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-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.     

空间液氦温区J-T节流制冷机节流微孔实验

液氦温区节流制冷机在空间探测中获得了广泛的应用,基于本实验室研制的多级高频脉冲管预冷节流循环的复合式制冷机,针对节流微孔对节流制冷机性能的影响进行分析和实验.研究发现,节流微孔的尺寸不仅影响节流制冷机的流量,对节流制冷效果也有着重要影响.通过实验对不同孔径微孔进行了研究,获得了最佳微孔尺寸.此外,对节流前高压对节流制冷机流量、制冷机和最低无负荷温度的影响进行了分析和实验研究.基于此,采用三级无油线性压缩机驱动节流循环,测试了闭式循环节流制冷机的性能,在4.48 K获得了81.5 m W的制冷量.     

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%.     

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.     

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.     

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.     

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.     

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.     

热驱动深度制冷循环

吸收制冷循环能利用低品位热能, 例如太阳能、地热和废热等, 具有节能和环保等一系列优点, 有着十分宽广的发展前景. 然而, 传统吸收制冷循环无法获得低的制冷温度, 这一缺陷极大地限制了吸收制冷的应用范围. 为此, 本文研究了一个综合有吸收制冷循环和压缩式自行复叠循环优点的新吸收制冷循环, 以期达到利用低品位热能获得低温的目的, 该循环采用R23 + R134a/DMF工质对. 通过新循环数学物理模型的计算表明, 在160℃发生温度下, 新循环可以获得约-62℃的制冷温度, 远低于传统基本吸收制冷循环所能获得的制冷温度. 同时, 在157℃发生温度下, 新吸收制冷系统获得了-47.3℃制冷温度, 为吸收制冷循环迄今为止获得的最低制冷温度. 理论和实验结果都证明了采用自行复叠原理的新循环能够利用低品位热能获得低的制冷温度. 新吸收制冷循环也可以为其他形式热驱动深度制冷方法提供有益的参考.     

大型氦气螺杆压缩机核心技术研究开发与应用

大型氦低温制冷技术是支撑空间技术和前沿基础科学等研究的关键技术.氦气喷油式螺杆压缩机是实现大型氦低温制冷循环的一种核心设备,技术难度高于一般气体介质的压缩机,是螺杆式压缩机技术制高点之一.针对压缩氦气容易泄漏和冷却难两大技术挑战,我们研究了适用于氦气工质高效率压缩的核心技术,包括转子新型线开发、喷油雾化冷却、高效率油-氦气分离技术等.提出了转子内部泄漏归一化权重分析方法和复杂多变量整体优化方法,开发出N＿He和I两种适用于氦气压缩的流线型非对称新型线,动力学上更利于油膜形成,进一步提高了容积效率;根据螺杆转子热弹变形分析,采用补偿法设计调整转子间隙,提高了运行的可靠性.研究形成了单机压比范围为4～15和容量排量范围为100～10000 Nm³/h的成熟工业化产品,不同型号的性能指标达到或优于国际同等产品.研发的产品在国家重大低温装备、航天级氢液化、核工业、可控核聚变和氦工业等战略领域都获得了长期稳定的成功应用,促进了我国超导研究、前沿科学、氢能源和航天事业等领域的发展.     

“人造太阳”中的“冰”——EAST低温系统

在"人造太阳"EAST装置的内部,除了存在几千万度的高温等离子体外,还存在由低温系统提供的4.5 K(-268.65℃)低温超临界氦,将超导磁体冷却至临界温度以下,使其工作保持在超导态。EAST低温系统是目前中国最大的氦低温系统,其当量制冷量超过2 k W/4.5 K。首先介绍了EAST低温系统的工作原理与系统组成,然后描述了压缩机站、制冷机、分配系统和低温测量控制系统,最后简单阐述了EAST低温系统的运行情况。     

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.     

用于强化脉管制冷的He-H2混合工质和Er3NiHx填料

在采用He-H₂混合工质脉管制冷实验中发现回热材料Er₃Ni具有吸收(附)H₂的性质, 初步估算表明吸氢后形成的氢化物Er₃NiH_x具有比Er₃Ni更大的体积比热容, 回热性能更加优越. 实验结果表明, He-H₂混合工质和Er₃NiH_x填料的共同作用显著提高了30K温区脉管制冷机的性能.     

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.     

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,     

R600a水平管内两相流型转换及摩擦压降特性

R600a作为天然工质,因其环境友好性和出色的制冷能力在欧美国家得到大范围推广,被用作可替换制冷剂之一.R600a两相流型转换和摩擦压降的精确预测对制冷系统的设计和优化具有重要参考意义.针对这个问题,开展了在内径为6 mm的水平管中R600a的两相流型以及摩擦压降的实验研究,实验工况为饱和温度282.4~304 K,质量流率范围67~194 kg/(m~2 s).实验中利用高速摄像仪,观察到塞状流(plug flow)、层流波动流(stratified-wavy flow)、弹状流(slug flow)、环状流(annular flow)4种流型,并绘制流型图,将流型图与文献中经典的I/A流型转换曲线进行比较.在综合考虑了气体惯性力、液体的黏性力和液体的表面张力对流型转换的影响,引入修正后的韦伯数We~*,提出了新的流型转换曲线关联式.同时基于环状流和非环状流的流型划分,对摩擦压降分区变化进行针对性的讨论,发现摩擦压降在不同的流型区呈现出不同的变化规律.将摩擦压降实验值与9种摩擦压降关联式进行对比,结果显示Gr?nnerud关联式和Muller-Steinhagen Heck关联式分别能够较好预测非环状流和环状流的两相摩擦压降.     

基于脉冲管制冷机的高温超导混频器3 mm锁相稳频源

利用小型脉冲管制冷机, 设计了与其配套的具有电磁屏蔽的微波耦合、中频测量、混频锁相系统. 在改善后的系统上用约瑟夫森颗粒边界结实现了高温超导3 mm波段96次谐波混频, 以及压控振荡微波源的锁相实验, 实现了基于小型脉冲管制冷机的实用型的高温超导器3 mm锁相稳频源.     

基于低品位热源的两相热压缩机初步实验

两相热压缩机利用热源驱动,通过活塞的往复运动,使两相工质在热腔和冷腔中来回穿梭,伴随气液相变形成压力波动.它采用低沸点工质,具有驱动温差小、压比大等突出优点,可以利用低品位热源,如废热、太阳能等.自行设计研制了基于低品位热源的两相热压缩机,初步研究了以正己烷为工质的热压缩机系统性能.该压缩机在0.1,0.2和0.3Hz频率下运行时,压比均保持在5以上,且加热功率小于120W.这对有效地利用低品位热源实现热功转化有着重要意义.