stringtranslate.com

Каскадное охлаждение

Принципиальная схема двухциклового каскадного холодильного процесса

Каскадный цикл охлаждения — это многоступенчатый термодинамический цикл . Пример двухступенчатого процесса показан справа. (Внизу на мобильном) Каскадный цикл часто используется для таких устройств, как морозильники ULT . [1]

В каскадной холодильной системе используются два или более парокомпрессионных цикла с различными хладагентами. Температуры испарения-конденсации каждого цикла последовательно снижаются с некоторым перекрытием для покрытия желаемого общего падения температуры, при этом хладагенты выбираются для эффективной работы в охватываемом ими диапазоне температур. Низкотемпературная система отводит тепло из охлаждаемого пространства с помощью испарителя и передает его в теплообменник, который охлаждается за счет испарения хладагента высокотемпературной системы. В качестве альтернативы вместо этого может использоваться теплообменник жидкость-жидкость или аналогичный теплообменник. Высокотемпературная система передает тепло в обычный конденсатор, который несет всю тепловую мощность системы и может быть пассивным, вентиляторным или охлаждаемым водой.

Это автокаскадный процесс с двумя разными хладагентами. Высокотемпературный хладагент (красный) конденсируется в воздушном конденсаторе, а затем отделяется и испаряется для охлаждения теплообменника, который конденсирует низкотемпературный хладагент (синий). Фиолетовый цвет означает смесь обоих хладагентов.

Каскадные циклы могут быть разделены либо путем герметизации в отдельных контурах, либо в том, что называется «автокаскадом», где газы сжимаются как смесь, но разделяются, поскольку один хладагент конденсируется в жидкость, в то время как другой продолжает оставаться газом в течение оставшейся части цикла. [2] [3] [4] [5] Хотя автокаскад вносит несколько ограничений в конструкцию и условия эксплуатации системы, которые могут снизить эффективность, он часто используется в небольших системах из-за того, что требует только одного компрессора, или в криогенных системах, поскольку он снижает потребность в высокоэффективных теплообменниках для предотвращения утечки тепла из компрессоров в криогенные циклы. Оба типа могут использоваться в одной и той же системе, как правило, при этом отдельные циклы являются первой стадией(ями), а автокаскад — последней стадией.

Охладители Пельтье также могут быть каскадированы в многоступенчатую систему для достижения более низких температур. Здесь горячая сторона первого охладителя Пельтье охлаждается холодной стороной второго охладителя Пельтье, который больше по размеру, горячая сторона которого, в свою очередь, охлаждается холодной стороной еще большего охладителя Пельтье и так далее. [6] [7] [8] Эффективность падает очень быстро по мере добавления большего количества ступеней, но для очень малых тепловых нагрузок вплоть до почти криогенных температур это часто может быть эффективным решением из-за компактности и низкой стоимости, например, в термографических камерах среднего диапазона . Двухступенчатый охладитель Пельтье может достигать около -30 °C, -75 °C с тремя ступенями, -85 °C с четырьмя ступенями, -100 °C с шестью ступенями и -123 °C с семью ступенями. Мощность охлаждения и эффективность низкие, но охладители Пельтье могут быть небольшими для небольших нагрузок охлаждения, что приводит к общему низкому энергопотреблению для охладителя Пельтье с тремя ступенями. [9] [10] [11] Для охладителя Пельтье с семью ступенями потребляемая мощность может составлять 65 Вт при холодопроизводительности 80 мВт. [12]

Ссылки

  1. ^ Берховиц, Дэвид; Квон, Йонграк (2012). «Экологические профили морозильников сверхнизкой температуры с охлаждением Стирлингом и каскадным охлаждением». Устойчивость . 4 (11): 2838–2851. doi : 10.3390/su4112838 .
  2. ^ Ду, Кай; Чжан, Шаоцянь; Сюй, Вэйронг; Ню, Сяофэн (январь 2009 г.). «Исследование характеристик цикла автокаскадной системы охлаждения». Experimental Thermal and Fluid Science . 33 (2): 240–245. doi :10.1016/j.expthermflusci.2008.08.006.
  3. ^ Venkatarathnam, Gadhiraju (2008). "Необходимость смесей хладагентов". Криогенные смешанные холодильные процессы . Международная серия монографий по криогенике. стр. 65–87. doi :10.1007/978-0-387-78514-1_3. ISBN 978-0-387-78513-4.
  4. ^ Gong, MQ; Luo, EC; Liang, JT; Zhou, Y.; Wu, JF (2002). «Термодинамический анализ смешанного хладагента автокаскадного JT криоохладителя с распределенными тепловыми нагрузками». Криокулеры 11. стр. 523–530. doi :10.1007/0-306-47112-4_66. ISBN 978-0-306-46567-3.
  5. ^ Кумар, Сачин; Чахал, Вирендер (2021). «Обзор различных видов каскадного холодильного цикла и применение эжекторного механизма». Достижения в области материаловедения и машиностроения . Конспект лекций по машиностроению. стр. 245–265. doi :10.1007/978-981-16-0673-1_20. ISBN 978-981-16-0672-4.
  6. ^ Хюбенер, Рудольф П. (2019). «Меньше может быть больше: полупроводники». Проводники, полупроводники, сверхпроводники . Конспект лекций по физике для студентов бакалавриата. стр. 73–96. doi :10.1007/978-3-030-31420-0_6. ISBN 978-3-030-31419-4.
  7. ^ Rowe, DM, ред. (2018). CRC Handbook of Thermoelectrics. стр. 625. doi :10.1201/9781420049718. ISBN 978-1-315-21969-1.
  8. ^ Эйбл, Оливер; Нильш, Корнелиус; Перанио, Никола; Фёлкляйн, Фридеманн (21 апреля 2015 г.). Термоэлектрические наноматериалы Bi2Te3. Джон Уайли и сыновья. ISBN 9783527672639– через Google Книги.
  9. ^ Gaussorgues, G. (1994). «Детекторы излучения». Инфракрасная термография . стр. 261–318. doi :10.1007/978-94-011-0711-2_9. ISBN 978-94-010-4306-9.
  10. ^ Найквист, Р. (2001). "Экспериментальный". Интерпретация инфракрасных, рамановских и ядерно-магнитных резонансных спектров . Том 1. С. 25–30. doi :10.1016/B978-012523475-7/50166-2. ISBN 978-0-12-523475-7.
  11. ^ Рогальский, Антонио (15 ноября 2010 г.). Инфракрасные детекторы. CRC Press. ISBN 9781420076721– через Google Книги.
  12. ^ Maldaque, Xavier PV (28 апреля 2023 г.). Инфракрасная методология и технология. CRC Press. ISBN 9781000950601– через Google Книги.