7.3.3.4 Ступени теплообменников

Для более мощного рефрижератора растворения с большей холодопроизводительностью и более низкой температурой одного теплообменника недостаточно. Обычно ниже камеры испарения располагается непрерывно действующий теплообменик, описанный ранее, а затем — несколько ступеней теплообменников, соединенных последовательно [7.2-10,33-38]. При более низких температурах описанный выше теплообменник не может использоваться, имея даже большую длину, т.к. он не обеспечивает достаточной площади поверхности, чтобы скомпенсировать возрастающее тепловое граничное сопротивление.

Это может быть достигнуто с помощью ступенчатых обменников, которые в своем простейшем варианте могут быть сделаны из кусков меди, в которых просверлены два отверстия (рис. 7.13).

Схема ступенчатого теплообменника, изготовленного из меди со спресованным и спечённым металлическим порошком в двух каналах, в которых были просверлены проточные отверстия для противотока жидкости

Чтобы уменьшить тепловое граничное сопротивление, каждый канал должен быть заполнен спрессованным и/или спеченным металлическим порошком, чтобы обеспечить необходимую площадь поверхности для адекватного теплообмена (разд. 13.6). Другой критерий удачной конструкции — низкое сопротивление потоку (чтобы уменьшить Qvisc , см. ниже) и малый размер (для экономии количества 3Не и получения небольших тепловых временных постоянных). Например, диаметр канала для потока в теплообменниках должен увеличиваться с понижением температуры. Чтобы обеспечить большую площадь поверхности и малое сопротивление потоку, можно поступить следующим образом: металлический порошок вначале спекают, затем раскалывают, и полученные в результате этого блоки снова спекают вместе, оставляя большие открытые области для потока. Еще одна возможность — просверлить открытый канал для потока в спеченном порошке (рис. 7.13). Эти большие области для потока важны не только для уменьшения вязкостного нагрева, но и для того, чтобы воспользоваться высокой теплопроводностью 3Не (разд. 2.3.6), который в этом случае будет всегда находится в хорошем тепловом контакте с почти стационарной жидкостью в синтере.

Характеристики медных спечённых теплообменников, используемых в рефрижераторе растворения 3He-4He, в котором достигается Tmin=3мК

В таблице 7.1 приведены характеристики шестиступенчатого теплообменника, использованного в весьма удачном рефрижераторе растворения с минимальной температурой около 3 мК в камере растворения при n3 = 300 мкмоль/с. Простые ступенчатые теплообменники были заполнены спрессоваными Cu и Ag порошками [7.34]. Искусство создания теплообменников [7.7] очень сильно продвинулось вперед благодаря Фроссати [7.2,3]. Его сварные прямоугольные теплообменники, заполненные субмикронным спеченным серебряным порошком (рис. 7.14), сейчас также используются в промышленных рефрижераторах растворения.

Схема квазинепрерывно действующего теплообменника, разработанного Фросатти и выполненного из сварной Cu-Ni фольги с субмикронным серебрянным порошком, который спечён с посеребрённой Cu-Ni фольгой

В [7.2,3,10] обсуждаются два важных этапа при конструировании ступенчатых теплообменников:

а) определение необходимой полной площади поверхности теплообменника для заданной минимальной температуры при оптимальной скорости потока и данном теплопритоке;

б) оптимизация размеров каналов для потока при данной длине теплообменника, чтобы минимизировать тепло за счет вязкости и осевого теплового потока.

 

View one comment on “7.3.3.4 Ступени теплообменников

Comments are closed.