空间液氦温区J-T节流制冷机套管换热器优化

空间液氦温区J-T节流制冷机技术是目前深空探测任务的主要制冷技术,而逆流换热器是液氦温区J-T节流制冷机的关键部件之一.螺旋套管换热器结构简单,体积重量较小,在空间液氦温区J-T节流制冷机中被普遍采用.本文分析了螺旋套管换热器效率对节流循环的影响,并对换热器进行了理论分析和优化设计.分析表明减小螺旋套管换热器的管径和螺旋直径可以提高换热器的换热系数,进而提升换热器的效率.开展了相关的实验研究,实验结果验证了理论分析的正确性,证明提升套管换热器效率,可以降低节流循环对预冷量的需求,同时降低节流前温度,最终提高预冷型J-T节流制冷机的整机效率和制冷量.     

有阀线性压缩机驱动液氦温区闭式JT制冷机性能

线性压缩机驱动的液氦温区闭式JT(Joule-Thomson)节流制冷系统,是实现深空探测目标的核心技术.为进一步探究闭式JT循环的压缩机工况影响和制冷温度变化情况,搭建了预冷型液氦温区闭式JT节流制冷机实验台.实验中,采用单向阀组与传统线性压缩机结合,获取JT循环所需直流流动氦气工质并提供节流所需大压比.考虑单级有阀线性压缩机压力能力,选取10 K左右预冷温度,测试了不同压缩机工况特性及节流孔的压力流量特性.通过调节活塞位移和压缩机运行频率,可以获得3.91 K的最低温度.该闭式循环JT制冷机在4.09 K稳定工况下可以获得10.8 mW的最大制冷量,为后续多级压缩和更低温区的闭式系统提供可靠的研究基础.     

以氦-4为唯一工质的1.8 K复合制冷机及其应用验证

量子信息技术和深空探测等领域的蓬勃发展,对2 K以下温区高可靠、长寿命、小型轻量化、高制冷效率低温制冷机的需求日益迫切,高频脉冲管耦合Joule-Thomson(JT)的复合制冷循环是实现这一目标的重要手段.目前国际上以该循环获得2 K以下温区的成功实践,均是在脉冲管分系统使用氦-4而JT分系统使用氦-3作为循环工质的情况下获得的.氦-3在地球上存量稀少、价格高昂,是阻碍这一循环在更广范围内实用化的关键瓶颈.本文对以氦-4为唯一工质的四级高频脉冲管耦合JT的复合制冷循环开展了理论与实验研究,分析了基于该循环获取2 K以下温度的关键难点和可行性,从采用间隙密封的直流线性压缩机的低压压力和多级间壁式回热器的低压侧压降损失入手,理论预测出在40 kPa系统充气压力下可实现1.1 kPa的压缩机吸气压力和438.6 Pa的低压侧总压降,从而能获得1.54 kPa的饱和蒸气压,此时采用氦-4节流可实现1.78 K的制冷温度.同时,在氦-4超流态工况下,分析了小界面温差的Kapitza热导对冷头蒸发器内超流氦热传递的影响,并给出了在此基础上JT循环参数优化的限制条件.设计出的制冷机的无负荷温度经过...     

以氦-3为工质的回热式气体制冷机性能分析

现有液氦温区回热式低温制冷机的实验测量和理论仿真研究几乎都采用氦-4为工质,改用氦-3为工质时低温制冷机理论上可突破氦-4的λ相变限制,获得低于2K的无负荷制冷温度,并在液氦温区获得更大制冷量.通过比较氦-3与氦-4的热物理性质差异以及低温制冷机回热器仿真计算,从回热器损失、制冷量、相对COP等多个方面定量分析了分别采用氦-3和氦-4为工质时低温回热器的性能.证明氦-3工质可以显著改进回热式气体制冷机的低温制冷性能.     

小型斯特林热声发动机谐振管内径的影响研究

基于线性热声理论, 对一台小型热声斯特林发动机进行了数值仿真, 并进行了相应的实验研究. 计算和实验结果表明, 谐振管内径的变化对于小型斯特林热声发动机的谐振频率以及性能具有十分重要的影响. 适当减小谐振管的径向尺寸, 能够有效降低整机的谐振频率, 提高系统波动压力幅值, 这对于热声斯特林发动机的小型化具有重要的指导意义. 根据计算和分析, 搭建了一台小型热声斯特林发动机, 其谐振管的长度和内径分别为350 mm和20 mm, 工作频率为282 Hz, 当充气压力为2 MPa, 加热量为637 W时, 系统最大压力峰峰值和压比分别达到了0.22 MPa和1.116, 初步具备驱动热声制冷机或者热声发电机的能力     

30K温区百瓦级二级斯特林制冷机

30 K温区大冷量回热式低温制冷机在超导冷却、气体液化等领域具有广阔的应用前景.相较于其他类型的低温制冷机,斯特林制冷机具有结构紧凑、降温速率快、效率高等优势.基于理论分析和数值计算结果研制了一台大冷量二级斯特林制冷机,并对其开展了初步的实验研究.对不同工况下制冷机的压力波特性以及室温端换热器的换热特性进行研究,发现提高充气压力,压缩腔的压力振幅会提高,室温端换热器的换热量提高.提高第二级制冷温度,压缩腔的压力振幅与室温端换热器的换热量减小,且其减小速率均随制冷机第一级热负荷的增加而提高.制冷机无负荷工作时,每提高0.1 MPa充气压力,制冷机第二级制冷温度降至30 K的平均降温速率提高0.72 K/min.在2.6 MPa充气压力时,制冷机第二级可在13.24 min内降至30 K,最终无负荷制冷温度为19.83 K,此时第一级制冷温度为71.2 K.在第一级无热负荷时,该制冷机在30 K时可提供110 W制冷量,相对卡诺效率为10.96%,这是目前国内该类型低温制冷机公开报道的最高性能.     

13 K热耦合二级Stirling型脉管制冷机

Stirling型脉管制冷机比G-M型脉管制冷机具有更紧凑的结构和更高的制冷效率, 已经成为低温制冷机领域的研究热点. 为了获得低于20 K的无负荷制冷温度, 设计建立了一台热耦合二级Stirling型脉管制冷机. 热耦合级间布置方式使得各级制冷机内的工质流动相互独立, 便于小孔阀和双向进气阀调相结构的优化调节, 有利于实现系统内直流流动的有效控制, 级间制冷量的分配也更为灵活. 采用一台线性压缩机驱动该制冷机, 在200 W输入电功率条件下, 实现了14.97 K的无负荷制冷温度. 采用两台线性压缩机分别驱动第一级和第二级脉管制冷机, 在400 W总输入电功率条件下, 获得了12.96 K的低温, 为目前国内外公开报道采用二级Stirling型脉管制冷机获得的最低制冷温度.     

突破液氢温度的热驱动热声制冷机

提出了一种“二介质耦合声学放大器”作为热声发动机与低温脉冲管制冷机的新型耦合机构, 使其继续保持压力幅值放大的功能, 且能够在热声发动机和脉冲管制冷机之间安装弹性膜. 利用此新型耦合机构, 可以使热声发动机以氮气为工作介质获得较低的工作频率, 而脉冲管制冷机则可采用氦气为工作介质使其优良的低温制冷性能得到保证. 采用聚能型行波热声发动机驱动, 最终使一台两级脉冲管制冷机获得了18.7 K的无负荷温度, 使热驱动的热声制冷机突破了液氢温度.     

300 Hz高频热声驱动脉冲管制冷机

介绍了300Hz驻波热声发动机驱动脉冲管制冷机的最新进展.在前期经验的基础之上,针对驻波发动机、脉冲管制冷机以及它们之间的耦合机制进行了优化.在平均压力和加热功率分别为4.13MPa和1760W时,脉冲管制冷机的入口压比达到了1.248,并获得了69.5K的无负荷最低制冷温度,这是该频率范围的热声驱动脉冲管制冷机首次获得70K以下的低温.     

液氮温区高效直线压缩机驱动的脉冲管制冷机

通过对直线压缩机驱动的脉冲管制冷整机系统的效率进行理论分析, 发现惯性管的阻抗不仅对脉冲管制冷机的效率有重要影响, 而且会改变制冷机的阻抗, 从而进一步影响压缩机的电声转换效率. 借助于湍流修正模型, 解决了惯性管阻抗由于受到湍流转捩的影响而难以预测的问题, 因此设计出了一台高性能的直线压缩机驱动的脉冲管制冷机. 在电输入功率为127 W、制冷温度为77 K的情况下获得了9.4 W的制冷量, 整机相对卡诺效率达到了19.8%.     

纳米颗粒表面活性剂对T型微通道中液滴分裂的影响

液滴分裂是微通道中获得单分散小尺寸液滴的重要方法,纳米颗粒表面活性剂能够包裹液滴,是制备功能胶囊的潜在技术手段,研究纳米颗粒表面活性剂作用下的液滴分裂行为对于获得尺寸更小、分散性更好的功能液滴具有重要意义.本文通过微流体可视化实验和理论分析方法,研究纳米颗粒表面活性剂对液滴分裂的影响规律.在纳米颗粒表面活性剂作用下,液滴分裂存在阻塞分裂、过渡态分裂、非阻塞分裂、不分裂4种状态;通过分析液滴颈部宽度随时间的变化关系,得出纳米颗粒表面活性剂对液滴分裂的影响机理,即通过降低界面张力影响挤压颈缩速率;通过分析基于液滴尺寸与毛细数的液滴分裂状态分布相图,建立了液滴阻塞分裂与非阻塞分裂的临界转化理论模型.     

弹性模量对砖石古塔抗震性能的影响

根据某砖石古塔几何尺寸和结构构造,运用大型有限元软件ANSYS对其在不同弹性模量下进行了动力特性分析和等效地震侧力下抗震性能的研究.结果表明:弹性模量对砖石古塔结构的抗震性能影响较大.     

斯特林型脉管制冷机中的回热器温度不均匀性研究

回热器是脉管制冷机和热声热机中的最关键部件之一. 当回热器由中小功率放大到大功率时, 其内垂直于声传播方向的热力和水力联系变弱. 在这种情况下, 任何的非对称因素都可能在制冷机或发动机的回热器内引发严重的不稳定性问题, 从而降低制冷机或发动机的性能. 对一台大功率二级热耦合U型斯特林脉管制冷机进行了实验研究, 通过对中间换热器和回热器周向温度分布进行测量, 发现了一种由级间预冷不对称性引起的回热器温度不均匀性. 观察发现, 回热器周向的温度不均匀性源于第二级回热器的中间换热器, 之后, 这个温度不均匀性在回热器中以内部直流的形式自行放大, 最大径向温差可达30~40 K. 在对第一级冷头外加热负荷并逐步增大热负荷直至把第一级的预冷效应转变为加热效应的过程中, 回热器内的温度不均性逐渐变弱, 最后其方向发生逆转. 本研究证明了在大功率回热式热机中保持换热器加热或冷却作用周向均一的重要性.     

形状退磁因子对层状磁电复合材料的影响

传统层状磁电复合材料理论模型认为层状磁电复合材料的磁电性能只与压电和压磁原材料以及层厚比有关, 而与其面内尺寸(长度和宽度)无关. 研究了面内尺寸对层状磁电复合材料的磁电性能的影响. 结果表明, 层状磁电复合材料的磁电性能强烈依赖于其面内尺寸, 根本原因是由于尺寸的变化导致了形状退磁因子的变化, 从而引起磁电性能的变化. 从理论和实验上证明了随着面内尺寸的变化, 磁电性能将明显变化. 随着面内尺寸的增加, 层状磁电复合材料的磁电性能将逐渐增加. 这可为磁电器件的合理设计提供依据并推动磁电器件的发展.     

液氦温区分离型二级脉管制冷机研究

研制了一台液氦温区分离型二级脉管制冷机. 该制冷机由两台独立的脉管制冷机组成, 一级回热器冷端和二级回热器中部通过热桥相连, 从根本上弥补了传统耦合型多级脉管制冷机级间干扰的不足. 单独测试第1级脉管最低制冷温度达到13.8 K, 这是单级脉管制冷机最低制冷温度新纪录. 采用双压缩机双旋转阀驱动该二级脉管, 第2级最低制冷温度达2.5 K, 并可同时在4.2 K和37.5 K获得508 mW和15 W制冷量. 为了简化结构、扩大应用, 首次采用单压缩机单旋转阀驱动分离型脉管制冷机, 达到了相同的制冷性能.     

页岩气超临界吸附机理及模型

页岩气吸附机理和模型的研究对于页岩气地质储量计算和开发方案编制等具有重要意义.结合低温氮气吸附实验和高压甲烷等温吸附实验,对龙马溪组页岩的微观孔隙结构和超临界吸附特征进行了分析.结果表明,孔隙体积和比表面积主要受中孔(2~200 nm)控制;在压力较大时(10 MPa),页岩过剩吸附量随着压力增大而降低.4种常用吸附模型的对比分析表明:对于微孔充填方式,D-A模型的拟合效果要优于D-R模型;对于单层吸附方式,L-F模型的拟合效果要优于Langmuir模型.结合孔隙体积分析结果,通过两种假设,证明了甲烷不是以单一的微孔充填或者单分子层吸附方式在页岩中进行吸附的,推测其吸附机理为微孔充填和单分子层吸附并存.并基于该吸附机理,建立了页岩气超临界吸附新模型——DA-LF模型.新模型比4种常用模型具有更好的拟合效果,并可以分别计算出微孔和中孔的吸附量.计算表明微孔充填吸附量比单层吸附量大,占总吸附量的76%左右.这表明页岩气超临界吸附机理可以进一步深化为:微孔充填为主、单分子层吸附并存.     

十字排列椭圆孔声子晶体板的双通道滤波

采用有限元方法对二维十字排列椭圆孔周期结构的带隙及传输特性进行了研究,发现此类结构具有较宽的带隙范围.基于该研究,构造了由3种不同尺寸代表性单元组成的双通道波导结构,并通过有限元建模计算,分析了该结构的双通道滤波性能.根据理论计算模型设计制作了亚克力材料的双通道声子晶体薄板,并进行传输特性测试,实验数据验证了仿真结果的准确性.研究结果表明,通过调节3种代表性单元的尺寸,改变声子晶体的带隙分布,可以实现不同频率弹性波在双通道结构中的定向传输.     

突破液氮温度的完全无运动部件热声制冷机

脉冲管制冷机因为无低温下运动部件在小型低温制冷机研究领域倍受关注,热声发动机则利用热能产生自激振荡输出声功而无需任何运动部件,也是近年来国际研究的热点．如果两者成功耦合在一起则能形成完全无运动部件的低温制冷机,在可靠性、造价以及利用热源等方面具有无可比拟的优越性,可以应用在很多重要的场合,长期以来受制于热声发动机所能获得的压力波动大小,     

用于热声驱动脉冲管制冷机的新耦合机制: 声学放大器

提出了声学放大器的概念, 有意识地用一根长管来连接热声发动机与脉冲管制冷机. 理论计算表明, 合适的管长及管径可以大幅度地放大来自热声发动机的压力波动, 脉冲管制冷机从而可以获得更大的驱动压比. 在理论分析的基础上, 初步的研究也证实了压力波动的放大效果. 在平均压力2.46 MPa, 工作频率69 Hz时, 一根内径8 mm, 长2.8 m的紫铜管把来自热声发动机的压力波动幅值平均放大为2.5倍以上. 特别地, 使用1.67 kW的加热功率, 发动机的压比为1.11, 脉冲管制冷机入口的压比到达了1.32, 进而在脉冲管制冷机的冷头获得了65.7 K的温度.     

基于工质物性的热力循环性能探索

工质作为热力循环实现能量转换不可或缺的载体,其物性直接决定了循环性能的高低.为探究工质物性对热力循环的性能影响,首先采用立方型状态方程计算了实际工质的剩余性质,并根据理想气体的热力性质推导了任意状态下工质的热力学参数,进而得到了等容过程、等压过程、等温过程及绝热过程中能量的表达式.在此基础上,针对4个动力正循环,即卡诺循环、朗肯循环、布雷顿循环及斯特林循环,分别推导了循环输出功及效率的表达式,分析了循环性能与温度、工质物性之间的关系.针对工程应用中热力循环完善度偏低的问题,基于状态方程及循环温熵图探索了面向工质特性的热力循环性能极限,为热力循环的实际运行及优化设计提供了理论参考.