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4K两级脉管制冷机热力学计算与实验研究

闫磊  
【摘要】: 脉管制冷机作为一种新型低温制冷机,由于低温端没有运动部件,因此与传统G-M制冷机和斯特林制冷机相比,具有结构简单、成本低、可靠性高、机械振动和电磁噪声低等突出优点。随着脉管制冷机性能的逐渐提高,在各种应用场合显示出了很强的竞争力,应用范围涉及航空航天、军事、低温电子学、低温医学、气体液化等诸多领域。本文在回顾脉冲管制冷机的发展历史和最新研究进展的基础上,对两级脉冲管制冷机进行了如下具体研究工作: 首先,对两级脉管制冷机实际制冷量进行计算。参照G-M制冷机运用分离计算法对实验样机第二级理论制冷量进行了计算,并分析计算了各项不可逆损失,最后得出第二级在4.2K的实际制冷量。 其次,运用Fluent对二级回热器进行数值模拟。建立了二级回热器的物理和计算模型,给出了多孔介质主要参数的计算方法,模拟得出两种不同填料组合下回热器的温度及比热分布。引入参数ξ表示蓄冷器中氦气和填料的比热容之比,根据ξ值沿回热器长度方向的分布情况判断填料组合的蓄冷效果,ξ值越接近1蓄冷效果越好。模拟的结果用以确定二级回热器填料的配比。 最后,两级脉管制冷机实验台的组成介绍和制冷机性能测试。实验使用针阀调节小孔和双向进气开度,得到了制冷机降温曲线以及针阀调节的最佳阀门开度曲线,并分析了双向进气开度对冷头温度波动的影响。对实验中的现象从机理和计算两个方面进行分析,总结出目前制冷机存在的问题以及进一步提高制冷机性能的措施。


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