采用旁通节流的低温间壁式换热器及预冷型J-T制冷机 |
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| 申请号 | CN201510185264.3 | 申请日 | 2015-04-17 | 公开(公告)号 | CN104879968A | 公开(公告)日 | 2015-09-02 |
| 申请人 | 浙江大学; | 发明人 | 陶轩; 甘智华; 刘东立; 邓皓仁; 尹成厚; 韩东阳; | ||||
| 摘要 | 本 发明 公开了一种采用旁通节流的低温间壁式换热器，包括高压侧管路和低压侧管路，该低温间壁式换热器工作于液氢温区以及更低的温区，所述高压侧管路上至少设有一个与低压侧管路连通的旁通管路，该旁通管路上设有等 焓 节流元件；所述旁通管路出口处低压侧管路内工质的 温度 低于旁通管路入口处高压侧管路内工质的温度。本发明同时提供了一种预冷型J-T制冷机。本发明采用旁通节流改变了换热器中气体的温度场分布，减小了不可逆损失。该换热器用于液氦温区预冷型J-T制冷机中，降低了高压气体的节流前温度，增大了液氦温区的制冷量，提高了整机效率。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种采用旁通节流的低温间壁式换热器，包括高压侧管路和低压侧管路，该低温间壁式换热器工作于液氢温区以及更低的温区，其特征在于，所述高压侧管路上至少设有一个与低压侧管路连通的旁通管路，该旁通管路上设有能够产生等焓节流效应的节流元件； |
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| 说明书全文 | 采用旁通节流的低温间壁式换热器及预冷型J-T制冷机技术领域[0001] 本发明涉及低温技术，具体涉及一种采用旁通节流的液氦温区间壁式换热器及预冷型低温J-T制冷机。 背景技术[0002] 空间探测指发现和探索天体结构和外层空间的技术，通过各种形式的太空望远镜或探测器实现。相比于常温下的探测器，工作于低温下的探测器可以实现更高的观测精度并捕捉更微弱的信号，其中，大量红外探测器需要工作在液氦温区(2-10K)，要求稳定、可靠的低温环境。 [0003] 空间液氦温区的制冷方式主要有超流氦杜瓦和机械式制冷机。机械式制冷机是一种基于闭式制冷循环的主动制冷设备，具有结构紧凑，制冷量大，制冷温度范围广，对轨道和卫星姿态要求低，安装灵活的优点，己经在空间低温技术领域得到了广泛的应用，是空间低温技术发展的必然趋势。 [0004] 为满足空间应用的需求，机械式制冷技术不断发展，运动部件的支撑与密封、工质的纯化、制冷机布置等风险降低技术日趋成熟。同时，对机械式制冷技术也提出了更高的要求，包括提高制冷机效率、降低功耗、降低制冷温度、增大制冷量、降低机械振动、减小制冷机质量、提高可靠性并延长使用寿命等。 [0005] 目前可以选择的制冷机包括G-M制冷机、斯特林制冷机、脉管制冷机、逆布雷顿制冷机以及J-T制冷机。但由于低温端排出器的使用，G-M制冷机和斯特林制冷机很难达到低振动要求。在液氢温区(10-30K)以及更低的温度，氦工质的非理想性明显，回热材料的体积热容急剧下降，使得以脉管制冷机为代表的回热式制冷机制冷效率急剧下降。逆布雷顿制冷机中多采用紧凑式换热器(如孔板式换热器和网格式换热器等)，体积大和质量重，在空间应用中受到限制。 [0006] J-T制冷机(Joule-Thomson Cooler)利用了液氢温区以下氦气的非理想性，通过J-T节流效应制冷，制冷机效率较高。而且J-T制冷机没有冷端运动部件，消除了低温端的振动。工质直流流动，采用间壁式换热器，轴向漏热小。 [0007] 对于工作在液氦温区的J-T制冷机，为了提高J-T冷头的效率，减小压缩机的输入功，有必要在数个中间温度对工质进行预冷。对于空间应用，回热式制冷机(包括斯特林制冷机和斯特林型脉管制冷机)正好可以胜任中间温度的高效预冷。采用这种混合制冷机的方案可以有效地发挥两种制冷机各自的优点。 [0008] 间壁式换热器是液氦温区J-T制冷机冷头的核心部件，其换热效率极大程度地影响整机的性能，甚至直接关系到整台制冷机能否正常运转，通常要求换热器效率达到97％以上。由于间壁式换热器的换热量远大于液氦温区的制冷量(大一个数量级以上)，换热器损失增大将使制冷机效率急剧下降，这在低温下尤为明显。在预冷型J-T制冷循环中，部分间壁式换热器工作在预冷中间温度以上，其效率直接影响回热式制冷机的预冷换热量，末级换热器指工作在预冷中间温度以下的换热器，其效率直接影响制冷量。因此，提高换热器效率，尤其是末级换热器的效率至关重要。增大换热面积可以增大换热量，提高换热器效率，但末级换热器工作在液氢温区以下，氦的非理想性显著，换热器高压侧气体的比热容大于低压侧(如图5所示)，导致高压侧气体无法得到充分冷却，影响了制冷机性能的进一步提高。 发明内容[0009] 本发明提供了一种采用旁通节流的间壁式换热器，该种换热器以氦为工质，工作于液氢温区以及更低的温度，通过从高压侧引出一部分工质节流降温后进入低压侧，弥补低压侧比热容的不足，进一步降低高压侧气体的出口温度。 [0010] 一种采用旁通节流的低温间壁式换热器，包括高压侧管路和低压侧管路，该低温间壁式换热器工作于液氢温区以及更低的温区，所述高压侧管路上至少有一个与低压侧管路连通的旁通管路，该旁通管路上设有能够产生等焓节流效应的节流元件；旁通管路将间壁式换热器分为两部分，一部分与间壁式换热器平行，低压侧的质量流量大于高压侧，剩余部分高低压侧的质量流量相等；所述旁通管路出口处低压侧管路内工质的温度低于旁通管路入口处高压侧管路内工质的温度。 [0011] 低温下，常用的节流元件可分为两类，一类节流元件的理想节流过程为等熵膨胀过程，典型代表为膨胀机；另一类的理想节流过程为等焓膨胀过程，包括J-T节流阀、毛细管、喷嘴、孔板等。在本发明中，节流元件的进口温度低于液氢温区，膨胀机工作在此温度的等熵效率较低，膨胀过程中可能出现带液，影响膨胀机的正常运行。此外，膨胀机的冷热端之间存在热传导损失，且在低温区和小流量时尤为显著；低温膨胀机结构复杂，研制难度大，对加工工艺的要求尤其苛刻。以上特点决定了膨胀机不适用于本发明。氦在液氢温区以下的非理想性显著，等焓节流的降温效果明显，且温度越低，温降越大，再加之以J-T节流阀为代表的等焓节流元件结构简单，可靠性高，适合本发明。下文以J-T节流阀为例进行说明，称为旁通J-T节流阀(与下文中制冷机中液氦温区蒸发器前的主J-T节流阀区分)。 [0012] 本发明的换热器用于液氦温区的J-T循环中，旁通J-T节流阀的进出口靠近换热器的低温端，出口温度低于进口。旁通节流的气体质量和从高压侧引出旁通的位置受到多个因素的影响，对于一定的J-T循环，质量流量和高低压力确定：当旁通质量增大时，高压侧的热负荷减小，剩余高压气体得到更充分的冷却，在液氦温区获得更大的制冷量，但旁通质量过分增大使剩余在液氦温区节流制冷的工质减小，换热器低压侧气体的冷量无法得到充分利用，制冷量反而减小；当引出旁通的位置由换热器的低温端向高温端靠近时，即旁通J-T节流阀入口气体的温度升高，高压侧的热负荷减小，剩余高压气体得到更充分的冷却，在液氦温区获得更大的制冷量，但引出旁通的位置过于靠近换热器的高温端即旁通J-T节流阀入口气体的温度过高时，节流后气体的温度也过高，换热器低压侧气体的冷量无法得到充分利用，制冷量反而减小。综上要综合各个因素的影响，获得最佳的旁通量和旁通位置。 [0013] 作为优选，所述低温间壁式换热器为单段结构。采用单段结构时，换热器整体设置，两侧通道连续，从高压侧通道引出的气体经节流降温后进入低压侧通道；旁通管路的入口位置可设置在高压侧通道的中间位置，出口与低压侧管路连接。 [0014] 作为另一种优选，所述低温间壁式换热器为多段结构，所述旁通管路入口设于其中两段结构高压侧管路连接处，所述旁通管路出口设于其中两段结构低压侧管路连接处。此时同样需要保证旁通管路出口处低压侧管路内工质的温度低于旁通管路入口处高压侧管路内工质的温度。 [0015] 作为优选，所述旁通管路为一条或多条，多条时并联在高压侧管路和低压侧管路之间。作为优选，所述-节流元件为J-T节流阀、毛细管、孔板、喷嘴、文丘里管、节流阀、多孔材料。 [0016] 基于上述采用旁通节流的低温间壁式换热器和液氦温区预冷型J-T制冷机技术，本发明提供了几种低温J-T制冷机的方案，获得液氦温区的制冷量： [0017] 一种预冷型J-T制冷机，包括J-T级制冷机以及对J-T级制冷机进行预冷的预冷级制冷机，所述J-T级制冷机包括用于输出制冷量的冷头、以及与冷头相连的末级换热器，所述末级换热器为上述任一技术方案所述的采用旁通节流的低温间壁式换热器。 [0018] 作为优选，所述旁通管路的入口靠近冷头设置。作为优选，所述J-T级制冷机包括J-T压缩机、以及设置于J-T压缩机与末级换热器之间的一级或多级间壁式换热器、一级或多级预冷换热器；所述预冷级制冷机包括一级或多级冷头，通过热桥对一级或多级预冷换热器进行预冷。 [0019] 上述技术方案中，预冷级制冷机为J-T级制冷机提供中间温度的预冷，预冷级制冷机可选用回热式制冷机如斯特林制冷机和脉管制冷机等。J-T级制冷机包括J-T压缩机、三级间壁式换热器、两级预冷换热器、液氦温区蒸发器、主J-T节流阀、旁通J-T节流阀，其中末级间壁式换热器采用旁通节流的低温间壁式换热器。J-T级制冷机的预冷换热器和预冷级制冷机的冷头通过热桥进行热耦合。 [0020] 稳定运行时，工质经J-T压缩机压缩后进入第一级间壁式换热器，被返流的低压气体冷却，出口高压气体进入第一级预冷换热器并被预冷级制冷机第一级冷头冷却，然后依次流经第二级间壁式换热器和第二级预冷换热器。高压气体进入末级间壁式换热器后，在旁通J-T节流阀入口处分为两路，一路继续在末级间壁式换热器中被冷却，出口的高压气体在主J-T节流阀中节流至两相并在蒸发器中提供冷量；另一路在旁通J-T节流阀中节流降温进入低压侧并与从蒸发器返流的气体汇合，再在各级间壁式换热器中冷却高压气体，工质离开第一级间壁式换热器后进入压缩机完成循环。末级间壁式换热器旁通节流可以改善换热器中气体的温度场分布，减小两侧气体的平均温差，尤其是冷端的温差，更充分地利用低压气体的冷量，增大液氦温区的制冷量。 [0021] 为进一步提高制冷机性能，作为优选，末级间壁式换热器可采用多次旁通节流，例如采用两次旁通节流时，末级间壁式换热器中有两个旁通J-T节流阀。在所述的循环中，高压气体进入末级间壁式换热器后，在第一个旁通J-T节流阀的进口处分为两路，一路继续在末级间壁式换热器的高压侧中被冷却，另一路在第一个旁通J-T节流阀中节流降温后进入低压侧与返流气体汇合。高压气体再在第二个旁通J-T节流阀的进口处分为两路，一路继续在末级间壁式换热器中被冷却后在主J-T节流阀中节流至两相并提供液氦温区的冷量，另一路在第二个旁通J-T节流阀中节流降温后与返流气体汇合，汇合后的气体返流再与第一个旁通J-T节流阀出口的气体汇合，在各级间壁式换热器中冷却高压气体。采用两次旁通节流时，可以更好地调整末级间壁式换热器中气体的温度场分布，减小冷端和中间段的换热温差，进一步降低高压气体进入主J-T节流阀前的温度，最终提高J-T制冷机的效率。 [0022] 为简化制冷机结构，提高系统的可靠性，作为优选，可采用单级预冷级制冷机，仅在一个温度位预冷(该温度位高于多级预冷最低的温度位)。在所述的循环中，第一级预冷换热器出口的高压气体进入末级间壁式换热器后，在旁通J-T节流阀入口处分为两路，一路继续在末级间壁式换热器中被冷却，节流制冷并在蒸发器中提供冷量；另一路旁通节流降温进入低压侧并与从蒸发器返流的气体汇合，再流经各级间壁式换热器的低压侧。末级间壁式换热器旁通节流后更充分地利用了低压气体的冷量，减小了换热过程的损失，使得一次预冷也能获得液氦温区的制冷量，预冷级制冷机由多级简化为单级，结构简化，可靠性提高，输入功减小。 [0023] 与现有技术相比，本发明具有以下优势： [0024] (1)在现有技术中，末级间壁式换热器两侧质量流量相等，由于低温下高压氦气的比热容大于低压氦气，两侧的水当量(质量流量与比热容之积，表示气体总的热容)存在不均衡，低压侧的冷量无法得到充分利用，冷端两侧气体的温差较大。本发明在末级间壁式换热器中旁通部分高压气体，节流降温后补充给低压气体，通过调节流量改善两侧水当量的不均衡，进而改善换热器中气体的温度场分布，使冷端两侧气体的温差减小，降低节流前高压气体的温度，最终增大液氦温区的制冷量，提高制冷机效率。 [0025] (2)在现有的技术中，末级间壁式换热器中换热不充分，两侧气体的平均温差大，导致低温下换热的不可逆损失显著。为弥补这一损失，预冷J-T循环中工质的中间温度选的较低，末级预冷通常低于20K，增加了预冷级制冷机的负荷。本发明改善了末级间壁式换热器中两侧气体的温度分布，充分利用低温下的冷量，使得预冷的中间温度可以选得更高，减轻了预冷级制冷机的负荷。更进一步的，可以只在一个温度对J-T循环提供预冷，采用单级预冷级制冷机，这就简化了整个制冷系统的结构，使结构更加紧凑，提高了系统的可靠性，减轻了制冷机的质量。附图说明 [0026] 图1为本发明的采用旁通节流的低温间壁式换热器的预冷型液氦温区J-T制冷机的第一种实施方式示意图。 [0027] 图2为本发明的采用旁通节流的低温间壁式换热器的预冷型液氦温区J-T制冷机的第二种实施方式示意图。 [0028] 图3为本发明的采用旁通节流的低温间壁式换热器的预冷型液氦温区J-T制冷机的第三种实施方式示意图。 [0029] 图4为图1所示制冷机中采用旁通节流和不采用的低温间壁式换热器的温度分布图。 [0030] 图5为高压氦气和低压氦气在液氢温区及以下的比热容，其中高压氦气取1.640MPa,低压氦气取0.101MPa。 [0031] 上述附图中： [0032] PC、预冷级制冷机；J-TC、J-T级制冷机；C、J-T压缩机；HX1、第一级间壁式换热器；HX2、第二级间壁式换热器；HXL、末级间壁式换热器；PHX1、第一级预冷换热器；PHX2、第二级预冷换热器；LHC、液氦温区蒸发器；MO、主J-T节流阀；BO、旁通J-T节流阀；BV、旁通阀； TB、热桥；BO1、第一旁通J-T节流阀；BO2、第二旁通J-T节流阀。 具体实施方式[0033] 实施例1 [0034] 如图1所示，一种采用旁通节流的低温间壁式换热器的预冷型液氦温区J-T制冷机，由预冷级制冷机PC和J-T级制冷机J-TC组成，在本实施例中预冷级制冷机选用斯特林制冷机。J-T级制冷机J-TC包括J-T压缩机C、第一级间壁式换热器HX1、第二级间壁式换热器HX2、末级间壁式换热器HXL、第一级预冷换热器PHX1、第二级预冷换热器PHX2、液氦温区蒸发器LHC、主J-T节流阀MO、旁通J-T节流阀BO以及旁通阀BV，其中末级间壁式换热器HXL采用旁通节流的低温间壁式换热器。J-T级制冷机J-TC的第一级预冷换热器PHX1、第二级预冷换热器PHX2和预冷级制冷机PC的两个冷头分别通过两个热桥TB进行热耦合。 [0035] J-T压缩机C若在地面上运行采用水冷，如果在空间中运行直接采用辐射冷却。在本实施例中，第一级间壁式换热器HX1、第二级间壁式换热器HX2、末级间壁式换热器HXL选用薄壁不锈钢制成的套管式换热器，高压气体在内侧，低压流体在外侧；第一级预冷换热器PHX1、第二级预冷换热器PHX2采用绕管式换热器，为减小传热温差，绕管与预冷级制冷机冷头间的热桥TB采用真空钎焊。为加强液氦温区的换热，在蒸发器LHC通道内增加微肋结构。主J-T节流阀MO和旁通J-T节流阀BO选用针阀。旁通阀BV也选用针阀，其开闭由一个气体执行器控制。 [0036] 稳定运行时，工质经J-T压缩机C(1点-2点)压缩后进入第一级间壁式换热器HX1(2点-3点)的高压侧管路，被返流的低压气体冷却，出口高压气体进入第一级预冷换热器PHX1(3点-4点)并被预冷级制冷机PC的第一级冷头冷却，然后依次流经第二级间壁式换热器HX2(4点-5点)的高压侧管路和第二级预冷换热器PHX2(5点-6点)，并被预冷级制冷机PC的末级冷头冷却，然后进入末级间壁式换热器HXL。高压气体进入末级间壁式换热器HXL后，在旁通J-T节流阀BO入口处(7点)分为两路，一路继续在末级间壁式换热器HXL中被冷却，出口的高压气体(8点)在主J-T节流阀MO中节流至两相并在蒸发器LHC中(9点-10点)提供冷量；另一路在旁通J-T节流阀BO中节流降温进入末级间壁式换热器HXL低压侧(11点)并与从蒸发器LHC返流的气体汇合，再在各级换热器(末级间壁式换热器HXL、第二级间壁式换热器HX2、第一级间壁式换热器HX1)中(11点-1点)冷却高压气体，工质离开第一级间壁式换热器HX1后进入J-T压缩机C完成循环。 [0037] 在启动降温阶段，由于氦的转变温度较低，不能直接经过主J-T节流阀MO节流。首先开启预冷级低温制冷机PC，J-T循环中经压缩的高压气体在前两级间壁式换热器(第一级间壁式换热器HX1、第二级间壁式换热器HX2)和两级预冷换热器(第一级预冷换热器PHX1、第二级预冷换热器PHX2)中被冷却(1点-14点)，然后从旁通阀BV直接进入液氦温区蒸发器LHC(14点-9点)，再返流经过三级换热器(末级间壁式换热器HXL、第二级间壁式换热器HX2、第一级间壁式换热器HX1)回到J-T压缩机C(9点-1点)。当高压气体在第二级预冷换热器PHX2中被冷至20K以下时，控制旁通阀BV关闭，第二级预冷换热器PHX2出口的高压气体进入末级间壁式换热器HXL(14点-6点)，开始稳定运行。 [0038] 采用数值建模的方法计算本实施例中采用的技术方案所获得的制冷量，并与传统的末级采用常规间壁式换热器的方案进行对比，结果如下： [0039] 表1预冷型J-T制冷机的数值计算结果 [0040] [0041] 建立数值模型，两种方案中末级间壁式换热器HXL的换热面积相等，区别仅在于改进方案采用了旁通节流。其它的运行参数相同：循环流量为7.53mg/s，高压侧压力为1640kPa，低压侧为102kPa，第二级预冷温度即末级间壁式换热器HXL高压侧的进口温度为 17.3K。从表1中可以看出，通过旁通节流一部分气体，工质在主J-T节流阀MO前节流制冷的温度下降，尽管实际参与制冷的工质质量减小，制冷量依然增大，由于两种方案的质量流量和高低压相等，J-T压缩机C的耗功相等，由于两级预冷温度和预冷制冷量相等，预冷级制冷机的耗功相等，所以整机效率与制冷量同比增大。 [0042] 图4给出了两种方案末级间壁式换热器HXL中两侧气体的温度分布，换热器长度取无量纲长度。传统方案中末级间壁式换热器HXL的效率高达98.78％，但由于两侧水当量的不均衡，传热温差从热端到冷端不断增大，冷端的换热温差高达1.60K，这在液氦温区是相当可观的。在改进的方案中，旁通节流使换热器分为了无旁通的高温段和旁通节流的低温段，从距冷端30％距离处的高压侧向低压侧入口旁通了20％的气体，此处高压侧的温度为10.99K，在高温段，传热温差依然从热端到冷端不断增大，但在低温段，通过旁通节流使低压侧的水当量大于高压侧，传热温差从热端到冷端不断减小，冷端换热温差降低到0.52K。有限温差传热将产生不可逆损失，且越是在低温下不可逆损失越大。旁通节流使换热器中两侧气体的温差重新分布，低温端传热温差减小，不可逆损失也随之减小。从表1可以看出，通过旁通节流，末级间壁式换热器中的换热量减小，但未旁通的气体得到了更充分地冷却，最终获得了更大的制冷量。 [0043] 本实施例通过采用旁通节流的末级间壁式换热器降低了高压气体进入主J-T节流阀MO前的温度，增大了液氦温区的制冷量，数值计算的结果显示整机效率提高了约40％。该方案可用于对现有的预冷型液氦温区J-T制冷机进行改造，仅在末级换热器中增加一段旁通管路制冷机效率就可以得到显著提升。 [0044] 实施例2 [0045] 如图2所示，一种采用旁通节流的低温间壁式换热器的预冷型液氦温区J-T制冷机，由预冷级制冷机PC和J-T级制冷机J-TC组成。与实施例1区别在于：末级间壁式换热器HXL中有两个旁通节流阀：第一旁通J-T节流阀BO1、第二旁通J-T节流阀BO2。高压气体进入末级间壁式换热器HXL后，在第一个旁通J-T节流阀BO1的进口处(15点)分为两路，一路继续在末级间壁式换热器HXL的高压侧中被冷却，另一路在第一旁通J-T节流阀BO1中节流降温后进入低压侧(16点)与返流气体汇合。高压气体再在第二旁通J-T节流阀BO2的进口处(7点)分为两路，一路继续在末级间壁式换热器HXL中被冷却后(8点)在主J-T节流阀MO中节流至两相并提供液氦温区的冷量(9点-10点)，另一路在第二旁通J-T节流阀BO2中节流降温后与返流气体汇合(11点)，汇合后的气体返流再与第一旁通J-T节流阀BO1出口的气体汇合(16点)。 [0046] 本实施例的末级间壁式换热器采用两次旁通节流，相对于一次旁通节流更充分地发掘了末级间壁式换热器的潜力，这样的方式还可以进一步推广到更多次的旁通节流。该方案适用于对制冷机效率要求高，制冷量大的应用中。 [0047] 实施例3 [0048] 如图3所示，一种采用旁通节流的低温间壁式换热器的预冷型液氦温区J-T制冷机，由预冷级制冷机PC和J-T级制冷机J-TC组成。与实施例1区别在于：采用单级预冷级制冷机，第一级预冷换热器PHX1出口的高压气体进入末级间壁式换热器HXL后(3点-6点)，在旁通J-T节流阀BO入口处(7点)分为两路，一路继续在末级间壁式换热器HXL中(7点-8点)被冷却，节流制冷(8点-9点)并在蒸发器LHC中(9点-10点)提供冷量；另一路旁通节流降温进入低压侧(7点-11点)并与从蒸发器返流的气体汇合，再流经各级换热器(末级间壁式换热器HXL、第一级间壁式换热器HX1)的低压侧(11点-1点)。 [0049] 该实施例在末级间壁式换热器低压侧冷量得到充分利用的条件下简化了预冷级制冷机和热桥的结构，使整机的结构更加紧凑。该方案适用于对制冷机可靠性、质量尺寸要求严格的应用中。 |
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