Мікрохолодильник

1 Мікрохолодильник, що містить стержень, на який навито багаторядний трубчатий витий теплообмінник, який має секцію попереднього охолодження і секцію зрідження, виведену транзитом з багаторядного витого теплообмінника і кожуха мікрохолодильника, входи трубок підключені до штуцера-колектора, а багаторядний витий теплообмінник вміщено в кожух мікрохолодильника, який відрізняється тим, що секція зрідження виконана багаторядною, ряди теплообмінника секцій попереднього охолодження секцій зрідження на холодному КІНЦІ теплообмінника з'єднані між собою колектором, до якого підключено вихід секції зрідження, яка виконана у вигляді трубки з сталим перерізом по всій довжині, причому на ній виконано кілька витих спіралей, а далі трубку виведено з кожуха мікрохолодильника 2 Мікрохолодильник за п 1, який відрізняється тим, що останній ряд теплообмінника секції попереднього охолодження виконано неоребреним, а площина перерізу вихідної трубки секції зрідження менше суми площин перерізів трубок секції зрідження 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 (ОЕП) Відоме обладнання охолодження приймача променистої енергії, яке включає періодичну подачу стиснутого крюагента в однорядний трубчатий теплообмінник, розташований у посудині Дьюара, яка служить корпусом (кожухом) мікрохолодильника (Романенко Н Т, Рынковой ФФ 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 (MX) при регулюванні витрат крюагента, відбувається підвищення температури охолодження об'єкта, таким обладнанням неможливо охолоджувати рухомі об'єкти, наприклад, об'єкти, які качаються відносно подовженої осі ОЕП в деякім тілеснім куті У мікрокрюгенній техніці існує мікрохолодильник (MX) 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/ ВИ Животовский, Л Д Корнеенко и Ю В Шиганский Опубл в Б И , №18, 1973) Мікрохолодильник, мас стержень, на який навито багаторядний трубчатий витий теплообмінник, входи його трубок підключені до штуцера-колектора, а теплообмінник вміщено в попереднього охолодження, ВИХІДНІ КІНЦІ трубок 00 1 ю 57198 кожух, з холодного кінця теплообмінника виходить транзитна трубка теплообмінника Мікрохолодильник в складі балонної дросельної мікрокрюгенном системи працює таким чином Азот, стиснутий до робочого тиску 35МПа, накопичується в балоні У процесі роботи азот високого тиску надходить в MX Внаслідок паралельного 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 і 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 в порожнині корпусу ППЕ До основних недоліків мікрохолодильника необхідно віднести те, що в ньому не однаково розподіляється теплове навантаження секції зрідження на багаторядний трубчатий витий теплообмінник (секція попереднього охолодження) Це приводить до зменшення КІЛЬКОСТІ виробленого рідинного крюагента, особливо в пусковому періоді, до збільшення часу виходу на режим ППЕ і, як наслідок, скорочує час підтримування робочої температури ППЕ в автономному режимі Додаткові виграти крюагента на підвищення характеристик системи охолодження приводять до зменшення часу роботи CO від балона, а також до збільшення кінцевого тиску Крім того, трубка секції зрідження виконує функцію розподіленого дроселя, в якому газ розширюється і одночасно охолоджується по всій довжині трубки При такому виконанні дроселя необхідно на 25% збільшувати поверхню теплообміну, порівняно з MX, який мас дросель у вигляді локального дросельного отвору, все це приводить до збільшення довжини теплообмінника і MX в цілому В основу винаходу поставлено завдання по створенню мікрохолодильника з підвищеними характеристиками, який зменшив час виходу на режим ППЕ за допомогою збільшення КІЛЬКОСТІ рідинного крюагента у потоці секції зрідження, покращив теплообмін між секціями мікрохолодильника, скоротив час накопичування рідинного крюагента у корпусі ППЕ для забезпечення необхідного часу автономної роботи, збільшив час підтримування робочої температури ППЕ в автономному режимі роботи приладу при одночасному зменшенні довжини теплообмінника і MX в цілому Для вирішення поставленої задачі у мікрохолодильнику, що містить стержень, на який навито багаторядний трубчатий витий теплообмінник, який має секцію попереднього охолодження і секцію зрідження, виведену транзитом з багаторядного витого теплообмінника і кожуха мікрохолодильника, входи трубок підключені до штуцера колектора, а багаторядний витий теплообмінник вміщено в кожух мікрохолодильника, секція зрідження виконана багаторядною, ряди теплообмінника секцій попереднього охолодження і зрідження чергуються, причому трубки секції зрідження виконані неореброваними і розміщені в проміжках витків ореброваних грубок секції попереднього охолодження, ВИХІДНІ КІНЦІ трубок секції зрідження на холодному КІПЦІ теплообмінника з'єднані між собою колектором, до якого підключено вихід секції зрідження, яка виконана у вигляді І рубки з сталим перерізом по всій довжині, причому на ній зроблено кілька витих спіралей, а далі грубку виведено з кожуха мікрохолодильника Крім тою, останній ряд теплообмінника секції попереднього охолодження виконано неореброваним, а площина перерізу вихідної трубки секції зрідження менше суми площин перерізів трубок секції зрідження теплообмінника Зроблені зміни дозволили покращити характеристики MX і вирішити поставлену задачу Використання вищевикладених технічних рішень дозволяє підвищити тиск крюагента в трубках секції зрідження, що дозволяє покращити теплообмін між секціями при меншій довжині теплообмінника, рівномірно розподілити теплове навантаження секції зрідження по перерізу зворотного потоку і зменшити втрати від неповної рекуперації тепла (холоду) в багаторядному теплообміннику, збільшити поверхню теплообміну секції зрідження до 2-х і більше разів, що дозволяє збільшити вихід рідинної фази крюагента, поліпшити теплообмін між секціями зрідження і попереднього охолодження за рахунок скерованого на транзитні трубки руху крюагента, у зворотному напрямку після дроселювання, що приводить до збільшення вироблення мікрохолодильником рідинного крюагента на меншій довжині теплообмінника (порівняно з серійним MX), покращити теплообмін між рядами теплообмінника за рахунок того, що ряди теплообмінника секцій попереднього охолодження і зрідження чергуються Крім того, зменшуються витрати крюагента в трубках теплообмінника і перерозподіляються витрати крюагента в додатковий неоребрований ряд секції попереднього охолодження, що дозволяє зменшити температуру недорекуперацм відпрацьованого крюагента на виході з мікрохолодильника, зменшити теплоприплив до мікрохолодильника за рахунок скорочення його габаритів і зниження теплообміну між тонкостінним кожухом MX і багаторядним теплообмінником тому, що останній ряд трубки теплообмінника виконано неореброваним, виключити проскакування крюагента в зворотному напрямку між тонкостінним кожухом MX і багаторядним теплообмінником за рахунок більш щільної посадки порожнини кожуха MX па ЗОВНІШНІЙ ряд секції попереднього охолодження, що сприяє кращому теплообміну між секціями Суть винаходу пояснюється кресленнями, які показані на фіг 1 і фіг 2 57198 На фіг 1 зображена блок-схема мікрокрюгенної системи охолодження приймача променистої енергії, де пусковий пристрій 1, установлений на балон 2, заправлений робочим тілом (азот) до тиску 35МПа, пусковий пристрій з'єднаний послідовно трубопроводом 3 з пневмороз'єднувачем 4 і мікрохолодильником 5, який мас секцію зрідження 6 і секцію попереднього охолодження 7, корпус накопичувача крюагента 8, на якому встановлено приймач променистої енергії 9 На фіг 2 - показано загальний вигляд мікрохолодильника, де мікрохолодильник 5 має секцію зрідження 6 і секцію попереднього охолодження 7, стержень 10, штуцер-колектор 11, металокерамічний фільтр тонкого очищення 12, тонкостінний кожух 13 MX 5, на фланці якого зроблені канали 14 для виходу крюагента, днище 15 кожуха MX 5, нитку 16 (або фторопластову плівку), колектор 17 секції зрідження 6, вихідну трубку 18 секції зрідження 6 Теплообмінник складається із секції зрідження 6 і секції попереднього охолодження 7 і має шість рядів навивки, які зроблені з капілярних трубок Він МІСТИТЬСЯ у тонкостінному циліндричному сталевому кожусі 13 Секція зрідження 6 утворена другим і четвертим витими рядами і проходять транзитом через весь теплообмінник, а на холодному КІНЦІ теплообмінника ВИХІДНІ трубки секції зрідження 6 з'єднані між собою колектором 17 До колектора 17 підключена третя вихідна трубка 18 секції зрідження 6, яка виконана у вигляді трубки з сталим перерізом по всій довжині Між колектором 17 і днищем 15 MX 5 на ВИХІДНІЙ трубці зроблено кілька витих спіралей, які утворюють додатковий теплообмінник у холодній зоні MX 5 Далі вихідну грубку 18 секції зрідження 6 виведено з днища 15 кожуха MX Інші чотири ряди витих трубок утворюють секцію попереднього охолодження 7 Трубки теплообмінника навито на полий стержень 10, а їх ВХІДНІ КІНЦІ впаяні в штуцер-колектор 11 У штуцері встановлено металокерамічний фільтр 12, який забезпечує очищення крюагента від механічних частинок розміром більше 7мкм Внутрішня порожнина штуцера 11 с 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, 3 і 5 ряди теплообмінника), які оребровані мідним дротом діаметром 0,12мм з кроком 0,3мм, а шостий ряд теплообмінника, який входить у цю секцію, зроблено з неореброваної трубки такого ж діаметра ВИХІДНІ КІНЦІ трубок секції попереднього охолодження 7 (1, 3, 5 і 6 ряди) загерметизовано пайкою На останніх витках кожної трубки виконано локальний дросельний орган, який являє собою отвір діаметром , приблизно, 0,1мм Дві трубки секції зрідження 6, які з'єднані з третьою вихідною трубкою 18 секції зрідження, виконують функцію комбінованого розподіленого дроселя, в якому крюагент розширюється і одночасно охолоджується, але під більш високим тиском, ніж у розподіленому дроселі Усі три трубки мають однакові сталі перерізи по всій довжині кожної трубки, але трубки можуть бути різних діаметрів Ущільнення зовнішнього ряду теплообмінника і внутрішньої порожнини кожуха 13 виконується укладкою бандажа з ниток 16 (або намотуванням тонкої фторо пластово і плівки) Канали на фланці 14 кожуха 13 MX 5 використовуються для виходу відпрацьованого крюагента з теплообмінника Балонна система охолодження приймача променистої енергії оптико-електронного приладу працює наступним чином При розкритті пускового пристрою 1, азот високого тиску з балону 2, проходячи послідовно трубопроводи 3 з пневмороз'єднувачем 4, надходить до мікрохолодильника 5 У мікрохолодильнику 5 азот високого тиску дроселюється у секціях попереднього охолодження 7 і зрідження 6 (див фіг 1, 2) Крім того, в секціях відбувається теплообмін між потоками газу високого і низького тисків Газ низького тиску рухається по теплообміннику у зворотному напрямку після дроселювання Відбувається рекуперація холоду, що приводить до пониження температури перед дросельними епюрами обох секцій Виходячи з трубок секції зрідження 6, охолоджений азот у вигляді паро-рідинної суміші, подається у корпус накопичувана крюагента 8 для охолодження ППЕ 9 Охолодження ППЕ 9 забезпечується завдяки теплу пароутворення рідинної фази та накопиченням скловолокном (пориста структура) рідинного азоту в порожнині корпусу накопичувача 8 та ППЕ 9 Використання запропонованого винаходу мікрохолодильника для охолодження приймача променистої енергії оптико-електронного приладу при порівнянні з прототипом дозволяє зменшити габарити і масу MX, зменшити час виходу на робочий режим за рахунок кращого теплообміну між секціями зрідження і попереднього охолодження, збільшити тривалість роботи системи охолодження (MX) від балона, збільшити поверхню теплообміну секції зрідження до 2-х і більше разів за рахунок того, що вона виконана багаторядною, збільшити вихід рідинної фази крюагента за рахунок збільшеної поверхні теплообміну секції зрідження і кращого теплообміну між секціями зрідження і попереднього охолодження Крім того, за рахунок скерованого руху крюагента після дроселювання у зворотному напрямку на транзитні грубки, зменшити температуру недорекуперацм, відпрацьованого крюагента на виході з мікрохолодильника за рахунок поліпшення теплообміну між секціями і рядами багаторядного теплообмінника Ефективність запропонованого технічного рішення була підтверджена дослідженнями двох мікрохолодильників (у складі приймачів променистої енергії), встановлених в тепловий імітатор Дослідження довели, що запропонований мікрохолодильник забезпечує підвищення теплофізичних параметрів приймачів променистої енергії порівняно з серійними 57198 8 автономному режимі (приблизно, на 5 8с) мікрохолодильниками такого класу, а саме завдяки виробленню MX більшої КІЛЬКОСТІ рідинної знижує час виходу на режим, приблизно, на фази 1,0с, Крім того, запропонований мікрохолодильник збільшує втрату крюагента з балона за дозволяє збільшити тривалість роботи системи від рахунок зменшення кінцевого тиску до 2МПа, балона до 10% збільшує час підтримування робочої температури приймача променистої енергії в Комп'ютерна верстка О Воробей Підписано до друку 05 07 2003 Тираж39 прим Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, Львівська площа, 8, м Київ, МСП, 04655, Україна ТОВ "Міжнародний науковий комітет", вул Артема, 77, м Київ, 04050, Україна