毕业论文（设计）回热器与脉冲管壁换热对两级同轴型脉管制冷机性能的影响

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1、回热器与脉冲管壁换热对两级同轴型脉管制冷机性能的影响摘要：采用热力学方法分析了脉冲管的膨胀效率，并考虑了两级同轴型结构回热器与脉管间换热的影响。利用--维软件对两级同轴型脉筲制冷机进行建模，比对了回热器与脉管间存在换热与不存在换热两种情况下的制冷性能。结果表明，采用同轴型结构时，脉管壁面对回热器放热，第二级脉冲管膨胀效率由0.84増大到0.95,COP由6E・3提高到1.27E-2,制冷量由0.7W增大到1.49W。相比于第一级冷指，回热器与脉冲管壁换热对第二级冷指性能具有更大的影响。关键词：两级脉管制冷机：同轴型；脉管膨胀效率0引言随着军事和

2、空间技术的发展，亚亳米波、红外探测等技术均対制冷机提出了20K以下的制冷温度需求，同时还伴随着高效率、轻质量等要求。单级脉管制冷机高效工作温区在50-80K,通常需要采用外界冷源预冷的方式，才能突破20K深低温区。屮科院理化所刘思学等采用液氮预冷脉冲管制冷机热端，在180W的输入电功下获得了675mW@20K的制冷性能［1］。韩国科学技术研究院的Jih。Park等采用液氮冷却压缩机,获得了38.5K的无负载温度［2］。两级脉管制冷机则采用高温级冷指替代外部冷源对低温级进行预冷：从耦合方式上可分为热耦合型与气耦合型，从布置方式上又有直线型、U型和

3、同轴型，各种结构的两级高频脉管制冷机均有报道。2005年，德国吉森大学报道了一台气耦合型两级脉冲管制冷机，两级为U型布置，在200W电功下获得了0.41W@35K［3］。2007年，杨鲁伟等对其进行了改进，第一级釆用同轴型布置,250W电功下获得0.22W@25K制冷量⑷。此外，美国诺斯罗普格鲁门空间技术研发的两级同轴布置热耦合结构冷指HCCQ,在单台压缩机输入500W电功下，于两级冷端同时获得2.1W@35K,14.1W@85K的制冷量［5］,其炯效率达到了很高的水平。综上所述，采用两级脉管制冷机能在较为紧凑的结构下获得更低的制冷温度，但两级

4、结构种类多样，不同结构所达到的制冷性能存在差异，目前针对两级不同结构优缺点的系统研究较少。本文针对回热器与脉冲管问径向换热的问题，设计了一台两级同轴布置的热耦合型脉管制冷机,从热力学和一维软件模拟两方面分析了回热器与脉管壁换热対制冷性能的影响。1制冷机结构针对高可靠、高效率的要求，设计了一台斯特林型两级脉管制冷机，结构如图1所示。两级均采用同轴型布置，300K-80K温区段回热器填料为#300和#350不锈钢丝网混合填充，90K-30K温区段回热器填料为#400和#500不锈钢丝网混合填充，填料与脉管壁面充分接触，在制冷机运行过程中存在换热作用

5、。第一级冷头通过热桥对第二级中间换热器进行预冷，需注意，考虑到脉管实际装配情况，第二级脉管壁与中间换热器并未直接接触。两级均采用室温双段惯性管作为调相机构。图1同轴布置两级脉管制冷机结构图Fig・1Schematicofthetwo-stagecoaxialpulsetubecryocoolcr基于以上冷指结构，在一维软件中建立了压缩机分别驱动第一级和第二级脉管冷指的模型，笫一级制冷温度为80K,笫二级制冷温度为30K。因实际情况所使用的热桥结构不可避免的会存在传热温差，且该温差经计算约为10K,设定第二级脉管冷指中间换热器预冷温度为90K。2

6、热力学分析2.1制冷量的分析凹热器冷烤换热器脉冲管图2冷端换热器控制体Fig・2Controlvolumeofcoldheatexchtuiger脉管制冷机的主要损失包括回热器不完全换热损失、回热器压降损失以及脉管损失，制冷机的实际制冷量可以用理想情况下的制冷量减去上述各类损失的影响得到。图2给出了脉管制冷机冷端换热器控制体，不妨忽略换热器部分的流阻损失，则通过热力学第一定律有:〈亦*〈九）-〈號*〈对-〈叫⑴式中，〈片刃）为脉管冷端时均焰流，叽）为冋热器冷端时均焙流，〈Q.）为冷端换热量（即制冷量），为换热器控制体对外做的时均功。根据理想气体

7、状态方程和质量守恒定律，流进、流出换热器的质量流关系可表示为［6］：1VdP.FmyRTdt'(2)式屮，Y为氨气绝热系数，R为氨气气体常数。由式（2）可见，进出换热器的质量流间存在一项超前压力波90°的差值；因此当忽略冷端换热器压力降时，〈W）可根据定义表示为：—min）dt=0（3）式中P为氨气在冷端换热器内的密度，T为一个周期。显然换热器出口与入口质量流的差值项与压力波相位呈90°,因此换热器对外时均功为零，则式（1）可简化为：伦）=佝”）-〈號）⑷脉管制冷机的实际制冷量等于脉管与冋热器冷端时均焙流Z差。理想冋热器内时均焙流为零，实际情况

8、中回热器填料有限热容，温度存在小幅度震荡，导致了非零熔流项的产生。2.2脉管膨胀效率分析理想脉管可看作绝热控制体，不存在与外界换热，因此理想脉管内焰流