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大冷量整体式斯特林制冷机工作特性研究

蔡亚超  
【摘要】:高温超导技术的应用极大地促进了大冷量低温制冷机的发展。其中斯特林制冷机具有效率高、冷却速率快、调节方便、制冷温度范围广及结构紧凑等特点,并且技术相对成熟、成本较低,是百、千瓦级制冷装置的理想选择。 本文以一台大冷量整体式斯特林制冷机作为研究对象,基于Sage软件对其进行数值模拟分析,额定工况下,液氮温度(77K)下模拟出的制冷量为1082W,输入功为7935W;实验中,冷头从室温降低到最低温度53.63K用时6分钟,77K实际获得制冷量602W,输入功为11.6kW。对比实测和模拟出的压缩腔压力波动、制冷性能、充气压力变化对制冷性能的影响、冷却水温变化对性能的影响,发现实验结果与模拟结果的变化趋势一致,而数值差异较大是模拟计算误差、水冷器换热性能有限、润滑油污染工质和曲柄连杆机构损失等原因造成的。 计算出的能量流与理想制冷机中的能量流分布图吻合良好,理论和模拟制冷量的差值即为可用能损失之和,其中工质不完全换热损失(53.6%)占总损失的比重最大,其次是流阻损失(34.1%)和导热损失(11.6%)。制冷机各部件中,损失主要发生在回热器(35.1%)和水冷器(34.8%)中。对该处结构进行优化,发现:1.回热器填料内、外直径已接近最优值,长度方向还有较大的改进空间;2.用不锈钢丝网代替铜绒作为回热填料,可以获得更优的制冷性能;3.水冷器换热管管长短、管内径小、管数多时可以获得更大的制冷量。 制冷机相位图显示回热器两端质量流与压力波动相位差偏离了理想情况,对活塞相位进行优化,仍然无法实现理想的相位差。采用等温模型分析理论制冷量和回热器质量流量,证明推移活塞背压腔是制约性能进一步提升的原因,即β型斯特林制冷机的性能劣于特征尺寸相同的α型斯特林制冷机。压缩腔进口处质量流、压力波相位显示制冷系统呈现容抗特性,可以在与曲柄连杆机构耦合处增加感抗元件,与电机高效匹配。


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