شبیه سازی یک سردساز لوله ضربانی و بررسی پارامترهای موثر بر عملکرد آن

سرد ساز لوله ضربانی اینرتنسی از زمره سردسازهای بادوام می باشد که عضو متحرکی در قسمت سرد خود ندارد. این سردسازها قابلیت رسیدن به دمای 4 کلوین و کمتر را دارند. از جمله کاربردهای سرد سازهای لوله ضربانی اینرتنسی، استفاده از آن ها در صنایع هوا فضا است. تاکنون تلاشهای زیادی برای بهبود کارایی این سردساز و کوچک کردن ابعاد هندسی آن انجام گرفته است. فرآیندهای ترمودینامیکی ـ سیالاتی که در سردساز اینرتنسی اتفاق می افتد پیچیده هستند و جزئیات کامل مکانیزم کاری این سیستم هنوز به درستی شناخته نشده است. شناخت و شبیه سازی این فرآیندهای پیچیده از اهداف این تحقیق می باشد.در این تحقیق از یک کد تجاری برای شبیه سازی یک سرد ساز لوله ضربانی اینرتنسی استفاده شده است. این سردساز اینرتنسی از اجزایی شامل: کمپرسور، مبدل حرارتی پس خنک کن، بازیاب، لوله پالس تیوب، مبدل های حرارتی سرد و گرم ، لوله اینرتنس و مخزن ذخیره کننده تشکیل شده است. قابل ذکر است که بازیاب و مبدل های حرارتی از محیط متخلخل تشکیل شده اند. این شبیه سازی بر روی سیستمی انجام شده است که کلیه اجزاء آن به یکدیگر کوپل شده اند و فرآیندها در حالت جریان دایم ـ سیکلی اتفاق می افتد. کد تجاری مورد استفاده به صورت پیش فرض از فرض تعادل حرارتی بین سیال عامل و جامد محیط متخلخل برای مدل کردن محیط متخلخل استفاده می کند. در این تحقیق بازیاب هم با فرض تعادل حرارتی و هم با فرض عدم تعادل حرارتی مدل شده است. برای شبیه سازی بازیاب با فرض عدم تعادل حرارتی بین فاز سیال و جامد نیاز به تنظیم تابع کاربری مورد نیاز و اتصال آن به حل کننده کُد تجاری می باشد. نتایج بدست آمده نشان می دهد که فرض تعادل حرارتی فرض چندان مناسبی برای مدل کردن بازیاب نمی باشد و نتایج حاصل از حل جریان در بازیاب با فرض عدم تعادل حرارتی بین فاز سیال و جامد با نتایج آزمایشگاهی مطابقت بیشتری دارد. تأثیر تغییر راندمان بازیاب با فرض عدم تعادل حرارتی بر روی راندمان سرمایشی کلی سیستم سردساز نشان می دهد که بازیاب عضو کلیدی از سیستم سردساز ضربانی اینرتنسی می باشد. مطالعاتی از منظر قانون دوم ترمودینامیک بر روی فرآیندهای داخل بازیاب انجام شده است. این مطالعات نشان می دهد که فرض عدم تعادل حرارتی فرآیندهای اتلافی درون بازیاب را نسبت به فرض تعادل حرارتی بسیار بهتر مدل می کند و نشان می دهد که اکثر افت انرژی درون بازیاب در سرِگرم آن اتفاق می افتد. برای بهبود کارآیی بازیاب نیاز است که تغییراتی در این قسمت انجام شود. از جمله این تغییرات استفاده از چندین نوع سیم توری مش بندی شده و جامه دانه کروی از جنس فولاد رنگ نزن به عنوان فاز جامد محیط متخلخل بازیاب می باشد. نتایج حاکی از آن است که اگر از جامد با ضریب تخلخل بالا و سطح انتقال حرارت کم در طرف گرم بازیاب و جامد با تخلخل کم و سطح انتقال حرارت زیاد در طرف سرد بازیاب استفاده شود، ضریب عملکرد آن افزایش می یابد و این به دلیل تغییر ویسکوزیته گاز هلیم در طول بازیاب در اثر تغییرات شدید دما در طول بازیاب می باشد.