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GM型脉冲管制冷机热力学损失分析

放大字体  缩小字体 发布日期:2018-03-20  来源:中国冷凝器网  浏览次数:489

  GM型脉冲管制冷机热力学损失分析°巨永林(中国科学院理化技术研究所低温中心,北京2711信箱100080)了制冷系数(COP)的理论公式,给出了COP的定量结果,并与斯特林型脉冲管制冷机进行了对比结果发现,由于气体在旋转阀中的不可逆损失,使得压缩机功耗增大,降低了GM型脉冲管制冷机的COP双向进气的效果取决于温降比,在较低的制冷温度(较大的Th/Tl)时作用更加明显。

  1前言脉冲管制冷机是利用一股压力周期性变化的气流在一根低导热率的管中振荡来完成制冷过程的由于低温端无运动部件,解决了振动磨损等问题,是适用的要求长寿命的理想制冷机。

  与传统的GM和斯特林制冷机的根本区别在于,脉冲管制冷机的低温端没有机械运动活塞,以薄壁管内振荡的“气体活塞”代替冷端作往复运动的排出器它们的热力循环是类似的,都是通过一个室温工作的压缩机产生压力波动和质量流,使之通过一个填有大比热多孔介质的蓄冷器,通过调节蓄冷器另一端的压力波和质量流之间的相位差,获得制冷效果。对于GM和斯特林制冷机,这个相位差是由冷端活塞或排出器与压缩机活塞以一定相位关系的相对运动来实现的而对于脉冲管制冷机,这个相位差是通过热端的相移器调节“气体活塞”的运动来实现的,所以提高其效率的根本原因在于合适的相移器小孔和双向进气是两种最常用的调相结构另外,多路旁通、移动活塞、四阀式、主动气库、惯性管和第二小孔首次研制成功了一台获得液氦温度的三级脉冲管制冷机1997年德国Giessen大学的研究人员研制成功了一台二级脉冲管制冷机,获得2. 6K的低温并利用该装置成功地液化了氦气和冷却小型超导磁体1999年采用3He为工质的三级脉冲管制冷机获得了1.75K的低温,已经低于4He的入点转变温度目前,美国的CI.yomech巨永林:GM型脉冲管制冷机热力学损失分析公司已研制成功了0.5W两种系列的脉冲管制冷机产品以上制冷机都是采用商用的氦压缩机加一旋转阀系统提供压力波动的,我们称为GM型脉冲管制冷机,如所示与斯特林型脉冲管制冷机不同的仅在于压缩机一端理想情况下压缩机(一般是水冷却)是工作在等温可逆状态,压缩热通过水冷却器排出,脉冲管制冷机通过旋转阀系统交替地与低压气和高压气pH管路相连本文将对GM型脉冲管制冷机及旋转阀系统进行热力学和损失分析,针对脉冲管内部压力波动是正弦波形的情况,推导制冷系数(COP)的理论公式,给出COP的定量结果考虑所示的控制体的右面(包括旋转阀和连接管道),由热力学第二定律:这里Sv是气体在旋转阀内部流动时的不可逆熵2热力学分析为GM型脉冲管制冷机的压缩机和旋转阀部分的焓流和熵增示意图。考虑控制体的左面(包括压缩机和水冷器),应用热力学第一、二定律进行分析,经过推导(详见),得到:如果压缩机工作在理想的可逆状态,将气体从低压端,压缩到高压端pH,压缩机的功耗为:这里C1和C2是小孔和双向进气的导流系数。气体在脉冲管热端的速度可以表示为:气体在脉冲管冷端的速度为:假设气体的流量与蓄冷器的长度l无关,则蓄冷器的压力降可以表示为:Zr和Lr分别是蓄冷器的阻力系数和总长,Te为有T效温度,CrH是蓄冷器室温时的导流系数a定义为:+低温与特气通过蓄冷器的体积流量可以简单地表示为:因而,GM型脉冲管制冷机COP表达式为气体在脉冲管冷端的速度:中公处的压力波动:上式可以表示为(18)和(19),通过蓄冷器的质量流量为:根据式(11),通过双向进气的质量流量为:表示将式(25)和(26)相加,在半个周期内进行积分并求平均值,得到通过压缩机的平均质量流量为:当忽略蓄冷器阻力:Cr―m,我们可以得到理想的脉冲管制冷机COP的表达式这表明GM型脉冲管制冷机的制冷系数低于斯特林型脉冲管制冷机前面已经提到,与斯特林型脉冲管制冷机不同的仅在压缩机一端,GM型脉冲管制冷机有一旋转阀系统由于气体在旋转阀中的不可逆损失,使得压缩机耗功增大,降低了GM型脉冲管制冷机的制冷系数。由式(21),有T1/C1,代入(32)中,可以发现,对于斯特林型脉冲管制冷机,其COP最大值对应于T= 1根据公式(21),这意味着在脉冲管的冷端,气体质量流量和压力之间的相位差0等于4,这个相位差已经被实验证实将T=1代入关系式(34)中,有这表明在忽略蓄冷器阻力的理想情况下,GM型脉冲管制冷机的制冷系数仅为斯特林型脉冲管制冷机的55%将T=1代入一般关系式(30)和(32)中,得到:将式(24)和(27)代入式(3),压缩机的功耗可以表示为:厂+巨永林:GM型脉冲管制冷机热力学损失分析3(a)和(b)分别给出了COPsin/ /Th)随不同制冷温度TL和C2 /Cr的变化规律,我们取实验测量值G =0.46819.这两个图考虑了不同制冷温度的影响比较(a)和(b),可以发现,对于特定的制冷温度Tl,GM型脉冲管制冷机的COPsi总是小于斯特林型脉冲管制冷机的COPst同时我们发现双向进气在较低温度时效果更加明显,对制冷系数的影响更大也就是说,存在一临界制冷温度Tlq当制冷温度TL低于该临界制冷温度Tl(时在T=气才起作甩同时,存在一最佳双向进气开度C2,使得双向进气型脉冲管制冷机在制冷温度Tl时获得最大的制冷系数。反之,如果制冷温度Tl高于该临界制冷温度Tlq:,双向进气对脉冲管制冷机不起作用,无论是GM型还是斯特林型脉冲管制冷机制冷系数随不同制冷温度TL和C2/Cr的变化规律5结论本文对GM型脉冲管制冷机及旋转阀系统进正弦波形的情况,推导出了制冷系数COP的理论关系式,给出了COP的定量结果,并与斯特林型的脉冲管制冷机进行了对比结果发现,由于气体在旋转阀中的不可逆损失,使得压缩机耗功增大,降低了GM型脉冲管制冷机的COP双向进气的效果取决于温降比,在较低的制冷温度区域(较大的Th/Tl)时作用更加明显。我们还将给出其它压力波形时的COP的计算关系式

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