平行板主动式磁回热器不均匀流道数值模拟研究

在平行板主动式磁回热器中,因板间隙不一致会形成不均匀流道。为研究流道不均匀程度对磁制冷机换热性能的影响,本文利用Comsol 5.4软件构建了二维、瞬态磁制冷模型。除了表征流道不均匀程度的相对标准偏差不同外,模型其余的几何结构与运行条件完全相同。通过对比不同相对标准偏差的磁制冷机温度云图和制冷温跨来衡量AMR的换热性能。模拟结果表明随着流道不均匀程度的增加,回热器冷端平均温度升高,36%标准偏差流道产生的制冷温跨为5.8 K,比均匀流道达到的11.1 K下降了约50%。当标准偏差高于36%时,制冷温跨减小程度降低。因此流道不均匀对磁制冷机换热性能有着较大的影响,实验过程中应采用良好的板叠AMR制作工艺尽量使得流道宽度一致。     

大功率4K脉管制冷机模拟和实验研究

提高液氦温区脉管制冷机的制冷量对于冷却超导磁体和氦液化具有重要意义。本文将已成功应用于单级脉管制冷机和4 K G-M制冷机模拟的回热器模拟软件REGEN用于液氦温区脉管制冷机二级回热器的模拟。计算结果显示,脉管制冷机在4.2 K的制冷量一定程度上随着二级质量流量的增加而增大。在此基础上,我们在实验中采用不同质量流量的压...     

液氮温区混合回热器斯特林制冷机数值模拟研究

自由活塞斯特林制冷机具有温区广、制冷效率高、结构紧凑、振动小以及寿命长的特点。回热器作为制冷机的核心部件,决定着制冷机的性能。为了提高液氮温区斯特林制冷机的效率,本文提出采用卷绕聚酯酰胺(简称PI)薄膜和不锈钢丝网混合填充的回热器,并对该混合回热器进行了数值模拟研究。首先分析了液氮温区混合回热器的填充参数,接着设计制冷机的尺寸参数并建立制冷机整机的数值模型,最终揭示回热器长度、两种填料填充比以及相位特性对混合回热器制冷性能的影响,并将混合回热器与单一填料回热器进行对比。结果表明,混合回热器在液氮温区具有明显优势,在混合回热器长度为8 cm、卷绕PI薄膜和不锈钢丝网混合填充比例为7:1、排出活塞领先动力活塞60°时获得最佳制冷性能。室温300 K、输入声功为451 W,在77 K获到58.1 W的制冷量,声功计的相对卡诺效率为37.26%,比单一填充卷绕PI薄膜和层叠不锈钢丝网的回热器分别高了6.26%和17.33%。     

脉冲管制冷机中4K回热器的数值模拟

为了研究液氦温区脉冲管制冷机的性能,本文对脉冲管制冷机中4 K回热器进行了数值模拟分析,建立了包括压缩腔、高温换热器、回热器、低温换热器和膨胀腔等五个区域的数理模型,同时考虑了~4He的非理想性以及钬铜体积热容随温度变化的影响;对4 K回热器的传热与交变流动过程进行了数值模拟,并分析了回热器中总能流、声功流、体积流率分布、相位的分布和温度分布。计算结果显示,系统在运行频率5 Hz,压缩腔入口压比1.37,输入声功8.14 W的情况下,理论预测在4.2 K时制冷量为0.27 W,考虑膨胀活塞回收的声功后相对卡诺效率为20.6%。     

单级大功率斯特林型脉管制冷机模拟与实验研究

为了研究大功率斯特林型脉管制冷机中存在的流动的不均匀性、回热器和脉管内的温度不均匀性、制冷机与压缩机的阻抗匹配等问题,本文基于模拟软件Sage设计制造了一台单级大功率斯特林型脉管制冷机并对其进行了初步试验研究。在60 Hz工作频率,充气压力为1.9 MPa时,800 W输入功率下达到最低无负荷制冷温度56.9 K;充气压力为2.0MPa,输入功率为4 kW时制冷量为41.2 W@77 K,与理论模拟结果存在较大差距。实验发现回热器存在严重的温度不均匀性,中部最大温差高达120 K。     

20 K单级斯特林制冷机理论研究

为满足小型超导磁体等领域对20 K温区制冷机的需求,本文进行了20 K温区单级斯特林制冷机的理论研究,通过对20 K温区高频交变流动换热机理和材料的热容、热渗透深度的影响分析,明确了20 K温区对回热器的设计准则,通过建立整机的热力学模型进行计算,计算结果表明,在铅丝丝径为24μm时,斯特林制冷机可获得的制冷量为0.65 W@20 K、1.84 W@25 K、3.02 W@30 K、4.26 W@35 K、 5.48 W@40 K。满足设备对20 K温区单级斯特林制冷机的需求。     

带预冷的4K斯特林型脉管制冷机设计

本文提出了采用两级G-M型脉管制冷机预冷一台单级斯特林型脉管制冷机来研究液氦温区斯特林型脉管制冷机性能的实验方案.基于回热器数值模拟软件REGEN3.3,重点研究了液氦温区回热器长度、回热器填料、气体工质对回热器效率的影响.采用低温惯性管作为斯特林型脉管制冷机调相装置,在小声功系统中实现了理想相位关系的调节,有效提高小型斯特林型脉管制冷机的效率.     

液氦温区回热器高频损失特性研究

回热器是回热式低温制冷机的核心部件,如何有效地减小回热器中的损失是提高脉管制冷机性能的关键。在不同的温区以及不同工况下,回热器中的主导损失是不一样的。随着温度的不断下降(尤其是20 K温区以下),实际气体损失所占的比例越来越大。本文基于回热器数值模拟程序REGEN3.3着重研究了液氨温区回热器在高频下的各种损失特性,并指出了减小各种损失的方向。基于一台带预冷的4 K斯特林型脉管制冷机,开展了液氨温区高频脉管制冷机回热特性的实验研究。     

小型室温磁制冷系统的改进及实验研究

基于先前报道的旋转内磁体式小型室温磁制冷系统,系统采用了新的双层同心嵌套式Halbach磁体组,开展了钆工质的制冷温跨与制冷量的实验研究。采用新的双层Halbach磁体组后,磁体组轴线处平均磁场强度由0.3?1.2 T提升至0.06?1.40T。在回热器两端绝热保温的工况下,采用新磁体组的系统在相似频率和利用系数下性能显著提升,并在1.25 Hz的运行频率下获得19.8K的制冷温跨。在系统引入高低温换热器的条件下,设定回热器高温端温度为27.5℃时,室温磁制冷机在7K制冷温跨下获得10W制冷量,工质比制冷量约47W·kg-1,并在1.7 K的制冷温跨下获得了50 W制冷量。     

大冷量脉管制冷机回热器温度不均匀性的实验研究

本文对一台设计目标为液氮温区千瓦级冷量的脉管制冷机展开了实验研究。在回热器中填充纯不锈钢丝网时,观测到了巨大的温度不均匀现象,当入口压比为1.25时回热器中部最大温差高达163.3 K,并且回热器中的温度场难以发展稳定。在向回热器中填充了一定数量的紫铜丝网后,回热器内的温度不均匀现象得到了有效的抑制,制冷机的制冷量也有了明显的提升。最后通过对充气压力和工作频率的优化,在入口声功9.08 kW、制冷温度77 K时获得了647 W的制冷量。     

回热器流阻对脉管制冷机稳定性的影响

由双向进气阀引起的直流流动是脉管制冷机在高温区如80K温度不稳定的根本原因.本文理论和实验研究了通过改变回热器流阻进行直流抑制的可行性.结果表明:适当增加回热器流阻,可以有效抑制直流,进一步改善双向进气脉管制冷机性能,实现在较高温区长时间稳定工作,为解决其存在的高温区性能不稳定提供了新的途径.     

液氮温区大冷量自由活塞斯特林制冷机实验及模拟研究

自由活塞斯特林制冷机具有高可靠性、高效率、结构紧凑等优点,在高温强电超导和气体液化等领域有较广阔的应用前景。本文针对一台液氮温区大冷量自由活塞斯特林制冷机展开了实验和计算研究.实验中,输入声功2.35 kW时,制冷机在80 K获得了215 W制冷量,相对卡诺效率为24.9%。数值计算表明室温端换热器的性能不足对制冷机性能影响较大,此外,结构缺陷导致的回热器轴向孔隙率不均匀可能是制约制冷机性能的主要因素。针对上述问题优化系统有望显著提升制冷机性能。     

主动式磁回热制冷机的磁力及磁功分析

在主动式磁回热制冷机中,由于温跨变化、磁场分布不对称、磁回热器和永磁体气隙长度不一致、磁回热器间相位的影响,采用热力学方法来计算磁功耗会产生较大的误差.本文依据经典分子场理论,建立了通过计算磁力来估算磁功耗的方法,采用该方法可以对磁回热器和永磁体气隙长度比(δ),以及磁回热器之间相位差进行分析和优化设计.分析结果表明,磁回热器温跨的增大会使磁力峰值和消耗磁功率增大,当δ在0到1的范围变化时,磁力峰值和磁功率均存在极大值;当右侧回热器相位超前左侧回热器π时,消耗的磁功率最小,且随着温跨的增加,对应最小磁功率的相位差增大.     

采用纤维毡填料的300Hz两级脉冲管制冷机研究

高频脉冲管制冷机具有较高的能量密度和比功率,具有重要的发展前景。本文对采用纤维毡作为回热器填料的300 Hz两级脉冲管制冷机进行了数值模拟。首先优化了系统尺寸,考察了系统平均压力与制冷机入口压比对系统性能的影响;重点研究了不锈钢纤维毡的丝径和孔隙率对制冷机性能的影响,并且将最优尺寸下不锈钢丝网和纤维毡作为填料时对制冷机性能影响进行了对比。当制冷机入口压比为1.2时,纤维毡作为回热器填料的系统获得了26.4 K的无负荷冷头温度,相比丝网作为填料的系统下降了近10 K,此时不锈钢纤维毡丝径为8μm,孔隙率为85%。     

高频脉冲管制冷机的数值模拟及其实验优化

随着高频脉冲管制冷机技术的发展,为了进一步提高制冷机的性能,需要对制冷机内部机理进行进一步的深入分析．运用数值模拟方法对脉冲管制冷机进行仿真模拟,能够有效直观地研究脉冲管制冷机的内部工作机理．本文采用CFD软件(FLUENT(?)),建立了回热器的多孔介质模型对不同工况的高频脉冲管制冷机进行全三维模拟计算,得到了高频脉冲管制冷机内部的流动分布,并通过计算得到了频率和平均压力对制冷机的内部参数和性能的影响．将计算结果与实际制冷机的优化结合起来,为实验的优化提供一定的依据．优化并得到了一种高效率的高频脉冲管制冷机,其80 K的COP达到4％以上．     

可达5K以下的三级斯特林型脉管制冷机性能研究

针对当前低温超导电子、军事及空间探测等对液氦温区紧凑、长寿命、高可靠性制冷技术的需求,设计并研制了一台三级斯特林型脉管制冷机。讨论了制冷机第三级的回热器、脉管、调相机构等相关参数的设计,着重分析了液氦温区回热器长度与温度分布的特殊关系。实验中以He-4为工质,第三级在充压0.91 MPa,频率29.9 Hz,输入电功率100 W的工况下获得了4.97 K的最低无负荷温度,有制冷量25 mW@6 K。该结果首次证明了采用He-4为工质、以三级结构的斯特林脉管制冷机实现液氦温区制冷的可行性。     

130W/70K大冷量单级G-M制冷机的性能研究

为满足高温超导等工程应用项目的大冷量需求,对130W/70K大冷量单级G-M制冷机系统进行了结构设计、理论计算和制冷性能测试,测得其制冷性能为最低温度18.1K,制冷量131.2W/70K。由于回热器性能优劣对制冷机性能有所影响,通过回热器不同填料方式对制冷机性能进行测试,结果表明,相比于采用单一磷青铜网填料的制冷机,采用磷青铜网和铅球作为复合蓄冷材料可以提高制冷机的制冷性能。     

60K斯特林制冷机回热器结构优化和试验研究

回热器作为回热式低温制冷机的核心部件,其效率的提升对低温制冷机具有重要意义。对研制的60K斯特林制冷机回热器进行优化设计和试验研究,获得了最佳回热器填料。通过对回热器冷端换热器结构的优化,讨论了其空隙率及局部损失对整机性能的影响,得到了冷端换热器的最佳空隙率,有效提高了制冷机的制冷量及其温度稳定性。在制冷机质量小于2.0kg以下,获得了1.8W/60K@23℃制冷性能。     

-80℃斯特林制冷机回热器优化设计及试验研究

为探讨不同回热器填充参数对-80℃斯特林制冷机性能的影响,讨论了回热器填料的选型原则,建立了回热器力学模型,计算了不同填充长度、截面积和冷端质量流量。结果显示,对于250目、300目、400目三种不锈钢丝网,回热器最佳填充长度为20—25 mm,丝网存在最佳的A_g/m_c使COP最大,300目丝网作为填充材料COP最高为35.95%。实验验证了计算结果,300目不锈钢丝网填充的回热器性能最佳,制冷量达到85.3 W。     

高性能G-M型单级脉管制冷机直流抑制和制冷特性实验研究

本文开展了高性能G-M型单级脉管制冷机直流抑制和制冷特性实验研究.考察了直流流动对制冷机性能的影响,采用并联布置的双阀逆向型进气结构对直流进行抑制,成功地解决了脉管制冷机的直流问题;此外,深入研究了不同工作模式下,回热器填料布置方式对制冷特性的影响;估算了不同温度位下制冷循环的需气量,对不同压缩机输入功下的双向进气脉管制冷性能进行了研究,采用2kW(RW2)和4kW(CP4000)压缩机驱动时分别获得了18.4K和14.7K的最低制冷温度,在30K的相应制冷量分别为11.5W和29.5W.