液氮温区大功率斯特林型脉管制冷机回热器温度不均匀性及性能优化研究

论文摘要

液氮温区大功率低温制冷机在能源电力、国防军事、气体液化、医疗、交通运输和低温物理等领域有着重要应用。斯特林型脉管制冷机具有可靠、高效、紧凑、轻质等突出优点,可望满足日益增长的高温超导应用要求,因此逐渐成为低温制冷机领域的研究热点。近年来,大功率斯特林型脉管制冷机虽然已取得一定进展,但是与商业化的大功率低温制冷机如G-M制冷机和斯特林制冷机相比在制冷效率和稳定性上仍有不少差距。研究表明大功率脉管制冷机并非小功率脉管制冷机的简单放大,回热器内的温度与流动不均匀性、大功率换热器设计等仅属于大功率斯特林脉管制冷机的复杂科学问题严重制约了其发展。本文将以进一步提高脉管制冷机在液氮温区的制冷性能为目标,着重研究大尺寸、大功率高频回热器的传热与流动特性,揭示回热器温度不均匀的形成及损失机理,探索在高频大功率条件下实现高效回热的方法,进而提高脉管制冷机在液氮温区的制冷效率,最终为拓展低温制冷机的大规模工业应用奠定基础。为此本文开展了以下三方面的理论和实验的研究工作：1.开发了液氮温区单级大功率斯特林型脉管制冷机数值模拟程序,并对大功率斯特林型脉管制冷机工作机理进行了深入的理论分析：为了更全面、正确地把握大尺寸、大功率高频脉管制冷机的制冷及损失机理,本文基于数值软件Sage建立了单级大功率斯特林型脉管制冷整机模型,在仿真计算基础上研究了回热器、脉管等主要部件的几何尺寸,回热器填料等对制冷机内部传热流动特性与制冷性能的影响。为提高制冷机效率,大功率斯特林型脉管制冷机应采用小长径比的回热器,以保证声功耗散能力的同时减少流阻损失。制冷温度越高,以制冷量为优化目标所对应的最佳回热器长度越短,因此本文对回热器长度进行优化从而提升制冷机在液氮温区的制冷性能。另外,分析了充气压力和运行频率对制冷性能的影响,可为单级斯特林型脉管制冷机的性能优化提供参考。经模拟计算,制冷机能达到31.5K的最低无负荷制冷温度,在80K可以获得508W制冷量。2.对大功率脉管制冷机回热器温度不均匀性进行了理论研究,推导了回热器温度不均匀性引起的相对直流解析式,发展了并联回热器整机数值模拟程序：回热器温度不均匀性造成了严重的直流损失,制约了大功率脉管制冷机的性能优化。本文对回热器内温度不均匀性产生的机理,对回热器性能的影响以及抑制方法进行了系统归纳和总结。回热器内微弱的直流即可诱发回热器内径向温度不均匀性,而径向温度不均匀性又会进一步促进直流的产生。基于热力学理论推导了回热器内相对直流解析式。指出不均匀孔隙率或径向温度分布均可以导致直流的产生,另外对轴向温度梯度、回热器长度、回热器填料特性和充气压力等对回热器内直流的影响进行了分析。建立了并联回热器数值模拟程序讨论了不均匀孔隙率对回热器温度不均匀性和制冷性能的影响,为进一步抑制回热器直流损失,优化制冷机性能提供了理论指导。3.发展了回热器高热导率复合填料结构,深入研究了其工作机制,在此基础上对复合填料的结构进行了优化：为抑制大功率斯特林型脉管制冷机回热器内的温度不均匀性,减小回热器直流损失,提出了回热器高热导率复合填料结构,将原有的部分不锈钢丝网替换为具有更高热导率的紫铜或黄铜填料。对比研究了七种不同的回热器高热导率复合填料,实验结果表明强化回热器填料径向导热对于抑制回热器内温度不均匀性具有显著作用。通过优化复合填料结构,斯特林型脉管制冷机可以达到41.3K的最低无负荷制冷温度。在8.9kW输入功率下78.2K可以提供424.5W制冷量,相对卡诺效率为13.5%,这是目前国内公开报道的同类脉管制冷机最好水平。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• Abstract
• 主要符号表
• 1 绪论
• 1.1 研究背景和意义
• 1.2 脉管制冷机的发展历史
• 1.2.1 脉管制冷机的发展
• 1.2.2 脉管制冷机的分类
• 1.2.3 脉管制冷理论
• 1.3 大功率斯特林型脉管制冷机的研究进展
• 1.4 大功率斯特林型脉管制冷机的主要科学问题
• 1.5 本文的主要工作
• 2 斯特林型脉管制冷机理论分析
• 2.1 数值模型介绍
• 2.1.1 守恒方程
• 2.1.2 压缩机模块
• 2.1.3 换热器模块
• 2.1.4 回热器和脉管
• 2.2 几何参数的影响
• 2.2.1 回热器
• 2.2.2 脉管
• 2.2.3 惯性管
• 2.3 操作特性的影响
• 2.3.1 工作频率的影响
• 2.3.2 充气压力的影响
• 2.3.3 输入功率的影响
• 2.4 脉管制冷机理论预测性能
• 2.5 本章小结
• 3 低温交变流动回热器温度不均匀性分析
• 3.1 回热器温度不均匀性简介及研究进展
• 3.2 回热器温度不均匀性热力学分析
• 3.2.1 温度不均匀性对回热器直流的影响
• 3.2.2 回热器直流对回热器温度分布的影响
• 3.2.3 温度不均匀性对制冷性能的影响
• 3.2.4 温度不均匀性的抑制
• 3.3 回热器内直流的热力学推导
• 3.3.1 物理模型介绍
• 3.3.2 热力学推导
• 3.3.3 回热器直流特性
• 3.4 本章小结
• 4 回热器温度不均匀性数值计算
• 4.1 简介
• 4.2 回热器温度不均匀性一维数值模拟
• 4.2.1 并联回热器Sage模型介绍
• 4.2.2 初步计算结果
• 4.2.3 不均匀孔隙率位置的影响
• 4.2.4 工作温度的影响
• 4.2.5 输入pV功的影响
• 4.2.6 初始孔隙率的影响
• 4.3 本章小结
• 5 单级大功率斯特林型脉管制冷机实验装置
• 5.1 简介
• 5.2 脉管制冷机实验装置
• 5.2.1 制冷机系统
• 5.2.2 测量系统
• 5.2.3 真空与绝热系统
• 5.2.4 误差分析
• 5.3 本章小结
• 6 脉管制冷机复合填料性能优化实验研究
• 6.1 简介
• 6.2 制冷机初步性能研究
• 6.2.1 压力分布
• 6.2.2 制冷性能
• 6.2.3 回热器和脉管温度分布
• 6.3 复合填料初步性能优化试验
• 6.3.1 复合填料组合
• 6.3.2 操作参数优化
• 6.3.3 回热器温度不均匀性
• 6.3.4 最低无负荷制冷温度
• 6.3.5 80K温区制冷量
• 6.4 复合填料性能优化实验
• 6.4.1 回热器温度不均匀性
• 6.4.2 最低制冷温度
• 6.4.3 80K温区制冷量
• 6.4.4 最优复合填料性能
• 6.5 回热器长径比影响
• 6.6 本章小结
• 7 全文总结与展望
• 7.1 全文总结
• 7.2 本文主要创新点
• 7.3 工作展望
• 参考文献
• 作者简历及攻博期间主要科研成果