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。     

丙纶填充式回热器单级脉管制冷机性能研究

采用丙纶纤维作为回热器新型填充介质,对单级脉管制冷机进行了试验研究。对丙纶微尺度空间结构及物理性能进行了分析,基于充气压力分别为3.5、3.0、2.8、2.5、2.0、1.5 MPa的工况下,进行了降温性能、频率性能、制冷性能试验,获取了最低制冷温度,最佳工作频率及最大比卡诺效率。研究结果表明,充气压力对丙纶填充回热器的制冷机整体性能影响较大,工作频率的影响不是很明显。最终获得了最大比卡诺效率9.46%@170 K/10.06 W/77 W,最大制冷量为5.47 W@120 K/2.5 MPa,12.02 W@150 K/3.0 MPa,16.49 W@170 K/3.0 MPa,并获得了96.4 K的最低制冷温度。     

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%。     

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.     

线性压缩机驱动的80K单级脉管制冷机设计与实验研究

结合美国标准与技术研究院(NIST)的回热器计算软件REGEN3.2,成功设计了1台单级斯特林型脉管制冷机.采用惯性管调相,在2.5MPa充气压力和60Hz频率下,获得无负荷制冷温度59K.在压缩机输入电功率为250W时,80K获得了3.8W的制冷量,与设计计算结果吻合得较好.     

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。     

电阻阵列冷却用脉管制冷机研制

为解决以电阻阵列器件为基础的动态红外景像产生器中的冷却问题,设计并研制了一台采用线性压缩机驱动的在223 K工作的脉管制冷机。实验结果表明:在500 W的电输入功下,制冷机的最低无负荷制冷温度为99.7 K,在232.8 K获得了181.3 W的制冷量,与理论预测制冷量189.4 W吻合良好,相对卡诺效率达到10.4%,工作对脉管制冷机在普冷温区的应用是一次有益的探索。     

10W/80K高频同轴脉冲管制冷机的实验性能

介绍了一款大冷量高频单级同轴脉冲管制冷机的基本结构、数值模拟和实验性能。其线性压缩机采用Redlich动磁式直线电机驱动,压缩活塞对置布置,使用板弹簧支撑和间隙密封技术,80 K温区工作时的电机效率在83%以上。膨胀机的蓄冷器和脉冲管为同轴型布置,这种结构使冷头与器件之间的耦合非常方便。使用数值软件对制冷机整机和调相部件进行数值模拟,并对模拟结果进行实验验证。对制冷机的运行频率和制冷性能进行实验研究,制冷机在210.3 W输入电功时能获得10 W/80 K的制冷性能,比卡诺效率为12.66%,运行频率为62 Hz,整机重量小于5.5 kg。     

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。     

声功回收连管对脉管制冷机性能的影响

声功回收型脉管制冷机拥有更高的理论效率,其主要原因是回收了脉管热端的膨胀功。声功回收装置出口至压缩机出口之间的连管,对声功回收有着重要影响。通过理论分析,计算了连管阻抗对脉管制冷机性能的影响;建立了一维整机模型,通过改变连管结构参数,模拟了声功回收连管对脉管制冷机性能的影响,以及对回热器冷热端相位角的影响。研究发现,相同管径下连管越短,脉管制冷机性能越好。选择不同长度的连管进行了实验验证。结果表明,在相同的制冷能力下,随着声功回收连管长度的增加,压缩机输入的电功率明显增大。     

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。     

分离型二级脉管制冷机的实验研究第一部分20～40 K温区单级大功率脉管制冷机

为了满足液氦温区分离型二级脉管制冷机第二级预冷的需要,设计制作了1台20～40K温区单级大功率脉管制冷机.采用额定功率为6 kW的压缩机驱动该制冷机,最低制冷温度达13.8K,刷新了单级脉管制冷机最低制冷温度纪录.该制冷机在40 K可获得高达55.9 W的制冷量,基本可以满足15～40 K温区超导磁体等冷却的需要.着重分析了频率、充气压力和不同压缩机对系统制冷性能的影响,测试了长时间运行中系统性能的变化情况.     

回热器丝网填充率对85 K型同轴脉管制冷机性能的影响分析

通过建立一维数值模型,分析85 K型同轴脉管制冷机热力学参数随回热器丝网填充率变化的关系,揭示了丝网填充率对制冷机性能影响的机理.通过改变丝网填充率,分别进行了24.8％、25.5％、26.37％填充率的制冷机性能试验研究,研究发现12 W@85 K制冷量时的输入功随着丝网填充率的增加而增大,与数值模拟结果相符.通过对...     

排出器等效机械阻尼对自由活塞斯特林制冷机性能影响的数值模拟

针对一台设计目标为300 W@80 K自由活塞斯特林制冷机,数值计算研究了排出器等效机械阻尼R_m对制冷机性能的影响及其作用机理。研究发现,R_m对制冷机的影响主要有两方面,一是直接影响排出器处的摩擦损失,导致制冷机性能变化;其次是改变了系统的声场分布,导致其他核心部件如回热器和换热器的损失变化。此外,制冷机入口声阻抗特性随之发生变化并进一步影响制冷机与压缩机的耦合性能。计算结果表明,维持制冷机输入声功1 363 W不变,当R_m由25 Ns/m增大至100 Ns/m时,制冷机制冷量由194.7 W降低至160.9 W,相对卡诺效率由38.9%降低至32.2%。     

两级同轴型脉管制冷机回热器与脉管壁换热影响的模拟与实验

针对同轴型结构的两级脉管制冷机,采用热力学方法分析了回热器与脉管壁间换热作用对制冷机性能的影响。发现当脉管内热量通过壁面传向回热器时,脉管冷端焓流将增大,进而提升脉管冷指的制冷量。对设计的一台两级同轴型高频脉管冷指进行了数值模拟。模拟结果表明相同结构参数及输入下,引入回热器与脉管壁间的径向换热作用,低温级制冷量由原先的0.55 W@30 K提升至1.39 W@30 K,而对高温级的影响却小到可以忽略。     

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。     

基于传输管的三级级联脉管制冷机实验研究

为提高脉管制冷机制冷效率,通过引入一根特殊设计的传输管,将本应在前一级脉管制冷机脉管热端耗散声功回收,理论上多级级联脉管制冷机制冷效率可达卡诺效率。基于该理论,在已有两级级联脉管制冷机基础上串入第三级制冷机。实验结果显示,该三级级联脉管制冷机最高可获得253.6 W@233 K制冷量,较单级制冷机制冷效率增加39.9%,制冷效率进一步趋于卡诺效率。     

大功率斯特林制冷机的整机数值模拟

应用低温制冷机整机模拟软件(SAGE)对一台"3LY—0.8/194"型斯特林制冷机开展了数值模拟研究,得到质量流率、工质压力以及声功、焓流等参数的变化规律,揭示了制冷过程中内部能量流的耦合作用关系。此外,基于回热器内工质的温度分布分析,发现该制冷机的部分回热器未得到有效利用,从而为即将开展的改进实验研究提供了思路。模拟结果显示该制冷机可以达到37.5 K最低制冷温度,在77.35 K能够提供1 044 W制冷量,输入PV功为9 416 W,相对卡诺循环效率达到30.2%。     

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。     

谐振子耦合型热声驱动脉管制冷机研究

热声驱动脉管制冷机通常采用直接或者长管耦合的方式,但是因为耦合后的发动机和制冷机难以达到最佳的工作状态,耦合长管的损失也比较大,因此整体效率较低。本文提出一种热声驱动脉管制冷机结构,利用谐振子耦合热声发动机和脉管制冷机,能够显著减小声功传递损失,提升整机效率。全文针对在900 K加热温度、80 K空气液化温区下的热声驱动脉管制冷机展开理论研究,首先分析了谐振子耦合机理,并对谐振子参数进行了优化设计;其次,研究了加热温度、制冷温度和机械阻尼对系统性能影响;最后,将谐振子耦合型与长管耦合型两种方式的热声驱动制冷机进行了对比分析。结果表明:在平均压力为3MPa,加热温度为900 K,制冷温度为80 K时,谐振子耦合的热声驱动制冷机可获得整机22.5%的效率,而长管耦合的热声驱动脉管制冷机获得11.6%的效率。