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热声驱动脉管制冷特性的理论与实验研究

汤珂  
【摘要】:热声驱动脉管制冷机由于从室温到低温完全无机械运动部件,有望成为稳定可靠的 长寿命低温制冷机,倍受学术界和工业界的关注。为了进一步探索热声发动机与脉管制 冷机的联合运行机制,降低热声驱动脉管制冷机的制冷温度,本文针对以下几个方面开 展了理论和实验研究工作: 1.热声发动机的数值模拟与性能分析 利用线性热声理论建立了驻波型热声发动机数 值模拟,编制了模拟计算程序,根据计算结果,分析了水冷却器长度、谐振管长度 和直径、缓冲器体积对热声发动机性能的影响,为热声驱动脉管制冷机的实验优化 提供了理论指导。 2.热声驱动阻容负载的数值模拟与性能分析 利用线性热声理论对热声驱动阻容负载 进行了数值模拟,根据模拟计算结果分析讨论了阻容负载的阻抗,热声发动机谐振 管的长度和直径、缓冲器的体积等结构参数以及加热功率和工作压力等操作参数对 热声驱动阻容负载性能的影响,初步总结了热声发动机与阻容负载的耦合关系。 3.热声驱动脉管制冷特性实验研究 根据模拟计算结果,对热声驱动脉管制冷机进行 了实验优化。重点优化了脉管制冷机的小孔阀和双向进气阀开度,改进了热声发动 机的水冷却器、丝网板叠以及谐振管的结构参数。采用改进后的水冷却器和丝网板 叠以及长度为8m的谐振管,以氦气作为工质,在2.1MPa充气压力,2200W加热功 率,小孔阀300°和双向进气阀405°条件下,热声驱动脉管制冷机实现了88.6K的无 负荷制冷温度,突破了原有由美国国家标准与技术研究院和Los Alamos国家实验室 联合报道的90K无负荷制冷温度。并且,在实验研究中发现,双向进气阀对热声驱 动脉管制冷机的起振温度具有重要影响,关闭双向进气阀可显著降低热声系统的起 振温度。采取在双向进气阀关闭状态启动热声发动机加热器,系统起振后再打开双 向进气阀至优化开度的操作方式,既不影响脉管制冷机正常降温,又可实现较低的 起振温度,有利于利用低品位热能作为驱动热源。 4.二级Stirling型脉管制冷特性实验研究 分析讨论了多级脉管制冷机级间耦合方式,


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