大冷量整体式斯特林制冷机工作特性研究

发布时间：2017-10-07 17:42

  本文关键词：大冷量整体式斯特林制冷机工作特性研究

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【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。
【关键词】：高温超导 斯特林制冷机 数值模拟 性能测试 优化设计
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TB651
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-8
• 主要符号表8-11
• 1 绪论11-21
• 1.1 研究背景及意义11-14
• 1.2 液氮温区千瓦级大冷量回热式制冷机简介14-16
• 1.3 斯特林制冷机研究现状16-18
• 1.3.1 斯特林制冷机发展简史16-17
• 1.3.2 国外针对曲柄连杆驱动的大冷量斯特林制冷机的研究现状17
• 1.3.3 国内针对曲柄连杆驱动的大冷量斯特林制冷机的研究现状17-18
• 1.4 研究中存在的问题18-19
• 1.5 本文工作19-21
• 2 斯特林制冷机的理论基础21-39
• 2.1 制冷机工作原理21-23
• 2.2 斯特林循环分析方法23-27
• 2.3 制冷系统热力学分析27-32
• 2.3.1 制冷系统整体热力学分析27-28
• 2.3.2 理想制冷机内能量流分析28-32
• 2.4 相位理论32-35
• 2.4.1 交变参数的向量表示32-33
• 2.4.2 理想制冷机各部分的质量累计效应33-35
• 2.5 不可逆损失35-38
• 2.6 本章小结38-39
• 3 斯特林制冷机的数值模拟39-71
• 3.1 制冷机介绍39-41
• 3.1.1 制冷机结构及参数39-40
• 3.1.2 制冷机工作参数40-41
• 3.2 制冷机物理模型41-51
• 3.2.1 数值模拟软件Sage介绍41-42
• 3.2.2 制冷机建模假设条件42-43
• 3.2.3 制冷机整机建模43-51
• 3.3 制冷机内工作状态分析51-57
• 3.3.1 能量流分布51-54
• 3.3.2 损失分析54-56
• 3.3.3 相位图56-57
• 3.4 优化设计57-69
• 3.4.1 相位优化57-64
• 3.4.2 电机匹配优化64-65
• 3.4.3 回热器优化65-67
• 3.4.4 水冷器优化67-69
• 3.5 本章小结69-71
• 4 斯特林制冷机的实验研究71-81
• 4.1 实验系统介绍71-74
• 4.1.1 驱动电机71-72
• 4.1.2 冷水机组72
• 4.1.3 真空绝热系统72
• 4.1.4 数据测量系统72-74
• 4.2 实验结果分析74-79
• 4.2.1 降温曲线74
• 4.2.2 压力波动74-75
• 4.2.3 性能曲线75-77
• 4.2.4 压力影响77-78
• 4.2.5 冷却水温影响78-79
• 4.3 本章小结79-81
• 5 结论与展望81-83
• 5.1 结论81-82
• 5.2 展望82-83
• 参考文献83-89
• 攻读硕士学位期间所取得的科研成果89-91
• 致谢91

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