毕业论文（设计）一种针对gm氦压缩机的简化模拟方法

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1、一种针对GM氨压缩机的简化模拟方法摘要通过针阀和流戢计，对现冇的-台商用GM氨压缩机进行了实验测试，通过对测得的质量流量、输入电功和进排气压力等参数的分析处理，提出了以压比为主要参数的吸气体积流量和烟效率的表达式，并进一步给出了确定氨压缩机内部高低压容积分布的方法。分析所得的氨压缩机吸气体积流量、烟效率和容积分布这三种待性可用于GM制冷机或GM型脉管制冷机的整机模拟。关键词低温制冷技术；氨压缩机；GM制冷机；GH型脉管制冷机；模拟0前言低温真空、小型氨液化器和低温超导等技术的迅猛发展对小型低温制冷机的需求量与日俱增。在这些行业中，得到大批量应用的低温制冷机冃前仅有GM制冷机一种⑴。与GM制冷

2、机相比，GM型脉管制冷机具有在低温下无运动部件、结构简单、可靠性启八机械振动和电磁噪声小等突出优点在对低振动要求极高的应用场合中，可以成为GM制冷机的替代机型。GM型脉管制冷机与GM制冷机(以下统称GM型制冷机)采用相同的氨压缩机，冷头与氨压缩机之间采用高低压切换阀连接，冷头气体交变频率通常在1-2Hzo相比工作频率在儿十其至上百赫兹的斯特林型制冷机，GM型制冷机能够获得较高的压比，其冋热器内气体工质与冋热填料之间的换热更加充分，从而更容易获得较低的制冷温度。虽然GM型制冷机已经实现了商业化应用，但英制冷效率仍有待提高⑶。目前己有较多模拟和实验工作致力于分析GM型脉管制冷机，以求提高其制冷性

3、能。但大多数工作都集中在GM型脉管制冷机的冷头部分，例如，回热器2叫脉管XI和双向进气©7】等部件。尽管冷头的优化设计非常重要，但氮压缩机作为制冷机的核心部件，其性能表现对整机性能的影响是不容忽视的。Pfotenhauer181曾对一台氨压缩机进行了测试，并以此测试结果作为冷头优化设计的参考，用于确定不同质量流量下对应的冷头所能获得的高压和低压压力。该研究中未考虑制冷机实际运行时，系统内氨气量分布随制冷温度的变化而变化的因素。由于制冷机冷头温度下降，冷头中气体密度增大，整机系统中的气体会向冷头富集。因此氨压缩机屮所包含的气体量会随著冷头温度的降低而下降。GM型制冷机在不同温度制冷时，氨压缩机

4、的工况也会发生变化，对其效率也会有较大影响。在初期的GM型脉管制冷机模拟方法探究工作⑼中，尚未考虑氨压缩机的实际性能。本文认为有必要基于氨压缩机实验测试结果做进一步的分析才能得到应对上述实际情况的模拟方法。以Leybold公司的CP4000涡旋式氨压缩机为例，对氨压缩机进行实验测试，探求其流量、效率与压力工况的关系，并考虑其内部的容积分布对氨压缩机系统工况的影响。这些特性的把握，能够为GM型制冷机的整机建模提供支持，使整机模拟结果更加准确可靠u°'11Jo1氨压缩机实验测试氨压缩机测试系统如图1所示，其中压缩机压包(1),水冷器(2),油分离器(3)和油吸附器(4)都集成组装于氨压缩机内部，

5、氨压缩机吸排气口分别通过两条柔性不锈钢管与测试组件相连。按氨气工质流动方向，测试组件依次包含高压压力表Ph(KellerLEO2),调节阀(SwagelokB-1KS6MM),质量流量计(HastingsHFM-200)和低压压力表Pi(KellerLE02)o氨压缩机输入功由功率计(MTEPowerManager)监测。应用此测试系统对测得氨压缩机质量流量、输入电功和进排气压力(绝对压力)等数据。以上数据分别在充气压力为1.5、1.6和1.7MPa(文屮均为绝对压力)时测试，以获得压缩机在不同含气量状态下的参数。这个充气压力范围是该压缩机驱动的脉管制冷机的常用充气压力范围，具有一定代表性。

6、1、压缩机压包；2、水冷器；3、油分离器；4、油吸附器图1压缩机测试系统图2为实验测得的氨压缩机在不同充气压力下，输出的质量流量与进排气压差之间的变化关系。图中大部分区域氨压缩机的质量流量与压差呈线性关系。当压比过小（小于2.1,对应图中偏左侧的不稳定数据）时，氨压缩机工作状态不稳定，这与氨压缩机压比的设计有关。充气压力越大，相同压差下的质量流量越大，这与容积式压缩机的特性相关。吸气腔的容积对压缩机的吸气侧体积流量起决定性所用。因此，系统充气压力上升时，氮压缩机吸气压力上升，气体密度上升，而对吸气侧体积流量影响较小，因此质量流量也随之上升。图3为实验测得的氨压缩机在不同充气压力下，输入功与进

7、排气压差之间的变化关系图。输入电功随压差呈线性增长。与质量流量类似，氨压缩机的输入电功也随充气压力的增加而增大。由直接测量结果可知，其质量流量、输入功的变化与氨压缩机的充气压力有关，若直接以质量流为模拟对象，在制冷机整机模拟中较难实现。因此需要对实验测得数据进行分析转化，获得与充气压力无关的关系式。此外，进排气压力随压差的变化，会受到氨压缩机高低压两侧容积分布的影响，该因素也会对制冷机系统在不同制冷温度下系统