Hampson型翅片管换热器的数值模拟和实验研究

发布时间：2020-05-12 09:55

【摘要】：微型节流制冷器因其快速冷却、结构简单紧凑等特性而被广泛的应用在红外探测器、超导量子干涉器件、热像仪等器件的冷却当中。而微型节流制冷器性能的好坏又取决于翅片管换热器内的流动特性与传热特性。相比于国外的研究进展和先进技术,目前我国微型J-T制冷器还处于起步阶段,基础研究比较匮乏,这严重制约着国内微型节流制冷器的发展。本文针对Hampson型微型节流制冷器,以Hampson型翅片管换热器的数值模拟为基础,在热力学计算过程中采用效能-传热单元数法,并且在变工况下模拟得到Hampson型翅片管换热器的热力性能。利用搭建的实验平台对上述数值模型进行验证的同时,也对部分无法通过数值模拟得到的参数进行了实验研究。之后对Hampson型节流制冷器进行单因素的优化分析,并采用响应面优化法进一步对Hampson型翅片管换热器的结构参数进行多因素的优化分析,最后利用遗传算法对可用能损失和理论制冷量进行了双目标优化分析,进一步提高换热器的综合热力性能,为Hampson型节流制冷器的优化研究提供了新的思路和方法。本文主要包括以下内容:(1)针对Hampson型翅片管换热器,充分考虑了流道的几何形状,流体物性的变化,流动的不均匀性,建立了以氮气及氩气为工质的稳态数值模型,基于有限差分法及EES软件平台,开发了Hampson型翅片管换热器的仿真程序,并利用搭建的实验平台进行了实验验证,证明本模型的可靠性。(2)利用数值模型计算得到了换热器稳态工作时的温度分布和压力分布。其次对换热器内部的流动与传热进行了详尽分析,包括换热热阻的沿程分布,换热量的沿程分布及可用能损失的沿程分布。(3)利用搭建的实验平台对Hampson型节流制冷器的稳态特性进行了实验研究。研究得到了在制冷工质分别为氮气和氩气情况下时,高压侧进气压力与背压的关系,不同翅片间距情况下背压的变化情况,不同换热器轴向长度对制冷器稳定工作温度的影响,以及不同环境压力情况下制冷器稳定工作温度的变化情况。同时,将测量得到的实验数据代入到数值模型的初始条件中,进一步加强了模型的可靠性。(4)利用数值模型对Hampson型翅片管换热器进行了单因素优化分析。在制冷工质分别为氮气和氩气的情况下,分析得到了不同质量流量时,换热器的换热效率及制冷器理论制冷量的变化关系,同时还分析了换热器轴向长度对理论制冷量的影响。(5)在数值仿真的基础上,利用了响应面优化法(RSM)来优化换热器的结构参数。基于可用能损失和理论制冷量的优化目标,对毛细管内径、翅片高度、翅片间距及换热器轴向长度四个参数进行了优化,分别得到了使可用能损失最小以及使理论制冷量最大时的结构参数。同时,采用了遗传算法同时对可用能损失和理论制冷量进行优化分析,得到了使二者综合最优时的结构参数。
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英国 hymatic 公司的自调式节流制冷薄壁芯轴（c）翅片管换热器缠绕在该密阀针（e）最终组件-T 节流制冷器上一个非常重要的部其工作性能的好坏将直接影响制冷气体，通常是低压回流通道气体率一般高于高压入口[2]。热器结构由 Hampson[2]在 1895 年Hampson 型翅片管换热器因其结

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击振动能力强等特点被广泛的应用在快速冷却的微型节器启动到达到最低温度的时间在一分钟以内，甚至短至 1.2 所示，汉普逊换热器采用带外肋片的管，然后翅片管得高压入口气体作螺旋绕流，低压回流流体在杜瓦内壁与动，其流动方向几乎垂直于翅片[4]。设计一款这样的换热：压力管和翅片的材料和尺寸，翅片的绕制密度，翅片与常情况下，，外部翅片表面积与内部表面积的比值约为 8 -1和绕制密度。而管子的内径和外径则一般分别为 0.25 - 在目前的实际应用中，压力光多采用不锈钢管，翅片则有采用银翅片[5]的研究,翅片和光管多用电镀的方法粘接在镀层多采用锡，有时也会用银[6]作为镀层材料。中国兵器科学研究院(昆明物理研究所)
【学位授予单位】：中国兵器科学研究院(昆明物理研究所)
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TK172

【参考文献】