脈管制冷聲-力-電匹配及其逼近卡諾效率的方法.pdf

1、中國對天然氣進口需求的快速增長，使得天然氣的運輸及存儲成為其中重要一環(huán)，卻也面臨著諸多技術(shù)困難，其中大冷量高效可靠的低溫制冷技術(shù)是亟需的關(guān)鍵支撐技術(shù)。脈管制冷機由于無低溫下運動部件，是滿足該應(yīng)用的理想制冷方式。然而脈管制冷機由于膨脹功無法回收導(dǎo)致其本征效率低于卡諾效率，該特征在液化天然氣溫區(qū)以及更高溫區(qū)的大冷量應(yīng)用場合尤為突出。如何在保證脈管制冷高可靠性和長壽命等優(yōu)勢的同時，盡量提高其制冷效率，業(yè)已成為制約其工程應(yīng)用的主要問題。針對當(dāng)前

2、研究不足，本文基于脈管制冷法，從聲-力-電匹配角度以及其能量回收機理兩方面進行了研究，試圖找到通往卡諾效率的途徑，具體開展工作如下：
　　1）構(gòu)建基于脈管制冷的聲-力-電（AcME）耦合匹配方法
　　針對制冷機內(nèi)部匹配效率低的問題，從復(fù)向量分析方法入手，對制冷機的三大部分：電路部分、機械部分以及聲阻抗部分分別進行向量分析，得到制冷機整機聲?力?電的耦合匹配向量圖，揭示了制冷機各部分之間的耦合匹配機理，為制冷機的設(shè)計、分析及優(yōu)

3、化提供了新的視角。
　　分析制冷機冷頭作為聲負載對壓縮機輸出特性的影響規(guī)律，理論推導(dǎo)了壓縮機各參數(shù)基于聲阻抗形式的一般表達式（含非諧振情形）?；?RC聲學(xué)負載實驗驗證了該理論分析。
　　引入壓縮機阻抗甜點的概念并進行深入討論，即在該特定工況下，壓縮機可以同時獲得最大輸出聲功和最高轉(zhuǎn)換效率，是一臺設(shè)計完成的壓縮機的最優(yōu)工況。針對壓縮機與制冷機冷頭可能存在的不匹配的情形，借助電學(xué)中匹配網(wǎng)絡(luò)的概念，提出聲學(xué)匹配網(wǎng)絡(luò)，有望改善壓縮

4、機與制冷機冷頭負載之間的不匹配問題。
　　基于以上的AcME匹配，給出了一種線性壓縮機主要參數(shù)反求方法，為線性壓縮機的工程化提供理論支撐。
　　2）提出可逼近卡諾效率的脈管級聯(lián)制冷法
　　脈管制冷機的本征理論制冷效率為Tc/Th（Tc為制冷溫度，Th為環(huán)境溫度），低于卡諾效率Tc/(Th-Tc)，且制冷溫度越高，與卡諾效率偏離就越明顯。針對這一不足，提出一種多級級聯(lián)型脈管制冷法，其每一級制冷機由回收自前一級制冷機脈管熱

5、端的聲功來驅(qū)動，通過熱力學(xué)分析表明，無窮級級聯(lián)制冷效率等于卡諾效率。這一結(jié)論在脈管本征制冷效率[Tc/Th]和卡諾效率[Tc/(Th-Tc)]之間搭建了一座橋梁，在科學(xué)研究和工程實踐方面均有重要意義。
　　3）實驗成功驗證所提出的脈管級聯(lián)制冷法
　　基于實驗室已有500 W線性壓縮機，選取233 K（-40°C）為制冷溫度，有望獲取較大制冷量以驗證脈管級聯(lián)法回收能量的可能性。設(shè)計并搭建一臺三級級聯(lián)脈管制冷機實驗臺，分別開展了

6、單級、兩級級聯(lián)和三級級聯(lián)的實驗驗證工作。結(jié)果表明，在運行頻率60 Hz，充氣壓力2.5 MPa，壓縮機輸入功為500 W時，單級脈管制冷機制冷量為181.3 W，制冷效率0.3626，相對卡諾效率10.4％；兩級級聯(lián)制冷機總制冷量為241.6 W（其中第一級175.0 W，第二級66.6 W），效率0.4832，相對卡諾效率13.9%；三級級聯(lián)制冷機總制冷量為253.6 W（其中第一級164.9 W，第二級70.7 W，第三級18.0