液氮温区高效脉冲管制冷机的特性研究

本文介绍了由线性压缩机驱动直线型脉冲管制冷机的最新研究结果。根据压缩机参数,依靠线性热声计算程序,优化出10 W级直线型脉冲管制冷机,并使得制冷机入口阻抗能够与压缩机匹配。实验结果表明,由于制冷机与压缩机之间耦合较好,压缩机在达到较好的声电效率的同时,制冷机也拥有较高的相对卡诺效率。其中最好的结果为在输入电功为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%。文中给出了不同压力、不同调相机构下的压缩机及制冷机特性并对结果进行了分析。     

室温温区热声制冷机研究

热声制冷机作为一种新型制冷技术,具有效率高、可靠性好、环境友好等特点。目前,室温温区热声制冷机存在回热器声功利用量少、出口声功大、回收损失大等问题。本文基于SAGE软件,对室温温区热声制冷机的工作机理进行了研究。通过对两级及以上热声制冷机的制冷系数、制冷量以及进出口阻抗相角进行分析,探寻同时提高声功利用率和制冷量的方法。在分别以制冷系数和制冷量为优化计算目标的前提下,得到了室温温区多级热声制冷机的制冷量、制冷系数及声功利用率随级数变化的变化规律。计算结果显示,多级热声制冷机对出口声功的利用率存在最大值。可根据实际需求综合考虑制冷系数及制冷量,以得到较优的制冷工况。     

新型热驱动斯特林冷电联产系统数值模拟研究

为解决现有热驱动斯特林冷电联产系统存在的系统性能对直线电机参数敏感性高、匹配难度大的问题,创新性地提出一种热驱动斯特林冷电联产装置,即采用声学谐振管和旁接直线电机实现自由活塞斯特林发动机和自由活塞斯特林制冷机之间的阻抗匹配、声功分配和传递。基于热声理论和商业计算软件Sage对系统进行理论分析和数值模拟,考察了发动机加热温度、制冷机制冷温度和平均压力等对系统性能的影响规律。计算结果表明：在平均压力5 MPa,加热温度833 K时,该热驱动斯特林冷电联产系统在制冷温度110 K下,能获得1000 W制冷量和800W电功,整机效率达29.4%。发动机、制冷机和直线电机能实现较好的功率匹配,电机输出电功的变化对系统热效率影响较小。     

热声发动机核心单元热功转换性能的研究

最近我们研究小组提出了一种声学共振行波热声发电机,它由三个相同的热声发动机核心单元,三台直线电机通过细长的谐振管连接起来。为了考察单个热声发动机核心单元的热功转换性能,我们搭建了热声发动机核心单元热功转换性能测试实验台。该实验台由两台压缩电机,热声发动机核心单元和两台膨胀电机组成。通过改变膨胀电机的电容和电阻,可以改变膨胀电机的阻抗,从而改变热声发动机核心单元的热功转换性能。经过模拟,我们确定了核心单元最佳工作阻抗范围.实验中当负载阻抗幅值为1.19×10~7 Pa·s/m~3,相位为60°时,获得最高净声功1046W和最高热声效率25.52%。由于热声发动机核心单元的漏热,实验结果和模拟结果在热声效率上相差较大。     

脉冲管制冷机中4K回热器的数值模拟

为了研究液氦温区脉冲管制冷机的性能,本文对脉冲管制冷机中4 K回热器进行了数值模拟分析,建立了包括压缩腔、高温换热器、回热器、低温换热器和膨胀腔等五个区域的数理模型,同时考虑了~4He的非理想性以及钬铜体积热容随温度变化的影响;对4 K回热器的传热与交变流动过程进行了数值模拟,并分析了回热器中总能流、声功流、体积流率分布、相位的分布和温度分布。计算结果显示,系统在运行频率5 Hz,压缩腔入口压比1.37,输入声功8.14 W的情况下,理论预测在4.2 K时制冷量为0.27 W,考虑膨胀活塞回收的声功后相对卡诺效率为20.6%。     

行波热声发动机驱动制冷机的匹配研究

本文使用RC负载法首先在不同压比下对发动机的输出声功与负载之间的匹配关系进行了深入研究,研究表明发动机存在高效区和效率低下区.针对行波热声制冷机的阻抗进行了分析,发现由于制冷机阻抗处于发动机的效率低下区,使得发动机输出效率很低,从而导致整机效率低下,其中在发动机和制冷机之间的1m长连接管起到了调节负载阻抗和放大声压的作用,但其调节作用有限.     

300Hz级电驱动脉冲管制冷机特性研究

脉冲管制冷机在更高频率下运行能够大幅提高能量密度,有利于系统体积与质量的减小。据此本文开展了300Hz级超高频电驱动同轴脉冲管制冷机的研究。首先分析了直线压缩机与制冷机匹配特性,通过调节前腔体积,使得压缩机在280 Hz附近谐振,并能够提供制冷机运行所需压比。实验中取得了最低无负荷冷头温度63.3 K,在80 K获得了1.0W的制冷量,消耗声功约为44 W,以声功计算相对卡诺效率达到6.2%。实验中系统考察了整机性能随惯性管长度、运行频率和平均压力的变化趋势。     

U型脉管制冷机冷头连接管的实验研究

设计了一台U型脉冲管制冷机,并对直线连接管和U型连接管两种不同的冷头连接管进行了实验研究。对冷头连接管与脉管之间的各种导流结构进行比较,找到了最佳的导流方式,并在此基础之上,研究了连接管管径对制冷机制冷性能的影响。结果表明,存在一个连接管最佳直径使得U型脉管制冷机获得最高的制冷效率;U型连接管相比较直线连接管会引起弯管损失,当输入声功越大时,损失越大;本实验中,最佳的U型脉管制冷机性能相对直线型脉管制冷机情况下降了18%。     

液氮温区混合回热器斯特林制冷机数值模拟研究

自由活塞斯特林制冷机具有温区广、制冷效率高、结构紧凑、振动小以及寿命长的特点。回热器作为制冷机的核心部件,决定着制冷机的性能。为了提高液氮温区斯特林制冷机的效率,本文提出采用卷绕聚酯酰胺(简称PI)薄膜和不锈钢丝网混合填充的回热器,并对该混合回热器进行了数值模拟研究。首先分析了液氮温区混合回热器的填充参数,接着设计制冷机的尺寸参数并建立制冷机整机的数值模型,最终揭示回热器长度、两种填料填充比以及相位特性对混合回热器制冷性能的影响,并将混合回热器与单一填料回热器进行对比。结果表明,混合回热器在液氮温区具有明显优势,在混合回热器长度为8 cm、卷绕PI薄膜和不锈钢丝网混合填充比例为7:1、排出活塞领先动力活塞60°时获得最佳制冷性能。室温300 K、输入声功为451 W,在77 K获到58.1 W的制冷量,声功计的相对卡诺效率为37.26%,比单一填充卷绕PI薄膜和层叠不锈钢丝网的回热器分别高了6.26%和17.33%。     

直线压缩机驱动热声型低温热声制冷机研究

直线压缩机驱动的热声型低温热声制冷机是获得低温的一种重要制冷技术,它利用直线压缩机往复运动产生的声波驱动脉管产生热声制冷效应而工作。文中报道了由中国科学院理化所和深圳市中科力函热声技术工程研究中心联合研制的系列液氮温区低温热声制冷机,其效率达到22%,为目前国际上所有公开报道的各类热声制冷机中的最高效率。该系列低温热声制冷机在低温下无运动部件、可靠性高,在红外探测器、高温超导滤波器等低温电子器件冷却方面具有重要应用前景。此外,还将对下一步的研究进行简单的介绍。     

推移活塞脉管制冷机中温区性能的实验研究

推移活塞脉管制冷机是在脉管热端新增一个推移活塞作为调相机构,同时可以回收脉管内气体的膨胀功。通过实验方法,分析了定制冷量下,推移活塞脉管制冷机工作在中温区时,压缩机运行频率对冷头温度、相对卡诺效率等性能参数的影响,以及电机的性能特性。结果表明,在充气压力1.92MPa,运行频率54Hz,输入功224.5W,制冷量25.0W时,冷头温度在137.3K,制冷机的相对卡诺效率达到12.7%。     

高效室温行波热声制冷的研究 第一部分 方案及热力分析

文中对简化的热声网络法、T型传输线网络法以及传输矩阵法进行了比较讨论。采用简化的热声网络法对几种可能的制冷流程进行了分析 ,并确定出了可能高效工作的制冷方案。最后基于传输矩阵法对一种行波热声制冷机进行了分析和热力设计 ,得到该制冷机较优的结构参数。当制冷温度为 - 2 3℃时 ,其 COP可达 2 .86 ,相对卡诺热效率为 5 7%。     

新型环路热驱动声功回收型制冷机研究

本文提出一种新型环路热驱动制冷系统,由多个热声发动机串联组成的环路以及并联于发动机单元的脉管制冷机组成。该系统在发动机和制冷机回路均能实现行波转换及声功回收,整机潜在效率高。主要针对三单元环路系统展开理论研究。首先,利用双参数法考察了三个关键声导管对系统性能的影响,并进行了优化设计。接着,进一步对比考察了不同制冷机调相管长度下,系统相位差和声功的沿程分布。最后,与旁路结构进行了性能对比。可以得出,该并联型系统无论在制冷量还是相对卡诺效率方面均有明显提高。     

声功回收级联型脉管制冷机实验研究

在原有单级脉管制冷机的基础上,设计并研制了一台声功回收级联型脉管制冷机.实验结果表明,在输入电功为500 W时,无负荷制冷温度为主级123.3 K,辅级131.0 K,主级制冷量为143.7 W@233.0 K,辅级制冷量为62.9W@233.0 K,其总和206.6 W@233.0 K,高于相同输入功时单级脉管制冷机的理论模拟值189.6 W@233 K,验证了声功回收方案的可行性,不仅是对回热式低温制冷法在普冷温区实践的一次有益探索,而且为更低温度大制冷量脉管制冷机声功的回收奠定了基础.     

线性压缩机与气动斯特林冷指效率匹配研究

为了解决制冷机实验中线性压缩机与冷指不匹配的问题,本文以热声学理论为基础,对线性压缩机与冷指的匹配规律探索研究。基于压缩活塞的运动控制微分方程、电机的电压平衡方程和整机的阻抗特性,研究压缩机电机效率和PV功转化效率的影响因素和提高方法。在匹配原理的指导下,对一台双磁钢动磁式线性压缩机驱动的气动分置式斯特林制冷机进行优化分析,优化后,制冷机获得6 W/80 K制冷性能所需的电功从163.5 W降低到86.8 W,压缩机的电机效率从68.6%提高到79.6%。     

2.2 W @ 80 K高效小型脉冲管制冷机性能的实验研究

同轴式脉冲管制冷机具有结构紧凑,与器件耦合简单等优点,在低温超导以及航空航天领域得到了广泛的运用。通过提高制冷机的工作频率,可减小制冷机的体积与重量。本文介绍了一套高效小型同轴脉冲管制冷机,该制冷机整机重量为1.6 kg,冷指直径14 mm,长度45 mm。采用实验室研制的小型化直线压缩机驱动(1.2 kg),惯性管气库为调相机构,在输入电功45 W,冷端温度80 K,热端温度为300 K时,冷指可获得2.2 W的制冷量,相对卡诺效率13.4%。     

热声斯特林发电系统的实验研究

本文介绍了一台由热声斯特林发动机及其驱动的直线发电机组成的热声斯特林发电系统原理样机.一方面为满足发电机与发动机间体积流率和相位的匹配要求,另一方面为了能在直线发电机活塞处获得较好的压力波与体积流率间相位关系、提高直线发电机的电功输出能力,装置保留了发动机原有的锥形谐振管.初步实验以氦气为工质,在2.5MPa平均压力、64Hz工作频率下,获得了97W的电功.本文还分析了该热声发电系统的效率,得出直线发电机声电转换效率超过了0.8.然而由于谐振管耗散了大量的声功,目前整机的热电转换效率还较低.     

功回收型脉管制冷机的研究进展

功回收型脉管制冷机可将膨胀功回收或再利用以产生额外冷量,突破了传统脉管制冷机理论效率的限制,是低温制冷机领域的研究热点。概述了国内外功回收型脉管制冷机的研究进展,重点介绍了功回收结构的理论突破与技术创新,对不同类型的功回收型脉管制冷机的性能进行了比较,讨论了其未来的发展方向与应用前景。     

两级烟气废热溴化锂制冷机热能利用经济性分析

废热溴化锂制冷机可以直接利用烟气废热或化学反应热来驱动进行制冷,因此废热回收的综合利用率比较高。论文对烟气废热驱动废热溴化锂制冷机的热能利用的经济性进行了分析,在烟气废热驱动溴化锂制冷机中,溴化锂制冷机的COP仅仅反映的是溴化锂制冷机本身的性能,不能作为衡量废热溴化锂制冷机废热制冷的效率高低和性能好坏的标准,因此本文采用废热利用率和废热制冷率对烟气废热溴化锂制冷机的废热制冷性能指标,废热制冷率与炯效率分析结果相一致,通过比较发现,二级烟气双效废热驱动废热溴化锂制冷机的废热制冷率最高,炯效率也最高。     

变温热源环路热声发动机系统的阻抗匹配

基于串联型环路三级热声发动机系统,使用SAGE软件从系统与外接负载阻抗匹配的角度进行了模拟计算。分析发现:变温条件下系统内部声场中声功、压力波动和体积流率会分层分布但变化趋势相同,同时阻抗的沿程分布几乎不受影响,结构相同的各级热声发动机可匹配的最佳外接负载阻抗分布区域相近。在此基础上,进一步确定3. 0E7 Pa·s/m~3@60°为各工况下外接负载的优选值。结果表明:当外接负载阻抗都设定为优选阻抗值时,整机系统在变温条件下可同时实现较高的声功输出、热声转换效率和相对卡诺效率。