毕业论文（设计）谐振子调相型级联脉管制冷机研究

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1、谐振子调相型级联脉管制冷机研究摘要:斯特林型脉管制冷机通常利用惯性管及气库调节冋热器声场分布，其室温端的声功全部以热量形式耗散，理想效率低于卡诺效率。木文提出一种声功回收型级联脉管制冷机，利用谐振子将-•级制冷机室温端气体调相后驱动二级制冷机，能够明显提升整机效率。论文主要针对天然气液化温区下两级脉管制冷机展开理论硏究。首先，分析了谐振子调相机理，并重点对谐振子进行了优化设计；接着，考察了等效机械阻尼和制冷温度对系统性能影响；进一步，将级联制冷机与单级制冷机进行了对比分析。研究结果表明，在平均压力为3MPa,制冷温度为130K时，级联脉管制冷机可获得40%的整机相对卡诺效率，较

2、单级制冷机提升近27%。本文对后续实验工作具有重要指导意义。关键词：级联脉管制冷机：谐振了：声功回收；SAGE模拟0引言脉管制冷机低温端无运动部件，与斯特林制冷机相比具有振动小、可靠性高、成本低等优点，成功应用于高温超导设备、小型气体液化器、军事探测器、零蒸发低温储罐等领域。为了提升热声转换效率，脉管制冷机通常采用惯性管和气库调节回热器内气体相位，使其处于行波声场。然而，引入调相机构使制冷机室温端声功全部以热量形式耗散，其理想效率仅为TJTh，低于卡诺效率Tc/(Th-Tc)［l］o如何能将这部分声功冋收是提升制冷性能的关键。有研究表明，耗散声功中最多能有TJTh被有效回收［1

3、］,因此制冷温度越高声功回收越多。当制冷温度不小于天然气液化温区时，制冷机性能提升潜力较大。为了提升制冷机效率，冃前回收声功方法主要有两种，一是将声功直接以功的形式回收至压缩机，补偿压缩机耗能；二是用声功驱动另一脉管制冷机，产生额外制冷量。对第一种声功回收方法的研究开展较早且较为普遍。1999年，Swift等人提出两种利用反馈管及空腔对膨胀功进行调相与回收的结构［2］。2007年，朱绍伟提出一种利用压缩机阶梯活塞回收制冷机膨胀功的装置［3-4］。2010年，朱绍伟等人提出一种带室温谐振子的脉管制冷机，利用谐振子对制冷机室温端膨胀功进行调相后回收至压缩机［5］02015年，王晓涛

4、等人搭建了一台高效声功回收型脉管制冷机，在8()K制冷温度下整机相对卡诺效率可达24.2%［6］o相较于第一种声功冋收方法而言，第二种方法的研究起步较晚且较为匮乏。2011年，Swift等人提出--种两级脉管制冷机声功回收装置，将二级制冷机放置于长度为四分Z—波长的一级脉管后［7］。这里一级脉管主要起到两个作用，一是隔绝冷端与室温端的热量，减少损失；二是通过传输管内压力波动和体积流率相位差反转的特性，使得脉管岀口端的相位达到驱动二级制冷机的合适声场。这种结构虽然理论上可提高制冷效率［8］,但缺乏实验验证，且结构上存在一些不合理性。在此基础上,廿智华等人提出另--种回收声功的级联

5、性脉管制冷机［9-10］,其由保留脉管单元的一•级脉管制冷机通过长传输管与二级制冷机相连，利用传输管内气体惯性使得二级制冷机入基金项目：国家自然科学基金(资助号:51276187,51576204和51506211)作者简介：徐静远，女，25岁，博士研究生，主要从事脉管制冷机研究。口处相位合适。相较前而的结构，该装置中传输管置于室温下并且长度可优化调节，使结构更加合理。以上研究均采用将长管作为两级制冷机Z间的调相机构，虽然一定程度上能提高制冷效率，但存在如下问题：管内部流速大，导致气体粘性损失大；管两端与接触部件有较大面积差，造成声功损失；因此，仍需探究其他的调相机构。基于此，

6、本文提111一种谐振子调相型级联脉管制冷机。基于SAGE软件对工作在天然气液化温区下的整机系统进行了理论研允。首先，对谐振子调相机理进行了分析，并对谐振子进行了优化设讣。其次，讨论了重要工况参数对系统性能的影响。最后，将谐振子与传输管两种调相机构进行了对比。1系统介绍级联脉管制冷机示意图如图1所示,其主要由直线压缩机、一级和二级脉管制冷机、谐振子、惯性管和气库组成。其中，一、二级脉管制冷机均由室温端主换热器、回热器、低温端换热器、脉管以及室温端组成。由于一级制冷机室温端出口的气体相位差一般为正，而适合驱动二级制冷机的气体相位差一般为负，因此采用谐振子来调节气体相位。惯性管和气库

7、主要用来调节二级制冷机回热器相位。声功在整机系统小传递如下：直线压缩机往复运动使气体工质振荡向产生声功，声功首先进入到一级制冷机回热器中被消耗，在一级低温端换热器产生一次制冷量；接着,从一级制冷机室温端出来的声功被谐振子部分消耗后，被二级制冷机回热器消耗而产生制冷量；剩余声功在惯性管、气库内被完全消耗。因此，该级联制冷机只能冋收大部分一级制冷机室温端声功。次HBB级脉忡制冷机谐拡了：级脉管制冷机图1谐振子调相型级联脉管制冷机示意图2计算模型计算基于Sage软件［11］。为了便于实验的开展，设