液氮溫區(qū)大功率斯特林型脈管制冷機回熱器溫度不均勻性及性能優(yōu)化研究.pdf

1、液氮溫區(qū)大功率低溫制冷機在能源電力、國防軍事、氣體液化、醫(yī)療、交通運輸和低溫物理等領域有著重要應用。斯特林型脈管制冷機具有可靠、高效、緊湊、輕質(zhì)等突出優(yōu)點，可望滿足日益增長的高溫超導應用要求，因此逐漸成為低溫制冷機領域的研究熱點。近年來，大功率斯特林型脈管制冷機雖然已取得一定進展，但是與商業(yè)化的大功率低溫制冷機如G-M制冷機和斯特林制冷機相比在制冷效率和穩(wěn)定性上仍有不少差距。研究表明大功率脈管制冷機并非小功率脈管制冷機的簡單放大，回熱器

2、內(nèi)的溫度與流動不均勻性、大功率換熱器設計等僅屬于大功率斯特林脈管制冷機的復雜科學問題嚴重制約了其發(fā)展。本文將以進一步提高脈管制冷機在液氮溫區(qū)的制冷性能為目標，著重研究大尺寸、大功率高頻回熱器的傳熱與流動特性，揭示回熱器溫度不均勻的形成及損失機理，探索在高頻大功率條件下實現(xiàn)高效回熱的方法，進而提高脈管制冷機在液氮溫區(qū)的制冷效率，最終為拓展低溫制冷機的大規(guī)模工業(yè)應用奠定基礎。為此本文開展了以下三方面的理論和實驗的研究工作:
　　1.開

3、發(fā)了液氮溫區(qū)單級大功率斯特林型脈管制冷機數(shù)值模擬程序，并對大功率斯特林型脈管制冷機工作機理進行了深入的理論分析:
　　為了更全面、正確地把握大尺寸、大功率高頻脈管制冷機的制冷及損失機理，本文基于數(shù)值軟件Sage建立了單級大功率斯特林型脈管制冷整機模型，在仿真計算基礎上研究了回熱器、脈管等主要部件的幾何尺寸，回熱器填料等對制冷機內(nèi)部傳熱流動特性與制冷性能的影響。為提高制冷機效率，大功率斯特林型脈管制冷機應采用小長徑比的回熱器，以保證

4、聲功耗散能力的同時減少流阻損失。制冷溫度越高，以制冷量為優(yōu)化目標所對應的最佳回熱器長度越短，因此本文對回熱器長度進行優(yōu)化從而提升制冷機在液氮溫區(qū)的制冷性能。另外，分析了充氣壓力和運行頻率對制冷性能的影響，可為單級斯特林型脈管制冷機的性能優(yōu)化提供參考。經(jīng)模擬計算，制冷機能達到31.5K的最低無負荷制冷溫度，在80K可以獲得508W制冷量。
　　2.對大功率脈管制冷機回熱器溫度不均勻性進行了理論研究，推導了回熱器溫度不均勻性引起的相對

5、直流解析式，發(fā)展了并聯(lián)回熱器整機數(shù)值模擬程序:
　　回熱器溫度不均勻性造成了嚴重的直流損失，制約了大功率脈管制冷機的性能優(yōu)化。本文對回熱器內(nèi)溫度不均勻性產(chǎn)生的機理，對回熱器性能的影響以及抑制方法進行了系統(tǒng)歸納和總結(jié)?；責崞鲀?nèi)微弱的直流即可誘發(fā)回熱器內(nèi)徑向溫度不均勻性，而徑向溫度不均勻性又會進一步促進直流的產(chǎn)生?；跓崃W理論推導了回熱器內(nèi)相對直流解析式。指出不均勻孔隙率或徑向溫度分布均可以導致直流的產(chǎn)生，另外對軸向溫度梯度、回熱器

6、長度、回熱器填料特性和充氣壓力等對回熱器內(nèi)直流的影響進行了分析。建立了并聯(lián)回熱器數(shù)值模擬程序討論了不均勻孔隙率對回熱器溫度不均勻性和制冷性能的影響，為進一步抑制回熱器直流損失，優(yōu)化制冷機性能提供了理論指導。
　　3.發(fā)展了回熱器高熱導率復合填料結(jié)構，深入研究了其工作機制，在此基礎上對復合填料的結(jié)構進行了優(yōu)化:
　　為抑制大功率斯特林型脈管制冷機回熱器內(nèi)的溫度不均勻性，減小回熱器直流損失，提出了回熱器高熱導率復合填料結(jié)構，將原