斯特林制冷机回热器热损研究

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1、真空与低温第!!卷第%期!"#H5>@@DQR3B8<297>;.##"年#O月斯特林制冷机回热器热损研究李海镇，闫春杰，陈正刚，施宝毅（兰州物理研究所，甘肃兰州$%####）摘要：讨论了回热器的各种损失对斯特林制冷机的影响，对斯特林制冷机回热器的结构和丝网填料进行了分析，并模拟分析各种损失的影响。研究表明，回热器的结构、丝网填料对制冷机的性能有重大影响。关键词：斯特林制冷机；回热器；填料；冷却性能中图分类号&’()"!文献标识码&*文章编号&!##)+$#,)-.##"/#%+#!"#+#0!

2、"#$%&’()*"+&!!&,!"-.+-’/0&&+)..)/)’).*"&.+-(12345678%*’05973:2680()’;567<3<17<8!(-=1>3?2@+1745>9-7AB2B9B6>CD5?A2EA8+1745>9FGHHHH805271I*JABK1EBL’12324567898:61248;;7932<29235683:83612=673479<>884237;?7;>@;;2?A’12>89:7<@35678959?:74479<8:=673479<>8842

3、3<292356835325954BC2?A’1261283267>54D8?247;54;82;65E47;12?68;7D@456261248;;2;5::2>6789A’12;6@?B32;@46;F38G2?612>8847927;<32565::2>62?EB32<29235683>89:7<@35678959?:74479KOL=673479<>88423；32<29235683；:74479<；>884792P引言回热器是常

4、见低温气体制冷系统的蓄冷部件。如=’制冷机、HI制冷机、JI制冷机、脉管制冷机等，均采用回热制冷。回热器在制冷机内同时完成压缩气体的压缩热吸收和冷头冷量的排放，相当于完成传统制冷系统的冷、热交换的双重功能。由于工质在回热器内往返交替流动，在此过程不可避免的发生热损失和摩擦损失，这些损失对斯特林制冷机性能有着直接影响，所以对回热器的研究是人们关心的重要课题K!，.L。理论分析和试验均表明，在气体制冷机的各项损失中，回热器的损失最大，通常回热器损失占总损失的"#M以上，通过对回热器结构、填料的试验，

5、分析回热器内流体运动的换热机理，尽可能降低回热器内的各种损失，将能够极大地改善制冷机的性能。因此，对斯特林制冷机回热器进行系统研究，对提高制冷机性能有很大的益处。作者将着重分析斯特林制冷机回热器的各种损失，并建立数学模型模拟各种损失，运用仿真技术求出斯特林制冷机的最佳工况，最后搭建试验台做斯特林制冷机的性能试验并得出结论。Q回热器的损失分析由热力学分析可知，斯特林制冷机的热力损失主要集中在回热器内，包括：回热损失、流阻损失、轴向导热损失、泵气损失、穿梭损失等。其他相关的结构因素，如回热器的间隙、

6、“死容积”等对制冷机的影响也很大K%，0L。收稿日期：.##"N#0N."A作者简介：李海镇（!O$ON）P男，福建省安溪县人，硕士研究生，从事斯特林制冷机的研究。李海镇等：斯特林制冷机回热器热损研究!"!回热器不但是传热元件，而且还是阻力元件，热量和动量传输及转化过程是相互影响的，准确获知回热器内部特性，对设计斯特林制冷机有重要影响。首先分析了回热器的传热网络模型，如图!所示。从图!中可以看出，宏观上填料的轴向导热损失和壁效应损失是回热器两大损失，但分析回热器内的实际传热损失是十分复杂的过程。

7、实际上，由于斯特林制冷机回热器是交变流动回热器，气体流动过程中的不完全换热损失、流阻损失、穿梭损失才是回热器损失的主要部分，所以宏观上的各种导热损失在实际中并不占主要因素。而在微观分析上，还有死容积损失、温度波动损失和氦气的间隙逃窜造成的冷量损失等。下面分析各种损失机理。#$!有限传热损失在回热器中，由于换热面积有限和换热系数有限，因而，不论是在热吹期还是在冷吹期，气体与填料间总存在换热温差，造成了不可逆换热损失，称为有限传热损失，回热损失就是这项损失的一种。有限传热损失是由于回热器的不完全换图

8、!回热器的传热网络模型热而引起的冷量%热量&损失，包括换热温差、壁效应、填料温度波动等因素引起的损失。#$#流动压降损失流动压降损失是回热器的主要损失之一。气体通过回热器填料通道的流动阻力，使冷腔的压比小于室温腔。这就导致冷量减小，其减小的量即为流动阻力引起的冷量损失，简称流阻损失。流阻阻力还使制冷机的功耗增加，是一项直接功耗损失。流阻损失表现为气流的压降，而流阻压降所引起的冷量损失，是由于气流压降导致的冷腔膨胀功（冷量）减小造成的。#$’穿梭损失在斯特林制冷机中，气体活塞在由冷端至热端的往复运