电/热驱动高频脉冲管制冷机的特性研究
文献类型：学位论文
| 答辩日期 | 2014 |
| 授予单位 | 中国科学院研究生院 |
| 导师 | 罗二仓 |
| 关键词 | 脉冲管制冷机 直线压缩机 热声发动机 高频 耦合 |
| 学位专业 | 硕士 ; 制冷及低温工程 |
| 中文摘要 | 脉冲管制冷机是一种极具潜力的小型低温制冷机，因其冷侧不存在运动部件，具有结构简单、使用寿命长、运行可靠等优点，在军事、空间技术、低温电子学器件、低温医学、超导等领域具有广阔的应用前景。脉冲管制冷机根据驱动方式的不同，可分为电驱动和热驱动两种，其典型代表为直线压缩机驱动的脉冲管制冷机和热声发动机驱动的脉冲管制冷机。直线压缩机驱动具有体积小、使用方便、启动快等优点，能够快速考察脉冲管制冷机的性能，为热驱动脉冲管制冷机的研究提供指导。而热驱动脉冲管制冷机则整机均没有运动部件，进一步加强了其可靠性，并可利用低品位能源驱动。因此，无论是电驱动或是热驱动的脉冲管制冷机，均具有重要的应用前景。但是目前电/热驱动的脉冲管制冷机尺寸仍然较大，限制了其进一步的发展。提高电/热驱动脉冲管制冷机的运行频率能够有效提高系统的能量密度，减小脉冲管制冷机、直线压缩机和热声发动机的尺寸，是电/热驱动的脉冲管制冷机系统小型化的有效途径之一。本论文主要采用数值计算与实验的方法研究了高频电/热驱动的脉冲管制冷机系统的机理与性能，致力于设计、优化、搭建高频电驱动单级脉冲管制冷机、两级脉冲管制冷机、热驱动脉冲管制冷机系统中重要的驱动源——高频热声发动机，探究驱动源与制冷机之间的高效耦合机制。本文工作的主要内容为： 1. 高频电驱动单级脉冲管制冷机的研究 介绍了一台高频电驱动单级脉冲管制冷机，我们首先在理论上分析了该制冷机工作在280 Hz时惯性管、回热器以及脉冲管的长度对制冷机性能的影响。随后在实验中考察了该高频电驱动单级脉冲管制冷机工作在100 Hz左右时的性能，采用纤维毡作为回热器填料，制冷机在105Hz工作频率、入口压比1.27时可获得无负荷冷头温度为39.6K，在77K制冷温度下制冷量为3.0 W，相对卡诺效率为17.4%。相同结构尺寸下采用不锈钢丝网填充回热器的制冷机在制冷量及相对卡诺效率上与采用不锈钢纤维毡填充回热器的制冷机均有一定差距。高频电驱动单级脉冲管制冷机采用不锈钢纤维毡作为回热器填料，在运行频率264Hz、入口压比为1.213时可获得无负荷冷头温度44.17K， 77K制冷温度下制冷量为1.8 W，相对卡诺效率为23.7%。 2. 高频电驱动两级脉冲管制冷机的研究 为了获得更低的制冷温度，同时保证制冷机紧凑小巧的结构，我们研究了一台高频电驱动两级脉冲管制冷机，一级采用同轴结构，二级采用直线型结构，采用直线压缩机驱动。通过数值模拟计算可知，该两级脉冲管制冷机采用不锈钢丝网作为回热器填料时，可在运行频率300 Hz、入口压比1.2时获得二级冷头无负荷温度38.08 K；随后我们进一步考察了该制冷机在采用纤维毡作为回热器填料时的性能，并考察了纤维毡不同丝径与孔隙率的影响，在进一步优化制冷机结构后，制冷机可在运行频率300 Hz、入口压比1.2时获得29.97 K 的二级冷头无负荷温度。 3. 300Hz热驱动脉冲管制冷机系统设计 阐述了300 Hz热驱动脉冲管制冷机系统中的主要驱动源——300 Hz级行波热声发动机的设计过程，并对其无负载性能、驱动RC负载以及驱动单级脉冲管制冷机的性能展开数值模拟研究。300 Hz级行波热声发动机选用300 目不锈钢丝网作为回热器填料、板翅式换热器以及锥形谐振管和圆柱形气库。在其无驱动负载时，系统内声场分布合理，加热量为1000 W时发动机谐振频率为271.68Hz，热头温度636.47K，接负载处压比1.09。300 Hz级行波热声发动机在驱动RC负载时，在负载声阻所能取得的范围内，发动机在驱动0.5L气库所能获得的最大热声效率为24.32%，对应最大输出声功为243.19W。300 Hz级行波热声发动机驱动脉冲管制冷机在采用4.7 mm内径860 mm长声压放大器耦合时，在加热量为1000 W时能够获得40.18 K最低无负荷冷头温度。此时，系统谐振频率为261. 91 Hz，制冷机入口压比为1.28。制冷机在77K制冷温度下可获得3.60 W制冷量。 4. 300 Hz级行波热声发动机实验研究 重点介绍了300 Hz行波热声发动机实验台的搭建及其基本性能的实验研究。在热声发动机热缓冲管的高温端与室温端添加适当片数与目数的导流丝网，能够有效抑制高温端换热器出口射流带来的热量损失。在热缓冲管的高温端添加导流丝网的效果要高于其室温端添加导流丝网的效果。环路中的声直流导致冷热流体的混合所带来的热量损失降低了发动机的性能。加入弹性膜确实能够有效抑制直流。采用锥形谐振管能够有效抑制谐振管内二次谐波，降低能量损失，提高发动机性能。300 Hz行波热声发动机在平均工作压力4.0 MPa、1000 W加热量下声容上方以及接负载处的压力波动幅值及压比分别为0.22 MPa，1.12，0.10 MPa，1.05，热头温度为590.44 ℃，系统谐振频率为268 Hz。采用DeltaEC对300 Hz级行波热声发动机展开数值模拟，计算结果在趋势上能很好地与实验结果相吻合，对实验过程具有指导意义。计算与实验的误差主要是因为数值计算中对系统内漏热损失以及流动损失的估计不足。为进一步提高发动机的工作性能，应重点集中在改善漏热、提高换热器换热效率和减小系统内不必要的流动损失等方面。 |
| 源URL | [http://202.127.2.71:8080/handle/181331/10943]  |
| 专题 | 上海技术物理研究所_全文传递文献库_qwcd 学位论文 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | . 电/热驱动高频脉冲管制冷机的特性研究[D]. 中国科学院研究生院. 2014. |
入库方式： OAI收割
来源：上海技术物理研究所
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