大功率脉管制冷机内金属丝网回热与流动均布特性理论与实验研究

发布时间：2020-09-21 18:49

　　 伴随着高温超导技术的快速发展,可在液氮温区提供百瓦以上制冷量的大功率脉管制冷机因其低振动,高可靠性,长寿命的特点而受到广泛关注。在脉管制冷机的传统理论中,金属丝网通常作为制冷机最为重要的回热填料而被研究,但关注其流动均布特性的相关研究并不丰富。事实上,在大功率脉管制冷机内部,由于存在有显著的多维非均匀流动现象,金属丝网在制冷机不同部位发挥出了截然不同的重要功能,其对流动均布的贡献,尤其是对大功率脉管制冷机而言影响显著,甚至关系到制冷机是否能够降温。本文专注于回热器内与脉管两端的金属丝网,针对其功热转换与流动均布的两大功效,开展了以回热填料及制冷机性能的快速判断和脉管内部流场均布的专题研究。具体开展工作如下：1.基于回热损失机理及回热填料的热力学分析,提出了可表征金属丝网等回热填料性能的回热性能系数Rf,为筛选回热填料、预测制冷机性能提供了一种简洁高效的方法。研究系统分析了脉管制冷机回热器内部在理想状态和实际情况下的能量流动情况,总结了回热器内的主要损失机理及其对应于不同频率和工作温区所表现出的不同权重。基于对回热器损失机理及回热填料的热力学分析,推导出可反映热渗透深度与填料比热性质的有效热容Ca,并进一步推导出可表征回热填料的回热性能系数Rf,此系数与前人工作相比的优势在于,除了考虑回热填料的流动阻力和换热性能之外,加入了有效热容对于其回热性能的影响,能够更加精确地反映不同回热填料回热特性的相对优劣。借助制冷机仿真软件SAGE和单级脉管制冷机实验,本文从数值上和实验上验证了Rf在77K温区的可靠性,能够有效分辨出性能差异3%的回热填料,为将来应用于快速判断填充有不同回热填料的脉管制冷机性能做出了有益尝试。2.借助CFD方法验证了金属丝网对于回热器内非均匀流动的诱发作用,探讨了金属丝网在直流流动与交变流动下对于脉管内流场的均布特性。对于回热器内的非均匀流动,本文首次借助CFD方法验证了回热填料的非均匀孔隙率对于回热器内非均匀流动的诱发作用。对于脉管内的射流效应,本文借助CFD搭建了三维全尺寸模型,对比了直流流动与交变流动下射流的特点,探索了交变流动下整流层长度对于射流效应的抑制效果,并讨论了整流层厚度对于射流效应抑制效果的影响。3.基于全局优化的设计方法设计搭建了脉管制冷机实验台,开展了制冷机与压缩机的阻抗匹配、脉管内部流动均布和回热性能系数验证等实验研究。本文提出了基于SAGE的脉管制冷机全局优化设计方法,设计了一台运行压力2.5MPa,频率60Hz,设计目标为650W@77K的大功率单级斯特林型脉管制冷机,输入功率10kW。全局优化方法有效减少了仿真软件的计算量,提高了设计效率；借助SAGE完成了压缩机与制冷机之间传输管的优化,将压缩机谐振频率自100Hz以上降低至67.3Hz,提高了压缩机在设计频率上的输出效率；通过优化惯性管出口与冷端换热器出口的丝网整流层参数,抑制了来自惯性管和冷端换热器狭缝的射流流动,制冷机制冷温度从280K降低至86.01K；通过对烧结丝网、400目和500目金属丝网进行不同比例的组合,使得制冷机最低制冷温度进一步下降至78.9K,与Rf对不同丝网组合的预测结果吻合良好,验证了Rf在77K温区的可靠性。
【学位单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2015
【中图分类】：TB651
【部分图文】：

高温超导技术的快速发展，使得高效的超导电为传输与转化设备逐渐在电力、军事等工业逡逑和国防领域获得应用。据估计到２０巧年止，诸如超导发电机、电动机、限流器和崣导线材等逡逑高温超导设备的全球总市场需求将超过１８亿美元（如图１－１所示）。逡逑２０００邋Ｉ逦逦逦．逦逦逦逦逦逦逦１逦逦逦１逦．逦１逡逑■■由绳逦Ｉ逡逑．Ｍ发电机逦＾逡逑□变压＃逡逑ｉｇ邋１５００邋－邋■■电动机逡逑１０００邋－逡逑Ｊ邋５００邋－逡逑２０１２邋２０１４邋２０１６邋２０１８邋２０２０邋２０２２邋２０２４逡逑年份逡逑图高湿超导应用的市场预期ｗ逡逑为了维持较高的临界电流与临界磁场，超导设备通常工作在７７Ｋ及レNB下温区，其热负荷逡逑随工作温度不同甚至可高达百瓦Ｗ上（如表１．邋１所示）。因而如何高效地维持超导系统的低温逡逑环境，是超导技未发展的关键技术之一。逡逑表１．邋１不同超导材料的低n�需求１２１逡逑超导应用场合邋ＢＳＣＣＯ逦ＹＢＣＯ逡逑热负荷逦工作温区邋热负荷逦工作温区逡逑借能器逦３－５邋ｋＷ逦７０－８０邋Ｋ邋３－５邋ｋＷ逦７０－８０邋Ｋ逡逑１逡�

本文编号：2823859