Optimizing heat exchanger parameters of a Joule-Thomson cryogenic cooler to improve the cooling performance

Abstract

Kriyo-soğutucular soğutmalı kızılötesi (IR) görüntüleme sistemlerinin en önemli bileşenlerindendir. Foton detektörlerinde algılayıcı sıcaklığı kriyojenik sıcaklıklara düşürülmediği sürece görüntü oluşturulamaz. Düşük ilk soğuma süresi, küçük boyutlar ve ağırlığın önemli olduğu dedektör soğutma uygulamalarında çoğunlukla Joule-Thomson (JT) soğutucular kullanılır. Bu çalışmanın hedefi argon gazı ile çalışan bir JT soğutucunun ısı değiştiricisini sayısal yollarla incelemek ve en uygun tasarım boyutlarını belirlemektir. Bu amaçla, Navier-Stokes ve enerji denklemlerini çözmek üzere sayısal bir model oluşturulmuştur. Sayısal model kullanılarak stokastik yöntemle eniyileme çalışması gerçekleştirilmiştir. Eniyileme çalışmasının hedefleri sistemin birim kütlede soğutma gücü en yüksek ve kabuk tarafından akan akışın basınç düşüşü en düşük olacak şekilde en uygun tasarım boyutlarının belirlenmesidir. Eniyileme çalışmasında incelenen olası tasarım boyutları toplam uzunluk, kılcal boru çapı, kılcal boru et kalınlığı, kanat sıklığı, kanat uzunluğu ve kanat kalınlığıdır. Bu boyutlardan hedeflere etkisi düşük olanların eniyileme çalışmasında incelenmemesi için öncelikle bir hassasiyet analizi yapılmıştır. Seçilen tasarım boyutları belli aralıklarda incelenmiştir. Tüm boyut kombinasyonlarının değerlendirileceği şekilde bir sonuç bulutu oluşturulmuştur. Birbiriyle çelişen iki hedefin bir arada incelenebilmesi için ağırlıklı ortalamalarının toplanması yoluyla bir eniyileme fonksiyonu oluşturulmuştur. En iyi boyutlar, oluşturulan sonuç bulutunda eniyileme fonksiyonunun en yüksek değerinin tespit edilmesi ile belirlenmiştir. Son olarak tespit edilen en iyi boyutlar ikinci bir eniyileme hesaplamasının başlangıç boyutları olarak kullanılmıştır. Bu sayede en iyi boyutlar tespit edilmiştir. Önerilen yeni boyutlar ile çalışma debisi %46 oranında azaltılabilmiştir. Bu sayede soğutucunun çalışma süresi uzayacaktır. Ayrıca kabuk akışı basınç düşüşü %90 oranında azaltılmıştır. Bu sayede soğutulmak istenen hedefin çalışma sıcaklığının düşürülmesi sağlanmıştır.

Cryocoolers are one of the key components of cooled infrared (IR) imaging systems, where it is not possible to form an image in photon detectors without decreasing the sensor temperature to cryogenic temperatures. In detector cooling applications where low cool down times, small size and weight are required, mostly Joule Thomson (JT) cryocoolers are preferred. The aim of this study is to analyze the heat exchanger of a JT cryocooler operating with argon as the working gas, numerically and optimize its design parameters. For this purpose, a numerical model is built to solve Navier-Stokes and heat transfer equations. Using the numerical model, an optimization study is applied using stochastic method to maximize the specific cooling power of the cryocooler and minimize the shell side pressure drop. The possible optimization parameters are determined as total length of the heat exchanger, capillary tube diameter, capillary tube wall thickness, fin density, fin thickness and fin length. The design parameters are varied within certain limits. A result cloud is obtained using full factorial method. The two contradicting objectives are brought together by weighted averages approach and an optimization function is formed. The optimum geometry which maximizes the optimization function is searched using grid search method. Finally, a second iteration of the optimization is performed by using the optimum geometry obtained from the first iteration. An optimum geometry is obtained, where flow rate is decreased by 46%, which results in an increase of the operation time, and the shell side pressure drop is decreased by 90%, which results in a decrease of the target body working temperature.