低温冰箱自由活塞式斯特林制冷机模拟与优化

自由活塞斯特林制冷机具有高效紧凑,适合中低温制冷等优点。对用于低温冰箱自由活塞式斯特林制冷机进行了一维建模,并实现整机性能的模拟与优化。在考虑各种空体积的情况下,模拟分析了压缩活塞PV功和相位角的变化对整机性能的影响,获得了制冷机运行的最佳相位。对比了环形回热器的填料及填充方式对自由活塞式斯特林制冷机的性能影响,及对应材料下回热器的轴向导热损失情况。模拟了制冷机性能随回热器空隙率和制冷温度的变化情况,计算分析了回热器内部的不可逆损失随空隙率的变化情况,并且获得了不同温度下的最佳空隙率。最后,为了获得好的制冷性能,优化不同制冷温度的回热器设计参数及膨胀活塞与气缸壁的密封间隙宽度。     

混合填充式回热器单级脉管制冷机性能研究

回热器为回热式低温制冷机的关键部件,其性能对系统的影响甚大。为探索回热器内金属丝网混合填充对回热器性能的影响,文章基于回热器模拟软件REGEN3.3仿真结果的基础上,制作了单级脉管制冷装置,采用#300SS,#400SS和#500SS的金属丝网混填了四组回热器,并在不同输入功率下进行了系统制冷性能实验。实验结果表明,较之低目数丝网填充的回热器制冷机,采用高目数丝网填充的回热器制冷机性能较优;在回热器热端填充低目数,冷端填充高目数的丝网,可提高回热器冷端压比,提高整机制冷性能。     

低于11 K的单级脉管制冷机性能研究

研究了回热器长度以及80 K以下温区不同回热材料布置形式对单级G-M型脉管制冷机性能的影响.试验研究表明,适当增加回热器长度,制冷机性能可显著提高.在此基础上对低温区回热材料进行优化,采用Er3Ni、铅丸和不锈钢丝网3层复合回热材料获得了最佳的制冷性能.采用额定输入功率为7.5 kW的压缩机驱动,脉管制冷机最低制冷温度达10.9 K,这是目前单级脉管制冷机达到的最低制冷温度.该制冷机在21 K可获得20 W制冷量.     

20 K低温制冷机回热器结构设计

20 K温区高效制冷是目前空间探测任务制冷的关键需求之一,斯特林/脉管复合制冷机是实现20 K温区高效制冷的重要技术手段.回热器作为复合制冷机的核心部件,其性能对制冷机的整机性能有决定性的影响.合理的设计方法和流程可以保证回热器的性能.20 K温区时回热器工质氦气和填料的物性与较高温区,如80 K温区,相比有很大区别,...     

2 W@80 K星载斯特林制冷机丝网的优化选型设计

介绍了丝网的种类,考虑丝网质量对回热器性能的影响,给出了优质丝网的判据.详细分析了丝网目数对空隙率、比传热面积和当量直径的影响,以回热器回热损失与压降损失之和最小,尽可能减小回热器空容积为原则进行计算分析,得出2 W@80 K制冷机回热器的最佳填料为丝径0.036 mm、276目×276目的平纹方孔网.试验结果表明选用该规格丝网的制冷机在制冷温度80 K、压缩机输入功率46.2 W时,获得的制冷量为2 W.     

基于REGEN的100 mm长回热器脉管制冷机优化设计与实验研究

根据已有研究,回热器长度100 mm的脉管制冷机在温度低于60 K时的性能较好。将一台已有的65 mm长回热器单级同轴型脉管制冷机改造为100 mm长回热器单机同轴型脉管制冷机,分析回热器长度对脉管制冷机性能的影响。基于REGEN软件对脉管制冷机回热器进行优化设计,通过改变回热器填料、压比、冷端相位角和充气压力,研究其对回热器性能的影响。在实验中进一步探索研究输入功、频率等对制冷机的最低制冷温度和比卡诺效率的影响。实验结果表明,在充气压力2 MPa,运行频率51 Hz,输入功809 W,制冷量60 W时,冷头温度109 K,制冷机的相对卡诺效率达到12.9%。     

逆布雷顿循环空气制冷机的性能分析

针对开式逆布雷顿循环空气制冷机的热力性能展开理论分析,建立压缩机、膨胀机和回热器3大部件的制冷机系统模型.就部件性能和流程选择、环境温度、制冷温度等系统参数以及压比等设计参数对空气制冷机性能和COP值的影响进行了研究,证明存在着一个最佳的压力比πopt～4使制冷系统的制冷系数最大.提出了进一步提高制冷机效率的改进方案,对系统参数和设计参数进行了优化设计.     

驻波热声制冷机分层回热器的特性研究

针对驻波制冷机回热器的7种分层方式进行研究,并通过DeltaEC计算驻波制冷机的声场分布、热流分布和相位差分布、最低制冷温度,以及制冷量与COP的特性规律。计算结果表明:随着制冷温度的降低,通过回热器的分层相应增大回热器的孔隙率,有利于改善流动损失,有效降低制冷温度,提高制冷效率。回热器的分层可以为热声制冷机性能的优化提供一种有效的手段。     

工质和回热器参数对斯特林制冷机性能影响的研究

针对斯特林制冷机在环保、节能、结构紧凑等方面的优点,建立了一种应用于制冷温区(即:家用和商用冰箱领域,温度在173K～283K的范围)的整体式斯特林制冷机.并对其进行了不同工质(分别采用的氮气和氦气)和四种不同的回热器结构参数(文中表2)对整机性能影响的研究.研究结果表明:整体式斯特林循环制冷机应用于制冷温区时,各种结构间存在着最优匹配.四种回热器结构中结构3的系统整机性能最优.在最优匹配的结构中,不同工质氮气和氦气的最佳充气压力和制冷性能有所不同,在结构3中以氮气和氦气为工质的最佳充气压力分别为IMPa和1.3MPa,而制冷量和COP与转速的最优关系区域分别是:氮气为500～700r/min,氦气为800～1000r/min.     

中温区高频斯特林型脉管制冷机研究

脉管制冷机经过了近几十年的发展,不管是在冷量大小还是在运行的可靠性方面,其性能均得到了大幅的提升,目前主要研究是在80 K制冷温区,应用于中高温区的脉管制冷机还有待进研究。高频运行有助于实现脉管制冷机小型化和轻量化。采用随机丙纶纤维作为回热器的填充介质,设计了100 Hz线性压缩机驱动的直线型脉管制冷机,实验测试了不同条件下的制冷性能曲线。该脉管制冷机在150 W电功下可取得149 K的最低温度,在170 K的制冷温度下可获得9 W的制冷量。     

脉管制冷机回热器填加紫铜丝网的影响

在回热器中加入紫铜丝网增加径向导热有利于抑制大功率脉冲管制冷机回热器中的温度不均现象,但紫铜丝网也可能对制冷机性能产生其它的影响。通过数值模拟考察了在没有温度分布不均时,不同的紫铜丝网目数、分布方式、丝网厚度等对制冷机性能的影响。结果表明,在假设回热器温度均匀的情况下,不论如何填充定量的紫铜丝网,总会引起制冷机的效率降低;如果总的紫铜丝网数量一定并且均匀地分布在回热器中,整机制冷性能不会因填充层数的不同而有明显变化;采用与回热器不锈钢丝网目数接近的紫铜丝网要比目数相差较大的丝网可以获得更好的效果。     

小型逆布雷顿低温空气制冷机的初步实验研究

近年来,采用逆布雷顿循环的低温制冷机以其效率高、可靠性好、降温速度快、制冷范围广等特性得到广泛关注.本文搭建了一套逆布雷顿低温空气制冷机综合性能实验台,该实验台分为气源部分、制冷部分和性能测试部分.在实验台上可以进行系统降温、透平膨胀机热力及机械性能、回热器传热传质及食品冻结特性等的综合研究.这些研究可为氢、氦等逆布雷...     

单级G-M型脉管制冷机回热器性能

为了能进一步提高单级G-M型脉管制冷机的性能,着重对80 K到300 K温区回热器的效率进行了理论和试验研究.通过对不锈钢和磷青铜丝网材料热渗透深度和热导率的分析,指出在这一温区采用不锈钢丝网的制冷性能优于磷青铜丝网.基于REGEN3.2进行的数值模拟,进一步指出适当增大不锈钢丝网目数有利于提高制冷性能,并由此指导实验取得了理想的结果.单级G-M型脉管制冷机经优化后,取得了11.1 K的最低制冷温度,是当前国内外报道的最好结果;同时该制冷机在20 K和30 K分别可获得17.8 W和40.7 W的制冷量.     

微型JT制冷机降温实验

采用BF33硼硅玻璃结合光刻、激光刻蚀和熔融键合等工艺制成了以纯氮为工质的微型JT制冷机,外观尺寸(长×宽×厚)为60 mm×9. 6 mm×1. 2 mm。搭建了微型JT制冷机实验系统,能够为JT制冷机提供稳定的压力工况和高纯工质,并可测得相应压力工况下的温度和工质质量流量数据。降温实验结果表明,当高压和低压分别为10. 1 MPa和0. 24 MPa时,微型JT制冷机能够获得94. 3 K的无负荷制冷温度。制冷温度和工质质量流量保持稳定长达4小时以上。其加工工艺和实验系统方案可靠性得到验证。     

微型斯特林制冷机发展综述

从电子技术和光电子技术发展背景出发,论述了微型斯特林制冷机的发展前景及其关键子系统(控制系统、驱动系统和回热器等)的发展情况;同时论述了高频微型斯特林制冷机发展的技术关键是回热器的孔径率很高或者是孔径很小(10～50μm),同时膜的振幅在10～100μm级,以减小高频下黏性损失有所增大的负效应。     

两种回热型NH_3-H_2O-LiBr吸收式制冷机的实验研究

为了提高无回热器氨-水-溴化锂吸收式制冷实验样机的性能,实验首次提出了单回热器型和双回热器型氨-水-溴化锂吸收式制冷机的概念,并对两种实验样机分别进行了实验研究.实验结果表明,对于单回热器系统,溴化锂的加入大大降低了发生过程中的发生压力,对系统的安全性有利.但是由于吸收器和回热器的直接连通,导致回热器温度高于35℃时,随着回热温度的上升,吸收器压力急剧升高,制冷效果恶化.对于双回热器系统,结构的改进有效地解决了单回热器系统存在的问题,很好地实现了回热功能.相比于无回热器氨-水-溴化锂吸收式制冷实验样机,制冷系数得到明显的提高.在氨质量分数为50％,溴化锂质量分数为15％的情况下,系统的性能系数从无回热器的0.276提高到0.457,增幅达65.35％.     

基于Regen3.3的45K斯特林制冷机分层结构回热器的优化

回热器是回热式低温制冷机的关键部件,其性能优劣对制冷机的性能有决定性影响,因此研究回热器性能的影响因素、优化回热器结构参数非常重要。基于经典的热力学和流体力学原理,引入了表征回热器内部交变流动换热特性的两个相似准则数即瓦伦西数(Va)和交变流贝克利数(Pe_w),并提出分层丝网回热器结构。通过用REGEN3.3模拟分层丝网回热器,得到结果:分层填充方式对回热器的性能起到了很重要的作用,适当地分层填充可以提高性能系数COP(净冷量与热端PV功之比),验证了本文对回热器的分析。优化结果表明,Case.5的填充方式是最好的,它可以在制冷温度为45 K,输入功61.6 W时提供2.8 W制冷量。     

斯特林制冷机回热器热损研究

讨论了回热器的各种损失对斯特林制冷机的影响,对斯特林制冷机回热器的结构和丝网填料进行了分析,并模拟分析各种损失的影响.研究表明,回热器的结构、丝网填料对制冷机的性能有重大影响.     

高频脉冲管制冷机特性分析

通过相位理论分析了提高频率可以减小制冷机体积的原理,通过脉冲管制冷机内部损失影响分析了实现微型高效脉冲管制冷机的方法.研究表明:在现有的50 Hz高频下,减小制冷机体积会导致效率降低,提高运行频率,提高充气压力并采用更小水力直径的回热器填料,可以在减小体积的同时获得高效的制冷机.     

液氢温区大功率脉管制冷机模拟及实验研究

考虑到现有的热耦合双级脉管制冷机在第二级上存在效率低、冷量小等问题,对一种大功率脉管制冷机的第二级(视为整机)进行了单独的模拟和实验研究。模拟结果表明在回热器直径为55 mm的冷头设计下惯性管调相能力足够,减短惯性管长度或增大惯性管直径可有效改善回热器相位,并可通过调节工作频率使回热器相位达到理想状态。实验结果表明当惯性管长度为3 m,直径为10 mm,运行频率为58 Hz,工作电压为240 V时,获得47.8 K无负荷制冷温度,在输入功为777 W时,于129.3 K得到60 W制冷量,比卡诺效率为10.27%。因此,第二级具有较好的制冷性能。