Joule-Thomson tipi kriyojenik soğutucularda akış kontrol biriminin tasarımı

Abstract

Joule-Thomson tipi soğutucular reküperatif olup giriş ve çıkış taraflarında aynı akışkan bulunur. Çıkış tarafında bulunan düşük sıcaklıktaki akışkanın giriş tarafındaki akışkandan ısı çekmesiyle ön soğutma sağlanır. Asıl sıcaklık düşüşü ön soğutma sonrasında sıkıştırılabilir gerçek gazların ani genişlemesi sebebiyle oluşan Joule-Thomson etkisinden kaynaklanmaktadır. Hızlı soğuma, yüksek debili soğutucu akışkanın kullanılması ile gerçekleşmektedir. İstenilen sıcaklığa ulaşıldıktan sonra gaz tüketimini azaltmak için bir akış kontrol biriminin kullanılmasına ihtiyaç duyulmaktadır. Bu çalışmada öncelikle Joule-Thomson tipi soğutucularda kullanılan akış kontrol yapıları araştırılmış, ancak sadece körük tipi akış kontrol birimini içeren Joule-Thomson soğutucular üzerinde çalışılmıştır. Körükler akış kontrol birimi için yaygın olarak kullanılan bir çözümdür. Oda şartlarındaki gaz ile basınçlandırılan körüğün içindeki gazın sıcaklığı, soğutucudan geçen gazın sıcaklığının kriyojenik sıcaklıklara ulaşmasıyla birlikte azalacaktır. Dolayısıyla körük içerisindeki gazın basıncı da azalarak, körük büzülmeye başlayacaktır. Körük üzerinde debiyi ayarlamak için bir iğne yapısı bulunmaktadır. Körüğün büzülmesiyle oluşacak yer değiştirmeye bağlı olarak iğne de körük ile birlikte harekete eder. Sıcaklık düştükçe, iğne orifis alanını daraltır. Temel olarak körük tipi akış kontrol yapılarının çalışma prensibi bu şekilde ifade edilebilir. Bu çalışma, Joule-Thomson tipi soğutucularda bulunan körük tipi akış kontrol biriminin tasarımına etki eden parametrelerin incelenmesi amacıyla yapılmıştır. Çalışmada ihtiyaç duyulan hareket miktarına bağlı olarak körüğün boyutlarını belirlemek için bir yaklaşım geliştirilmiştir. Farklı boyutlardaki körükler literatürde yer alan ve boyutları bilinen bir J-T soğutucu içerisine yerleştirilmiş ve sayısal olarak incelenmiştir. Bu amaçla ilk etapta literatürde yer alan yöntemler kullanılarak J-T soğutucu üzerinde kararlı hal durumundaki sıcaklık dağılımı hesaplanmıştır. Yüksek basınçla giren akışkan ve düşük basınçla çıkan akışkan için literatürde ortaya konulmuş olan süreklilik, momentum ve enerji denklemleri tek boyutta sonlu farklar metodu kullanılarak `MATLAB` yazılımı ile çözülmüştür. Soğutucu akışkan olarak argon gazı kullanılmıştır. Termofiziksel özellikler MBWR hal denklemi kullanılarak elde edilmiştir. Soğutucu üzerindeki sıcaklık dağılımı, körük üzerindeki sıcaklık dağılımının ve içerisinde bulunan gazın kararlı hal durumundaki basıncının hesaplanması için sınır şartı olarak belirlenmiştir. Bu hesaplama da ANSYS ticari yazılımı (sonlu elemanlar modeli) kullanılmıştır. Gazların ısı iletkenlik katsayı değerleri sıcaklığa ve son basınçlarına bağlı olarak hesaba katılmıştır. Kararlı hal durumunda körük içerisindeki son basıncın bulunmasının ardından körüğün başlangıç durumuna göre ne kadar büzüldüğü hesaplanmıştır. Bu hesaplama da ANSYS ticari yazılımı kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Problem iki boyutta eksenel simetrik olarak modellenmiştir. Büzülme miktarı `gerçek birim uzama` yaklaşımı kullanılarak lineer olmayan denklemlerin çözülmesiyle bulunmuştur. Körüğe ait temel boyutların (Dış çap, iç çap, cidar kalınlığı, körük adımı iç çapı) basınç üzerindeki etkisini anlayabilmek için boyutlar parametrik biçimde tanımlanmıştır. Dolayısıyla farklı boyutlardaki 108 körük için büzülme miktarı ve başlangıç durumunda içerisindeki yüksek basınçlı gaz sebebiyle oluşacak maksimum gerilme miktarları bulunmuştur. Maksimum gerilme miktarları körüğün yüksek basınçlara dayanımının tespit edilmesi açısından önemlidir. İncelenen 108 farklı körükten güvenli olarak maksimum büzülmenin elde edileceği konfigürasyonlar bulunmuştur. Körük dış çapı büyüdükçe, iç çap, cidar kalınlığı ve körük adımı iç çapı küçüldükçe körüğün büzülme miktarının artacağı tespit edilmiştir. Bunun yanında soğutucunun giriş basıncının körüğün büzülmesi üzerinde çok etkisi olmadığı görülmüştür.

Joule-Thomson coolers are recuperative coolers in which the same fluid is used on the inlet and outlet sides. Fluid entering to JT cooler is precooled by lower temperature fluid flows on the outlet side. The actual temperature drop occurs as a result of Joule-Thomson effect in the rapid expansion of compressible real gases after precooling. A flow control unit is required to reduce gas consumption when the desired temperature is achieved.Various flow control units used in Joule-Thomson coolers were researched at the beginning of this study. However, only Joule Thomson coolers having bellow type flow control units have been studied. Pressurized bellows are common devices in order to perform flow control. The temperature of the gas inside the bellow is at room conditions in the beginning. However, it decreases as the temperature of the refrigerant flowing in the cooler reaches to the cryogenic temperatures. Therefore, the pressure of the gas in a bellow will decrease and consequently it begins to contract. There is a needle structure assembling to the bellow to adjust the flow rate. The needle moves with the bellows, thereby depending on the displacement caused by the contraction of the bellow. As the temperature drops, the needle will reduce the flow area in the orifice where the Joule-Thomson effect occurs. Essentially, the working principle of bellow type flow control units can be expressed in this way. This study was carried out to investigate the parameters that affect the design of bellows. At the end of the study, a unique approach has been developed to determine the dimensions of the bellow provide with required displacement. The bellows of different sizes were placed in a J-T cooler in literature which is known dimensions and they are examined. The first analysis in this thesis is calculation of temperature distribution on the J-T cooler in steady-state condition by using the methods in literature. For this aim, governing equations (for continuity, momentum and energy balance) derived in literature for inlet side (high-pressure) fluid and outlet side (low-pressure) fluid are solved by finite difference method in MATLAB software. Argon gas are used as a refrigerant. In addition, the thermophysical properties of this refrigerant are calculated by MBWR state equation solved with another inhouse code. The temperature distribution on the cooler is used as a new boundary condition to calculate the temperature distribution on the bellow and pressure inside the bellows in the steady-state condition. ANSYS commercial software (finite element model) is used in the calculations of whole JT cooler model. The heat transfer coefficients of the gases are calculated according to the temperature and the final pressures. Final pressure inside a bellow is found and contraction rate of the bellow is calculated according to the initial condition. This calculation was also accomplished by using ANSYS commercial software. The problem was modeled as 2-D axisymmetric. The rate of contraction was found by solving non-linear equations using the `log-strain` approach. Dimensions of bellow (Inner and outer diameter of bellow, Wall thickness, gap diameter) are defined parametrically in order to determine the effect of the basic dimensions of a bellow on the pressure. For this reason, the contraction rate for 108 different bellows and the maximum stress that caused by the high-pressure gas in the initial stage are calculated. The maximum amount of stress is important in the determination of the strength of the bellow at high pressures. Safe configurations were found among 108 different bellows that maximum contraction are obtained. It has been determined that as the bellows outer diameter increases and as the inner diameter, wall thickness and gap diameter decreases, the amount of bellow contraction increases. However, it has been observed that the inlet pressure in cryocooler are not effective so much on the contraction of bellow.