微型機(jī)械制冷機(jī)污染傳輸機(jī)理的研究

微型機(jī)械制冷機(jī)污染傳輸機(jī)理的研究

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1、微型機(jī)械制冷機(jī)污染傳輸機(jī)理的研究楊寶玉府華吳亦農(nóng)摘要:污染是影響微型機(jī)械制冷機(jī)運(yùn)行壽命的一個關(guān)鍵因素,為實現(xiàn)污染控制技術(shù)的系統(tǒng)化、標(biāo)準(zhǔn)化需要深入研究污染氣體在機(jī)械制冷機(jī)內(nèi)的傳輸機(jī)理。采用直接模擬蒙特卡羅(DSMC)方法對制冷機(jī)內(nèi)污染氣體的傳質(zhì)過程進(jìn)行理論仿真,設(shè)計編寫軟件程序計算了分子流狀態(tài)下污染氣體分子通過制冷機(jī)內(nèi)復(fù)雜管路的傳輸幾率,計算得到關(guān)鍵管道的傳輸幾率小于3%,最后設(shè)計、搭建污染傳輸實驗臺,結(jié)合具體的實驗數(shù)據(jù)對傳輸幾率的理論計算值進(jìn)行了驗證。關(guān)鍵詞:機(jī)械制冷機(jī)污染傳質(zhì)蒙特卡羅方法傳輸幾率1前言近年來斯

2、特林、脈管等機(jī)械制冷技術(shù)發(fā)展迅速,已成功應(yīng)用于空間、軍事、通信等各個領(lǐng)域[1,2]。長壽命技術(shù)是微型機(jī)械制冷機(jī)目前急需解決的一項關(guān)鍵技術(shù),而在長壽命技術(shù)中,氣體污染是一個重要因素。污染氣體在制冷機(jī)內(nèi)產(chǎn)生后,沿著復(fù)雜的管路進(jìn)行傳輸分布,最后緩慢的吸附凝聚在蓄冷器從而影響制冷性能。研究機(jī)械制冷機(jī)污染氣體傳質(zhì)過程的意義在于可以從機(jī)理上了解污染對制冷機(jī)影響的途徑、趨勢,并對污染控制措施的改進(jìn)和標(biāo)準(zhǔn)化提出建議。對污染傳輸過程的研究采用理論計算和實驗驗證兩種方法相結(jié)合。大量的分析結(jié)果表明,機(jī)械制冷機(jī)內(nèi)的污染氣體主要是水蒸氣

3、、酒精、丙酮[3]。在制冷機(jī)的裝配、運(yùn)行中有兩種情況涉及到污染傳輸:一個是裝配后的高溫烘烤除氣;另一個就是長期運(yùn)行中的污染傳輸。一臺制冷機(jī)裝配后要進(jìn)行烘烤除氣,相關(guān)部件緩慢釋放的污染氣體經(jīng)由微小間隙、圓管等通道被真空泵抽走。在制冷機(jī)的長期運(yùn)行過程中,污染的主要來源是直線電機(jī)、蓄冷器等關(guān)鍵部件的放氣,直線電機(jī)繞組的放氣通過間隙密封緩慢的擴(kuò)散到壓縮腔、中間連管、膨脹腔,然后在蓄冷器被吸附冷凝,蓄冷器本身的放氣也逐漸在冷端凝結(jié),達(dá)到一定程度后制冷機(jī)性能會顯著下降。機(jī)械制冷機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和污染傳輸路徑如圖1所示。圖1機(jī)械

4、制冷機(jī)構(gòu)造與污染傳輸過程簡圖2制冷機(jī)污染傳輸機(jī)理的理論研究2.1制冷機(jī)傳輸過程的分析對制冷機(jī)進(jìn)行烘烤除氣時,很容易就可以抽到比較高的真空,此時氣體處于分子流狀態(tài)。制冷機(jī)正常運(yùn)行時污染分子傳輸?shù)闹饕系K是寬度只有幾絲(10-5m)的間隙密封和內(nèi)徑只有幾毫米的中間連管,其余部分對傳輸?shù)挠绊懣梢院雎?。污染氣體在氦氣工質(zhì)中的分壓很小,而且水蒸氣分子在間隙密封的環(huán)形通道里克努曾數(shù)(Kn)遠(yuǎn)大于10,也可以用分子流理論來進(jìn)行仿真建模,計算傳輸特性。2.2采用直接模擬蒙特卡羅(DSMC)方法對污染傳輸過程進(jìn)行理論建模對于分子

5、流范疇下氣體的求解,有分析方法和數(shù)值方法兩大類[4]。分析方法計算比較困難,而且對于環(huán)狀管路很難得出精確解析解。采用直接模擬蒙特卡羅(DSMC)方法是比較合適的,它是一種基于概率統(tǒng)計的數(shù)值方法,通過計算機(jī)來追蹤每個粒子的運(yùn)動。由于DSMC物理模擬的本質(zhì),相比其他方法可以引入更真實更復(fù)雜的物理模型,特別是對間隙密封等復(fù)雜管道內(nèi)氣體傳輸特性的計算。引入傳輸幾率——無規(guī)律的進(jìn)入導(dǎo)管入口的分子通過出口的幾率[5],只與管道的幾何結(jié)構(gòu)有關(guān)。分子流狀態(tài)下傳輸幾率與管道的分子流率有下面的關(guān)系式:(1)式中:——入口處的分子流

6、率;——入口處氣體分子密度;——分子熱運(yùn)動的平均速度;­——入口孔的面積。用DSMC方法來計算的基本步驟為構(gòu)造貝努利模型、定義隨機(jī)變量、通過模擬獲得子樣、統(tǒng)計計算。圖2是圓管中DSMC計算的基本流程。如圖所示,首先在計算機(jī)中產(chǎn)生一系列隨機(jī)數(shù)生成有效粒子,然后跟蹤每個粒子與管壁的碰撞情況,通過比較粒子到碰撞壁面的距離、直接返回入口的距離、通過出口的距離的大小來決定是否繼續(xù)跟蹤。通過對大量粒子的跟蹤進(jìn)行統(tǒng)計計算,得到傳輸幾率。環(huán)形管路由于涉及到更復(fù)雜的幾何結(jié)構(gòu),粒子的反射、碰撞公式、計算流程要更復(fù)雜。2.3

7、傳輸幾率的計算用DSMC方法編程計算了制冷機(jī)內(nèi)一些關(guān)鍵管路的傳輸幾率,表1是半徑1.2mm、長100mm的中間連管傳輸幾率的計算值;表2是內(nèi)徑15.98mm、外徑16mm、長度16mm的間隙密封環(huán)狀管路的傳輸幾率計算值。計算值隨追蹤粒子的樣本數(shù)增多而逐漸收斂,一般取樣本數(shù)超過一萬時,計算值就比較穩(wěn)定了。圖2圓管中的DSMC計算流程簡圖表1按不同樣本數(shù)得到的中間連管傳輸幾率樣本數(shù)5000200004000060000傳輸幾率2.84%2.98%2.9925%2.9919%表2按不同樣本數(shù)得到的間隙密封傳輸幾率樣本

8、數(shù)1000300050001000020000傳輸幾率1.7%2.2%2.3%2.37%2.33%為了制冷機(jī)設(shè)計的優(yōu)化,計算比較了不同尺寸結(jié)構(gòu)管路的傳輸幾率,下面圖3是對不同長度L(mm)、不同內(nèi)外徑比值(r/R)環(huán)路的傳輸幾率比較(外徑設(shè)為16mm,改變內(nèi)徑以改變內(nèi)外徑的比值)。由圖5可知,長度越長,間隙越小,傳輸幾率越小,而且間隙變化對傳輸幾率的影響比長度的影響要大一些。根據(jù)此規(guī)律

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