A medida que crece la demanda de refrigeración a baja temperatura, particularmente en aplicaciones donde las restricciones del mercado y los requisitos del usuario difieren significativamente de los sistemas de refrigeración tradicionales, el desarrollo de soluciones de refrigeración eficientes y de alto rendimiento se vuelve cada vez más crítico. Infinia Technology Corporation (ITC) está desarrollando activamente un criorefrigerador de ciclo Stirling de una sola etapa y alta potencia diseñado para satisfacer estas necesidades emergentes del mercado.
Filosofía de Diseño Modular
El criorefrigerador emplea un concepto de diseño altamente modular desde su inicio, lo que permite la adaptación a diversas aplicaciones sin cambios importantes en el sistema central de accionamiento lineal de alta potencia. La unidad puede utilizar hasta 8 kW de potencia de entrada eléctrica, dependiendo de las condiciones de funcionamiento, con dimensiones de 1000 mm de longitud, 530 mm de altura (sin aislamiento), 300 mm de profundidad y una masa total de 160 kg (excluyendo la fuente de alimentación/controlador).
Accionamiento Lineal Dual y Supresión de Vibraciones
El sistema cuenta con dos generadores de ondas de presión de accionamiento lineal opuestos que cancelan eficazmente todas las vibraciones del motor de accionamiento. La vibración residual neta del movimiento del pistón sigue siendo mínima. ITC califica el criorefrigerador a 650 W de capacidad de enfriamiento neta a 77K con 5800 W de entrada eléctrica, aunque funciona en un amplio rango de temperaturas. El modelo actual proporcionado a la Marina de los EE. UU. ofrece 300 W de enfriamiento a 50K.
Optimización y Simulación del Rendimiento
El conjunto modular de extremo frío, que comprende el conjunto del pistón, el rechazador de calor, el regenerador y el intercambiador de calor del cabezal frío, está optimizado para requisitos operativos específicos. El sistema de ITC difiere de otros criorefrigeradores de gran capacidad en tamaño físico, rendimiento y características de funcionamiento. La empresa emplea el modelo de simulación del ciclo Stirling SAGE de Gedeon Associates, que muestra una excelente correlación con los resultados reales de las pruebas de hardware.
Innovación del Generador de Ondas de Presión
El módulo generador de ondas de presión de ITC incorpora cojinetes de flexión probados para proporcionar sellado de espacio de gas al tiempo que elimina el desgaste como mecanismo de degradación. El conjunto compacto resultante logra una eficiencia de conversión de energía >87% (potencia PV del pistón del ciclo Stirling/potencia eléctrica del motor de accionamiento) en relación con su capacidad de entrada eléctrica de 8 kW.
Configuración Stirling vs. Tubo de Pulso
Para el rango de temperatura de 60-110K de particular interés, la configuración del ciclo Stirling demuestra ventajas de rendimiento del 20-50% sobre las alternativas de tubo de pulso. Estas ventajas crecen significativamente a temperaturas de funcionamiento más altas (175K y superiores). Las preocupaciones sobre la fiabilidad de las piezas móviles adicionales en los sistemas Stirling se mitigan por la amplia experiencia de ITC con diseños de cojinetes de flexión que han demostrado un funcionamiento continuo superior a 100.000 horas.
Gestión Térmica y Adaptación Ambiental
El sistema de rechazo de calor residual del criorefrigerador representa una consideración de diseño crítica, particularmente al pasar del laboratorio a las condiciones de campo. Los impactos en el rendimiento de las temperaturas elevadas del refrigerante requieren una optimización cuidadosa del sistema completo de gestión térmica, incluido el intercambiador de calor del rechazador del ciclo Stirling, el intercambiador de calor del lado del aire, la bomba de circulación del refrigerante y los ventiladores de refrigeración.
Vías de Desarrollo Futuro
La arquitectura modular del sistema permite múltiples opciones de configuración actualmente en desarrollo:
-
Disposiciones de dos etapas para aplicaciones superconductoras de 20-30K
-
Configuraciones de doble cabezal frío para un mejor equilibrio con conjuntos de pistones grandes
-
Módulos de accionamiento cuádruple (cuatro generadores de ondas de presión) para una mayor capacidad de enfriamiento
El desarrollo continuo de motores lineales tiene como objetivo duplicar la capacidad de accionamiento actual de 4 kW a 8 kW por módulo, manteniendo o reduciendo el costo por kilovatio, lo que permite sistemas futuros con una potencia de entrada superior a 30 kW.
¡Su mensaje debe tener entre 20 y 3.000 caracteres!
