Двосекційний мікрохолодильник

Двосекційний мікрохолодильник, що містить стержень, на який навито багаторядний трубчатий витий теплообмінник, який має секцію попереднього охолодження з дросельними отворами і секцію зрідження, виведену транзитом з багаторя дного витого теплообмінника і кожуха мікрохолодильника, входи трубок якого підключені до штуцера-колектора, а багаторядний витий теплообмінник вміщено в кожух, який відрізняється тим, що в трубках секції попереднього охолодження теплообмінника площі дросельних отворів неоднакові і збільшуються з довжиною трубки ряда теплообмінника, а площина дросельного отвора в останньому неоребреному ряді секції попереднього охолодження виконана меншою, ніж останній ряд багаторядного теплообмінника Запропонований винахід відноситься до систем охолодження, а конкретно до балонних дросельних систем (МКС), призначених для охолодження до крютемператур приймачів променистої енергії (ППЕ) оптико-електронних приладів (ОПЕ) Відоме обладнання охолодження приймача променистої енергії, яке включає періодичну подачу стиснутого крюагента в однорядний трубчатий теплообмінник, розташований у посудині Дюара, яка служить корпусом (кожухом) мікрохолодильника (Романенко Н Т , Рынковой Ф Ф Исследование основных характеристик баллонной микрокриогенной системы с цикличной подачей криоагента Химическое и нефтяное машиностроение, 1981 г, №5, с 19-21) Недоліки, притаманні цьому обладнанню, можна звести до наступного нестабільна температура охолодження ППЕ тому, що внаслідок зміни тиску в холодній зоні мікрохолодильника при регулюванні витрат крюагента відбувається підвищення температури охолодженні об'єкта, таким обладнанням неможливо охолоджувати рухомі об'єкти, наприклад, об'єкти, які качаються відносно поздовженої осі ОЕП в деякім тілеснім куті У мікрокрюгенній техніці відомо мікрохолодильник з паралельним дроселюванням крюагента, який використовується для охолодження приймачів променистої енергії і відноситься до групи "бризкаючих" мікрохолодильників Він найбільш близький до запропонованого технічного рішення і тому його вибрано за прототип (А с №377591/СССР/ Микрохолодильник В И Животовский, Л Д Корнеенко и Ю В Шиганский Опубл в Б И , №18, 1973) Мікрохолодильник має стержень, на якому змонтовано багаторядний трубчатий витий теплообмінник, ВХІДНІ КІНЦІ трубок якого підключені до штуцера-колектора Теплообмінник вміщено в кожух, з холодного кінця теплообмінника виходить транзитна трубка Мікрохолодильник у складі балонної дросельної мікрокрюгенної системи працює таким чином Азот, стиснутий до робочого тиску 35МПа, накопичується в балоні В процесі роботи азот високого тиску надходить в MX Внаслідок паралельного рівнобіжного розширення азоту в MX відбувається теплообмін між потоками газу високого і низького тиску Газ низького тиску рухається по теплообміннику у зворотному напрямку після дроселювання Відбувається рекуперація холоду, що приводить до зниження температури перед дросельними отворами Попередньо охолоджений азот в транзитній трубці виробляє паро-рідинну суміш, яка охолоджує приймач променистої енергії Рідинний азот накопичується в порожнині корпуса ППЕ до початку автономного режиму У період автономного режиму робочий рівень температури ППЕ забезпечується за рахунок випаровування рідинної фази азоту, який накопичується в корпусі ППЕ 49244 До основних недоліків двосекційного мікрохолодильника треба віднести те, що він не відповідає вимогам з габаритно-масових характеристик, а в теплообміннику неоднаково розподіляється теплове навантаження на ряди трубок теплообмінника секції попереднього охолодження Це приводить до додаткових втрат крюагента на охолодження деталей MX, до збільшення часу виходу на режим і зменшення КІЛЬКОСТІ виробленого рідинного крюагента, особливо у пусковому періоді Додаткові витрати крюагента на підвищення характеристик системи охолодження (CO) приводять до зменшення часу роботи CO від балона і збільшення кінцевого тиску Також MX не відповідає вимогам з довжини В основу винаходу поставлено завдання по створенню двосекційного мікрохолодильника з підвищеними характеристиками при менших його розмірах Однаково розподілити теплове навантаження на ряди трубок теплообмінника секції попереднього охолодження і тим покращити теплообмін між секціями мікрохолодильника Зменшити час виходу на режим ППЕ за допомогою збільшення вироблення рідинного крюагента секції зрідження MX Також поліпшити характеристики MX за рахунок зменшення теплоприпливу до теплообмінної частини MX Для вирішення поставленої задачі у двосекційному мікрохолодильнику, що містить стержень, на який навито багаторядний трубчатий витий теплообмінник, що має секцію попереднього охолодження з дросельними отворами та секцію зрідження, виведену транзитом з багаторядного витого теплообмінника і кожуха мікрохолодильника, входи трубок якого підключені до штуцераколектора, а багаторядний витий теплообмінник вміщено в кожух, в трубках теплообмінника секції попереднього охолодження площі дросельних отворів неоднакові і збільшуються з довжиною трубки ряду теплообмінника, а площина дросельного отвору в останньому неореброваному ряді секції попереднього охолодження виконано меншою у порівнянні з останнім рядом багаторядного теплообмінника Вищезгадані зміни дозволили покращити характеристики MX і вирішити поставлену задачу Автор провів комплекс досліджень для зменшення довжини і габаритів мікрохолодильника у порівнянні з прототипом (серійний MX), при цьому запровадив такі технічні рішення і зміни в конструкції мікрохолодильника, а саме виконав площу дросельних отворів неоднаковими, а таким чином, щоб отвір збільшувався з довжиною трубки ряду теплообмінника, розподілив витрати крюагента при дроселюванні в теплому стані таким чином, щоб витрати були пропорційні ЗОВНІШНІМ поверхням трубок теплообмінника, в секції попереднього охолодження додав один ряд неореброваної трубки і виконав и останньою, в неореброваному ряді теплообмінника секції попереднього охолодження площу дросельного отвору виконав таким чином, щоб при дроселюванні крюагента в теплому стані були не більше, ніж в останньому ряді багаторядного теплообмін ника, багаторядний теплообмінник виконав п'ятирядним, виконав діаметр стержня у співвідношенні 2,5 5,0 діаметра трубки теплообмінника, транзитний ряд трубки виконав середнім рядом багаторядного витого теплообмінника, зменшив отвір локального дроселя в трубках секції попереднього охолодження і, тим самим, зменшив витрати крюагента в локальному дроселі, перший ряд трубки теплообмінника навив біфіляром разом з теплоізоляційною ниткою Використання вищевикладених технічних рішень дозволяє покращити теплообмін між рядами теплообмінника і зменшити довжину мікрохолодильника (теплообмінника) за рахунок неоднакового розподілення витрат крюагента при дроселюванні в теплому стані були пропорційні ЗОВНІШНІМ поверхням ореброваних трубок теплообмінника Вказані зміни зменшують температуру недорекуперацм відпрацьованого крюагента на виході із мікрохолодильника, поліпшити теплообмін між секціями зрідження і попереднього охолодження за рахунок скерованого на транзитну трубку руху крюагента у зворотному напрямку після дроселювання, що приводить до збільшення вироблення мікрохолодильником рідинного крюагента (збільшується коефіцієнт зрідження) на меншій довжині теплообмінника, уникнути проникнення крюагента в зворотному напрямку між тонкостінним кожухом і теплообмінником за рахунок більш щільної посадки порожнини кожуха зовнішнього ряду секції попереднього охолодження, що сприяє кращому теплообміну між секціями Сутність винаходу пояснюється кресленнями (див фіг 1, 2) На фіг 1 зображена блок-схема мікрокрюгенної системи охолодження приймача променистої енергії, де пусковий пристрій 1, установлений на балоні 2, який заправлений робочим тілом (азот) до тиску 35МПа, пусковий пристрій з'єднаний послідовно трубопроводом 3 з пневмороз'єднувачем 4 та двосекційним мікрохолодильником 5, який має секцію зрідження 6 і секцію попереднього охолодження 7, корпус накопичувача крюагента 8, на якому установлено приймач променистої енергії 9 На фіг 2 показано загальний вигляд мікрохолодильника, де секція зрідження MX 6, секція попереднього охолодження 7, стержень 10, нитка 11, штуцер-колектор 12, металокерамічний фільтр 13, тонкостінний кожух 14, днище кожуха 15, неоребрований ЗОВНІШНІЙ (останній) ряд 16 секції попереднього охолодження 7, нитка (фторопластова плівка) 17, вихідний канал 18 Теплообмінник складається із секції зрідження 6 і секції попереднього охолодження 7 і має п'ять рядів трубок, які навиті на порожнистий стержень 10 Теплообмінник міститься у тонкостінному циліндричному сталевому кожусі 14 і має дві секції секцію зрідження 6, утворену третім (середнім) витим рядом, який проходить транзитом через весь теплообмінник, а потім виводиться з днища 15 кожуха 14 MX Інші чотири ряди витих капілярних трубок утворюють секцію попереднього охо 49244 лодження7 ВХІДНІ КІНЦІ трубок теплообмінника впаяні у штуцер-колектор 12 У штуцері 12 установлено металокерамічний фільтр 13, який забезпечує очищення крюагента від механічних часток розміром понад 7мкм Внутрішня порожнина штуцера 12 є колектором, з якого крюагент надходить до капілярних трубок теплообмінника Секція попереднього охолодження 7 зібрана з трубок діаметром 0,45мм, товщина стінок яких 0,05мм (1, 2 і 4 ряди теплообмінника) Ці трубки оребровані мідним дротом діаметром 0,12мм з кроком 0,3мм, а п'ятий ряд теплообмінника, який входить до цієї секції, зроблено з неореброваної трубки також діаметра ВИХІДНІ КІНЦІ трубок секції попереднього охолодження 7 (1, 2, 4 і 5 ряди) загерметизовано пайкою На останніх витках кожної трубки виконано локальний дросельний отвір, який являє собою отвір діаметром, приблизно, 0,2мм Трубка секції зрідження 6 виконує функцію розподіленого дроселя (в якому газ розширюється і одночасно охолоджується), який має сталий переріз по усій довжині, включаючи вихідний канал цієї трубки Ущільнення зовнішнього ряду теплообмінника і внутрішньої порожнини кожуха 14 виконується укладкою бандажа з ниток 17 (або намотуванням тонкої фторо пластово і плівки) Канали 18 на фланці тонкостінного кожуха 14 використовуються для виходу відробленого крюагента з теплообмінника Балонна система охолодження приймача променистої енергії оптико-електронного приладу працює таким чином При розкритті пускового пристрою 1 азот високого тиску (35МПа) з балону 2, проходячи послідовно трубопроводи 3 і пневмороз'єднувач 4, надходить у двосекційний мікрохолодильник 5 У мікрохолодильнику 5 азот високого тиску дроселюється у секціях попереднього охолодження 7 і зрідження 6 (див фіг 1, 2) Крім того, в секціях 6, 7 відбувається теплообмін між потоками газу високого і низького тиску Газ низького тиску рухається по теплообміннику у зворотному напрямку після дроселювання Відбувається рекуперація холоду, що приводить до зниження температури перед дросельними отворами обох секцій 6 і 7 Виходячи з трубки секції зрідження 6, охолоджений азот у вигляді паро-рідинної суміші подається в корпус накопичувача крюагента 8 приймача променистої енергії 9 Охолодження ППЕ 9 забезпечується завдяки теплу пароутворення рідинної фази та накопиченням скловолокном (пориста структура) рі динного азоту в порожнині корпуса накопичувана 8 та ППЕ 9 У момент відключення системи охолодження розмикається пневмороз'єднувач 4 і припиняється подача азоту у мікрохолодильник 5 При автономній роботі оптико-електронного приладу робоча температура приймача променистої енергії 9 підтримується за рахунок випаровування рідинного азоту, накопиченого у корпусі накопичувача 8 ППЕ 9 Використання запропонованого винаходу мікрохолодильника для охолодження приймача променистої енергії оптико-електронного приладу при порівнянні з прототипом дозволяє зменшити габарити і масу MX, а також зменшити час виходу на робочий режим ППЕ за рахунок кращого теплообміну у мікрохолодильнику, збільшити тривалість роботи системи охолодження (MX) від балона, збільшити поверхню теплообміну за рахунок зменшення діаметра стержня і виводи додаткової неореброваної трубки в секцію попереднього охолодження теплообмінника, збільшити вихід рідинної фази крюагента за рахунок скерованого руху крюагента після дроселювання у зворотному напрямку на транзитну трубку, зменшити температуру недорекуперацм відробленого крюагента на виході з мікрохолодильника за рахунок поліпшення теплообміну між рядами теплообмінника, Ефективність запропонованого технічного рішення була підтверджена дослідженнями 80 мікрохолодильників у складі приймачів променистої енергії, установлених в тепловий імітатор Дослідження довели, що запропонований мікрохолодильник забезпечує підвищення теплофізичних параметрів приймачів променистої енергії порівняно з серійними мікрохолодильниками також класу, а саме зменшує час виходу на режим приблизно на 1,0с, збільшує витрату крюагента з балона за рахунок зменшення кінцевого тиску на 1 2МПа, збільшує час підтримування робочої температури приймача променистої енергії в автономному режимі (приблизно на 5 8с ) завдяки більшому виробленню КІЛЬКОСТІ рідинної фази Крім того, запропонований двосекційний мікрохолодильник дозволяє збільшити тривалість роботи системи від балона на 7 10% Фіг, і 49244 Фіг.2