Авторы

Проектирование и оптимизация регенератора криогенного пульсационного охладителя

DOI: 10.17586/1606-4313-2023-22-4-51-59
УДК 542.455

Проектирование и оптимизация регенератора криогенного пульсационного охладителя

Кедам Н. ., Сармин Д. В., Лопатин А.Л., Некрасова С. О., Благин Е.В.

Ссылка для цитирования: Кедам Н., Сармин Д.В., Лопатин А.Л., Некрасова С.О., Благин Е.В. Проектирование и оптимизация регенератора криогенного пульсационного охладителя. // Вестник Международной академии холода. 2023. № 4. С. 51-59. DOI: 10.17586/1606-4313-2023-22-4-51-59

Аннотация
Исследована возможность оптимизации криогенного пульсационного охладителя с температурой охлаждения 80 К. Проведена оценка параметров криоохладителя с учетом особенностей теплообмена и потерь давления при осциллирующем течении газа в регенераторе в программе Regen3.3. Цель исследования – определение оптимальных конструктивных и рабочих параметров регенератора, при которых будет получена наибольшая эффективность охладителя. Исследовано влияние на рабочие параметры газа в регенераторе таких факторов, как частота колебаний рабочего тела, сдвиг фазы, обратный массовый расход, а также длина регенератора. В ходе моделирования с использованием REGEN 3.3 выявлено изменение каких базовых переменных приводят к значительному изменению характеристик ПКО. В результате оптимизации были получены значения рабочих параметров, при которым достигалось максимальное значение эффективности (COP), равное 0,132. Для заданного уровня холодопроизводительности и температуры охлаждения равной 80 К получены следующие параметры криоохладителя: длина регенератора 0,045 м, частота колебаний 40 Гц, сдвиг фазы –40о, обратный массовый расход 0,145 м2/(кг/с), соответственно.Результаты исследования могут быть использованы при проектировании регенератора газовых криогенных машин, а также демонстрируют влияние параметров регенератора на холодопроизводительность и эффективность охладителя.

Ключевые слова: регенератор, криоохладитель, теплообмен, осциллирующий поток, CFD-моделирование.

Список литературы

1. Garaway I. Development of a 150 Hz pulse tube cryocooler. / I. Garaway, Z. Gan, P. Bradley, A. Veprik, R. Radebaugh. Cryocoolers. International Cryocooler Conference. 2009. V. 15. p. 105-13.

2. Zhao Y., Dang H. CFD simulation of a miniature coaxial Stirling-type pulse tube cryocooler operating at 128Hz. Cryogenics. 2016. V. 73.

3. Cao Q. Theoretical and experimental study on a pulse tube cryocooler driven by a linear compressor. / Q. Cao, Z.H. Gan, G.J. Liu, Z.P. Li, Y.Z. Wu, L.M. Qiu, J.M. Pfotenhauer. Cryocoolers. International Cryocooler Conference. 2009. V. 15. p. 149-156.

4. Radebaugh R., Louie B. A simple first step to the optimisation of regenerator geometry. Proceedings of the 3rd cryocooler conference. 1985. pp. 177-198.

5. Radebaugh, R., Lewis, M., Luo, E., Pfotenhauer, J.M., Nellis, G.F., and Schunk, L.A. Inertance Tube Optimization for Pulse Tube Refrigerators. Adv. in Cryogenic Engineering, Amer. Institute of

Physics, Melville, NY. 2006. Vol. 51. pp. 59-67.

6. Pfotenhauera J.M. Regenerator design optimization: Results from REGEN 3.3. / J.M. Pfotenhauera, R.Z. Wang, F.K. Millera. Cryogenics. 2019. V. 97. pp. 77-84.

7. Gary J. REGEN 3.3 User Manual / J. Gary, A. O’Gallagher, R. Radebaugh, Y. Huang, Marquardt, E. 2008.

8. Shi J., Nellis G.F., Pfotenhauer J.M. Dimensionless study and optimized design of the regenerator. Cryocoolers. 2007. V. 14. p. 419.

9. Wang L.Y.Optimization design on single stage regenerators for various working conditions. / L.Y. Wang, M. Wu, S. Zhang, Z.H. Gan, J.M. Pfotenhauer. Journal of Engineering Thermophysics. 2014. V. 34(11). pp. 2134-2139.

10. Almtireen N., Brandner J.J., Korvink J.G. Numerical Thermal Analysis and 2-D CFD Evaluation Model for An Ideal Cryogenic Regenerator. Micromachines. 2020. V. 11, р. 361.

11. Will M.E., A.T.A.M. de Waele. Heat exchanger versus regenerator: A fundamental comparison. Cryogenics. 2005. V. 45(7). pp. 473-480.

12. Pfotenhauer J.M. Parametric optimisation of a single stage regenerator using REGEN 3.2. / J.M. Pfotenhauer, J.L. Shi, G.F. Nellis. Cryocoolers. 2004. V. 13. pp. 463-470.

13. Cha J.S. Oscillatory flow in microporous media applied in pulse - tube and Stirling - cycle cryocooler regenerators. / J.S. Cha, S.M. Ghiaasiaan, C.S. Kirkconnell. Experimental Thermal and Fluid Science. 2008. V. 32(6). pp. 1264-78.

14. Duan Y. Design and optimization of heat exchanger in coaxial pulse tube cryocooler working above 100 K. / Y. Duan, C. Pan, W. Wang, L. Li, Y. Zhou. Cryogenics.2023. V. 129. Р. 103607.