Experimental study is conducted to investigate the cooling performance of impinging jet from microtube using Joule-Thomson effect to apply practical applications. And also the heat transfer characteristics of a impinging jet itself and the impinging jet with Joule-Thomson effect are tested to make a comparative study of the two different general ideas. For this propose, two kinds of copper microtubes which have 200 tim and 300 tim in inner diameter respectively were tested and $N_2$ was used as a working fluid. In case of impinging jet without Joule-Thomson effect, heat transfer coefficients distributions were similar to those of normal impinging jet. But in impinging jet with Joule-Thomson effect, the heat transfer coefficients decrease as jet-to-surface increases contrary to the case of the normal jet. As a result, much higher heat transfer coefficients are obtained with Joule-Thomson effect than those of the normal jet without J-T effect.
NPT ensemble을 이용하여 Joule-Thomson 반전 곡선 (Joule-Thomson inversion curve, JTIC)를 구하는 기존의 모의실험 방법들과는 달리, 본 연구에서는 NVT 분자동역학 모의실험을 이용하여 JTIC를 구하는 방법을 개발하고, 이 방법을 이용하여 아르곤 기체의 JTIC를 구할 수 있음을 보인다. 본 연구 결과를 실험 및 다른 이론들과 비교, 분석한 결과, 낮은 온도에서의 JTIC는 실험 및 이론 결과와 유사한 반면, 높은 온도에서는 일정 정도의 차이를 나타냄을 알 수 있다. 이 차이는 분자동역학 모의실험에 사용하는 적은 입자 수와 모의실험 시간, 그리고 curve fitting 방법 등에 기인하는 것으로 여겨진다. 또한 본 연구를 통하여 NVT 분자동역학 모의실험 방법만 가능한, EDISON 계산화학 프로그램 중 하나인 "Mixed LJ(12-6) particles MD"가 JTIC를 구하는데 유용하게 사용될 수 있고, 이를 통해 학부생들이 열역학의 기본 개념을 이해하는데 도움을 줄 것으로 기대한다.
The Joule-Thomson cryocooler with $H_2$gas has been developed. Cool-down characteristics and the cooling performance of a JT cryocooler have been investigated in detail. The JT cryocooler consists of JT expansion valve, heat exchanger, expansion chamber, compressed $H_2$gas storage tank, $LN_2$precooler, heater and a cryostat. The precooling process using both $GN_2$and $LN_2$was peformed to cool down the inside components of cryocooler under the maximum inversion temperature of $H_2$. The $H_2$expansion experiments have been peformed for 2-5MPa of H$_2$pressure to evaluate steady state temperatures of the cryocooler. It is found that the steady state temperatures are decreased as the H$_2$pressures are increased. The effects of cooling temperatures on the performance have been evaluated for various $H_2$and $N_2$pressures. It is seen that the cooling loads are increased, as the cooling temperature and operating pressure are increased.
A cryogenic Mixed Refrigerant Joule-Thomson refrigeration cycle was designed to be applied to the semiconductor etching process with non-flammable constituents. 3-stage cascade refrigerator, single mixed refrigerant Joule-Thomson refrigerator, and 2-stage cascade type mixed refrigerant Joule-Thomson refrigerator are analyzed to figure out the coefficient of performance. Non-flammable mixture of argon(Ar), tetrafluoromethane(R14), trifluoromethane (R23) and octafluoropropane(R218) were utilized to analyze the refrigeration cycle efficiency. The designed refrigeration cycle was adapted to cool down the coolant of HFE7200(Ethoxy-nonafluorobutane, C4F9OC2H5) with certain constraints. Maximum coefficient of performance of the refrigeration system is obtained as 0.289 for the cooling temperature lower than -100℃. The detailed result of the coefficient of performance according to the mixture composition is discussed in this study.
A numerical method for determining the temperature vartiation in a natural gas transmission line is presented. By considering an element of the gas pipeline and assuming radially lumped heat transfer at steady-state conditions, the energy equation is developed. The integration of the developed nonlinear differential equation is done numerically using the fourth order Runge-Kutta scheme. The results of the present study have been compared with the results of Coulter equations, and show a fairly good agreement.
The conceptual determination of mixed-refrigerant (MR) for a closed Joule-Thomson cryocooler is described in this paper. The thermodynamic cycle design was mainly considered to develop a cryocooler by using a compressor of domestic air-conditioning unit. The target cooling performance of the designed cryocooler is 10 W around 70 K with less than 5 kJ/kg enthalpy rise. The systematic approach of choosing a proper refrigerant among 20 different kinds of mixture for such cryogenic temperature was introduced in detail. The main components of the cryocooler are compressor, evaporator, oil separator, after-cooler, counterflow heat exchanger, and J-T expansion device. Due to the limitation of the compressor operation range, the temperature after the compression was limited below $117^{\circ}C$ (390 K) and the temperature before compression was restricted above $5^{\circ}C$ (278 K). 20 atm of discharging pressure (high pressure) and less than 3 atm suction pressure (low pressure) were the design conditions. The inlet temperature of a counterflow heat exchanger in the high Pressure side was about 300 K. The proper composition of the mixed refrigerant for the designed J-T cryocooler is 15% mol of$ N_2, 30% mol of $CH_4,\; 30% mol\; of C^2H^ 6,\; 10%\; mol\; of\; C_3H_8\; and \;15%\; mol\; of\; i-C_4H_10$.
The cryoprobe used in cryosurgery should be fabricated in milimeter-order size for its practical usage. In general a miniature J-T(Joule-Thomson) refrigerator is applied to a cryoprobe. In case of the miniature J-T refrigerator, the mass flow rate of working fluid is small due to considerable friction in a minute flow path. For that reason, the miniature J-T refrigerator has a limited cooling power. To obtain the large cooling power from the J-T refrigerator, the refrigerator should have large mass flow rate and effective J-T temperature drop. These quantities are closely related to the geometry of the heat exchanger and the expansion nozzle in a cryoprobe, and are contradictory. The large mass flow rate leads to the small J-T temperature drop and vice versa in the miniature J-T refrigerator. Therefore, the optimal design of a cryoprobe to achieve maximum cooling power at fixed tube size and fixed operating temperature is required. This paper presents the design procedure of such case.
극한지 천연가스 배관의 운전온도 범위는 가스 공급을 최적화하고 운전동안 극한지 환경에 대한 충격을 최소화하기 위해 기본적으로 제어되어야 한다. 배관에 흐르는 가스의 온도는 Joule-Thomson 효과와 배관과 토양의 열전달에 의존한다. 따라서 본 연구에서는 매설 천연가스 배관의 열전달과 Joule-Thomson 효과를 상세히 고려하였다. 토양온도는 $0{\sim}-20^{\circ}C$, 총괄열전달계수는 $0{\sim}5.5W/m^2K$로 가정하였다. 토양온도와 총괄열전달계수 변화에 따른 배관 길이방향의 가스온도 변화와 압력손실을 동시에 계산하였다. 또한, 본 연구에서는 HYSYS 프로그램을 사용하여 토양온도와 총괄열전달계수에 따른 상변화와 하이드레이트 생성을 예측하였다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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