斯特林制冷机排出器气动力特性研究

基于排出器动力特性的矢量分析,针对1台2 W@80 K双驱动分置式斯特林制冷机,开展实验,研究压力波动、运动阻尼和固有频率随制冷温度的变化,分析了其对制冷机性能的影响.结果表明:制冷温度降低时,压差和压力-位移相位角均呈减小趋势,膨胀腔功减小;排出器运动阻尼随制冷温度的降低而增大,导致蓄冷器压降增大,冷腔内平均压力降低,气动力减小,气动力与排出器位移夹角减小,排出器行程减小,膨胀腔理论制冷量减小;低温下膨胀机内气体弹性刚度增大,其固有频率增大,向运行频率接近,伴随电机驱动力下降;压缩活塞通过其运动产生的气流压力波对排出器的运动产生影响,排出器则通过其运动产生气流的质量分配和动量分配影响气体弹簧刚度和气流阻尼来反作用于压缩活塞.     

主动调相型脉管制冷机数值模拟与实验研究

设计了一台主动调相型斯特林脉管制冷机,采用线性压缩机作为脉管制冷机主动调相控制器(APC),连接于冷指热端出口。通过控制调相压缩机与驱动压缩机(PWG)间的位移相位角实现主动调相,从而调节质量流和压力波之间的相位关系,优化制冷性能。利用模拟软件进行数值模拟并进行实验研究。研究结果表明,定输入功下APC与PWG位移相位角为-110°及扫气容积比(PWG扫气容积/APC扫气容积)2.98时,无负载制冷温度最低,同时比卡诺效率最高,能够达到原惯性管型脉管制冷机同样的效率。     

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%。     

牛津型斯特林制冷机的动力特性分析

为了提高牛津型斯特林制冷机的制冷效率,提出了一种应用数值软件进行动力特性研究的方法。总结分析了压缩机、膨胀机的板弹簧刚度和活塞质量,充气压力,膨胀机位移相位角,膨胀机活塞行程以及制冷温度对制冷机动力特性的影响规律。优化了制冷机的动力系统,实验验证了该方法的可行性。研究结果表明,优化后制冷机的压缩机电机效率和整机效率均有所提高。     

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。     

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。     

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。     

推移活塞脉管制冷机的性能测试

采用了实验研究的方法,在宽广的温度范围内测试了推移活塞脉管制冷机在不同运行频率和不同充气压力下的工作性能。实验结果表明,在最佳运行频率附近,频率的变化对制冷机制冷效率的影响并不显著,最佳频率在实验范围内基本不随制冷温度而改变。在同一个工作频率下,存在一个最佳的充气压力使得制冷机的工作性能最佳。实验结果也表明了压缩机的功率因数并不显著影响制冷机工作性能。     

-80℃斯特林制冷机设计及实验研究

为满足低温存储领域对小型化、大冷量、高效率斯特林制冷机的应用需求,研究基于斯特林制冷机的特点,结合实际现状,设计了一台可用于低温存储领域的-80℃自由活塞式斯特林制冷机。根据其运行原理,通过数值模拟及实验验证重点分析了设备运行频率和工作压力对整机性能的影响,在此基础上讨论并提出了制冷机的优化思路。实验结果表明回热器采用丝网填充,工作压力为2.9 MPa,运行频率为63 Hz时,该制冷机在175.1 W输入功率下,可在-85℃提供29 W冷量输出,COP为0.166;当使用PET材料时,无热负载状态下最快可在42分钟左右冷端温度达到-86℃,其性能表现满足现有小型低温冰箱的冷量需求。通过数值模拟和实验结果的对比,讨论了出现性能差异的原因。     

两级热电制冷机的有限时间热力学分析

建立了考虑外部传热影响的两级半导体热电制冷机模型,用有限时间热力学对牛顿传热规律下两级半导体热电制冷机的性能进行分析,导出了制冷率、制冷系数与工作电流的一般关系式,得到了两侧换热器的最优面积分配和热电单元数的最优分配,并分析了多种因素对其性能的影响.