应用“L”型脉管和紫铜泡沫金属的四阀型脉管制冷机研究

摘要

作为一种新型机械回热式制冷机，脉管制冷机由于低温端没有运动部件，比起GM，Stirling制冷机，具有结构简单、振动小、体积小、寿命长等优点，特别是在抗电磁干扰，降低振动和长寿命方面优势明显，因此引起世界各国的广泛重视，成为小型低温技术研究的热门。然而目前的脉管制冷机存在着冷端结构比较复杂以及冷端换热器换热性能不够理想的不足。 本文正是基于此不足，在国际项目合作背景支持下，提出“L”型脉管结构，简化脉管冷端结构，并提出紫铜泡沫金属填料型换热器强化冷端换热，采用四阀型脉管制冷机作为实验样机，进行实验性能研究，同时理论上对四阀样机进行热力学循环分析和损失分析，取得了一定的进展和成果。本文的具体研究内容如下： (1)以四阀型脉管制冷机作为实验样机，并对它的传统结构进行了两大改进：①采用“L”型脉管结构取代通常的“I”型脉管结构，即把传统的脉管冷端换热器和蓄冷器冷端换热器之间的连接管部分变成了脉管的一部分，大大简化了脉管冷端结构，便于加工，同时还进一步降低了脉管冷端的死容积；②在脉管热端采用双小孔阀结构取代传统的单小孔阀结构，用来分别控制脉管热端进排气的质量流率，这样在试验中就可以更灵活地调节脉管热端的进排气流量。 (2)提出一种新型的填料型换热器——泡沫金属填料型换热器。回热式制冷机的冷、热端换热器的设计对制冷机的性能有非常重要的影响。一般来说，小型回热式制冷机主要依靠导热将冷量从工作流体传递给冷端换热器外表面，从而冷却相关器件。目前最常用的丝网填料型和烧结型换热器都具有各自的缺点不能充分满足小型回热式低温制冷机的要求。本文提出采用一种新型的强化换热材料——紫铜泡沫金属(平均孔径为600μm)，用于填充冷热端换热器，并分别和以20目，80目紫铜丝网作为冷端换热器填料的换热器进行了热力学性能比较，由于紫铜泡沫金属具有连续的小孔结构以及高比换热表面积和低的压降，从理论分析上得出文中的泡沫金属填料型换热器的换热性能优于后两种丝网填料型换热器。 (3)建立了“L”型脉管结构和双小孔结构的四阀型脉管制冷机测试实验台。基于此样机，分别采用前述的三种换热器填料进行强化换热器换热，并对制冷机性能进行测试，实验结果表明：采用孔径为600μm的紫铜金属泡沫材料作为冷热端换热器的填料，比起使用20目和80目紫铜丝网更能强化气体在冷热端换热器中的换热，且压降小，进一步降低了制冷机冷头能够达到的最低温度，降幅分别为2.5K和1.7K，从而提高制冷机的性能。 (4)对制冷机加工和焊接工艺进行改进，建立薄壁四阀型脉管制冷机测试实验台。测试结果表明：采用薄型脉管的制冷机冷头的最低温度比同等条件下的厚壁脉管制冷机下降了4.5K左右，相应的弯头处的温度下降了50K左右。 (5)对脉管内工作气体进行热力学循环分析。由于脉管制冷机的工作过程涉及到热力学、流体动力学和传热学等多方面的问题，内部流动过程非常复杂，理论分析难以考虑周全各种不可逆的实际过程。循环分析立足于焓流理论，结合热力学第一定律，理想气体状态方程，质量守恒方程分别对脉管中的三部分气体进行热力学过程分析，推导出制冷机的理论制冷量Q<,c>，所需的理论压缩功W<,com>，COP的关系式等。分析结果表明：①理论制冷量Q<,c>和制冷机的尺寸，以及两个中间压力P<,M1>，P<,M2>相关。在两个中间压力P<,M1>，P<,M2>接近平均压力时，理论PV功较大，即理论制冷量Q<,c>较大。②理论制冷量Q<,c>达到最大和COP达到最大时所对应的两个中间压力P<,M1>，P<,M2>是不同的。③推导出的压缩功W<,com>可以作为指导选择压缩机的一个依据。这些分析结果为制冷机的设计以及理解四阀型脉管制冷机的循环有一定的指导意义。 (6)对制冷机进行热损失分析。损失分析中使用理论制冷量，以及各种损失的经验公式，重点对于经验公式中普遍存在的一些盲点，如一些关键值的选取(包括冷端流速，质量流量等，这些数值在以往的经验公式计算中往往都没有清晰的给出计算方法)，给出合理的估算方法。对文中样机的能量损失分析表明：蓄冷器的回热损失，脉管中气体的穿梭损失和脉管、蓄冷器壁的导热损失是制冷机的主要损失。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1研究背景

1.2脉管制冷机发展历史

1.3研究现状及方向

1.4脉管制冷机的理论分析方式

1.5本文研究内容和创新点

第二章“L”型脉管制冷机和紫铜泡沫金属填料型换热器

2.1“L”型脉管的提出

2.2新型紫铜泡沫金属填料型换热器

2.3小结

第三章四阀型脉管制冷机试验系统

3.1试验系统

3.2测量仪器和设备

3.3实验数据的不确定度分析

3.4小结

第四章“L”型脉管制冷机的试验研究

4.1试验系统实物图及说明

4.2初样机试验结果

4.3改进后的试验系统试验结果

4.4小结

第五章四阀型脉管制冷机的热力学分析

5.1系统结构

5.2循环过程描述

5.3制冷量的推导

5.4压缩机净功和COP的求取

5.5计算结果和讨论

5.6小结

第六章脉管制冷机的热损失分析

6.1理论制冷量分析

6.2各种损失分析

6.3分析结果

6.4小结

第七章结束语

7.1全文工作总结

7.2进一步的工作

参考文献

致谢

作者在攻读博士期间发表的学术论文／专利目录