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以氦-3和氦-4为工质的回热式低温制冷机性能对比仿真研究

方蕾  
【摘要】:回热式低温制冷机是目前广泛应用的一种低温获取装置,脉管制冷机作为其中一种具有潜力的机型倍受重视,其当前主要研究热点包括:进一步提高脉管制冷机的效率和可靠性;在特定温区(液氦、液氢和液氮等)获得更大的制冷量;通过高频手段(斯特林型)减小制冷机尺寸及功耗等。目前回热式低温制冷机大都采用氦-4为工质,而相关的实验研究表明,采用氦-4的同位素氦-3为工质可以使得该类低温制冷机获得更低的制冷温度,或者在液氦温区获得更大的制冷量。本文试图从理论和数值计算角度揭示对采用氦-3替代氦-4为工质所引起的回热式低温制冷机性能改善的机理以及作用方式,具体开展了以下研究工作: 第一,氦-3和氦-4在低温制冷机中优越性的定性分析对比。工质本身的性质是决定其应用的主导因素,本文首先考察了氦-4的膨胀系数特征,并与氦-3的膨胀系数进行对比,通过所建立的关系耦合物理模型,定性分析了氦-3在回热式低温制冷机中的优越性;在此基础上,亦采用改进型逆布雷顿循环来描述斯特林型脉管制冷机,通过分析理想循环下的制冷机的性能优劣来定性验证采用氦-3替代氦-4为工质对制冷性能的改善作用。 第二,回热器数理模型及仿真软件REGEN的改进。在回顾国际上三大主流回热式低温制冷机模拟软件的基础上,介绍了回热器一维物理模型及其数学方程(全隐式方程),包括其求解方法。对REGEN程序进行了改进,获得新的版本3.3a,其中增加了多种低温工质热物性库,开发了具有连续运算功能的人机交互式界面,能够方便快捷地进行参数修改、连续运算、分析制图等,更有利于利用REGEN程序优化设计针对实际需求的回热器。 第三,以氦-3和氦-4为工质的回热式低温制冷机优越性的定量对比。针对液氦温区的回热式低温制冷机的需求,利用REGEN 3.3a对采用氦-3和氦-4为工质的回热式低温制冷机进行了大批量的参数优化计算,并将结果与相同条件下氦-4为工质的制冷机进行了定量对比分析,分别针对回热器填料(种类、形式、孔隙率等),回热器直径及冷端截面积流量,冷端流量与压力的相位差,热端温度,平均压力,冷端压比以及频率等参数进行了优化。 第四,基于优化计算结果设计采用G-M制冷机预冷的第三级脉管制冷机。为了验证REGEN3.3a的设计结果的可靠性,设计了由两级G-M制冷机预冷的斯特林型脉管制冷机(单级)性能测试实验台。目标脉管制冷机热端温度介于20~40K之间可控,冷端温度通过热平衡法控温,回热器作为独立部件可拆卸替换。设计过程中考虑了系统内容积的小型化,为后续实验中采用氦-3取代氦-4为工质时优化计算所显示的制冷机性能明显提升做好了准备。


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