорость циркуляции П при различных значениях высоты подъема вытеснителя К,

Было установлено, что область оптимальных режимов экспериментального РР располагается в пределах значений температуры камеры растворения 0,1-0,04 К.

Полученные результаты экспериментального исследования представлен» в координатах От - Тт и П - Тт Срис.3 и рис.4). На рисунках не представлены данные при К = 3, 4, 5 мм, поскольку они имеят промежуточные значения и не дают никакой дополнительной информации.

В ЧЕТВЕРТОЙ ГЛАВЕ проведен анализ теоретических и экспериментальных результатов и изложена методика расчета многоре-кимного РР с регулируемой площадью поперечного сечения обратного потока НТО.

Сравнение теоретических и экспериментальных данных в об-лэсти температур 0,1-0,04 К показало, что уравнения (4) адекватно описывают оптимальные режимы РР. Однако при увеличении площади поперечного сечения обратного потока НТО прослеживается отклонение экспериментальных данных от расчетных в сторону снижения холодоппоизводительности особенно в области низких температур. Причем, чем оольше площадь, тем больше отклонение. Это снижение холодопроизводительности обусловлено главным образом увеличением продольного теплового потока по обратному каналу КТО и снижением его эффективности. Увеличение площади попереч-

Л,иолъ/о

1-1-1-1-1-1—I—I-1 I-1-1—I—I-г

л о

д о

А. А

в в •

i i il_i_I—L

I i > i i

ID"1 .

Рис.3. Скорость циркуляции PB. --расчет, ®-jt=0mj',A-h=lMU,o-h=2uM,A-h=6Mü.

1DÜ

Im, К

К

Рис.4. Холодопроиэводительность PP. -pac4es,»-h=0uu,A-h=lui,O-h=2rii,ú-h=6m:

ного сечения приводило не только к снижению холодопроизводи-тельности, но и к повышению предельно-достижимой температуоы РР вплоть до возникновения конвекции в канале обратного потока, вызывающей сильные незатухающие температурные колебания в камере растворения. Предельные температуры э зависимости от чыссты подъема вытеснителя составляли:

Ь ,мм 0 I 2 3 4 г. и 6 7

(Тт)б'т,мК 33 39 43 49 56 67 160 'конвекция конвекция

В температурном диапазоне 0,1-0,5 К увеличение площади поперечного сечения обратного канала НТО приводило к увеличению скорости циркуляции и, соответственно, холодопроизводительность.. Такое поведение зависимости скорости циркуляции от площади поперечного сечения какала КТО обусловлено уменьшением потерь осмотического давления в канале обратного потока. При поднятии вытеснителя на высоту I мм и 2 мм скорость циркуляции и хэлсдо-производительность увеличивались на 50%. При дальнейшем подъеме зытеснителя наблюдался незначительный рост этих параметпоз. Сопоставление экспериментальных и расчетных данных показало также, что при температуре криостатирования 0,5 К основное требование к НТО - обеспечить перенос ^Не по каналу обратного потока без больших потерь осмотического давления, а площадь поверхности НТО при этой температуре не оказывает существенного слияния на холодопроизводительность РР.

На основе экспериментальных данных для температурного уровня 0,5 К получено уравнение, связывающее гидродинамическое сопротивление какала обратного потока со скоростью циркуляции, при которой холодопроизводительность РР максимальна

(2п)о,5Х = 1,26'1Си моль/см".

Данное уравнение позволяет, после определения требуемой скорости циркуляции при расчете режима ДНЯ, определить необходимую

площадь поперечного сечения обратного канала НТО.

В заключительном разделе главы изложена методика расчета многорежимных РР с регулируемой площадью поперечного сечения обратного потока НТО, позволяющая определить основные параметры рабочих режимов и геометрические характеристики НТО.

вывода

1. Проведено теоретическое исследование оптимальных режимов РР, Получено обобщенное выражение, определяющее оптимальную скорость циркуляции, которой соответствует минимальная величи- ' на площади поверхности НТО, обеспечивающая максимальную холо-допроизводительность рефрижератора и минимальную температуру камера растворения.

2. Разработана математическая модель ИГО, на основе которой получены выражения для расчета оптимальных режимов РР, применимые в широком диапазоне рабочих температур. Удовлетворительное согласие опытных данных с результатами расчета подтверждает адекватность разработанной математической модели.

3. Предложен и разработан новый тип НТО с регулируемой площадью поперечного сечения канала разбавленного потока ^Нё, обеспечивающий многорежимность РР. Экспериментальные исследования эффективности данного типа НТО показали, что применение его в многорежимном РР значительно увеличивает холодопроизво-дительность в высокотемпературной области и обеспечивает оптимальные режимы в широком диапазоне рабочих .температур.

4. На основании экспериментальных исследований многорежимного РР установлено:

- в области высоких рабочих температур основное требование к НТО состоит в том, чтобы обеспечить перенос ^Не по каналу разбавленного потока с наименьшими потерями осмотического давления. Величина площвди поперечного сечения канала в этой области должна быть максимальна, но ограни-

чивается эффектом конвекции, возникающем в канале;

- в низкотемпературной области продольный тепловой поток в НТО существенно влияет на параметры FP. Неоптимальный выбор площади поперечного сечения канала разбавленного потока приводит к снижению предельной температуры.

5. Найдена эмпирическая зависимость, определяющая площадь поперечного сечения канала разбавленного потока для температуры криостатирования 0,5 К, при которой достигаются максимальные значения холодопроизводительности и скорости циркуляции.

6. В результате проведенной работы предложена методика расчета многорежимного РР, которая позволяет при заданных значениях максимальной, холодопроизводительности и минимального уровня криостатирования рассчитать требуемую скорость циркуляции, рационально провести выбор вакуумного оборудования системы циркуляции и определить оптимальные геометрические характеристики НТО с регулируемой площадью поперечного сечения канала разбавленного потока.

7. Результаты работы были использованы при проектировании многорежимного РР большой мощности для криостатирования протонной поляризованной мишени, создаваемого в Институте теоретической и экспериментальной физики.

Основные положения диссертации изложены в работах:

1. Антощук В.П. Оптимизация параметров рефрижератора раст-ворения//Сборник научных докладов 4-го Республиканского семинара по физике и технике сверхнизких температур. - Донецк, 13-19 мая 1989, стр.32-33.

2. Антощук В.П. Оптимизация параметров рефрижератора растворения "fye-Tfe. - М., 1991, - Препринт ИТЭФ 78-91, - 21с.

3. A.C.I625I62 (СССР). Устройство для получения низких температур/ИТЭ$;Авт.изобрет.В.П.Анто1цук, - Заявл.03.11.88, * 4618236/23-03.