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%。     

-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。     

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。     

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%。     

低于13K的单级脉管制冷机性能研究

回热器是脉管制冷机的关键部件之一,其效率对脉管制冷机性能有很大影响。铅丸是常见的蓄冷材料,通常用于回热器的低温端。本文测试和分析了不同品质的国产铅丸和进口铅丸对单级G-M型脉管制冷机性能的影响。采用额定功率为6．0 kW的压缩机驱动,使用进口铅丸脉管制冷机最低制冷温度达12．9 K,这是当前单级脉管制冷机达到的最低制冷温度;40 K时的最大制冷量为57．4 W。使用国产铅丸最低制冷温度为13．6 K,40 K时的最大制冷量为55．9 W。本文对低温制冷机蓄冷材料选择具有一定的参考价值。     

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%。     

12K预冷型高频脉冲管制冷机

研制了一款预冷型高频脉冲管制冷机,采用液氮来预冷脉冲管制冷机热端,对制冷机进行了设计计算,并对运行参数开展了实验研究。制冷机为同轴形式布置,采用置于液氮温区的长颈管及气库组合作为调相机构,回热器均采用不锈钢丝网作为蓄冷材料。在180W的输入电功下获得了675m W/20K的制冷量,在110W的输入电功下获得了12.2K的最低制冷温度,进一步对预冷的液氮采用抽气减压的方式降温到63K时,获得了11.9K的无负荷最低制冷温度。     

主动磁回热器端部流动不均匀性影响的数值模拟

本文借助COMSOL多物理场耦合软件构建了二维、瞬态磁制冷模型。利用该模型模拟了两种不同的算例,算例1中回热器与换热器直接连接,算例2中采用渐变段连接,渐变段为普通绝热管道,包含了死容积的影响,两种算例的回热器结构完全相同。通过对比上述算例研究了流体流入回热器时由于管道截面积突变导致的流动不均匀现象对制冷机性能的影响。模拟结果显示,尽管算例2中增加了死容积,但渐变段使流动更加均匀,磁制冷机无负荷温跨由18.65K增大到26.14 K,提升了40.16%;温跨为5 K时,算例2相对于算例1制冷量提高31.57%,COP提高69.85%。因此,回热器两端的截面积突变对磁制冷机的影响不容忽视,本模拟对磁制冷系统结构设计及改进具有重要的借鉴意义。     

-8O℃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Ag/mc使COP最大,300目丝网作为填充材料COP最高...     

60K大冷量同轴型脉冲管制冷机的设计与优化

针对红外、超导应用的迫切需求,本文对工作温度为60 K的同轴型脉冲管制冷机进行优化设计。对调相机构的不同组合进行实验研究,获得了该脉冲管制冷机的最佳调相方式;对蓄冷器内丝网的填充方式进行研究,确定了60 K制冷机中蓄冷器丝网的填充方式。制冷机在输入功率250 W,热端温度310 K时,在60 K可以获得5.71 W的冷量,相对卡诺效率达到9.52%。     

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。     

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。     

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。     

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。     

脉管制冷机层叠丝网填充回热器导热特性数值分析及优化

回热器为回热式低温制冷装置的关键部件,其性能直接影响到整机性能。对层叠丝网回热器的轴向导热损失进行了理论分析和数学建模,采用单一及不同目数金属丝网混填了单级脉管回热器,基于80K,50Hz的工况下,理论分析了不同目数层叠丝网混合填充时,配比组合参数对回热器轴向导热损失的影响。结果显示:层叠丝网所引起的轴向导热损失为回热器轴向导热损失的主要形式。研究表明,恰当的混填形式可以提高回热器性能。在此基础上提出了层叠丝网回热器填充配比优化方法。     

百赫兹气动斯特林制冷机高效蓄冷器设计与优化

本文介绍了一款百赫兹气动斯特林制冷机,该制冷机由线性压缩机和气动膨胀机组成。基于制冷机一维设计软件,对回热器长度、直径、填料,弹簧刚度,充气压力,频率等关键参数进行了优化设计,并开展了相关实验验证。整机重量800 g。最优频率110 Hz,在32 W输入电功下,80 K可提供1 W制冷量,可获得50 K的最低无负荷制冷温度,满足第三代红外光电探测器SWAP要求。     

温度回路-小孔脉管制冷中的新现象

一台可工作在双向进气模式和小孔模式下的单级脉管制冷机,当双向进气方式采用并联双阀双向进气时,最低制冷温度为19.3K,50K以下的制冷量变化约为2W/K;当双向进气阀门关闭时,制冷机就工作在小孔模式下,最近的研究工作发现,当制冷机工作在小孔模式下时出现了一个新的现象-脉管冷端温度存在温度回路,该特点与脉管冷端的热负荷及小孔开度的调节方法有关,该现象的发现对于理解双向进气模式下温度不稳定问题提供了一个新的思路。     

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.     

声功回收级联型脉管制冷机实验研究

在原有单级脉管制冷机的基础上,设计并研制了一台声功回收级联型脉管制冷机.实验结果表明,在输入电功为500 W时,无负荷制冷温度为主级123.3 K,辅级131.0 K,主级制冷量为143.7 W@233.0 K,辅级制冷量为62.9W@233.0 K,其总和206.6 W@233.0 K,高于相同输入功时单级脉管制冷机的理论模拟值189.6 W@233 K,验证了声功回收方案的可行性,不仅是对回热式低温制冷法在普冷温区实践的一次有益探索,而且为更低温度大制冷量脉管制冷机声功的回收奠定了基础.