автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.03, диссертация на тему:Оптимизация микрокриогенных каскадных систем охлаждения на уровень 80 К с многокомпонентными рабочими телами

ОдьСГ.Ти ДЕРНАЕХА АКЛДЕШЯ ХОЛОДУ ^ Г Б Од Ка правах рукспи^у

КЕСТЕРЕ1550 Стпн1слаа »¿-ааЛлскэтч

сппеязащя шкрокрюгзг.к: хасклдких дросзгьтк систа*

ОХОЛОД533Ш 1!Л РГЕЕНЬ 80 К 3 Е^ГАТОКСМГОгГНигГ''^?

робочи«и пллнн

С:;оц1п."ьн1с?ь С5.04.03 - КЬсинн та пттсрат-- хсиодадько!' I 1ср1огспо^ ?озн1.хя та скотом коад-.пЦонуваннл

автореферат

дисвртацИ па здс<5ут?я вченсго с?упоня кацдздата тозлЗл.лп парс

Одоса - 1994

Робота виконана в ОдеськШ дерашш1й вкадомИ' холоду

Наукошй коровник - доктор техи1чю!~ каук, профасор Г.К.Лавренченко

0ф3.ц1Ян1 отоионти - доктор тозайчних наук, прсфосор ВЛ.Шлозанов;

кавдидат техн1чкт наук, доцент С.О.Горик1н

Прои1дна орган1знц1я - 1Щ1 " Што^ы м. Одеоа

Захиот десартацН* в!дбудеться ■ » 199^Гр.

о ^ годш11 из оао1дана! опвц1ая1зованоХ ради К.068.27.01 прз ОдеоьхШ дэрганаХй екадемИ холоду за адрооою: 270100, ы.Одзса, вул. Петра Великого, 1/3» ОДАХ.

3 .Д!:еаргац1еэ ыодка сзнайожгися в б1бх1отец1 екадемИ'.

Автореферат рзз1сдано " ^^ " 1994 г.

ис-кролр . спег?Дед1зо2ано1' радх, доктор наук,

про^всор Р.К.К1кульшин

ЗАГЛЛЬНА. ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальн1сть теки. Розвиток irp;:crpoÜQ опткчно!' електрон1ки, рад1отохн1ш!, а такса прилад!в, виморлотовуотих виоокотенпературн! надпров1днпкя, обуыовлпс необх!дн1сть постсновки i Birpirseaim задач, поз'язонпх з1 створенням i вдосконаленняы ефсктгопих та на-д1йнах м1крокр1огоних систем для кр1остатувапня на р1вн1 80 К.

ЕагатооСразн1еть та складн1сть вимог, поставлсних до Шкро-кр1огоша систол, роблять у ряд1 вппадк1в компросорп1 дросельн! систем, охолодзекнл ( КДСО ), пращою-1 на багатоксшонентннх рабочих ?1лах ( БРТ ), копкуронтпоопроможсаш у пор1виянн1 з перевер-ауючгаи Ex по ефзктлтост1 газоваот Kploreiiraci кашпаик. Наягш1еть у КДСО таких якостоЯ, лс простота t вдсока над1йи1сть, грають 1н-:;о.Чч в:ф1палы:у роль при пырокому £х впроподзсенню. Тому дул? вак-лнвтает являвтьсл доел1даення, спряцовои1 на дальше п1дслце!шя 1х ефекттаноет1. Еря цьому необх1дао б!лыз impoico розгляпути можли-в1сть використанпя р1знсман1тних cxewmx р1шень, а такоз вдоскона-лмшя окренах елеиент1в КДСО.

Проведения досл1даень по дан1й теи1 впклшеано иедостатньои вквченн1стя гатень вдосконалспня цикл!в та сюших р1иепь КЦСО для plmm 80 К, правдами! на БРТ.

Мотор робота було досл1дненнл р1зноыа»1тпих тсрмод1щом1чних isntsln i схем ивскаднпх КДСО для оЗгрунтсвпиого вибору кращих схем I створсгшя па Ix оопов1 офеитивно* каскадпо! КДСО на р1вень 80 К.

Поставлена мота досягаеться р!иеншы ел1дуютах основнкх задач: розробка ыатеиатичних «одолей pIshcwchIthhx цикл1а i схем КДСО: пояук пайб1льп ефоктавних охешшх р1сонь каскадних КДСО; об-груитування I впб1р кошюнен?1а для форлування БРТ каскзд!в КДСО на piuoHb 00 Ks постановка i р1пешш эадач1 знаходясння оптимальна! n^pausTpls циклу КДСО з одночаснш розрахунком оптлмальнлх склад1в БРТ каскад1в; створепня i досл!дае1шя макотного зразка кес-кадаоХ КДСО на р!веш> 80 К, розробленогс на баз! п1тчпзнянпх зма-¡цувает горматичшх порзшевих кошресор!в.

Наукова новизна. Влерпе поставлена 1 вир1пена задача визначе-¡шя оато/альнах С1;;лад1а БРТ i парошгр1з цжл1в каскадно! КДСО ка р1вень :<р1остатування 80 К; знаХдеш д1апазсхш значень проШгко! гемсератури каскадао5 КДСО на*р1вепь 80 К; залропонована методика эсзрахунково - граф1чного Епзкачеши опотплсльно! npc.Miis?oi теше-рзгури i одпочасзго з сл1вз1дпсшет;л об'&.шх впробносгеЯ ном-ipsccpiB вершього i лихнього каскад!в КДСО на БРТ.

Ооновн! пауков! положения, як! захкцаються в робот!;

1. При створонн! каскадно! КДСО на БРТ на баз1 найб!лыа роз-повсюда:ета цгасл!в э процесами дроселжвашт ( Л!ндо, Климошсо ), Бкр1пу1ачп ялтшшя выбору циклу для к-живого каскаду, нейбх!до в!ддг.ват! поровагу циклу Л!нде.

2. Пр:; розробц! каскадной ВДСО на БРТ з р!вием кр!осаатування 00 К ! кор-,1сноа холодавкробностя до 10 Вт на баз! параметршших ряд1в в!1'чизикннх герлетичзих норанесих кощреоор!в типа ХКВ 1 ВН енорготи'ша &фек?шш!стъ можэ п1де:щузатлсь за раяунок вибору ксм-просору для верхнього каскаду з м!н!мальпо ютмквою об'ешою ви-робноетю.

Кр!м цього, автор зохищае;

1. Дан! про ефэктивк! БРТ коскад!в КДСО на р1вбнь кр!оетоту-ванля 80 К.

2. Методику розрахунково - граф!чного внзначення оптимально! пром!аио5 температуря 1 сл!вв!дношешя об'сипах виробног>тлЯ коы-прееор1в.каокадно! КДСО на БРТ.

3. Результата досл!даень енэргетачнпх характэриеэти-. розроб:'«— но! каекадно! КДСО на БРТ на р!вень кр!ос?атуЕання 80 К.

Ооновн! яауков! результата; Г

1. Розрахункова ефективн!сть каокадно2 установки на р1вень кр!ос1'отувашя 80 К на БРТ э застооуванням р<-.?окоративного дро-селького циклу з одпократшш дрооелюлвггкязл у пшшьему каскад! на 2ькще е$екппзпост1 КДСО з циклом Клименко у шпкньему каскад!.

2. Перох!д у верхяьоиу каскад! на компрееор а зментеною в 2 рас:: об'ешою виробностю, дозволяв зб!лыаиш розрзхункову ефектив-н!сгь каскадно! КДСО на 35 - 4555 при зборэленн! попередн!х регшм-ш параметр1в.

3. При оодшпа ршмкет параметрах верхнього ! ипшього шс-¡:ад!в каскадноХ КДСО, прагдичо! на БРТ, 1снуе д!апазон рабочих прсм1»пи температур, визначаючш так звану " темзературау область ст:а-'.оак! " { ТОС ) верхнього ! ншшього каскад1а.

Пректэтна ц!ня!сть робота. На основ! отршоззе результят!в могсуть стЕораватиоь ефективн! каскадн1 КДСО на ВТ? для ¡£р!оотагу-вання об'с:-ег!в в облает! тешератур 80 - 100 2. Розроблезо' експе-ршенталькия ! ыак&тний сразки каскадной КДСО для вказааах 5г«ае-. ратур, волод!юч! покраденная енергегачыаи ! ыасогабаргтннмг ха-рактеристкката. Могодика розрахунково-граф!чного чизнечання ^ггги-мальноЗС прш1гвоЗ[ яеыперагурд исс:е бути викоркетана ! прс рсробц! касакаднкх КДСО на !нп! температура! р!вн1 охолодвва^ч.

Розультата дасер?ац!ЛноХ робота ппроваджеп! на Укрэ1'п! (OTIHT AH y.'cpaïiûî, M.XopiílB ) 1 в Pociï ( НПО "Протон", ы.Москва }.

Публ1кпц1Л1. По тем1 д:тсер?ац11 опубл!ковано 2 друковэн1 робота, отримано 3 авторсысих св!дотства на вилаг1д.

Апробац!я роботи. Основа! результат досл1дяепь по дяп1Л tcmí допов1далиеь на наукога - техп1чнпх коифоренц1ях ОГАХ.

Структура та об'ем дкоертацП'. Роботу виконано на 159 етор1н-ках мапшсгкспого тексту, в н!й м1стнться 31 мзлюнок, 13 табллць, вона складаеться з вступу, чогярьох глав, списку пшсористано! л1-тературл з 83 наЯменувань, додатк!в но 27 стор1нхах.

3MICÎ РОБОТИ

1. Виб!р цикл!в для етворення каскадам КДСО на р1вснь SO К

Каекодна КДСО моко етворшатись на баз1 в1додаи дросольш« цякл1п: регенеративного циклу .Инде; однспоточлого цзпслу Клименко. При цьому моклив! pisHCwaiiiTïii сполучсшш вказшяа цикл1в у czomI кзокадно! КДСО. Анал1з показав, цо при розробц! каскадно! }<ДС0 вваливям с не т1льки вяб1р i оптал1зоц!я характеристик цикл1в для пзазгього каскаду (НК), пацриклад Л1вдо i Клименко, ало i оптимально ïx епсдучення з окопом!чними системами пром1кного охол<да:ешш па <5аз1 дроеельнзи tçu'-nla.

Задача оптмйзацП да-клу Л1нде при заданих TQ и Т ставиться таким чиной:

знаЯти VQ, Р|, Р* е opt { t0, ?2, Р1 } ■* шг п0 , ( 1 )

де Î* - шукший спталалысгй циркулюотпД оклад; Р^■ ?j » ~ тиски прямого Та ЗВОрОТЛЬОГО П070к1В, В1ДП0В1Д!10.

В ц1лому р1шення uleï задача зводиться до поауку оптамалыиис 2'0 для рlarca 1 з одночасном перов1рксн pctuiiscuiï теплооб-м1ну в рекуперативному теплообм!ннику ( РГО ) з точки зору 11-ого початку термод:отйм1га та виб!р няй,чря™ого складу з точки зору иак-еямуму ехевргетичного ККЦ.

Задача опткм!зац!1 циклу Клименко у загальному вяд! пересл!-дуз знаходзення bss п'ята незалеишх патаметрАв: знайта t'Q, Рр, Р*. Cj, Гс= opt { ¿0,P2, ?.. Gx, Pj -» nor ne.( 2 ) де Gx - частка р1дини, в1дд1лена у сепаратор!; ?с - температура ccnapaniï.

Ця задача гатр!а;уетьоя з впзначепкмя припуцезтямя: тежоратура входу у сепаратор двухфазного потоку, температурл виходу газа i р1дкЕ1 ? 1з сепаратору однакоз! 1 р!вз1 ? ; р!дкнз С7, в1дд1лена

л о

у сепаратор!, в рэалыпы: умсзах соке повн1стю шпзодитлсь 1з сепаратору плахе* регулюзавпя вергнього дросоля.

I

vo I

I

w Й О

•ä a

a

ь*

и

«

£

r-t «

Гч

Г)

У &

.s о о »î

'H

■a

о «

о о л .

"I 1^5 g К

ця в1д тс.яопЗ'iT!i соппрацИ цо при то!.(пора?у;;1. < 200

т,к

210

200 190 180

170 -г ,

!?0 150 W 200 2ЮТах,К Мал.2. Залэасйсть температура сепароцИ То в1д тешо-ратурл входу 5*__в РТО 2

'вх

/1

Рс ( изл. 2 ). 3 цього иалшку сяя», К й сгсиу устсловкл з conapauiсп {аз сл1д вклотата додатковий тешюоСи1я-гсгн, яхиа дсзволяе п1дохолодата паровал пот1к, цо виходать з сепаратору, перед гам, як спрязаувата 2ого 7 ш»а!Л тошгообы1кнгк.

Вар1антн схец циклу э cenapa-ц!еи i з додатяоплы тons.ooCuizizixai РТО 3 показан! па иал.3(с,б). У дьо-wy вмхадку пря розрохунку цсклу сл1д зрзхозувата i <5алаяссз1 сп1зв1дас2Э-пзя для даясго теплсоби!нн2ка Í те.

вх

цо

Г4 = т5,

7? м i;r

вх /5'

А*

Г "2

/70/ 4

2

«gr

Z

и

а)

Цзл. 3. Схеил ВДСО.як! реал!зують цпял Кяпмвкэ з гйдохолодЕенням провозе фаза С, ( РТО 1, РТО 2. РТО 2 - з1дпсз1дао, псторэдо!Я, Hinzaia i додатковнй senaooCuisaaia )

Пор1вяяльний шал1з отришшах розуль?ат!з сокззаз, цо ефок-TzsniCTb цяклу КлЕненко для БРТ, яко сформовано па основ! одеж i тах га компонента, в 1,3 - 2,2 раза еяцз ефэктлвпост! цлклу Д!нде ( о диск у роальн!Д скстеи! цеа вигрсз мсг.а бута 1шгш 1 нэ тшсм зпачнги !з-за втрат у сепара?ор1 ). Ц1 дан! узгодаувтьоя з результатами, отргмашки Б1чов2м Д.А. при Досл1^-:сгл1 р1знпх схсл па основ! цпклу Клпиэнгл з Бякоргсташям змащуваеиого гергетячкого кся-

прооору.

Тому актуальною е задача визначення ефективост! ци цаял1в 1 у склад! каскадной 1ЩС0 ( тобто з урахувшшяы моюшвоот! п!даоду додаткового холоду у цих циклах). Для цього були проведен! доол!д-кення q - Т - залекноатой р!зних цикл!в на БРТ, яке форыуетьоя на основ! вказаних компонент!в.

г,

ш*

моль

а)

*

ТТ'а ¿Т|

о

80 120 150 200 240 Т,К ВО 120 160 200 2'О Т,К

Мал. 4. q - Т - залежноет! для ггроцес.1в в рекуператшшиА теглооб-м1нниках: а) - для КДСО, яка реал1зуе цикл Л1нде; б) - для КЦСО, працивчоЗС по циклу Клименко

о

Досл1дамо ыоялив!оть використапня у цикл! Л!вде оттайалыси склзд!в БРТ, знайдених !з оптим!зац!1 циклу Климопко. 1з мал.4-,а вкходить, цо при робот! КДСО по циклу Л!вде (?0 « 300 К), напрпх-л^д, на БРТ складу //4- ( даз. табл.1 ) тедлообм1н у регенеративному теплооб!л1нш1ку не реал!зуеться тоиу, що у район! тедаературя 200 К !сыуе и зас!чка " !зобар прямого ! зворотнього поток!в. Що<5 запоб1гти 11" сл!д зм!нитп склад БРТ у сторону зиеншення ви!сту ьажкях компояент!в, однак при цьому значно знизиться дросель-ефокт сум!п!. Для збереаення холодовирс-бност! на тому го р!ш! необх1дно гйдзеети тзизпачену к!льк!сть холоду до прямого потоку шихом за-стосуваяня додатково! система охолодкэння. У цьоиу вшмдку КДСО становиться каскадною. Процес а - Ь на мая. 4а - цо результат про-м!ккого охолодкення прямого потоку у кондонсатор!-виларшку (КВ). Реал!зац!ю теплообм!ну сл!д при цьсму розглядати окреыо дяя теплообменника до КВ ( штрихоза л!н!я на мал. 4,а ) 1 Шеяя.

На ыал.4,6 зойраяено q - Т - д!агрзыу &яя КДСО, яка реал!зуе цикл Клименко з темпегэтурою сспарац!! вице 200 К. 31да!тноз особ-лзш!стю дано!' q - Т - заленност! е те, що ворхн1й ! шекн!й тепло-обм!ншки розд1лен! вузлом сепарац!! - зи1шуваЕНЯ, I процеси, як! проходить у кьому, роблячи вплив на 1зобару звогэтнього потоку

(яроцео с - й). забозпечуять ваксяспня теплообм1ну в РТО 1 i РТО 2 Ооз п!дпсду додатксвого холоду до прямого потоку.

Заетоеувапия прои1шэго охолодання для циклу Клименко у цьо-иу вид1 по «ас смислу.

Хоча, иеобх1дяо в1дзпачати, по при томператур1 сопарацП ник-чо 200 К (див.схеш ка иал. 4) иоаляво у цикл! Клименко зд1йсяити промохолодзепня потоку пара 1з сепаратору, виключаючи таким чином 1з 02С!£П РТО 3. Одиак при цьому витрати для отримашш холоду у до-даткоа12 систем! охолоддоння i зыенпеиня корисно! холодов;гробност1 1з-зз сепарацИ частиня БРТ, у пор1вняпн1 з циклом Л1нде, роблять неофоютигаш застоеуванпя пром1кпого охолодаення в цши1 Климеико. В такому вкладку розрахункова.ефективн1сть каекадно! установки на р1вонь 80 К з циклом Л1ядо в НК па 2555 вищв ефоктпвноот1 КДСО з •здклом Клименко у тому яе каскад!..

Пей п1дсумок не с очовиднкм i складае основу пергпого паукового положения. Тагам чином, введения промохолодкення дозволяв п1двгантл ефокп;вн1сть циклу Л1ндэ, i це наближуе його характеристика до цкклу Епшекко. Кр1м цього холодна частянз каскадно! КДСО вяходить б1льа простои, якэд вена створыеться на баз! цшсл!в Л!нде.

2. Постановка задзта оятаы!зац!1 каскадно! КДСО ка р1вень 5ф!ос?ату18ння 80 К

На ochobí анал1зу plsnar úsewoiK р!шень КДСО на р1вень 80 -100 К вибраяа схоыа зсаскадноХ KESC0 па оум1п! рэчовин, яка роал!зуо цикл Л1ндо в обох каскадаг,( нал. 5. ).

вк нк

ffi: ц!льова Суякц1я прг оатЕы!зац!1 каскадной KSC 0 була тагбра-па велачгна ексерготпчного КВД:

•i - I 1 - гв / f,l С ( ^ / р|8 ) «5« < Р2Н / Р*н ) ■

» { Св ц5 Г VV5 > - ^ ( Zn>P2B-*4 < 4 }

+ сн £ Via »'о > - V^o ' " Г £ т>т«р-

* 2 qg r<rnp J > / ( eg XS3 ♦ nM ).

Да E E <zg T>Tnt>. E <zg T<Trip - суш втрат хслодовиробноет!. в!д нздорокуперацИ 1 тешюприток1в, е!дпоз1дзо. в Еершьоиу каскад! 1 в ЕЕзаьсау каскад! пра Г > Гдр 1 ? < Гдр.

НазалеЕнаиа параметрами в таски Р)в , Р^ поток!в верхнього каскаду 1 таска р^ cotokIb южнього каскаду. сл!вв!даошенвя розход!в Л = Tfhg У Vhjj, дв V)^, Yhg - в!дпов!дао, об'еми, ошсен1 порешат комзресор1в верхнього 1 низиъого каскад!в, тешерлгура прон1шого охолодания Тщ* Тв 1 склада циркулштах БРТ £в, Za-в1даов!дпо, в верхньоиу ! ншагьсиу каскадах.

Задача реакмно! оптии!зац11 паргшотр!в каскадного цдклу з одаочаснпи хшзпачешяи оятсуальшп склад!в ЕРТ ( без Ерахуваняя вплззу тес2:!в зворотн!х поток!в) була составлена у сл!дуючсму вдд1: анайти

< V V Р2в- p2z- * *цр > •* + rax , ( 5 )

0 урахувадаян впхошашя Еер!ваост!

Сн д«| 4- Са (<7 - tg) - Е ^ - Г Gj. * 5 . ( 6 )

1 прл сл!дуюта: границах зьШпезйння серси1нша:

р2ег.1П &р2г£ г2вяо2: р2втЛп s р2а s Рйдаг; ^estn £ га fl ^fcas5 4atn s * s S 2b c « ^ € Dz < 7 >

Kplu цього, враховувалась настуж! осыататя:

9 Ф " Я fP^' Ф > Ч fPft,' " ^ (Р2з' РЭ > > °S

* (РШ- f12> ~ ^ (p2a> f7> > (8)

Gh ^ 1 ^ел s « • 1 4: s < 9 )

KeplDHicin <б) беодктьсп tsiorG noryity р!пень,' кк! забезпе-чуггь задану холодовхробн!сть каекадко! ВДСО.

Нер1в5остЕШ (7} зхзначсстйся полэ оптнн!зусюх у эи-;ач! не-залехгкх пером1нк2х. Уиовя (8) у формсл!зозаноыу вид! характера-ризувть «с2лнз!сть реел!зац11 те2лоо5м1ну у рекупер£;тивних гепло-обы!нЕ£ках cncveisu охмодаання, причсиу ffi i ¡rS - поточн! значен-

-Il-

la тешгарэтур у I - ?ouy перор!зу конденсатора - встарппкз.

Поставлена задача ( 5 ) с шюгопораыетричною задачею ппоокого складност!. 1ля 11 вир1пе1шя булк внесон! обгрунтован! обмо-генпя до переы!ших I прнйнят ряд спроцуючих припущень.

Иэтеиатпчна модель каскадно! КДСО розроблялась з введениям м1дуэчах прппуцепь: склада БРТ обох каскад1в, saptas-ii у всьоиу ¿ьп^зол1 копцонтрзцШ, не вшявапгь на об'сын! i енерготачн! ха-¡ж^грлсяза JMunpeeopiBí при вар1вваш! розх!дних характеристик Х!прэсор1з як 2язпачаюч1 парггэтра взбирались об* см, овдсуеииЗ горгнсы ксштресору ( Vi ), i стегйль п!дплщення таску я = / Р}; i-олгина втра? 1з-за теплопри?ок1в до холодно! частзшп каскадно! 1®С0 прпйыалзсь як частпна холодовиробност! верхнього i нжкпього Еас;:ад1а » + a^Og í не враховувалясь втрати холодовн-jcíeoctI кзскадно! КДСО 1э-за г1дравл1чних onipiB у спаратпх.

7 розроблеп!Я штеиатпчн!й модел1 враховувалось, цо в конден-?а?ор!-вппарпнку через коядснсаторяу частпну циркулзовав пот!к ЕРТ-£í, гязпзчасшй роз ходам кс'просору НК, a через випарнпкову части-:iy ~ пот1к БРТ-ЕК, Еганачасмгй розходоя через ксштрссор ЕК.

Л'вргетзчхпЗ баланс коядопсатора-встарникз иас вид:

*5 < pÍB' ?5> - '-4 < "в' ?ÍB' *4 (10)

- Сп Ч ( "л" Р2н' 5*7 ' ' Сп га ( г* p2ii- ?8 >'

Оптл11зш;!я каскада! дросельяо! cacteia у в!дпов!дпост! з сосгазлспса задачею i з врахуванняи розроблених натематачних ыодо-яеЗ була розбнта на тря оенош1 етагп:

1. ЫаксЕл1зоц1я холсдовзробпост1 у взраз! ( 4 ), со «схлпво га Саз! розрахунку т1лыа пяттаго каскаду.

2. Пэров!рка, по-перпе, вякотанпя баланс!в топлообм1пгах опа-рз?1в, у тему чзсл! кояденеатора-впгаргпжа, 1, по-друга, . рсал!зу-су1сть топлооби1ну з них па баэ1 розрахупку яаргштр!в верянього каскаду.

3. М1в!м1зсц1я зггнепнЕха у вхраз! ( 4- ) з иетои пспуку опта-«слыхого реггму робот коскадно! КДСО у ц!лсиу.

?оэделения розрах;~ку ;шокадао! КДСО на окре«! этвян дозволяв резл1зувати розр-хунково-гроф!ч1ка метод, ви.чггачення 11 сптсшалышх cspauscpia ( под1бно методу, засгосозуешго для частях речогот ). Црз чьему на з1да!ну в!д вЛдожя иетодак.розроблешп для ц!с! ц1л1, ця методика досить проста, нвд1Яаа i потребус новэлзггасс внтрат часу, бо тут застосовуоться добре п!дпрэцъс2пн! пххзгрл'и для тюзра-x¿Tr-cy простых Ц!П4л!з. На перлону отап! виэпачасться склад опт;™.!а-

льного робочого т!ла ЕРТ-КК на оспоз1 розрзхуяку штяъого каскаду, проведеного при умов1, цо у коццопсатор!-Б2парншсу до прямее потоку НК uo-л) бута я1даедена будь-яка необх!дна к1лы:1сгь голоду ( по сут1 деш2 роэрахунок эаонован на абстрагувапн! в1д ворн*ього каскада' ) • Пслук оптимального ЕРТ-НК зд!йснзоетьея для plsistx про-uIelex теиператур 2g, у результат! чого визначаэться залегност! <JK= / ( тв ) i qz е f ( ) ( В1ДПОВ1ДНО. KpCTi 1 i 2 на иал.6 ). причому кояяа точка залокноотей ( ыал.6 ) в!дяов!дае умов!:

(11)

" К ^z vaz' Р2а> i Г const, Р const *

Нал.б. Енергетвчн! характеристики каскадной КДСО.

Залетк1ехь QK визначас граютш! значения tzitcuoI холодо-виробное?! КДСО ; за-newlvtb qx » / ( } характеризуй макоилз-льну пптоиу к1льк1еть холоду, яку мске прхй-нятк яот!к яаинього каскаду.

На другому стал! проводиться позук оп-ггиалькиг: ЕРГ-ВК i вя-значаеться патома хо-

додовиробн1оть верхнього каскаду при р!знкх температурам * ~ i Удр. У п1дсуаку отримуем залегн!оть qB « / ( Tg ), у koskIS точ-ц1 якоХ никонуеться уыова:

ZtP& " У "е"22 > 1 I-s = const, P^jj « const. Р1в * const • {12)

г

Ця залегн1оть в граф!чному вид! пргведена на ыал.6 (крив! 3).

Одаочасно з пооукои оптимального ЕРТ-БК зд!йсшогтьея перев!р-ка внконапня енергетичного балансу 1 реаг1яа«!я теплообм!ну у кон-денсатор1-шшаршгку при даних умоваг. Таким чином, визначаетьея д1апазон робочгх npoulssax температур пк1 леяать у так $вш!й температура^ облает! ctzkobkz (ТОС) верхнього i еекнього каскад1в ( на в1дм!яу в1д чистех рочовпн, да перетиа характерзстгк наваета-аенля верхнього каскаду i конденсатора - вторника дае одну робочу температуру). Сл1д в1дзначяти, що Ш) кьоцу о тал! роэрахунок проводиться при вначвна1 ^ ® 1.

Tpoilft стал роэрахутЛв еяряыозая на ы!я1м1зоц1ю зашешшка у

шраз1 (4), о само па иопугс ulsíuyuy суш !7а п 1ГВ. Величина !7Д за-леклть в оснобясуу в!д в1дноиегс{я tiickíb Р^ / i позначно в!д шслад1в БРТ-НК. Тому вопа практично визначаеться вкэ на первому стал! розр.ахунк1в, 1, так як вказан! таски ф!ксовап1, то 1ГД но вносить сут reEOï корокгаровка у 2с1нцеве значения ексорготачлоге ККД. Пошук м1н1иольного !?в ыаз сенс у випадку, кола qQ ■> qRl тобто при наявп1ет1 запасу холодовзробноет1 верхнього каскаду.

Для кр!оетатувашшя об'еят1в на pimi 80 К для шитого каскад? було забрано БРГ-НК на баз! Яг - CH¿ - ( склада БРТ-НК э1,чпов1дйтяь Zv 1з табл. 1 ). Пнтоио навантсгення на конденсатор -Еггаршк q¡{ при цьоиу uz. перевидуе 60 кДяЛг. У верхньоиу каскад1 ins роботе т1ло liosa заетосовуватясь БРТ на баз1 RÍ4 - Й23- nCjH1Q, пптсна холодовнробн1еть <?в яхого в тешэратурн1Я облас?1 стаковка ¿'3-5 раз1з перепщуе значения

Переход до ыешого значения искллво зд1Ксшгп1 дзота аля-

а

хаил.Перзй - це зиентення розрахункового тгс:;у нагп1тання Р^, що прязодать до знззення р-уЗота ад1абатЕого стасвування у впра-

ве 4- ). Другой - змэнпення розходу ксшресору ВК Upa цьсму,

а

заясо холодовяробяост1, якаЗ «аз верхя1й каскад, дав ысзлив1сть зигпзатя значенпя <7а.

Як показала розрахупн, прз спязепн! таску пагн!таяня звугу-вться i TOC (дпз. изл. 6), smc.il,-ci: чото значно скорсчуеться д1а-пазоп иозиквах робсчах npcwtem тзтдаратур, со приводить до по-г1рсэш!я фуакц1сзалыи2 исглазсстеЗ КДСО. Л зи!яг2зяня розходу через ксшрэсор ЕК пракг.гшо но шшзав па ТОС.Пояспасться цо тпу. чо у nepncîiy вападку прз перем1н1 таску З'л12гаться i епяшаяьз1 склада БРХ-ВХ, як1, в свой чоргу, суттсво вплпвасть на топлогла балано 1 реал!зац1» теплооййну у коадепеа?ор1-вкпаршпеу. У другому вапедку сдтимальн! оклада БРТ-ЕК залишепться kojsîïhIms, i, пока в запао хододоварбСпост!, иоалазо знпгеняя розходу без зы1-

Ш TOC.

Тому при розрохунках i cmrailaaulï КДСО нз БРТ !стотну увагу и1д прад!яята в1даогонна розход1в ксшрееор!в - А. На нал. S приведен! значения пптошх холодовяробноотей, де в1даошення розход1в СРййято piKurí с Уявлеяня про гк1яу розрахунковоЗС шзтупао-

!TÍ fc3 в1д -елячак:! А в д!злаэон1 роСо-шх тешер лтур î*a пра р1зннх исках ыа:-ьа отргиата 1з таСл.2. Розх1д кс'-îopecopy ЕК прцйпят в!д-оз1дним розходаиу харагстерастнкаы компресору ХКВ-8.

Анайз табл. 2 показуе, ко двократкэ гнкаэння таску нагпХтгшня и-иресору верхнього каскаду зцспсуе на U-15S, а щи переход!

Л

- 14 -

_Габ.та;я 2

1«' Таек Р^.Ша (PiB- 0,1 Ша) Потугт1сть Ko'.apoconv, Вт

А - 1 А - 0,75 Л = 0,5

1 1.2 185 139 93

2 1.0 179 134 '.О

3 0,8 171 129 85

4 0.6 162 122 ei

до коштресору з зиеппеноа у 2 t-ази об'езлноз влробноста потумйегь tokos: знккуетьея у 2 рази, со дозволло зйдвщитя е£екяшн1 cm» каскадной КДСО на 35 - 455? при збореаенн1 понородя1г pessaгсх пзрелге-тр1в. 3 врахуванням незпачпого екорочупаяня ТСС , ел1д з1ддавати перевагу другому Еар1анту и1н1и1зац11" поту-кюот!.

3. Результат;: оксперпментальпях досл1даош» каскадной КДСО на БРГ

Для п1дтвердг.;енля о:гг»ш1зац1Ених розрахунк1в були проаеден1 окспер::ментальн1 досл1даешя каскадной К^СО , яка рза.пзу? цикл Л1ндо в обох каскадах. Экспориыэнтальяе вазчення енорге'.щчвих характеристик каскадной КДСО проводалоев у два етагсг. Kn перзсму етсл1 була створена установка, яка «1стила в с об! розроблену -го-лодпу частицу i ка-оресорпо-коддепосторций агрегат, вкявчzxzzZ у себе два герметичных смзцуваоах Kcsrrpocopa ХКЗ-8 для ЕК i Et. IIa другому стал! назначая:«. епоргетичл! харзк'.-ер^сг.та кзскадзоЕ КДСО, коьпресорцо-конденсаторнлЯ агрегат я:»1 вмгачаз у себз гср-иотпчши. iccinpecop ХКЗ-8 для Et I Ш-400 для НК. При прсг-эдггш! досл1дкепь па порсому втсп1 суяi окспернаептально впзначоп1 оптл-иальн! склада азот - вутлзаодного БРТ - НХ ( дкв.. тзбл.З ). Дан!

опткыальн1 склада булз отрлкан! при сл1дуючих у^юаах роботи пн-шього каскаду: тиск зворогньо-го потоку Р}н я о,03 - 0,1 Ша; тиск прямого потоку Р^а и 0,7 -0,8 Ша; температура кр1оотату-всння Г = 80 - 02 К. В1ди1на експериментальннх дают в1д розрахункових валових окяад1а ( дав. табл. 1, склада Zy) пов'язапа з тем, що в1дбузаеться зал1гання частики високоюш'ячих кошокоыт1в БРТ у реальнЮ установц1. Оптн-ыэльн! склада БРТ - ВК для робсчого д!апазспу npouisüfflx температур еклали ZRU = 0,1 - 0,15 молъ/иодь; Z^ = 0,4 - 0,45 моль/моль; гпС4НЮ ~ 0,4 моль/ноль. В1днсш0ши РСЗХ0Д1В на перосму етап1 при застосуванн! двух компресор!в ХКВ-8 дор1внизало А - 1.

Таблпця 3

VK 2 У серед- моль мрт-нк ньояу 'моль

ZU2 ZCU4 ZC3H6

180 190 200 210 0,27 0,25 0,23 0,21 0,30 0,31 0,32 0,33 ООО о

На другому етап! застоеуванпя парк KCunpocopiB ХКВ - О у вор-хиьому каскад! ! ВН-400 у пппльсму каскад! дозволило отрииатя в1д-носешгя об'емпк розюд1в Л = 0,5. Результата пор1вняльних випро-бувшгь систем ( ХКВ-8 - ХКВ-8 ) i ( Ж--в - ВН-400 ) праведен! на

мал.7.

Ох.

Вт 6

aj

——< Ч 1 1__ .-Зг"-*"-"**"!

i-/» Nv 1

j

К Ре, Вт '/. 210 Щ

170 /30 190 200 2!0 Т8, К

190 200 210 Те,К

Нал. 7. Експориментчльн! характеристики наскэдг.гх КДСО з р!шпшя сп1вв1дноиеннямя ocs'evcntr характеристик коьярееогЛв ■

О - система (ХКВ-8 - ХКВ-8), -1=1; о - система (ХКЗ-8 -ВН-400), Д = 0,5.

Експерлменталыю встаповлепо, що зппяепн1 сп1ев1днсгопнл Розход1в у два рази 2о.~одовпробп1с?ь устепсвст Qx у робочоцу д!а-пазон! npoMisann тслгер-зтур зиШнсться п 1,4-1,5 рас л (.• ал. 7,о). Пере11д па ксшрасор ВН - 400 у н^.пьсму каигад! р1впосил:>по шагании \7га верхнього каскаду, у результат! чого е$ективп1сть установки зб!льпуеться на 25-35д (по розрахункам па 35-45Я, як сл!ду<з 1з мал. 7,6). Цо вказуе у ц1лоиу на хорошу 3dlKilc?b о::спер:-:еп-талъних i розрагупкових досл1дкзп^.

вяспоегя

1. Цикл Клименко, я кий мае б!льшу ефоктивн1сть у пор!вшпш! з шжлсп Л1нде, втрачае cboï поревага при застссуваин! ttoro у ния-пьоыу каскад! кзскадно!' КДСО. Про це св:1дчать пор1вняль:11 розра-хунксв! досл1дп;екня, як1 показують, що процзся, лк1 в1д5упакться у вузл1 сепарацН - см1иування, забезпочуоть влксусння топлоо-'м!::у у регенеративна т ,.уюо<5:д!шг;п<ах без п1д_оду додаткового холоду до прямого потоку.

2. При нзявност! великого запасу гододовпробност! верхнього каскаду (qB » q,{) для п1двщешя сфективност! ксскаджи" KSCO ш-г1дно пореходити до б!льи илзьких значень об'ешо! виробност! кем-

npooopiB БК, His зм!нявати тиски Heraii лня коыпрессп!в з б!льши« значениями об'емноХ вкробкоот!.

3. Для каскадноУ КДСО на ЕРТ, на в i да i ну в!д каскадних установок на чистих речовинах, !снуе д!апазон робочих щюи!хашх темпэ-ратур або температурив область стиковки. Розробленхй розрахунково-граф1чннй метод визначення оптимальних парамачр!в КДСО дозволяв знайти цю область з одночасним пошуком оптимальних MPT-ffiC i МРТ-ЕК

4. У випвдку, коли зм!юояться робоч! параметра верхнього каскаду, зм1нтться i оптимальн! склада БРГ-ВК, через цо, змйга теплового балансу конденоатора-випарника, веде до значного окорочення температурно! облает! стиковки каскад!в.

5. У каекадк-Ш КДСО на р1вень кр1остетування 80 К, яка вико-ристув БРТ-НК на r^i C3¿ - Cgffg i БРТ-ВК на баз! R14 - Р23 -vCjljQ, при переход! в1д пари комлресор!в ХКВ-8 - ХКВ-8 до пари компресор!в з р!анов об'емною виробностю, а саме ХКВ-8 у ВК i ВЯ-400 у НК, холодовиробн!сть зб1льшуеться у 1,4-1,5 рази, а вксерге-тнчний ККД t)p зб!льауетьси на 25-353»-

Основний зм!ст дисертац!? викладено у роботах:

1. Исследования энергетических характеристик гелиевого рефрижератора о енергокриогенной ступенью/ Г.К.Лавренченко, С.В.Котенке, С.М.Иеетеренко, А.Л.Клебшвр//ХЬлодил.техника и технология: Ре сп.мвевед.науч.-техн.сб.-1990.-Внн.50.-С.53-57•

2. Результаты сравнительных псгштгг-нД микрокриогешшх систем на смесях с использованием различных охомных решений/ Г.К.Лаврен-ченко,С.А.5убрилпш,С.М.НестербЩ<о,О.В.Змитроченко// Холодал.техника и твхнолоп1я:Рееа.мегаед.науч.-твхц.сб.-1992.-Вш.55.-<3.52-57.

3. А.с.1J1511546(СССР). Дроссельная криогенная установка/Г.К. Лавренчонко, С.Ы.Кестеренко, ¡О.В.Змитроченко и др.-Опубл. в БИ.-1989, N36.

4. А.о.ТЛ53б949(СССР).1йифоохладитель/ Г.К.Лавренченко,С.А. Зубрилин,D.В.Змитроченко,С.М.Не стеренко.- Опубл.в БИ.-1989, N41.

5. A.c.R1ó37303(CCCP). Рабочее тело компрессионной дроссельной системы охлаадения/Г.К.Лаврвнченко, Р.С.Ыихальченко, В.Т.Архипов,С.В.Зютроченко.С.Н.Настеренко и др.- Опубл. в Ш.-1990, J142.

Уыовн! позначешя

Г - температура; Р - таек; I - внгалыйя; Z - склад БРТ; п„ -вксергетичний ККД; I - питома робота стнсн«Вия; А - коеф!ц!ент сп!вв1дноаання розход!в; G - розх1д БРТ; 17 - нотукн!оть;г) - елек-тричниЯ ККД компресору; Т - температура навколишнього сорсдовица. 5 - задаваема перввицення розрахунково! холодовиробност!.

Аннотация

НЕСТЕ'ДЛКО С.М. Оптимизация микракриогенннх кяскяднкх систем охлаждения на уровень ВО К о многокомпонентными рабочими телами. Диссертация на соискание ученой степени кандидат« технических наук но специальной™ 03.04.03 - Машины и аппараты холодильной и криогенной техники и систем кондиционирования, Одесская государственная академия холода, Одесса, 1994 г. Защищается 5 научных работ в т<>ч числа 3 авторских свидетельства, которые содержат результаты '¡■еоретаческих и нксиериментвльннх исследований связанных о совер-чекотвованием дроссельных циклов на многокомпонентных, рабочих те-хт (ЮТ) на уровень охлазиденин Й0 К. Установлено, что при созда-т.г'л каскадной комггресопрной дроссельной сиотомн охлаждения (КДСО) на 1ГРТ на уровень 80 К в нижнем каскад» следует использовать цикл о однократным дросселированием , а ее еффективность ысавт быть по-шиена за счет выбора компрессора для верхнего каскада с. минимально воямокной объемной производительностью. Разработана методика расчотно-т'рафического определения промежуточной температур« као-¡садвой КДСО на МРТ.

Кпочевыв слова:

отлжвдвние, компрессорная дроссельная система, каскад, многокомпонентное рабочее тело, оптимизация. *

NSSPFPSJiCO S.H. Optimization of I'lcrooryogsnio Cascade Refrigerating Syoterra at Temperature level of 80 K Using liul tinomponent Working igenta.

Thesio for a eoientifio degree of Candidate of Soience (Engineer] ns) on the Bpeolnlity:0;).04.03 - liachlnen and apparatus of refrigerating and oryogenlo engineering and nir-oonditioning e^bterra.

Odetssa State Academy of Rafrigemtion, Odessa, 1994. Five uoientlflo papers, (including three authoi* oertifJoatea) containing the results of theoretical and experimental researches iealing with the improvement of throttling oyoles with multlooraiw-lent working agents intended for refrigeration at the temperature level 80 K are presented for discussion. It has been found out that on creating a cascade compressor throttle eyeterns for refri-jeratlon at. the temperature level of 80 K using real ticomponent working agents it to preferable in its lower cascade to use a oy-)le with ona-time throttling. The system's choosing a proper corap-■esBor for the upper oasoade with the minimum possible voliraetrlo iapaolty. The techniques of the oaloulatlon-graphioal deteminati->n of an intermediate temperature of the cascade compressor throt-lo refrigerating system using multioocsponent working agents are eveloped.

Key words:

wfrigoratlon, oofr.presrsor throttle oystea, cascade, rcultiocrapcuent orklng agent, r^tlalzation.