毕业论文（设计）三级级联脉管制冷机实验研究

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1、三级级联脉管制冷机实验研究摘要：基于脉管制冷机声功冋收的理念，在原有两级级联型脉管制冷机的基础上，串联第三级脉管制冷机,实验研究表明，该三级级联型脉管制冷机可在233K获得为253.6W制冷量，比纯单级时候高出39.9%。关键词：脉管制冷；声功回收；多级级联制冷机；233K0前言随着高温超导导线制造技术的提高，使得高温超导技术在能源、运输及医药等不同领域的应用成为现实，对80K温区百瓦级甚至千瓦级大冷量低温制冷机提岀了需求脉管制冷机屮使用气体活塞代替排除器，可以使交变流达到斯特林制冷机、G-M制冷机相似的相位关系，相比于这两种制冷机，脉管制冷机在高可靠性和低

2、振动上具有较大优势⑵。但是，由于脉管内声功将以热量形式在气库和惯性管内耗散，致使其理论最高效率为入/仏，达不到卡诺效率"(Th-TJ⑶。图1显示理想情况下，制冷温度为10K时以热量形式耗散的声功并不明显，从图1可以看出，随着温度的上升，脉管制冷机本征效率与卡诺效率Z比越小，当制冷温度为120K时，77川/〃＜=0.6,因此，在大冷量应用场合，尤其是液氮温区、LNG温区，通过回收耗散声功提高脉管制冷机效率显得十分必要。为提高脉管制冷机效率，许多学者提出了各种声功回收型脉管制冷机。TKi等⑷在2012年提出使用质量-弹簧-阻尼系统代替传统惯性管和气库的概念，该系

3、统具有调相及热端声功回收的作用。同济大学朱绍伟⑸在2014年提出“阶式活塞”脉管制冷机,理论上分析说明其可提高制冷机效率。然而这些概念或增加运动部件，或引入环流，都有其优缺点。2011年，SwiftGW等⑹在不增加运动部件、不引入直流的情况下，使用1/4波长管回收热端耗散声功，以期提高制冷效率。原有两级级联脉管制冷机创理论上仍有65.1W声功可回收，本文引入第三级级联脉管，进一步探究其回收声功的能力。*通讯作者：tT智1华，邮箱：ganzhihua@zju.edu.cn本文受国家口然科学基金(No.51376157)和高等学校I専士学科点专项科研基金(201

4、30101110098)资助图1理想脉管制冷效率与卡诺效率对比1第三级制冷机设计第三级传输管第三您热塔換热器第三第三級冷鰐冷加器巫匚级级后換悠為:级传输管第二级传输管巫统热烦換悠器第一级第一您脉竹—第一级冷靖換热耕第一級回热JK第一級级财冷却器找怜庄编机图3三级级联脉管制冷机模型图在两级级联的基础上，保持前两级基本参数不变，二、三级之间使用长6.3m,内径10mm铜管作为传输管，依然使用Sage1'01建模，优化设计第三级制冷机。图3为三级级联脉管制冷机整机模型图。1.1第三级回热器设计冋热器是回热式制冷机的关键部件，其尺寸及参数优化显得尤为重要，压力为2.

5、5MPa,同样釆用200目丝网，通过Sage对整机系统模拟得到最佳回热器长度为Lreg=0.053m,质量流mc=0.00255g/s,使用模拟软件Reger?"进行验证,图4、图5分别表示回热器长度、质量流量与系统C0P关系。图4系统COP与回热器长度关系叭（畑$）图5系统COP与质量流量关系1•2第三级传输管设计与第二级脉管制冷机传输管设计类似，由于第二级脉管制冷机热端出口质量流相角滞后于压力波，故而需要使用合适尺寸传输管调整该相位角，使第三级回热器入口处质量流重新领先于压力波约30°相位角，将二级制冷机热端耗散声功传递到三级驱动第三级脉管制冷机。传输管

6、应在满足相位扭转功能的情况下，保证其沿程阻力损失最小。图6表示在运行参数一定时，不同内径传输管下，三级级联脉管制冷机整机COP随传输管长度的变化关系。可以看出，当传输管内径为0.01叭0.012叭0.014m时，均可以达到最优COP,考虑到实际因素，我们选収内径0.01m.长度6.3m铜管作为传输管。1•3第三级脉管设计与斯特林制冷机相比，脉管制冷机使用气体活塞代替排匕器，使脉管制冷机在低温区没有运动部件这一特性成为其独特优势。由于脉管两端温度梯度较大，为保证气体较小穿梭损失，要求脉管中气体活塞体积要小于脉管体积的三分之一问，从图7中可以发现，不同内径脉管最

7、大制冷量都存在一个极大值，该极人值基本相同，我们选择脉管尺寸为内径0.0196m,长0.1m,计算得冷端扫气容积为£沪2.74cm3,而脉管体积Vn=30.17cm3,脉管体积与冷端扫气体枳之比为11,脉管长径比为5.1,符合设计要求。055-图6整机COP与传输管关系图7骆机COP与脉管关系1.4第三级惯性管及气库设计图8整机COP惯性管关系图9整机COP与气库关系惯性管与气库组成的调相机构，可使冷端质量流落后于压力波一定角度，从而降低回热器质量流，达到提高回热器效率的目的。一般惯性管调相能力与其内径、长度正相关，但是并不能无限提高，因此在设计冋热器与脉

8、管时，应考虑惯性管调相能力是否能达到要求。图8显示，