應(yīng)用“L”型脈管和紫銅泡沫金屬的四閥型脈管制冷機(jī)研究.pdf

1、作為一種新型機(jī)械回?zé)崾街评錂C(jī)，脈管制冷機(jī)由于低溫端沒(méi)有運(yùn)動(dòng)部件，比起GM，Stirling制冷機(jī)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、振動(dòng)小、體積小、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，特別是在抗電磁干擾，降低振動(dòng)和長(zhǎng)壽命方面優(yōu)勢(shì)明顯，因此引起世界各國(guó)的廣泛重視，成為小型低溫技術(shù)研究的熱門。然而目前的脈管制冷機(jī)存在著冷端結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜以及冷端換熱器換熱性能不夠理想的不足。 本文正是基于此不足，在國(guó)際項(xiàng)目合作背景支持下，提出“L”型脈管結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)化脈管冷端結(jié)構(gòu)，并提出紫銅泡沫金

2、屬填料型換熱器強(qiáng)化冷端換熱，采用四閥型脈管制冷機(jī)作為實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)性能研究，同時(shí)理論上對(duì)四閥樣機(jī)進(jìn)行熱力學(xué)循環(huán)分析和損失分析，取得了一定的進(jìn)展和成果。本文的具體研究?jī)?nèi)容如下： (1)以四閥型脈管制冷機(jī)作為實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，并對(duì)它的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了兩大改進(jìn)：①采用“L”型脈管結(jié)構(gòu)取代通常的“I”型脈管結(jié)構(gòu)，即把傳統(tǒng)的脈管冷端換熱器和蓄冷器冷端換熱器之間的連接管部分變成了脈管的一部分，大大簡(jiǎn)化了脈管冷端結(jié)構(gòu)，便于加工，同時(shí)還進(jìn)一步降低了脈

3、管冷端的死容積；②在脈管熱端采用雙小孔閥結(jié)構(gòu)取代傳統(tǒng)的單小孔閥結(jié)構(gòu)，用來(lái)分別控制脈管熱端進(jìn)排氣的質(zhì)量流率，這樣在試驗(yàn)中就可以更靈活地調(diào)節(jié)脈管熱端的進(jìn)排氣流量。 (2)提出一種新型的填料型換熱器——泡沫金屬填料型換熱器?；?zé)崾街评錂C(jī)的冷、熱端換熱器的設(shè)計(jì)對(duì)制冷機(jī)的性能有非常重要的影響。一般來(lái)說(shuō)，小型回?zé)崾街评錂C(jī)主要依靠導(dǎo)熱將冷量從工作流體傳遞給冷端換熱器外表面，從而冷卻相關(guān)器件。目前最常用的絲網(wǎng)填料型和燒結(jié)型換熱器都具有各自的缺點(diǎn)

4、不能充分滿足小型回?zé)崾降蜏刂评錂C(jī)的要求。本文提出采用一種新型的強(qiáng)化換熱材料——紫銅泡沫金屬(平均孔徑為600μm)，用于填充冷熱端換熱器，并分別和以20目，80目紫銅絲網(wǎng)作為冷端換熱器填料的換熱器進(jìn)行了熱力學(xué)性能比較，由于紫銅泡沫金屬具有連續(xù)的小孔結(jié)構(gòu)以及高比換熱表面積和低的壓降，從理論分析上得出文中的泡沫金屬填料型換熱器的換熱性能優(yōu)于后兩種絲網(wǎng)填料型換熱器。 (3)建立了“L”型脈管結(jié)構(gòu)和雙小孔結(jié)構(gòu)的四閥型脈管制冷機(jī)測(cè)試實(shí)驗(yàn)臺(tái)

5、?；诖藰訖C(jī)，分別采用前述的三種換熱器填料進(jìn)行強(qiáng)化換熱器換熱，并對(duì)制冷機(jī)性能進(jìn)行測(cè)試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：采用孔徑為600μm的紫銅金屬泡沫材料作為冷熱端換熱器的填料，比起使用20目和80目紫銅絲網(wǎng)更能強(qiáng)化氣體在冷熱端換熱器中的換熱，且壓降小，進(jìn)一步降低了制冷機(jī)冷頭能夠達(dá)到的最低溫度，降幅分別為2.5K和1.7K，從而提高制冷機(jī)的性能。 (4)對(duì)制冷機(jī)加工和焊接工藝進(jìn)行改進(jìn)，建立薄壁四閥型脈管制冷機(jī)測(cè)試實(shí)驗(yàn)臺(tái)。測(cè)試結(jié)果表明：采用薄型脈

6、管的制冷機(jī)冷頭的最低溫度比同等條件下的厚壁脈管制冷機(jī)下降了4.5K左右，相應(yīng)的彎頭處的溫度下降了50K左右。 (5)對(duì)脈管內(nèi)工作氣體進(jìn)行熱力學(xué)循環(huán)分析。由于脈管制冷機(jī)的工作過(guò)程涉及到熱力學(xué)、流體動(dòng)力學(xué)和傳熱學(xué)等多方面的問(wèn)題，內(nèi)部流動(dòng)過(guò)程非常復(fù)雜，理論分析難以考慮周全各種不可逆的實(shí)際過(guò)程。循環(huán)分析立足于焓流理論，結(jié)合熱力學(xué)第一定律，理想氣體狀態(tài)方程，質(zhì)量守恒方程分別對(duì)脈管中的三部分氣體進(jìn)行熱力學(xué)過(guò)程分析，推導(dǎo)出制冷機(jī)的理論制冷量Q

7、<,c>，所需的理論壓縮功W<,com>，COP的關(guān)系式等。分析結(jié)果表明：①理論制冷量Q<,c>和制冷機(jī)的尺寸，以及兩個(gè)中間壓力P<,M1>，P<,M2>相關(guān)。在兩個(gè)中間壓力P<,M1>，P<,M2>接近平均壓力時(shí)，理論P(yáng)V功較大，即理論制冷量Q<,c>較大。②理論制冷量Q<,c>達(dá)到最大和COP達(dá)到最大時(shí)所對(duì)應(yīng)的兩個(gè)中間壓力P<,M1>，P<,M2>是不同的。③推導(dǎo)出的壓縮功W<,com>可以作為指導(dǎo)選擇壓縮機(jī)的一個(gè)依據(jù)。這些分析結(jié)果