固氮低溫蓄冷特性研究.pdf

1、利用制冷機(jī)制冷的方式結(jié)構(gòu)緊湊、操作簡便、運行費用低，已逐漸取代傳統(tǒng)的低溫液體制冷方式，在低溫領(lǐng)域取得了越來越廣泛的應(yīng)用。但是制冷機(jī)在低溫下的提供的冷量相對較小，利用制冷機(jī)冷卻的低溫系統(tǒng)受外部漏熱和元件發(fā)熱等影響，容易產(chǎn)生溫度波動，影響穩(wěn)定工作；而且制冷機(jī)運行時產(chǎn)生的機(jī)械振動和電磁噪音也會干擾精密儀器的測量，為此測量時需要短暫關(guān)閉制冷機(jī)。為了在低溫系統(tǒng)受熱擾動影響或短暫關(guān)閉制冷機(jī)的情況下仍保持穩(wěn)定工作，可在低溫系統(tǒng)中加入大熱容量的蓄冷單元

2、，通過吸收熱量來保持系統(tǒng)的溫度穩(wěn)定性。與其它物質(zhì)相比，氮的來源廣泛，價格低廉且使用安全，在低溫下形成比熱容較大的固氮且在35.6K和63.15K溫度有較大的相變潛熱。因此將固氮作為蓄冷物質(zhì)來保持低溫系統(tǒng)溫度穩(wěn)定性具有重要的研究意義和實用價值。
　　本文設(shè)計了2套固氮蓄冷單元并以二級G-M制冷機(jī)為冷源搭建了實驗系統(tǒng)。實驗中采用降溫充注法獲得固氮后在低溫下關(guān)閉制冷機(jī)，研究漏熱影響下固氮釋放冷量的過程。實驗結(jié)果表明：1）與不充氮的蓄冷單

3、元相比，9.3g，18.6g和27.9g的固氮蓄冷單元從4K到64K的溫度回升時間延長比例分別為3.3%，6.5%和10.1%，從4K到93K的溫度回升時間延長比例分別為1.3%，3.7%和5.3%。2）加入泡沫銅后整體有效熱導(dǎo)率顯著提升，固氮冷量釋放過程加快，在儲存冷量較大的相變點處有較為明顯的溫度延緩上升現(xiàn)象。9.3g，18.6g和27.9g的固氮蓄冷單元從4K到64K的溫度回升時間延長比例分別增大為3.7%，7.6%和12.6%；

4、從4K到93K的溫度回升時間延長比例也增大到2.6%，4.2%和6.1%。
　　在實驗的基礎(chǔ)上建立了相應(yīng)的數(shù)值模型，對加入泡沫銅前后固氮的導(dǎo)熱和相變過程進(jìn)行了比較。在純固氮傳熱的數(shù)值模擬中采用VOF模型，焓-孔隙率方法并考慮重力的影響。對于加入泡沫銅后固氮的傳熱過程，進(jìn)一步考慮泡沫銅內(nèi)流動阻力影響并采用雙溫度能量方程求解氮和泡沫銅各自的溫度場。計算結(jié)果表明加入泡沫銅后固氮內(nèi)部的溫度場更加均勻且內(nèi)外溫差減小，氮的固固相變和固液相變過

5、程加快。導(dǎo)熱過程中純氮內(nèi)部的最大溫差為0.7K，固固相變和固液相變時間分別為476s和700s。加入泡沫銅后固氮內(nèi)部的最大溫差減小到0.2K，固固相變和固液相變時間分別縮短為280s和640s。
　　由實驗和數(shù)值結(jié)果可知在固氮蓄冷單元內(nèi)部加入泡沫銅后能顯著提高整體有效熱導(dǎo)率并加快固氮的冷量釋放，縮短相變時間。本文研究的固氮蓄冷單元可通過吸收熱量在一定時間內(nèi)保持低溫系統(tǒng)的溫度穩(wěn)定性，當(dāng)熱擾動條件改變時可通過調(diào)節(jié)充氮量來獲得較好的蓄冷