畢業(yè)論文（設(shè)計）三級級聯(lián)脈管制冷機(jī)實(shí)驗(yàn)研究

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1、三級級聯(lián)脈管制冷機(jī)實(shí)驗(yàn)研究摘要：基于脈管制冷機(jī)聲功冋收的理念，在原有兩級級聯(lián)型脈管制冷機(jī)的基礎(chǔ)上，串聯(lián)第三級脈管制冷機(jī),實(shí)驗(yàn)研究表明，該三級級聯(lián)型脈管制冷機(jī)可在233K獲得為253.6W制冷量，比純單級時候高出39.9%。關(guān)鍵詞：脈管制冷；聲功回收；多級級聯(lián)制冷機(jī)；233K0前言隨著高溫超導(dǎo)導(dǎo)線制造技術(shù)的提高，使得高溫超導(dǎo)技術(shù)在能源、運(yùn)輸及醫(yī)藥等不同領(lǐng)域的應(yīng)用成為現(xiàn)實(shí)，對80K溫區(qū)百瓦級甚至千瓦級大冷量低溫制冷機(jī)提岀了需求脈管制冷機(jī)屮使用氣體活塞代替排除器，可以使交變流達(dá)到斯特林制冷機(jī)、G-M制冷機(jī)相似的相位關(guān)系，相比于這兩種制冷機(jī)，脈管制冷機(jī)在高可靠性和低

2、振動上具有較大優(yōu)勢⑵。但是，由于脈管內(nèi)聲功將以熱量形式在氣庫和慣性管內(nèi)耗散，致使其理論最高效率為入/仏，達(dá)不到卡諾效率"(Th-TJ⑶。圖1顯示理想情況下，制冷溫度為10K時以熱量形式耗散的聲功并不明顯，從圖1可以看出，隨著溫度的上升，脈管制冷機(jī)本征效率與卡諾效率Z比越小，當(dāng)制冷溫度為120K時，77川/〃＜=0.6,因此，在大冷量應(yīng)用場合，尤其是液氮溫區(qū)、LNG溫區(qū)，通過回收耗散聲功提高脈管制冷機(jī)效率顯得十分必要。為提高脈管制冷機(jī)效率，許多學(xué)者提出了各種聲功回收型脈管制冷機(jī)。TKi等⑷在2012年提出使用質(zhì)量-彈簧-阻尼系統(tǒng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)慣性管和氣庫的概念，該系

3、統(tǒng)具有調(diào)相及熱端聲功回收的作用。同濟(jì)大學(xué)朱紹偉⑸在2014年提出“階式活塞”脈管制冷機(jī),理論上分析說明其可提高制冷機(jī)效率。然而這些概念或增加運(yùn)動部件，或引入環(huán)流，都有其優(yōu)缺點(diǎn)。2011年，SwiftGW等⑹在不增加運(yùn)動部件、不引入直流的情況下，使用1/4波長管回收熱端耗散聲功，以期提高制冷效率。原有兩級級聯(lián)脈管制冷機(jī)創(chuàng)理論上仍有65.1W聲功可回收，本文引入第三級級聯(lián)脈管，進(jìn)一步探究其回收聲功的能力。*通訊作者：tT智1華，郵箱：ganzhihua@zju.edu.cn本文受國家口然科學(xué)基金(No.51376157)和高等學(xué)校I専士學(xué)科點(diǎn)專項科研基金(201

4、30101110098)資助圖1理想脈管制冷效率與卡諾效率對比1第三級制冷機(jī)設(shè)計第三級傳輸管第三您熱塔換熱器第三第三級冷鰐冷加器巫匚級級后換悠為:級傳輸管第二級傳輸管巫統(tǒng)熱煩換悠器第一級第一您脈竹—第一級冷靖換熱耕第一級回?zé)酛K第一級級財冷卻器找憐莊編機(jī)圖3三級級聯(lián)脈管制冷機(jī)模型圖在兩級級聯(lián)的基礎(chǔ)上，保持前兩級基本參數(shù)不變，二、三級之間使用長6.3m,內(nèi)徑10mm銅管作為傳輸管，依然使用Sage1'01建模，優(yōu)化設(shè)計第三級制冷機(jī)。圖3為三級級聯(lián)脈管制冷機(jī)整機(jī)模型圖。1.1第三級回?zé)崞髟O(shè)計冋熱器是回?zé)崾街评錂C(jī)的關(guān)鍵部件，其尺寸及參數(shù)優(yōu)化顯得尤為重要，壓力為2.

5、5MPa,同樣釆用200目絲網(wǎng)，通過Sage對整機(jī)系統(tǒng)模擬得到最佳回?zé)崞鏖L度為Lreg=0.053m,質(zhì)量流mc=0.00255g/s,使用模擬軟件Reger?"進(jìn)行驗(yàn)證,圖4、圖5分別表示回?zé)崞鏖L度、質(zhì)量流量與系統(tǒng)C0P關(guān)系。圖4系統(tǒng)COP與回?zé)崞鏖L度關(guān)系叭（畑$）圖5系統(tǒng)COP與質(zhì)量流量關(guān)系1?2第三級傳輸管設(shè)計與第二級脈管制冷機(jī)傳輸管設(shè)計類似，由于第二級脈管制冷機(jī)熱端出口質(zhì)量流相角滯后于壓力波，故而需要使用合適尺寸傳輸管調(diào)整該相位角，使第三級回?zé)崞魅肟谔庂|(zhì)量流重新領(lǐng)先于壓力波約30°相位角，將二級制冷機(jī)熱端耗散聲功傳遞到三級驅(qū)動第三級脈管制冷機(jī)。傳輸管

6、應(yīng)在滿足相位扭轉(zhuǎn)功能的情況下，保證其沿程阻力損失最小。圖6表示在運(yùn)行參數(shù)一定時，不同內(nèi)徑傳輸管下，三級級聯(lián)脈管制冷機(jī)整機(jī)COP隨傳輸管長度的變化關(guān)系。可以看出，當(dāng)傳輸管內(nèi)徑為0.01叭0.012叭0.014m時，均可以達(dá)到最優(yōu)COP,考慮到實(shí)際因素，我們選収內(nèi)徑0.01m.長度6.3m銅管作為傳輸管。1?3第三級脈管設(shè)計與斯特林制冷機(jī)相比，脈管制冷機(jī)使用氣體活塞代替排匕器，使脈管制冷機(jī)在低溫區(qū)沒有運(yùn)動部件這一特性成為其獨(dú)特優(yōu)勢。由于脈管兩端溫度梯度較大，為保證氣體較小穿梭損失，要求脈管中氣體活塞體積要小于脈管體積的三分之一問，從圖7中可以發(fā)現(xiàn)，不同內(nèi)徑脈管最

7、大制冷量都存在一個極大值，該極人值基本相同，我們選擇脈管尺寸為內(nèi)徑0.0196m,長0.1m,計算得冷端掃氣容積為￡滬2.74cm3,而脈管體積Vn=30.17cm3,脈管體積與冷端掃氣體枳之比為11,脈管長徑比為5.1,符合設(shè)計要求。055-圖6整機(jī)COP與傳輸管關(guān)系圖7駱機(jī)COP與脈管關(guān)系1.4第三級慣性管及氣庫設(shè)計圖8整機(jī)COP慣性管關(guān)系圖9整機(jī)COP與氣庫關(guān)系慣性管與氣庫組成的調(diào)相機(jī)構(gòu)，可使冷端質(zhì)量流落后于壓力波一定角度，從而降低回?zé)崞髻|(zhì)量流，達(dá)到提高回?zé)崞餍实哪康?。一般慣性管調(diào)相能力與其內(nèi)徑、長度正相關(guān)，但是并不能無限提高，因此在設(shè)計冋熱器與脈

8、管時，應(yīng)考慮慣性管調(diào)相能力是否能達(dá)到要求。圖8顯示，