脉管制冷声—力—电匹配及其逼近卡诺效率的方法

发布时间：2020-05-07 17:10

【摘要】：中国对天然气进口需求的快速增长,使得天然气的运输及存储成为其中重要一环,却也面临着诸多技术困难,其中大冷量高效可靠的低温制冷技术是亟需的关键支撑技术。脉管制冷机由于无低温下运动部件,是满足该应用的理想制冷方式。然而脉管制冷机由于膨胀功无法回收导致其本征效率低于卡诺效率,该特征在液化天然气温区以及更高温区的大冷量应用场合尤为突出。如何在保证脉管制冷高可靠性和长寿命等优势的同时,尽量提高其制冷效率,业已成为制约其工程应用的主要问题。针对当前研究不足,本文基于脉管制冷法,从声-力-电匹配角度以及其能量回收机理两方面进行了研究,试图找到通往卡诺效率的途径,具体开展工作如下：1)构建基于脉管制冷的声-力-电(AcME)耦合匹配方法针对制冷机内部匹配效率低的问题,从复向量分析方法入手,对制冷机的三大部分：电路部分、机械部分以及声阻抗部分分别进行向量分析,得到制冷机整机声-力-电的耦合匹配向量图,揭示了制冷机各部分之间的耦合匹配机理,为制冷机的设计、分析及优化提供了新的视角。分析制冷机冷头作为声负载对压缩机输出特性的影响规律,理论推导了压缩机各参数基于声阻抗形式的一般表达式(含非谐振情形)。基于RC声学负载实验验证了该理论分析。引入压缩机阻抗甜点的概念并进行深入讨论,即在该特定工况下,压缩机可以同时获得最大输出声功和最高转换效率,是一台设计完成的压缩机的最优工况。针对压缩机与制冷机冷头可能存在的不匹配的情形,借助电学中匹配网络的概念,提出声学匹配网络,有望改善压缩机与制冷机冷头负载之间的不匹配问题。基于以上的AcME匹配,给出了一种线性压缩机主要参数反求方法,为线性压缩机的工程化提供理论支撑。2)提出可逼近卡诺效率的脉管级联制冷法脉管制冷机的本征理论制冷效率为Tc/Th(Tc为制冷温度,Th为环境温度),低于卡诺效率Tc(Th-Tc),且制冷温度越高,与卡诺效率偏离就越明显。针对这一不足,提出一种多级级联型脉管制冷法,其每一级制冷机由回收自前一级制冷机脉管热端的声功来驱动,通过热力学分析表明,无穷级级联制冷效率等于卡诺效率。这一结论在脉管本征制冷效率[Tc/Th]和卡诺效率[Tc/(Th-Tc)]之间搭建了一座桥梁,在科学研究和工程实践方面均有重要意义。3)实验成功验证所提出的脉管级联制冷法基于实验室已有500W线性压缩机,选取233 K(-40℃)为制冷温度,有望获取较大制冷量以验证脉管级联法回收能量的可能性。设计并搭建一台三级级联脉管制冷机实验台,分别开展了单级、两级级联和三级级联的实验验证工作。结果表明,在运行频率60 Hz,充气压力2.5 MPa,压缩机输入功为500 W时,单级脉管制冷机制冷量为181.3 W,制冷效率0.3626,相对卡诺效率10.4%；两级级联制冷机总制冷量为241.6 W(其中第一级175.0 W,第二级66.6 W),效率0.4832,相对卡诺效率13.9%；三级级联制冷机总制冷量为253.6 W(其中第一级164.9 W,第二级70.7 W,第三级18.0 W),效率0.5072,相对卡诺效率14.6%。两级级联较单级制冷效率提高约33.3%,三级级联提高39.9%,从实验上验证了脉管级联制冷法对能量回收再利用的能力。
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TB651

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