液氦温区预冷型J-T制冷机及其末级换热器的数值与开式实验研究

摘要

空间探测领域的高速发展推动了低温技术的进步，低温探测器可实现更高的观测精度并捕捉更微弱的信号，液氦温区（1-10 K）是部分低温探测器的工作温度，在空间应用中具有重要作用。工作于液氦温区的预冷型J-T制冷机具有结构紧凑、制冷效率高、运行时间长等优势，在空间中得到了广泛应用。本文对这一技术展开了以下工作：
　　1.系统地整理了国际上空间应用的液氦温区预冷型J-T制冷技术，回顾了这一技术的发展历程与最新进展，重点放在制冷机效率的比较和支撑密封等关键技术的梳理，提取出了实验研究中的问题与障碍并为本文的工作提供参考。高效可靠的无油J-T压缩机、预冷用的回热式制冷机、整机运行参数优化和稳定可靠运行、以及高效紧凑的间壁式换热器是研究中的关键问题。
　　2.开展了工质分别为氮气和氦气的J-T循环热力学分析。对于氮气工质，循环的最大制冷量受制于高低压气体间最小的等温焓差，高压压力升高有利于增大最小等温焓差，讨论了间壁式换热器效率对制冷量的影响，预冷有利于提高制冷量。对于氦气工质，必须通过预冷才能获得液氦温区的制冷量。讨论了流体热物性、附加热负荷、轴向导热和流动分布不均对低温换热器效率的影响。
　　3.建立了液氦温区预冷型J-T制冷机的数值模型，优化了J-T循环的高压压力和末级预冷温度，分析了最佳的参数组合。为减小末级换热器中由于流体物性变化产生的不可逆损失，提出了一种新的末级换热器结构，引入旁通J-T阀改变流量分布，通过平衡换热器两侧的水当量减小传热温差，从而减小不可逆损失并提高制冷机性能。
　　4.开展了预冷型J-T制冷机的开式实验研究，获得了不同运行参数下的液氦温区制冷量，当末级预冷温度为17.36 K，压比为16，流量为11 mg/s时，在4.46 K获得82.74 mW的制冷量。蒸发器出口带液导致实验结果与数值模型存在偏差，通过修正数值模型中蒸发器出口的条件获得了与实验一致的结论。

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1 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 预冷型J-T制冷机简介

1.3 空间液氦温区预冷型J-T制冷机的发展现状

1.4 空间预冷型J-T制冷机的关键技术

1.5 本文主要工作

2J-T制冷机理论基础

2.1 节流制冷的基本原理

2.2 基本型J-T制冷机及其热力学分析

2.3 预冷型J-T制冷机及其热力学分析

2.4 氦-4工质J-T制冷机及其热力学分析

2.5 低温间壁式换热器的研究

2.6 本章小结

3 预冷型J-T制冷机的数值分析

3.1 J-T循环流程介绍

3.2 计算模型建立

3.3 计算结果分析

3.4 本章小结

4 末级换热器的分析与优化

4.1 换热器的数值模型

4.2 数值模型的验证与分析

4.3 带旁通节流的新型末级换热器

4.4 传热、流动和节流过程的熵分析

4.5 本章小结

5 预冷型J-T制冷机开式实验系统

5.1 预冷制冷机

5.2 J-T循环

5.3 真空系统

5.4 测试系统及误差分析

5.5 本章小结

6 预冷型J-T制冷机的开式实验研究与分析

6.1 实验方案

6.2 实验结果与分析

6.3 数值模型的验证与修正

6.4 降温曲线

6.5 本章小结

7 结论与展望

7.1 主要结论

7.2 问题与展望

参考文献

攻读硕士学位期间取得的科研成果

致谢