液氮温区百瓦级冷量斯特林型脉管制冷机电-力-声匹配特性研究

发布时间：2021-05-12 14:31

　　高效可靠的低温制冷机在国防军事、航空航天、低温物理等重要领域具有广阔的应用前景。百瓦级冷量斯特林型脉管制冷机,由于其冷端没有运动部件,使得其更加可靠和长寿命,在高温超导、小型天然气液化等场合的应用具有突出优势。如何进一步提高其制冷效率,使其更好地满足实际工程需要,是亟待解决的关键问题。本文基于一台液氮温区百瓦级冷量斯特林型脉管制冷机,从压缩机模型、压缩机与冷头的性能匹配、以及核心单元回热器及其热端换热器对匹配和换热性能的影响等方面进行了深入研究,显著提高了制冷机性能,具体开展的研究工作如下:1、基于电力声特性分析,建立了线性压缩机模型,提出了测算活塞表面声功方法并定量分析各参数对谐振性能的影响,解决了如何改变单一参数获得限制条件下最大声功的问题,为更好地实现压缩机和冷头的性能匹配提供了理论基础。从电学阻抗、机械阻抗以及声学阻抗入手,建立线性压缩机弹簧气体质量模型并推导出相应的运动方程。相比于传统的弹簧振子模型,该模型并未将气体等效为不耗功的气体弹簧,而是将气体作用转化为对应的力阻抗,更准确地描述了压缩机活塞运动。相比前人工作,应用该方程不需每次依据实验值计算等效的气体弹簧大小,使得模型... 

【文章来源】：浙江大学浙江省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校

【文章页数】：142 页

【学位级别】：博士

【文章目录】：
摘要
Abstract
主要符号表
1 绪论
    1.1 研究背景与意义
    1.2 脉管制冷机发展历史与现状
    1.3 线性压缩机研究历史及现状
        1.3.1 直线电机发展史
        1.3.2 线性压缩机在脉管制冷机中的研究状况
    1.4 大功率斯特林型脉管制冷机中存在的科学与技术问题
    1.5 本文主要工作
2 线性压缩机理论模型
    2.1 机械振动
        2.1.1 弹簧振子模型
        2.1.2 弹簧振子模型求解
        2.1.3 质点的稳态振动特性
        2.1.4 振动系统的能量
    2.2 电学谐振
    2.3 声学谐振
    2.4 压缩机声-力-电模型
        2.4.1 弹簧气体质量模型
        2.4.2 弹簧气体质量模型的能量分析
        2.4.3 压缩机模型
        2.4.4 压缩机模型运动方程的简化
        2.4.5 压缩机模型的功率和效率
        2.4.6 用压缩机模型校核位移传感器和压力传感器之间相角
    2.5 制冷机阻抗分布
    2.6 本章小结
3 斯特林型脉管制冷机实验装置
    3.1 斯特林脉管制冷机系统
        3.1.1 脉管制冷机组成与结构
        3.1.2 线性压缩机
        3.1.3 传输管
        3.1.4 回热器热端换热器
        3.1.5 回热器
        3.1.6 冷端换热器
        3.1.7 脉管
        3.1.8 脉管热端换热器
        3.1.9 调相机构
    3.2 辅助系统
        3.2.1 压缩机驱动系统
        3.2.2 绝热系统
        3.2.3 冷水机组
    3.3 测量系统
        3.3.1 温度测量
        3.3.2 压力测量
        3.3.3 位移测量
        3.3.4 制冷量测量
    3.4 测量系统误差分析
        3.4.1 温度测量误差
        3.4.2 压力测量误差
        3.4.3 位移测量
        3.4.4 其他测量参数
    3.5 本章小结
4 线性压缩机模型实验验证
    4.1 压缩机活塞机械谐振特性分析与实验
        4.1.1 弹簧气体质量模型的运动方程验证
        4.1.2 压缩机机械谐振特性分析
        4.1.3 运行参数对压缩机谐振位移和谐振频率的影响
        4.1.4 固有参数对压缩机谐振位移和谐振频率的影响
        4.1.5 敏感性分析
    4.2 压缩机功率、效率与声功
        4.2.1 单一工况下功率、效率与声功
        4.2.2 不同工况下功率、效率与声功的最大值
        4.2.3 如何获得压缩机最大声功
    4.3 压缩机电动势变化规律分析
    4.4 运动方程校核压力传感器和位移传感器之间相角的实验
    4.5 本章小结
5 脉管制冷机整机性能实验
    5.1 整机相位优化实验
        5.1.1 最大输出声功下整机阻抗分布
        5.1.2 传输管对回热器进出口相角的影响
        5.1.3 惯性管对回热器进出口相角的影响
    5.2 回热器热端换热器优化实验
    5.3 回热器优化实验
    5.4 整机最优性能
    5.5 本章小结
6 全文总结与展望
    6.1 全文总结
    6.2 主要创新点
    6.3 展望
参考文献
作者简历及在学期间所取得的科研成果
致谢


【参考文献】：
期刊论文
[1]液化天然气运输船再液化装置[J]. 张海涛.  中国水运(下半月). 2018(03)
[2]基于声学负载的直线压缩机参数反求[J]. 王龙一,甘智华,金泽远,郭永祥.  电气工程学报. 2015(12)
[3]制冷机传导冷却的超导磁体冷却系统研究进展[J]. 张楷浩,邱利民,甘智华,周晓晓.  浙江大学学报(工学版). 2012(07)
[4]LNG船蒸发气再液化经济性分析[J]. 周明顺,李博洋.  船舶工程. 2009(S1)

博士论文
[1]斯特林型脉管制冷机声功匹配机理与实验研究[D]. 姜晓.浙江大学 2017
[2]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[D]. 方凯.浙江大学 2015
[3]液氮温区大功率斯特林型脉管制冷机回热器温度不均匀性及性能优化研究[D]. 孙久策.浙江大学 2013
[4]大冷量斯特林制冷机用动磁式直线压缩机关键部件及整机性能研究[D]. 陈楠.上海交通大学 2007

硕士论文
[1]回热式制冷系统用直线压缩机的研究[D]. 何明顺.华中科技大学 2007



本文编号：3183583