室温温区自由活塞斯特林制冷机设计

自由活塞斯特林制冷机作为一种新型制冷技术,具有效率高、可靠性好、结构紧凑、环境友好等特点.目前,室温温区自由活塞斯特林制冷机存在回热器声功利用量少、出口声功大等问题,导致排出器反馈声功大、尺寸大,给加工工艺和实际应用带来困难.本文基于SAGE软件,对室温温区自由活塞斯特林制冷机的核心单元结构进行了设计.通过多级制冷流程,提高制冷的声功利用,同时探究排出器对制冷性能的影响,寻找减小排出器直径的有效方法.在以制冷系数为优化计算目标、限制排出器行程的前提下,得到了不同核心单元直径的三级自由活塞斯特林制冷机可实现的最小排出器尺寸.计算结果显示,总核心单元等效面积相近时,三级自由活塞斯特林制冷机的排出器面积可减小至单级的49％.即多级制冷机有效减小了排出器尺寸,推动自由活塞斯特林制冷机在室温温区的应用.     

自由活塞型斯特林制冷机热力学参数的无量纲分析

自由活塞斯特林制冷机由于其结构紧凑、制冷效率高、可靠性好而不断受到重视。自由活塞斯特林制冷机的热力学参数对整机制冷性能具有决定性影响。基于等温模型,对自由活塞斯特林制冷机进行了无量纲分析,通过引入无量纲制冷量,详细研究了死容积比、扫气容积比、温度比、位移相位角对整机热力性能的影响。其研究结果为不同温区的自由活塞斯特林制冷机热力参数设计提供了参考意见。     

基于应变片的自由活塞斯特林制冷机位移测试研究

压缩活塞与排出器的位移大小及相位差对自由活塞斯特林制冷机的制冷性能具有极其重要的影响。文中通过对目前各种位移测试方法优缺点分析,结合自由活塞式斯特林制冷机自身特点,提出了采用应变片响应涡旋柔性弹簧形变来测量活塞和排出器位移的新方法。通过分析、设计和标定,建立了一套基于应变片的自由活塞斯特林制冷机位移测量系统。实验测试结果表明,该位移测量系统是可靠的,具有体积小、投资省等优点,且不需要特别的安装空间。     

高温超导用自由活塞斯特林制冷机理论研究

制冷机是制约高温超导器件的瓶颈.文中针对自由活塞式斯特林制冷机进行了理论研究,建立了自由活塞斯特林制冷机的热声模型,对充气压力、活塞的位移振幅、热端换热器温度和密封间隙进行了模拟.模拟结果显示,以最大制冷量为目标最佳充气压力为1.9MPa,增加活塞位移振幅、降低回热器热端温度以及减小密封间隙可提高制冷机的性能.     

液氮温区大冷量自由活塞斯特林制冷机实验研究

自由活塞斯特林制冷机是一种结构紧凑、效率高、运动部件少、可靠性高的回热式制冷机。随着高温超导发展的需求,液氮温区大冷量自由活塞制冷机成为重要发展趋势之一。本文搭建了一台液氮温区大冷量自由活塞斯特林制冷机,初步实验获得60 K以下的无负荷制冷温度。在80 K获得了78 W的冷量,制冷机相对卡诺效率为18.8%。这是国内首台液氮温区大冷量(50 W)自由活塞斯特林制冷机。分析表明,通过对冷端换热器结构的改进,冷量及效率将进一步提升。     

自由活塞斯特林热泵的理论与实验研究

自由活塞斯特林热机取消了传统斯特林热机的曲柄连杆结构,具有结构简单、高效率、高可靠性、寿命长等诸多优点。但目前的研究热点多集中于自由活塞斯特林发动机与制冷机,对自由活塞斯特林热泵的研究关注很少。本文设计了一台电驱动自由活塞斯特林热泵,首次提出并采用了热机部分反向布置的结构,彻底避免了高温端换热器对直线电机造成的不利影响,并给出了实验结果。该热泵在-20~50℃的泵热温差下获得了1.4的整机COP。利用热声理论,本文对该热泵进行了理论计算,并与实验结果进行了对比,初步考察了热泵在不同泵热温差、不同输入电功以及不同运行频率的工作特性。     

谐振电机耦合型双效自由活塞斯特林子系统性能实验研究

本文提出了一种谐振电机耦合型双效自由活塞斯特林系统,其主要部件有自由活塞斯特林发动机子系统、谐振电机以及自由活塞斯特林制冷机/热泵子系统。全文针对谐振电机耦合型双效自由活塞斯特林子系统分别开展了制冷/热泵子系统、发动机子系统制冷和热功转换特性的实验研究。电驱动制冷子系统实验结果表明,当平均充气压力为3.3 MPa,工作频率为60.0 Hz,水冷温度19℃时,实验系统制冷效果较为显著,输入电功130 W时无负荷的制冷温度可以达到-23.7℃。发动机子系统热驱动声功输出特性实验结果表明,系统充气压力的变化对于系统热驱动起振特性有着十分明显的影响。另外,当平均充气压力为2.9 MPa,水冷温度22℃,外接电阻1500 Ω时,系统的加热功率越高,系统的热功转换性能越好。本文所开展的谐振电机耦合型双效自由活塞斯特林子系统的实验研究对未来要进行的整机系统热驱动制冷实验奠定重要基础。     

小型分置式斯特林制冷机理论冷量的计算方法

分置式斯特林制冷机由于连接管和室温腔等死容积的存在,其理论冷量的计算方法更是有别于整体式斯特林制冷机。文中着重以数值计算的思路计算了小型分置式斯特林制冷机的理论冷量,并通过实验测定。最后分析了主要工作参数诸如充气压力、工作频率等对分置式斯特林制冷机性能的影响。     

推移活塞的装配状态对分置式斯特林制冷机性能的影响

推移活塞在膨胀气缸中的工作频率对分置式斯特林制冷机的性能有较大影响,而结构设计、冷热两端压差、回热器阻力、制冷工质的粘性力、活塞阻尼等因素又影响着工作频率。其中,粘性力和活塞阻尼受推移活塞装配状态的影响而具有一定的随机性。研究了推移活塞装配状态、活塞摩擦系数对斯特林制冷机性能的影响,结果表明,在同轴装配条件下,推移活塞和气缸间隙越小,粘性力增加越快,但总体粘性力较小;非同轴装配条件下,偏心率低于0.75时,推移活塞所受到工质粘性力较小,但偏心率达到0.99时,工质粘性力迅速增加;影响制冷机性能的推移活塞阻力的主要来源是摩擦力,与粘性力同量级的摩擦力对分置式斯特林制冷机性能影响较小。     

整体式斯特林制冷机基于网络模型的无量纲性能分析

通过现有的成型的流体网络理论和热动力学理论,建立了整体斯特林制冷机系统的网络模型,从计算和实验两个角度定性分析了排出器和活塞行程配比对于制冷机系统性能的影响;提出了可供制冷机结构优化的无量纲因子参数。同时,上述方法可以帮助简化实验过程,为寻找最佳工况点提供了重要依据。     

自由活塞斯特林制冷机间隙密封技术研究

间隙密封作为自由活塞斯特林制冷机中的一项关键技术,可以在完成密封作用的同时消除接触磨损和因此而产生的污染,同时由于间隙内气体的泄漏,引起了冷量损失,使制冷量减少。文中建立了层流工况下间隙密封的数学模型,推导了密封间隙的泄漏率。针对自由活塞斯特林制冷机的结构,对三处不同位置的间隙密封分别进行分析,提出了不同位置的间隙密封设计要求。对于直线压缩机的间隙密封,压缩机间隙密封的泄漏会带来压力波损失并同时影响压缩机固有频率;为消除压缩活塞的偏置,要求周期泄漏量为零,对于膨胀机的间隙密封,除了泄漏损失还包括了穿梭损失和摩擦损失等。最后,考虑实际加工和装配工艺的局限性,对间隙密封的偏心影响进行了分析,并对自由活塞斯特林制冷机间隙密封的安装技术和检测手段提出了简单的建议。     

双作用自由活塞型斯特林发电系统性能研究

自由活塞斯特林发动机作为一种高效的能源转换装置,在可再生能源利用等领域有重要的应用前景。本文针对一种双作用自由活塞型斯特林发电系统,从声电耦合原理出发,推导了双作用斯特林发动机与直线电机之间的阻抗匹配方程,建立了发电系统的整机数值模型,并获得了加热温度、平均压力、活塞连杆直径、机械阻尼和间隙密封宽度等参数对整机性能的影响规律。结果表明,由于双作用活塞两侧同时存在较大的温差和压差,因此相较于单作用结构的系统而言,活塞间隙大小对该系统性能影响更大,这是导致效率变化的关键因素之一。经过优化计算,设计了一台四单元双作用自由活塞斯特林发电机,在加热温度600?C、放热温度20?C和平均压力8 MPa的额定工况下,每个发电单元可输出1.41 k W的电功,热电效率为40.8%,为后续实验研究奠定相关的理论基础。     

余热驱动热耦合多级自由活塞斯特林热电联供系统研究

我国工业余热资源丰富,尤其是中低温余热具有巨大的回收利用潜力。本文提出采用热耦合多级自由活塞斯特林发电机来构建余热回收利用系统,可有效拓宽余热利用温度范围,减小余热热源传热损失。首先基于热声理论,从声阻抗角度计算考察了单级自由活塞斯特林热电联供系统在变温和变充气压力等工况下的性能;然后对一台三级自由活塞斯特林热电联供系统进行解耦计算,分别考察了供水温度、单级加热量、工作压力等因素对系统性能的影响;最后开展了实验研究,在420/350/300℃热端温度及22/22/18 kW加热量下获得自由活塞斯特林热电联产系统净输出电功10.09 kW,供热量45.29 kW,对应总热电效率为16.27%,综合热利用率为89.32%,各级相对卡诺效率分别为30.90%、32.10%、36.08%,展现出重要的应用前景。     

聚四氟乙烯基耐磨涂层在制冷机中的试验分析

通过在斯特林制冷机中的关键零部件活塞表面喷涂一定厚度的聚四氟乙烯基耐磨涂层,并对活塞喷涂件在斯特林制冷机中进行跑合试验,研究了耐磨涂层在斯特林制冷机中的应用情况,将经过跑合试验后的斯特林制冷机打开内部并观察各零部件的摩擦磨损情况,同时分析了耐磨涂层对斯特林制冷机的影响作用机理。结果表明:通过延长固化时间和升高固化温度可以有效解决涂层吸水性和收缩性的应用限制。     

基于LabVIEW的自由活塞式斯特林制冷机性能测试系统开发

制冷机的自动性能测试、实验处理系统可大幅降低工作量,并保证测试的准确性。针对中国电子科技集团公司第十六研究所新研制开发的自由活塞式斯特林制冷机,开发了一种新的基于虚拟仪器的性能测试系统,该系统通过硬件和软件相结合,自动采集制冷机性能测试中的相关参数,并实现数据的实时显示、存储和图形化显示等功能。该测试系统测试制冷机性能以判定是否满足使用要求。该系统的开发应用将极大方便的提高测试的工作效率,加速合格制冷机的筛选工作。     

1W/80K@60℃分置式斯特林制冷机的研制

为满足红外系统的要求 ,设计和开发了一种低成本的分置式斯特林制冷机。压缩机结构为线性对动自由活塞型以降低振动 ,冷指为无气动腔的自由排出器结构。在环境温度为 6 0℃的条件下 ,实测性能指标达到 1.1W/ 80 K,整机重量为1.3kg,环境温度为 2 3℃时带 6 g紫铜热负载的降温时间小于 4分钟 ,对制冷机在 - 40℃～ +6 0℃环境温度范围内的性能进行了测试 ,并对高低温循环条件下制冷机的 MTTF寿命进行了摸底实验。文中还对该制冷机的测试结果进行了报道。     

基于力的多边形的分置式斯特林制冷机的动力分析

动力分析是斯特林制冷机动力设计与调试实践中的关键一环。本文利用力的多边形描述了分置式斯特林制冷机中压缩活塞和排出器振子的运动方程,并将分析结果与实验结果进行对比,分析和讨论了分置式斯特林制冷机中重要的运行参数(如工作频率、固有频率、弹簧刚度、冷头温度、压缩腔和膨胀腔的PV功等)之间的相互影响。     

1W/8OK@6O℃分置式斯特林制冷机的研制

为满足红外系统的要求,设计和开发了一种低成本的分置式斯特林制冷机.压缩机结构为线性对动自由活塞型以降低振动,冷指为无气动腔的自由排出器结构.在环境温度为60C的条件下,实测性能指标达到1.1W/80K,整机重量为1.3kg,环境温度为23℃时带6g紫铜热负载的降温时间小于4分钟,对制冷机在-40C～+60℃环境温度范围内的性能进行了测试,并对高低温循环条件下制冷机的MTTF寿命进行了摸底实验.文中还对该制冷机的测试结果进行了报道.     

减薄耐磨涂层对斯特林制冷机性能的影响

通过将某型斯特林制冷机压缩活塞耐磨涂层减薄,测试制冷机的性能变化,发现该型制冷机性能并没有受影响,并且在高温下有较优异的性能,一次装调合格率得到提升。这种方法可以缩短加工周期、提高涂层的附着力和可靠性。     

自由活塞斯特林发动机活塞位移测量

自由活塞斯特林发动机活塞往复振动位移对研究发动机特性具有重要意义,然而该类发动机活塞位于高压封闭腔体内且结构较为紧凑,其活塞往复振动位移难于直接进行测量。加速度传感器具有尺寸小、安装方便和工作稳定等特点,提出了采用加速度传感器测量活塞位移的方法。根据加速度传感器测量位移的原理,建立了一套加速度传感器测量自由活塞斯特林发动机活塞位移的标定试验系统,以位移传感器为基准测试并分析了不同活塞振幅和不同振动频率下加速度传感器测量位移的误差大小。实验结果表明,在活塞振幅小于8 mm,振动频率大于20 Hz条件下,加速度传感器测量位移的误差小于5%。因此加速度传感器可以用于测量自由活塞斯特林发动机的活塞往复运动位移。最后成功把加速度传感器测量的自由活塞斯特林发动机活塞振动位移用于发动机循环指示功的实验研究。