автореферат диссертации по энергетике, 05.14.05, диссертация на тему:Повышение холодопроизводительности дроссельных рефрижераторов оптимизацией параметров и потерь регенеративного теплообменника

1 МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ УКРАЇНИ ХАРКІВСЬКА ДЕРЖАВНА АКАДЕМІЯ МІСЬКОГО ГОСПОДАРСТВА

На правах рукопису

Горпинко Юрій Іванович

ПІДВИЩЕННЯ ХОЛОДОПРОДУКТИВНОСТІ ДРОСЕЛЬНИХ РЕФРИЖЕРАТОРІВ ОПТИМІЗАЦІЄЮ ПАРАМЕТРІВ І ВТРАТ РЕГЕНЕРАТИВНОГО ТЕПЛООБМІННИКА

05.14.05 - “Теоретична теплотехніка”

АВТОРЕФЕРАТ дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук.

Ї7р£-'

Харків - 1997

Дисертація є рукопис.

Робота виконана на кафедрі теплохолодопостачання Харківської державної академії міського господарства (ХДАМГ).

Науковий керівник: кандидат технічних наук, професор

Микола Олександрович Шульга. Науковий консультант: доктор технічних наук Володимир

Федорович Гетманець.

Офіційні опоненти: Доктор технічних наук, професор

Яків Абрамович Лєвін; кандидат технічних наук, доцент Ілля Іванович Петухов.

Провідна установа - Харківський державний політехнічний університет, м. Харків.

Захист відбудеться “ ЪО “ 1997 р.

об і. Ч год. в ауд. на засіданні спеціалізованої

вченої ради Д. 02.27.04 при Харківському авіаційному інституті, за адресою: 310070, м. Харків, вул. Чкалова, 17.

З текстом дисертації можна ознайомитися у бібліотеці Харківського авіаційного інституту.

Автореферат розісланий и ^ 1997 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради, к.т.н., ст. н. с.

УМОВНІ ПОЗНАЧЕННЯ: Т - температура; Р - тиск, ДТ -недорскуперація; 0 - теплопритоки; X - коефіцієнт теплопровідності; №и=к 80брА7х - число одишщь перенесешія тепла між потоками; w - тепловий еквівалент потоку робочого тіла; ш -витрата; її - ентальпія; ср - питома теплоємність; і - неефективність теплообмінника (ТО); є - ефективність ТО; Б -площа поперечного перерізу; Б - площа поверхні теплопередачі; р - густина; а - коефіцієнт тепловіддачі; к - коефіцієнт теплопередачі; Р - коефіцієнт термічного розширення; х - координата вздовж осі теплообмінника; Х'= ХР/(юхДТх) - приведений коефіцієнт теплопровідності; ДТ;; - максимальна різниця температур в ТО; Тх„

- температура холодного джерела.

Індекси: т - теплий потік; х - холодний потік ТО; 2 - сумарна величина; ос. - відповідає температурі навколишньго сере-довіща; н - зовнішнє середовище; б - боковий; кр - крайовий; пер - перегородка; ст - оболонка; - індекс приведення.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

АКТУАЛЬНІСТЬ ТЕМИ. Сучасним актуальним технічним завданням є розробка систем термостабілізації об’єктів інфрачервоної техніки, оптичної електроніки, медичного приладобудування на рівні азотних та гелієвих температур (65-85К, ~ 4К). До систем охолодження оптичної електроніки космічніх апаратів ставлятся жорсткі вимога щодо габаритно-вагових характеристик. Для медичіпіх систем важливо забезпечити автономність і незначну тривалість часу підготовки системи до роботи. Описа-шш вище вимогам у багатьох випадках задовольняють дросельні системи охолодження (ДСО), що відрізняються від інших типів установок простотою сполучення з об’єктами охолодження, мож-

- З -

ливістю мініатюризації. На досконалість дросельної системи помітно впливають енергетичні втрати у регенеративному теплообміннику (РТО). Отже, будь-який, навіть незначний, фактор може призвести до відчутної зміни ефективності теплообмінного апарата, а через нього і всієї дросельної системи.

З літератури відомо, що створити теплообмінник високої ефективності вдається не завжди, навіть у ситуаціях, коли не є критичними ціна апарата або його гідравлічні характеристики. З іншого боку, в деяких ситуаціях можна в рази скоротити поверхню теплопередачі РТО без відчутних енергетичних втрат дросельної системи. Ці факти свідчать про те, що: а) неналежним чином вирішено проблему розрахунку РТО дросельних систем; б) підвищення ефективності РТО можливе не тільки за рахунок нарощування поверхні теплопередачі. Класичні аналітичні дослідження вказують на наявність глибокого екстремуму ефективності теплообмінника в ситуаціях зменшення співвідношення теплових еквівалентів потоків при незмінному значенні числа N01. Прогноз вказаних розв’язків у застосуванні до РТО обіцяє дати відчутний виграш, причому одразу в багатьох напрямках покращення системи, а саме, скорочення габаритів та металоємності (і відповідно ціни) теплообмінного апарата та енергетичних витрат на самозахолоджеїшя системи, зменшення гідравлічного опору, важливе для деяких систем на основі суміші газів (сумішних).

Таким чином, створегаїя конкуренпгоздатішх дросельних рефрижераторів, у тому числі для космічних апаратів, стримується відсутністю загального підходу до оптимізації РТО в умовах можливості варіювання співвідношенням теплових еквівалентів його потоків і, відповідно, відсутністю розроблених критеріїв оптимізації та необгрунтованістю вибору досяжного мінімального значення технічних втрат у РТО.

МЕТА ДОСЛІДЖЕННЯ. Мета роботи полягає у вивченні можливості підвищення холодопродуктивності кріогенних дро-селыпк систем шляхом вибору тієї області нерівності теплових еквівалентів потоків РТО, що забезпечить мінімальне значення технічних втрат у ньому; а також у визначенні обмежень, пов’язати з вторинними ефектами, на підвищення холодопродуктивності ДСО за рахунок збільшеїпія числа №и вказаного апарата.

При цьому основними завданнями роботи були:

- дослідити можливі варіанти вияву режиму екстремальної ефективності РГО в конкретних дросельних системах;

- вивчити особливості, що накладають нелінійності реальних процесів у РТО на досяжність і глибину передбачуваного екстремуму ефективності теплообмінника;

- дослідити ситуації, в яких втрати від обмеженості числа №и в РТО стають порівняними із впливом вторинних ефектів;

- дослідити вплив конструктивішх оболонок та теплопритоку по опорах на ефективність кріогенних ТО;

- разробити адекватну комп’ютерну модель, що забезпечить розрахунок РТО при сильній нелінійності властивостей робочих тіл, з урахуванням вторинних ефектів, для ТО з конструктивними оболонками, в тому числі в ситуаціях теплоізольованих кінців.

МЕТОДИКА ДОСЛІДЖЕННЯ. При проведенні досліджень використано комплексний підхід. Зіставлено висновки аналітичних розв’язань, результати досліджень комп’ютерних моделей та натурних випробовувань. У процесі виконання роботи використано методи теорії диференційних рівня] п., теорії збурень, метод контрольного об’єму при одержанні дискретного аналога комп’ютерної моделі, числові методи розв’язування систем дифе-

ренційних рівнянь, метод структурного програмування, ексерге-тичний метод.

НАУКОВА НОВИНА роботи полягає в одержанні таких важливих результатів:

- визначено, що в сучасних дросельних рефрижераторах регенеративний теплообмінник є джерелом суттєвих втрат холодопродуктивності; ці вірати можна значно зменшити, використовуючи надмірність теплового еквівалента одного з потоків робочого тіла;

- для регенеративных ТО дросельних рефрижераторів, на відміну від классичного підходу Кейса і Лондона, необхідно виділяти дві області, одній з яких відповідає переважання теплового еквівалента гріючого потоку, другій - потоку, що нагрівається;

- запропоновано допоміжний критерій, що дозволяє для конкретної дросельної системи визначити ту з областей, де нерівність теплових еквівалентів потоків забезпечить мінімальну величину втрат у регенеративному теплообміннику;

- показана недоцільність нарощування поверхні теплопередачі регенеративного ТО для підвищення холодопродуктивності дросельного рефрижератора в ситуаціях, коли зовнішній теплопри-ток до вказаного апарата і осьові перетоки тепла по елементах його конструкції вже домінують у структурі втрат РТО;

- виявлено, що досконалість кріогенних ТО (особливо для мікроохолодників) неприпустимо оцінювати за величиною теплої недорекуперації, оскільки теплопритоки з навколишньго середовища призводять до її зменшення;

- запропоновано для характеристики ефективності регенеративного теплообмінника дросельної системи порівнювати досягнуте і теоретично мінімальне значення ентальпії потоку високого тиску на виході з цьго апарата;

- показано, що вплив осьової теплопровідності конструктивних оболонок теплообмінника на його недорекуперації в області значень Х'< 0.02 еквівалентний дії перегородки між потоками тієї ж теплопровідності;

- разроблено оригінальний алгоритм і методику числового перевірного розрахунку протитоковюс ТО, що гарантують успішне завершення ітераційного процесу практично незалежно від вибору початкових розподілів температур і придатні для розрахунку теплообмінника у складі кріогеїшої системи.

ТЕОРЕТИЧНА І ПРАКТИЧНА ЦІННІСТЬ. Проведені досліджеіпія теоретично обгрунтовують можливість створення ефективної ДСО на рівні кріогенних температур з теплообмінником, значення числа Ntu якого суттєво нижче, ніж у сучасішх РТО. Для спрощення аналізу конкретного способу поліпшешія дросельної системи запропоновано новий критерій ефективності РТО. Разроблено надійне програмне забезпечення перевірного розрахунку теплообмінника.

РЕАЛІЗАЦІЯ РЕЗУЛЬТАТІВ РОБОТИ. Основні результати роботи використані у ФТІНТ НАН України при розробці й виготовленні кріогенних систем космічного і наземного призначення, а також у Кріогенній лабораторії Академії наук Китаю.

АПРОБАЦІЯ РОБОТИ. Основні положення і результати роботи доповідалися на двох міжнародних конференціях “Cryogenics" (Кошице, 1990 p., Москва - 1991 p.), а також на науково-технічних конференціях ХДАМГ у 1995-1996 pp.

ПУБЛІКАЦІЇ. За темою дисертації опубліковано 6 друкованих робіт. Внесок автора в публікації, написані у співавторстві, полягає в тому, що ним розроблено комп’ютерні й комбіновані моделі високоефективних ТО та різних дросельних систем охолодження, проведено експерименти на вказаних моде-

лях. Автор також приймав безпосередню участь в інтерпретації та узагальненні результатів досліджень.

СТРУКТУРА Й ОБСЯГ РОБОТИ. Дисертація складається з 127 сторінок друкованого тексту, 27 рисунків, 1 таблиці та має вступ, чотири розділи, висновки, список використаної літератури з 104 найменувань і додатки.

ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі розглядається актуальність, наукова новизна та практична цінність проведених досліджень. Визначено мету дисертаційної роботи та основні завдання, які необхідно вирішити для досягнення даної мети.

У першому розділі обгрунтовано нетрадиційну постановку задачі дослідження дросельної системи, хцо концентрує увагу на РТО. Цій постановці найбільш точно відповідають ситуації, коли зафіксовано тиск засобу видачі стиснутого холодагента, тиск за дроселем, температури теплого і холодного джерела, склад та витрата робочого тіла. Завдашіям є вивчення можливості досягнення максимальної холодопродуктивності системи, припускаючи, що забезпечено ефективне підведення тепла до низькотемпературного джерела.

У такій загальній постановці виділено дві важливих, але мало вивчених підзадачі: 1) співвідношення теплових еквівалентів потоків РТО не змінюється, збільшення поверхні теплопередачі не супроводиться критичним для системи зростанням гідравлічних втрат; 2) співвідношення теплових еквівалентів може змінюватися. У роботах [1,3] обгрунтовано визначення вказаного співвідношення ( V) як відношення теплового еквівалента потоку високого тиску до теплового еквівалента потоку низького тиску.

Така можливість забезпечена в теплообміннику останньго рівня гелієвого дросельного рефрижератора з неоновим попереднім охолодженням, у випадку вибору схеми з дроселюванням гелію в каналах прямого потоку, а також для РТО сумішіпіх систем. Дисертанту була доступна для аналізу достатньо повна інформація про експерименти на сумішних компресорних дросельних системах охолодження (КДСО) з незмінним заправним складом суміші при змий режиму їх роботи. У процесі відхилення И при зміні режиму роботи ДСО може змінюватись теоретично досяжний дросель-ефект робочого тіла системи і витрата суміші, що ускладнює аналіз.

У другому розділі розглянуто методологію вивчення характеристик РТО і дросельних систем. При дослідженні дросельних систем у комп’ютерішх моделях ДСО використано дані натурних випробувань, проведених працівниками ФТІНТу. Наявність інформації про витрату робочого тіла та вихідних характеристик компресорного блока і випарника у сталому режимі роботи ДСО дає змогу звести розрахунок характеристик кріоблока до перевірного розрахунку РТО. У деяких ситуаціях ті ж спрощення моделі можливі через конструктивні особливості ДСО.

Використання описаного підходу до вивчення дросельних рефрижераторів пов’язано, головним чином, з відсутністю загальновизнаних точних комп’ютерних моделей РТО. У зв’язку з цією проблемою результати вивчення компьютерно! моделі, не підтверджені дагаїми натурних випробувань можуть викликати недовіру. Наявність даних випробувань також дозволяє мати інформацію про реакцію системи на зміну параметрів РТО, що підвищує вірогідність досліджень.

У даному розділі описана одновимірна математична модель протитокового рекуперативного теплообмішшка, опублікована в

роботах [1,4]. На її базі створено програмне забезпечення, що дозволяє: здійснювати проектний або перевірний разрахунок (для останнього забезпечена балансова точність не гірше 0,03%); врахувати нелінійність теплофізичних властивостей холодоагентів, а також змінність коефіцієнтів гідравлічного опору й тепловіддачі; проектувати теплообмінники з розподіленим дроселюванням стиснутого потоку; враховувати осьову теплопровідність конструкції (у тому числі з нелінійним характером залежності коефіцієнту теплопровідності від температури), теплоприток по опорах ТО та теплоприток до його бокової поверхні; використовувати стандартні програми розрахунку властивостей робочого тіла.

Система теплообмінник - навколишнє середовище описується такими рівняннями в диференційній формі. Потоки:

. dT; dPj

ШіСрі(ТьРі) ------ + рі 1(Ti,Pi)[l-Pj(Ti,Pi)]------=

dx dx

— «іСГьРіМ '- (Т„-Ті) + ----------- (Тстл-Ті)]; і=х,т. (1)

L L

Оболонки:

d dTCT і Scr.j

Fcr [-Хі(Тст і) ] = -[аКТьРОСГст і- Т;) - qH(TcT 01 (2)

dx dx L

Перегородка:

°tx(Tx)Px)(Tn-Tx)Sx — ^(Tf.P^CTj-TJSr. (3)

З граничними умовами:

TX(L) * Txu = const; TT(o) » T^ = const; .

dTCT(o) dT„(L)

-...= flTcr(o)];-----------= ФГГСТ(Ь)]. (4)

dx dx

Рівняшія енергії для елемента конструкції, який розділяє потоки холодоагента записані з припущенням, що його тепловий опір в поздовжньому напрямку нескінченно великий, опором в поперечному напрямку можна знехтувати. Гідравлічні опори потоків були розраховані за лінійними втратами тиску. Відмінністю ( і позитивною якістю) моделі є використання граничних умов другого роду в рівнянні теплопровідності оболонок.

Якщо не враховувати вторинні ефекти, приведену систему диференційних рівнянь (д. р.) можна проінтегрувати аналітично; отриманий загальний інтеграл визначає постійність ентальпійного натиску по довжині теплообмінного апарата. Остання умова може слугувати базою для так званих інтервальїшх методів разрахунку ТО. У дисертації наведено методику проектного разрахунку інтервальним методом, що використовує незалежно разроблене програмне забезпечення за властивостями робочих тіл ДСО.

При перевірному розрахунку береться до уваги максимально можливе число факторів впливу, тому для інтегрувати системи д. р. був використаний метод кінцевих різниць. При розв’язанні системи алгебраїчних рівнянь реалізовано оригінальний алгоритм. Ідея останнього базується на тому, що для інтегрування крайової задачі достатньо задатися будь-яким рівним розподілом температур по перегородці і оболонках. Визначивши температурні профілі потоків холодоагента, легко перерахувати профіль температур перегородки. Знаючи розподіл температури холодного потока, інтегруємо рівняння теплопровідності оболонок. Відновлюємо температури потоків і т. д. Стійкість розв’язання забезпечена використанням фізичних обмежень на поведінку розв’язків крайової задачі під час ітераційного процесу.

Адекватність комп’ютерної моделі регенеративного ТО перевірена у порівнянні з розрахунком за інтервальним методом та зіставленням з аналітичним розв’язком Крігера, що враховує осьові перетоки тепла. В обох випадках спостерігалося накладання результатів. Підтверджує адекватність запропонованого способу моделювання РТО і сумішевих КДСО також порівняння даних розрахунків автора з результатами натурних випробовувань різних ДСО, виконаних у ФТІНТі та Кріогенній лабораторії Академії наук Китаю. На рис. 1 наведено порівняння результатів дослідження різними способами характеристик сумішевої КДСО в експерименті, коли змінюється температура навколишнього середовища при незмінному тискові нагнітання компресора 4.0 МПа.

Рис.1. Холодопродуктивність КДСО при зміні температури суміші на вході в РТО.

1 -теоретично максимальна; 2 (~0~ ) - комп’ютерний експеримент; З (“О- ) - дослідні дані, * - точка роси;

тиск нагнітання компресора - 4.0 МПа; №и=7.8 * 10.3.

Зіставлено результати вивчення комп’ютерної моделі автора, даних натурних випробовувань ФТІНТу і теоретично максимальної холодопродуктивності системи. У дисертації ті ж залежності було

порівняно для аналогічних експериментів з тиском нагнітання компресора 3.0-і 4.0 МПа. Якісна відмінність результатів у зоні температур нижче точки роси спостерігалася для всіх трьох експериментів і має пояснення в зміні хімічного складу суміші [2].

У третьому розділі проведено аналіз експериментів, здійснених на комп’ютерних моделях, в яких змінювалась питома холодопродуктивність двох сумішевих та гелієвої ДСО різними фізичними способами. Результати досліджень комп’ютерних моделей сумішевих систем підтверджені даними натурних випробувань. Аналіз свідчить, що в кожному експерименті досягнуто підвищення холодопродуктивності системи за рахунок зменшення втрат в РТО, яке було забезпечене надлишком теплового еквівалента одного з потоків робочого тіла.

На рис. 2 зображено залежності кінцевих недорекуперацій РТО сумішевої КДСО, що відповідають експерименту зі зниженням температури суміші на вході в кріоблок. Пунктирними лініями зображено залежності, разраховані за аналітичним розв’язанням роботи [3] (останні переходять у класичні у випадку визначення V? у формі И=Кт>х./Ивах). Розв’язки роботи [3] мають вигляд

Й -1

ДТт= -----— ДТЕ; (5)

с N -1

с ( Й -1)

дТх=— -------- ДТЕ, (6)

с И -1

де с= ехр(№и ( И -1)/ Ю ).

Аналітичні криві побудовано на базі інформації про V? і №и, отриманої в комп’ютерних експериментах. Суттєве зменшення холодної недорекуперації в зоні Н<1, де теоретично максималь-

на холодопродуктивність системи не змінюється, прогнозоване аналітичним розв’язком спостерігається і для експериментальних даних. Показано, що перевищення у декілька разів величини теоретичної недорекуперації порівняно з експериментальною для всіх комп’ютерних експериментів пояснюється відхиленням се-редньоінтегрального температурного натиску від значення серед-ньологарифмічного для кінцевих недорекуперацій.

0, 6 0,7 0,0 0, 9 1,0 йГ

Рис. 2. Залежності відносних недорекуперацій на “теплому” й “холодному” кінцях РТО від приведеного теплового еквіваленту при зміні температури навколишнього середовища.

____ - Дані комп’ютерних експериментів; ------- - аналітичні

розв’язки (5),(6); 1 - тепла недорекуперація; 2 - холодна

недорекуперація, Рнагн = 4.0 МПа. N01=7.1-ь 9.6. Твх= 260-г 340К.

Була досліджена також ДСО, що зріджує аргон. Її відмінністю [4] є попереднє охолодження потоку аргону в кільцевій щілині між горловиною кріостату та зовнішньою оболонкою РТО сумішевої КДСО, за рахунок використання холоду зворотньго потоку суміші. Далі аргон конденсується на випарнику КДСО і стікає в нагромаджувач, що знаходиться всередині

кріостату під випарником. Натурні випробування вказаної системи показали, що її холодопродуктивність в режимі зрідження теплого аргону з передохолодженням на РТО на ~ 25 % вище, ніж у тієї ж системи при зрідженні аргону, з температурою, близькою до температури насичення, виключно на випарнику. В останньому режимі КДСО компенсує тепловиділення електронагрівника з регульованою потужністю, що знаходиться у глибині рідкого аргону. Досліджеїшя відповідної комп’ ютерної моделі показало, що збільшення холодопродуктивності системи забезпечене зшскен-ням технічних втрат у РТО; припустимо розглядати вплив потоку аргону як додаток до теплового еквіваленту потоку високого тиску. Експерименти на комп’ютерній моделі дали результати, адекватні даним випробувань. Зниження технічних втрат досягнуто за рахунок роботи ЕГО в режимі відхилення И від 1, причому таке відхилення відбувається в області W>l.

Досліджена також баллонно-редукторна гелієва ДСО з передохолодженням твердим неоном, в якій для досягнення температури кріостатування 4.4 К передбачалося дроселювати гелій у каналах стиснутого потоку РТО. Такий варіант робить актуальною задачу вибору оптимального тиску на виході прямого потоку з РТО. На рис. З наведено результата перевірного розрахунку РТО при зміні гідравлічного опору каналів прямого потоку. Останнє є одшім із способів зміни співвідношення теплових еквівалентів теплообмінника. Геометричні розміри апарата були оптимізовані на вихідний тиск 2,0 МПа за допомогою програми проектного розрахунку. Моделювання зміни гідравлічного опору було досягнуто варіюванням коефіцієнта гідравлічного опору. Відхилення аналітичного розв’язання і комп’ютерних експериментів корелює з співвідношенням середньоінтеїрального та середньолога-рифмічного для кінцевих недорекуперацій температурного на-

тисків. З рис. З видно, що РТО у даному експерименті має оптимум по теплій недорекуперації. У роботі [6] показано, що варіювання гідравлічним опором прямого потоку РТО не спричинює додаткових втрат ексергії у дросельному блоці.

_ Рис. 3. Вплив тиску Р на виході потоку теплого гелію з РТО на VI та відносні недорекуперації апарата.

1 - комп’югершій розрахунок; 2 - співвідношення (5),(6);

N01 =12-ь15; <3и=0; Оікр =0-

Аналіз лінійної моделі ДСО свідчить, що енергетичшш критерій ефективності теплообмінного апарата (в літературі його заведено називати температурним ККД), найбільш часто уживаний для оцінки термодинамічної ефективності РТО, не завжди корелює з якістю апарата як елемента дросельної системи. Використовуючи рис. 2, можна легко уявити якісний характер розв’язків (5), (6) для широкого спектру И, розширивши праву частину

графіка до значень И ~ 1,5 і враховуючи, що аналітичний розв’язок в області Ю >1 майже симметричний відносно прямої N=1. Для сумішної КДСО, варіювання параметром И РТО якої не зв’язане із зміною дросель-сфекта при температурі холодного джерела, в області V? <1 найбільшому значенню температурного ККД РТО відповідає теоретично максимальна холодопродуктивність системи, а в області Ю > 1 - близька до нуля.

Температурний ККД розроблений у літературі як характеристика конструктивної досконалості ТО і записаний у формі, що ігнорує втрати від небалансу теплових еквівалентів, внаслідок того, що вони принципово не можуть бути компенсовані конструктивними методами. Критерій ефективності РТО дросельної системи в розглянутій ситуації мусить враховувати балансові втрати в області Ю>1 і не враховувати їх в області Ю<1.

У випадку гелієвої системи зміна N досягається варіюванням середньоііггегральної теплоємності потоку високого тиску при незмінному значенні ізотермічного дросель-ефекта на теплому кінці РТО, тому балансові втрати зменшуватимуть холодопродуктивність системи в області N<1, але не будуть виявлятися в зоні И>1. У роботі [2] автором запропоновано оцінювати ефективність РТО дросельних рефрижераторів, порівнюючи досягнуте й теоретично мінімальне значення ентальпії потоку високого тиску на виході з цього апарата. Запропонована в роботі [2] найбільш проста форма запису критерію має вигляд

Єрто=(1і(Д°СЯПІ>тс)/Ь(шіп))100%, (7)

де Ь - ентальпія потоку високого тиску на виході з РТО. Указаний критерій дає змогу корректно враховувати втрати, пов’язані з нерівністю теплових еквівалентів у будь-якій сілуації; критерій захищений від спотворення зовнішнім теплопритоком.

У четвертому розділі розглянуто вплив вторинних факторів на неефективність і недорекуперації протитокових теплообмінників. Для аналізу використано аналітичне розв’язання роботи [4], отримане на основі узагальнення проведених автором комп’ютерних експериментів. У дисертації використано частковий випадок розв’язку [4], що враховує особливості конструкції і умови роботи РТО дросельних мікрокріогенних рефрижераторів. Вказане рішення зіставляється з даними експериментів на комп’ютерних моделях високоефективних протитокових ТО.

Досліджено вплив конструктивних оболонок порівняно з розв’язками Крігера (розв’язок роботи [4] в окремому випадку переходить в розв’язок Крігера) для осьових перетоків тепла по теплопередавальній перегородці між потоками. Показано, що вплив осьових перетоків тепла по оболонках для значень >.’<0.02 еквівалентний до дії перегородки. З аналізу ефективності ореб-рення пластинчато-ребристих ТО, проведеного в роботі [3], випливає, що для даної конструкції особливо суттєва суперечність між вимогою достатньо високої теплопровідності конструкційного матеріалу для забезпечеіпш ефективної роботи ореб-рення та загальною для кріогенних ТО вимогою мінімальних осьових перетоків тепла.

Досліджувався також вплив зовнішнього теллопритоку на недорекуперації протитокового теплообмінника, в тому числі теп-лопритоків по опорах. Показано, що холодна недорекуперація збільшується пропорційно зовнішньому теплопритокові, а тепла -зменшується. У дисертації вивчено ситуації як збалансованих ТО, так і небалансу теплових еквівалентів потоків. У всіх випадках зіставлення даних комп’ютерних експериментів з відповідним аналітичним розв’язком виявило задовільну кількісну відповідність і якісну узгодженість, також і при нелінійному роз-

поділі теплопритоку до бокової поверхні (за випромінюванням) і нелінійності теплопровідності конструкційного матеріалу. На рис. 4 наведено порівняння результатів комп’ютерних експериментів і аналітичного розв’язання для випадку Уї=1.11 в ситуації рівномірно розподіленого зовнішнього теплопритоку до бокової поверхні теплообмінника. Квадратиками на рис. 4 позначено дані вивчення комп’ютерної моделі РТО описаного вище зріджувача аргону.

Л.*г Г І-х

1,5

1

0,5

Рис. 4. Залежності приведених недорекуперацій_незбалансо-ваного теплообмішпіка іг та іх від теплопритоку 0Хб до бокової поверхні оболонки, що взаємодіє з холодним потоком при Хх’=С0П5І.

1 - комп’ютерний експеримент; 2 - розв’язок роботи [3];

□ -дані для РТО зріджувача аргону; №и=17.5; V? =1.11; Ог кр=0;

Теплове навантаження від аргону можна інтерпретувати як рівномірно розподілений теплоприток до бокової поверхні теплообмінника. Таким чином теоретичний результат про дію зовнішнього теплопритоку на недорекуперації ТО підтверджується

0, 01 0,02 0,03 0Х.6

даними випробувань. Приведена неефективність і є співвідношенням недорекуперацій

_ АТт,х

іт>х = • (8) АТт>х( X —0, (^£ Кр=0; Оіа=0)

Проаналізуємо структуру втрат збалансованого протитоково-

го ТО на основі аналітичного розв’язку роботи [4], висновки

якого багаторазово перевірені дисертантом шляхом зіставлення з

даними комп’ютерних експериментів. Для випадку >Ли»1 і 1*7=1

неефективність ТО має вигляд

1 _ _

іто = 1 - АТх/ДТе =........ + Ои/2 + >-ї* + Оі.кр • (9)

№и

З рівняння (9) випливає, що всі види теплопритоків збільшують неефективність ТО (також і осьові перетоки тепла). Тому для створення високоефективних теплообмінников (і <0.02) треба всі зовнішні й осьові теплопритоки зменшити до значень /^*<0.005;

(2е5<0.01; Ох.кр<0.005. Рівншпш (9) у явному вигляді показує, що не всі види втрат в ТО можна компенсувати збільшенням числа №и апарата. Не має сенсу збільшувати Ми до рівня більшого, ніж 10/( Ои/2 + Хе* + Ох.кр)> оскільки в цьому випадку значення іто визначатиметься величиною теплопритоків до ТО.

Аналізуючи структуру втрат в РТО можна зробити такий висновок: рекомендований у літературі спосіб знешкодження впливу вторинних факторів теплообміну шляхом збільшення числа №и апарата має обмежену область використання і дає ефект тільки в тому випадку, коли резерв підвищення ефективності ТО, пов’язаний з недостатньою величиною параметра N14, не є малим у порівнянні з величиною втрат від вторинних факторів теплообміну. Якщо ж цей резерв малий, то покращення

конструкції необхідно здійснювати в напрямку безпосереднього зниження теплопритоків різної природи. Але це складне технічне завдання, для розв’язання якого потрібне використання чи ство-реіпія нових конструкційшіх та ізоляційних матеріалів, або розробка принципово нових конструкцій ТО. Для існуючих технологій наведений в четвертому розділі аналіз дозволяє з більшою достовірністю оцінити значення технічних втрат у РТО, яке і накладає обмежешія на іраничні характеристики реальної ДСО.

У додатках наведено документи, що підтверджують впро-ваджешш результатів дисертаційної роботи.

ВИСНОВКИ.

1. Показано, що регенеративний тепплообмінник є джерелом суттєвих втрат холодопродуктивності сучасних дроселышх рефрижераторів. Ці втрати можуть бути значно зменшені використанням надмірності теплового еквівалента одного з потоків робочого тіла.

2. Виявлено, що для регенеративных ТО дросельних рефрижераторів, на відміну від класичного підходу Кейса і Лондона, необхідно виділяти дві області, одній з яких відповідає превалю-ваіпш теплового еквівалента гріючого потоку, другій - потоку, що нагрівається; запропоновано допоміжний критерій, що дозволяє для конкретної дросельної системи визначити ту з областей, де нерівність теплових еквівалентів потоків забезпечить мінімальні втрати в регенеративному теплообмішпіку.

3. Показана недоцільність нарощування поверхні теплопередачі регенеративного ТО для підвищення холодопродуктивності дросельного рефрижератора в ситуаціях, коли зовнішній тепло-

приток до вказаного апарата і осьові перетоки тепла по елементах його конструкції вже домінують у структурі втрат РТО.

4. Розроблено оригінальний алгоритм і методику числового перевірного разрахунку протитокових ТО, що гарантують успішне завершення ітераційного процесу практично незалежно від вибору початкових розподілів температур і придатні для розрахунку теплообмінника у складі кріогенної системи.

Основні результати дисертації опубліковані в роботах:

1.Гетманец В.Ф., Горпинко Ю.И., Левин А.Я. Вопросы тепловой оптимизации противоточных теплообменников криогенных установок. “Cryogenics - 90” 1-st Inlem.Conf. about technique of low temperature, Kosice, 1990, p. 236-237.

2. Горпинко Ю.И., Гетманец В.Ф., Лобко М.П., Якуба В.В. Повышение холодопроизводительности дроссельных микрокрио-гснных систем на основе смесевого рабочего тела. Повышение эффективности и надежности систем городского хозяйства. - К.: ИСИО, 1995.- С. 134-138.

3. Горпинко Ю.И., Шульга Н.А. Повышение эффективности перекрестно прямоточных утилизаторов. Эксплуатация и ремонт зданий и сооружений городского хозяйства. - К.: ИСИО, 1995.-С. 87-90.

4. Гетманец В.Ф., Горпинко Ю.И., Левин А.Я. Проблемы расчета высокоэффективных теплообмешшков. // Тез. докл. меж-дунар. конф. “Криогеника -91”. - М.: ЦИНТИ Химнефтемаш, 1991. С. 137.

5. Гетманец В.Ф., Горпинко Ю.И., Левин А.Я., Юрченко П.Н. Математическое моделирование немагнитного криостата со встроенным ожижителем // Тез. докл. междунар. конф. “Криогешіка-91 ”. - М.: ЦИНТИ Химнефтемаш, 1991. - С. 117.

6. Горпинко Ю.И. Дополіштельная возможность оптимизации дроссельных систем криостатирования. // Тез. докл. XXVIII науч.-техн. конфер. препод., асп. и сотр. ХГАГХ. Строительство и эколопш,- Харьков, 1996. - С. 60.

АННОТАЦИЯ.

Горпинко Ю.И. Повышение холодопроизводительности дросселышх рефрижераторов оптимизацией параметров и потерь регенеративного теплообменника. Диссертация на соискашіе ученой степени кандидата технических наук по специальности

05.14.05 - Теоретическая теплотехника, Харьковская государственная академия городского хозяйства, г. Харьков, 1997 год.

Защищаются шесть научных работ, которые содержат результаты исследовании высокоэффективных криогешпох теплообменников и дросселышх рефрижераторов на азотный и гелиевый уровни температур. Разработаны оригинальный алгоритм и методика поверочного расчета противоточных ТО, которые гарантируют успешное завершение итерационного процессса практически независимо от выбора начальных приближений. Установлено, что потери холодопроизводительности дроссельного рефрижератора могут быть значительно уменьшены использованием избыточности теплового эквивалента одного из потоков рабочего тела в регенеративном теплообменнике. Показана нецелесообразность наращивания поверхности теплопередачи регенеративного ТО для повышения холодопроизводительности дроссельного рефрижератора в ситуациях, когда внешний теплопри-ток к указанному аппарату и осевые перетечки по элементам его конструкцій являются доминирующими в структуре потерь этого теплообменника.

Goipinko Yu.I. The increase of cool capacity of trottle refrigerators by optimizing the parameters and losses of regenerating heat exchanger. Thesis for master's degree of the candidate of technical sciences on speciality 05.14.05 - Theoretical heat enginering, Kharkov state academy of municipal economy, Kharkov, 1997.

Six scientific works are submitted, which contain research results on highly efficient cryogenic heat exchangers and trottle refrigerators at nitrogen and helium temperatures. Check-up calculations counterflow heat exchangers original algorithm and technique have been developed. They garantee suecessesiiil completion of iterative process practically irrespective of initial approach selection. It is found, that the cool capacity losses of trottle refrigerators may be substantially decreased by using thermal equivalent redundancy of one of the regenerating heat exchanger working body flows. It is shown, that there is no point in building up the heat exchange surface to increase trottle refrigerators cool capacity in cases, where the axial spreating of heat and external heat inflow to this apparatus are dominant among heat exchanger losses.

Ключові слова: дросельна система охолодження, регенеративний теплообмінник, недорекуперація, вторинні ефекти.

Відповідальний за випуск Підп. до друку 18.03.97. Обл. -друк. арк. 0.9.

Ум. друк. арк. 1.00. Замовл. №

к.т.н., проф. Шульга М.О. Формат 60x90 1/16.

Папір друк. №1.

Тираж 100 прим.

Сектор оперативної поліграфії ІОЦ ХДАМГ ХДАМГ, 310002, м. Харків, вул. Революції, 12.