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《毕业论文（设计）液氮温区大冷量自由活塞斯特林制冷机实验及模拟研究》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在工程资料-天天文库。
1、液氮温区大冷量自由活塞斯特林制冷机实验及模拟研究摘要口由活塞斯特林制冷机具冇高可靠性、高效率、结构紧凑等优点，在高温强电超导和气体液化等领域有较广阔的应用前景。本文针对一台液氮温区人冷量自由活塞斯待林制冷机展开了实验和计算研究。实验中，输入声功2.35kW吋，制冷机在80K获得了215W制冷量，相对卡诺效率为24.9%。理论分析和数值计算表明室温端换热器的性能不足对制冷机性能影响较大，此外，回热器沿程气丝网填充不均匀可能是限制制冷机性能的另一逼要因素。针对上述问题优化系统冇粟显著捉升制冷机性能。关键词口由活塞斯特林制冷机制冷量室温端换热器效率炯损失0.背景
2、介绍电驱动自由活塞斯特林制冷机采用高效直线压缩机驱动，取消了传统斯特林制冷机的复杂机械传动和油润滑机构，具有高可靠性、高效率、结构紧凑等优点［2］。液氮温区小冷量(<10W)自由活塞斯特林制冷机自上世纪80年代研制成功即在军事及航天领域获得广泛应用［2,3］。近年来，随着高温超导强电技术逐渐成熟以及小型液化装置需求的增长，在60-80K温区提供百瓦级甚至千瓦级冷量的低温制冷机日益得到重视［4］。目前应用中大多采用GM制冷机，但其效率较低，振动较大，而且需定期维护。大冷量自由活塞斯特林制冷机近年來在60-80K温区得到重视，有望成为高温超导强电和小型气体液化
3、应用中较为理想的制冷机。2011年，美国SuperconductorTechnologies公司设计的一台自由活塞斯特林制冷机，输入2.2kW电功时，在65K的制冷温度下获得了100W的冷量［5］。2014年，ITC公司一台大冷量自由活塞斯特林制冷机在77K的制冷温度获得了650W的制冷量，整机相对卡诺效率约30%,整机重量超过160kg［6］。国内相关研究处于起步阶段，2014年中科院理化所本人所在团队进行了液氮温区大冷量自由活塞斯特林制冷机的理论设计［7］,随后在80K制冷温度下获得了78W制冷量［8］,由于所用线性压缩机的匹配效果较差和工艺尚不成熟，
4、实验结果与计算设计预期差距较大。本文在上述实验结果的基础上，改进了直线压缩机与自由活塞斯特林制冷机的匹配效果,开展了系统实验研究，并通过计算与实验的对比分析系统性能，提出了进一步优化方向。1.实验系统大冷量液氮温区自由活塞斯特林制冷机的实验系统如图1所示，系统采用中科力函(深圳)热声技术有限公司制造的型号为CP7101的直线压缩机，额定功率5kWo自由活塞斯特林制冷机由排出器、冷端换热器、回热器、室温换热器等部件组成，主要结构参数如表1所示。制冷机冷端换热器和冋热器温度均采用由中国科学院理化技术研究所低温计量站标定的PT100薄膜釦电阻温度计测暈，精度为0
5、.01Ko其具体布置方式如图lb所示，冷端换热基金项目：国家口然科学基金，项目编号(No.51376187)。国家重点研发计划，项目编号(NO.2016YFB0901403)器周向均匀布置了4个温度l
6、-T1-T4,回热器屮截面对应布置T5~T8,而在T5对应方位的回热器距离冷端1/4和3/4处分别布置了T9和T10温度计。室温换热器气体温度由K型铠装热电偶测量。此外，排出器上安装有PCB加速度计传感器以测量其运动。压缩机前腔、背腔布置均布置有PCB压力传感器，以采集其压力波动。此外，冷端换热器周向均匀缠绕加热丝以模拟热负荷。（1•变频器；2,电压传感器；
7、3.电流传感器；4•加热丝；5•直流电源；6.水冷器；7.加速度计；8.平均压力传感器；9.压力波动传感器；10.信号采集系统；Tl-TlOjfl电阻温度计）图1•实验系统及测量平台示意图表1自由活塞斯特林制冷机主要部件结构参数压缩腔室温端换热器回热器冷端换热器膨胀腔排出器部件名称300cc等效直径①90mm,长35mm,孔隙率约0.3等效直径①90mm,长60mm,填充300目不锈钢丝网冷端直径075mm,排出器杆直径①25mm,等效直径①90mm,长30mm,孔隙率约0.1251.实验结果与分析实验中采用氨气为工质气体，充气压力为3MPa,工作频率为4
8、7Hzo室温端换热器采用冷水机组提供25°C的循环水冷却。制冷机在80K时制冷量及相对卡诺效率随输入声功的变化如图2所示。，图中黑色实线表示实验测得的制冷量，对应左侧纵轴；红色实线表示实测的制冷机相对卡诺效率，对应右侧纵轴。由图可知，随输入声功增大，制冷机制冷量和相对卡诺效率均随之增大，在输入声功为2.35KW时，制冷机在80K制冷温度下最大可获得215W制冷量，相对卡诺效率24.9%。同时，基于数值计算模拟软件Sage搭建了计算模型并针对上述工况计算考察了系统的性能，计算时除给定频率、充气压力等运行参数与实验完全相同外，还保持制冷机输入声功与实验相同。图
9、2中黑色、红色虚线分别表示计算得制冷机制冷量和相对卡诺效率。由图可
