MARC

 008250123s2024        us                              c    eng  d
■001000017164618
■00520250211153023
■006m          o    d                
■007cr#unu||||||||
■020    ▼a9798342746427
■035    ▼a(MiAaPQ)AAI31632851
■040    ▼aMiAaPQ▼cMiAaPQ
■0820  ▼a536
■1001  ▼aKroll,  Duncan.▼0(orcid)0000-0003-3958-6558
■24510▼aProcess  Design  and  Analysis  of  a  Cryogenic  Freeze-Out  Heat  Exchanger  for  Helium  Purification
■260    ▼a[Sl]▼bMichigan  State  University▼c2024
■260  1▼aAnn  Arbor▼bProQuest  Dissertations  &  Theses▼c2024
■300    ▼a191  p
■500    ▼aSource:  Dissertations  Abstracts  International,  Volume:  86-05,  Section:  B.
■500    ▼aAdvisor:  Engeda,  Abraham.
■5021  ▼aThesis  (Ph.D.)--Michigan  State  University,  2024.
■520    ▼aPurification  systems  are  necessary  to  support  commissioning  and  operation  of  medium  to  large-scale  cryogenic  refrigeration  systems  using  various  cryogenic  working  fluids.  The  present  research  focuses  on  helium  refrigeration  systems  that  operate  at  4.5  K  (which  is  just  above  the  normal  boiling  point  of  helium),  down  to  1.8  K  (which  requires  helium  with  a  vapor  pressure  of  16  mbar).  At  these  very  low  temperatures,  the  presence  of  any  substances  except  helium  (contaminants)  will  result  in  solidification.  Even  trace  amounts  of  these  impurities  in  the  process  fluid  can  block  and/or  change  the  flow  distribution  in  a  refrigerator's  heat  exchangers  and  potentially  damage  rotating  equipment  operating  at  high  speeds.  Therefore,  helium  purifiers  for  these  refrigerators  are  typically  designed  for  a  low  level  of  impurity  (i.e.,  1-100  ppmv)  removal  of  moisture  and  air  components,  since  gross  impurities  are  removed  during  the  initial  clean-up  and  commissioning  of  the  system.Purification  of  the  process  gas  (helium)  is  typically  achieved  by  molecular  sieve  adsorption  beds  at  room  temperature  for  moisture  removal  and  liquid  nitrogen  (LN)  cooled  activated  carbon  adsorption  bed  for  air  (nitrogen/oxygen/argon)  removal.  However,  past  studies  and  operational  experience  show  that  molecular  sieves  are  unable  to  remove  low  level  moisture  contamination  effectively.  Freeze-out  purification  has  great  potential  to  reliably  remove  low-level  moisture  contamination,  but  requires  careful  design.  Typical  commercially  available  freeze-out  purifiers  have  a  much  shorter  operating  time  in  between  regenerations  than  should  be  achievable,  are  not  optimized  for  low  pressure  operation,  and  require  large  amount  of  utilities  like  liquid  nitrogen.  Furthermore,  frost  formation  in  a  purifier  heat  exchanger  is  not  well  understood.  Developing  an  understanding  of  this  process  and  studying  the  design  and  process  parameters  that  can  improve  the  process  for  this  critical  sub-system  is  the  focus  of  this  research.This  work  begins  with  an  experimental  study  of  a  commercially  available  helium  freeze-out  purifier.  It  is  tested  under  practical  operating  conditions  and  controlled  operating  conditions,  under  different  contamination  levels  and  flow  capacity  imbalances.  Auxiliary  equipment  was  designed,  fabricated,  tested,  and  operated  to  achieve  controlled  and  tunable  low-level  moisture  contamination  in  the  helium  stream.  The  performance  and  moisture  capacity  of  the  purifier  heat  exchanger  was  characterized.  Following  the  experimental  study,  a  series  of  theoretical  studies  were  carried  out.  First,  a  heat  and  mass  transfer  model  on  an  isothermal  surface  was  developed  to  establish  a  base-level  understanding  of  frost  formation  and  relate  to  the  existing  literature.  This  model  was  used  to  study  the  effects  of  gas  pressure,  wall  temperature  difference,  reduced  temperature  differential,  absolute  humidity,  and  carrier  gas  on  the  frost  growth  and  mass  transfer.  A  simplified  estimation  to  predict  frost  thickness  was  developed  and  found  to  be  accurate  within  1%.  Second,  this  model  was  extended  to  a  heat  exchanger  surface.  This  model  was  validated  using  test  data  and  used  to  study  the  effects  of  flow  imbalance  and  inlet  moisture  contamination  level.  Through  this  study,  it  was  found  that  flow  mal-distribution  within  the  heat  exchanger  caused  a  significant  rift  between  many  of  the  experimental  results  and  the  simulation  results.  Third,  in  order  to  eliminate  the  effects  of  flow  mal-distribution  and  reduce  utility  usage,  a  novel  purifier  design  is  studied.  It  considers  a  coiled  finned-tube  design  to  maximize  surface  area  for  heat  exchange  and  mass  collection.  An  initial  exergy  analysis  was  done  to  determine  a  reasonable  reference  design  geometry.  The  effects  of  fin  density  and  heat  exchanger  mandrel  diameter  on  frost  formation  and  heat  exchanger  performance  were  studied.  It  was  found  that  the  novel  purifier  can  hold  approximately  as  much  frost  as  the  commercially  available  purifier,  while  using  significantly  less  nitrogen  for  cooling.
■590    ▼aSchool  code:  0128.
■650  4▼aThermodynamics
■650  4▼aFluid  mechanics
■650  4▼aMechanical  engineering
■653    ▼aCryogenics
■653    ▼aFreeze-out
■653    ▼aFrost  formation
■653    ▼aHeat  exchangers
■653    ▼aHelium  purification
■653    ▼aMass  transfer
■690    ▼a0348
■690    ▼a0204
■690    ▼a0548
■71020▼aMichigan  State  University▼bMechanical  Engineering  -  Doctor  of  Philosophy.
■7730  ▼tDissertations  Abstracts  International▼g86-05B.
■790    ▼a0128
■791    ▼aPh.D.
■792    ▼a2024
■793    ▼aEnglish
■85640▼uhttp://www.riss.kr/pdu/ddodLink.do?id=T17164618▼nKERIS▼z이  자료의  원문은  한국교육학술정보원에서  제공합니다.

Preview

Export

ChatGPT Discussion

AI Recommended Related Books