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%。     

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。     

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.     

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。     

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。     

液化天然气温区大功率脉管制冷机模拟及实验研究

大功率脉管制冷机有望满足小型液化天然气装置的各种需求,介绍了一台大功率脉管制冷机的优化及实验结果。模拟结果表明,采用0.03 mm丝径的300目丝网能提高脉管制冷机的制冷效率,在进行了两种回热器丝网规格的对比实验之后,验证了模拟结果,通过对制冷机冷端均流器进行改进,大大提高了脉管制冷机的性能。实验结果表明,在输入功为5 501 W时,于119.7 K下获得了500 W的制冷量,其比卡诺效率为13.7%。     

冷却水温对大冷量斯特林制冷机性能的影响

对一台大冷量整体式斯特林制冷机开展了冷却水温影响的研究。充气压力1.85 MPa时,冷却水进水温度每升高5℃,77 K制冷量实验值减小约40 W,COP实验值降低约0.4%。77 K制冷温度下,压缩腔工质平均压力、制冷机输入功和水冷器换热量随冷却水温升高而增大。提高充气压力,发现冷却水温度变化对制冷性能的影响几乎不变。     

液氢温区单级高频多路旁通型脉冲管制冷机

为了既能降到液氢温区又能确保制冷机的温度稳定性,开展了仅采用长颈管,不使用双向进气进行调相的单级高频多路旁通型脉冲管制冷机的实验研究。首先用数值计算的方法获得了多路旁通开度是否最佳的判据。研制出的制冷机在充气压力1.73MPa,输入电功220W时,无负荷最低制冷温度能够降到23.6K,为目前所报道的在没有双向进气时单级高频脉冲管制冷机获得的最低温度。在达到稳定状态后,制冷机性能稳定,温度波动幅值小于0.1K。在220W输入电功下,能够在29.2K获得0.516W,34.3K获得1.0W的制冷量。     

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.     

驻波型热声压缩机驱动脉管的最新结果

热声驱动脉管制冷机中由于完全无运动部件,具有运行稳定、寿命长等优点,经过对先前已经达到138K的热声驱动脉管制冷机进行系统的改进,在国内首次使该类型的制冷机进入低温温区,以氦气为工质获得了119.7K的制冷温度,这一温度已经能够液化一个大气压表压下的天然气（主要成分：甲烷）,显示出该制冷方式广阔的应用前景,此外,研究了混合工质对热声驱动脉管制冷系统性能的影响情况,并获得了117.6K的最低制冷温度。     

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,...     

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。     

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.     

热桥传热特性对热耦合二级Stirling型脉管制冷机性能的影响

级间热桥的传热特性对于热耦合型多级脉管制冷机的制冷温度和制冷效率均具有重要影响。采用铜丝编织带和铜箔连接的3种热桥进行对比实验，研究了热桥的传热特性对热耦合二级Stirling型脉管制冷机性能的影响。采用改进后的热桥，以氦气作为工质，在总输入电功率为400W，以及优化的工作频率和充气压力条件下，热耦合二级Stirling型脉管制冷机实现了12．96K的无负荷制冷温度，并可同时在23．1K和100．8K分别提供0．4W和6W的制冷量。     

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.     

新型热声制冷-双作用行波热声制冷机热力特性的数值模拟研究

对一种新型热声制冷系统—双作用行波热声制冷机进行了研究,设计了一台在气液双作用行波热声发动机上使用的行波制冷机,并通过数值模拟优化了制冷机的结构尺寸。在环境温度300K,制冷温度250K的条件下,新型的双作用制冷机的COP达到了2.74,相对卡诺效率接近60%,声功消耗为534W,制冷量为1464.9W。通过对传统的斯特林制冷机及不同结构的行波制冷机计算比较。结果表明:从压比、效率、制冷量等多角度考察,新型的双作用行波制冷机更适合与气液双作用行波热声发动机耦合工作。它具有潜在的高效率、热驱动及无运动部件的优点,非常有潜力成为常规制冷方式的一种替代技术。     

新型热声制冷-双作用行波热声制冷机热力特性的数值模拟研究

对一种新型热声制冷系统—双作用行波热声制冷机进行了研究,设计了一台在气液双作用行波热声发动机上使用的行波制冷机,并通过数值模拟优化了制冷机的结构尺寸.在环境温度300K,制冷温度250K的条件下,新型的双作用制冷机的COP达到了2.74,相对卡诺效率接近60%,声功消耗为534W,制冷量为1464.9W.通过对传统的斯特林制冷机及不同结构的行波制冷机计算比较.结果表明:从压比、效率、制冷量等多角度考察,新型的双作用行波制冷机更适合与气液双作用行波热声发动机耦合工作.它具有潜在的高效率、热驱动及无运动部件的优点,非常有潜力成为常规制冷方式的一种替代技术.     

1.27 K3He二级脉管制冷机性能研究

在一台具有独立气体回路的液氦温区G-M型二级脉管制冷机上,采用3He为第二级制冷工质,获得了1.27 K的最低无负荷制冷温度.研究表明,以3He为第二级工质,该系统在2 K,3 K和4.2 K,分别可以提供42 mW,205.5 mW和518.3 mW的制冷量,第一级和第二级压缩机相应的输入功率分别为4.3 kW(Leybold CP4000氦压缩机)和1.3 kW(Leybold RW2氦压缩机).与两级均采用4He工质的情况相比,在相同的条件下(相同的压缩机耗功:4.3 kW 1.3 kW),第二级采用3He为工质,使得该二级脉管制冷机在4.2 K的制冷量提高了40.5%.     

斯特林型两级脉管制冷机的改进

在最近研制的1台直线压缩机驱动的两极脉管制冷机的初步试验的基础上,对直线压缩机的线圈重新进行了设计和制作,解决了由于绕制圈数过多而无法输入足够电功率的问题。对冷头的热端法兰及回热器热端热交换器进行了改进,采用了微槽式水冷却器,解决了压缩热无法得到充分冷却引起的制冷机热端温度过高的问题。改进后制冷机的性能得到了显著的提高,在2.0 MPa充气压力和40 Hz频率的条件下,该制冷机获得了14.2 K的最低制冷温度。并且,第一级和第二级在97.8 K和34.9 K时,分别具有2.5 W和1 W的制冷量。     

深冷文献消息(国内部分)

20 0 5 110 1　 1 2 7K 3 He二级脉管制冷机性能研究蒋　宁等　《低温工程》　 2 0 0 4　№ 5　 1～ 7在一台具有独立气体回路的液氦温区G M型二级脉管制冷机上 ,采用3He为第二级制冷工质 ,获得了 1 2 7K的最低无负荷制冷温度。与两级均采用4 He工质的情况相比 ,在相同的条件下 (相同压缩机耗功 :4 3kW 1 3kW) ,第二级采用3He为工质 ,使得该二级脉管制冷机在 4 2K的制冷量提高了 4 0 5 %。2 0 0 5 110 2　斯特林型高频脉冲管制冷机的实验研究王国平等　《低温工程》　 2 0 0 4　№ 5　 8～ 12介绍了一台单级U型高频脉冲管制冷机的…