脈管制冷機課件

脈管制冷循環(huán)1、模型的提出1963年，美國學者吉福特（Gifford）和朗斯沃斯（Longsworth）最早提出了脈管制冷的設(shè)想。該方案的基本原理是設(shè)法對一根管子交替的進行加壓和減壓，并且同時防止管內(nèi)氣體的紊流混合，利用高低壓氣體對脈管內(nèi)空腔的充放氣過程來實現(xiàn)制冷效果?；拘兔}沖管制冷機的結(jié)構(gòu)如下圖所示：2、基本型脈沖管制冷機的結(jié)構(gòu)制冷流程由壓縮機、旋轉(zhuǎn)閥、回熱器、熱交換器、導(dǎo)流器、脈管本身及脈管封閉端的水冷卻器組成?；拘兔}管制冷機的結(jié)構(gòu)如下圖所示：圖中：1、旋轉(zhuǎn)閥塞；2、回熱器；3、冷端換熱器；4、脈管；5、水冷卻器；6、導(dǎo)流器4、基本型脈管制冷機的工作過程西蒙膨脹制冷：1932年，德國人西蒙（Simon）利用放氣過程獲得低溫并且制成小型的氦液化器，稱為西蒙膨脹。這一利用放氣的過程獲得低溫的方法并不是新的方法，我們知道剛性容器的絕熱放氣過程必為降溫的過程，這種過程在低溫制冷機技術(shù)領(lǐng)域得到了很實際的應(yīng)用?；拘兔}管制冷循環(huán)的工作過程：當旋轉(zhuǎn)閥處于進氣位置的時候，來自壓縮機的高壓氣體先通過回熱器被冷卻到制冷溫度后計入換熱器HC和層流化元件，以層流形式進入脈管，在管內(nèi)不混合，先進入的氣體受到后進入的氣體的壓縮作用，溫度逐步升高，層流氣體流到換熱器HH時溫度升到到，旋轉(zhuǎn)閥進入關(guān)閉位置時，加壓進氣過程完成。加壓進氣完成的時候，脈管內(nèi)氣體處在靜止期，此時換熱器HH內(nèi)的氣體得到了冷卻，溫度由Tm下降到Ta。接下來，進入排氣過程，換熱器HH端的氣體同樣以層流的形式向脈管開啟推進，同時由于膨脹壓力降低，氣體溫度逐步下降，當氣體回到換熱器HC時，氣體溫度下降到Ti（Ti<Tc)因此氣體在換熱器HC中將從外界Tc吸熱，實現(xiàn)制冷作用。最終，氣體經(jīng)過回熱器流動到壓縮機入口段，并且在回熱器得到加熱。為保證氣體層流運動，比且保證換熱器有足夠時間換熱，進氣排氣過程一般都比較短，靜止期較長。整個工作循環(huán)脈管內(nèi)的氣體可以分為三個部分。第一是脈管內(nèi)部原有的氣體，這些氣體不進入換熱器HC，進排氣溫度變化如下圖虛線所示。第二部分是進排氣過程中既通過換熱器HC，又進入HH中的氣體，溫度變化如圖中實線所示，排氣為虛線，這部分氣體產(chǎn)生制冷作用。第三部分在勁氣過程中恰好流動到HH入口，只留到脈管內(nèi)部不進入HH，其經(jīng)歷的溫度變化如下圖中實線所示。圖：脈管制冷機及溫度分布：5、脈管制冷機熱力學分析假設(shè)：脈管內(nèi)壁是絕熱的，不考慮氣體與脈管內(nèi)壁的熱量交換效應(yīng)，同時認為管內(nèi)氣體的流動是平面流動，不考慮氣體與內(nèi)壁的粘性作用，并且脈管內(nèi)部氣體為非均勻的。簡化分析：提出如下圖所示的物理模型：結(jié)論2：在脈管制冷過程中，我們知道只有第二部分的氣體才能通過換熱器HC中對外界產(chǎn)生制冷作用，對于脈管來說，換熱器HC中制冷量在理想狀態(tài)下應(yīng)等于與冷卻水所交換的熱量，即：結(jié)論3、根據(jù)結(jié)論1推出的計算溫度分布可以如下圖所示，可以看出，若脈管內(nèi)溫度梯度顯著，隨著長度的增加，體積比越大，減壓排氣的時候HC入口溫度越低，制冷效果越顯著。7、表面泵熱原理1965年，吉福特和朗斯沃斯提出了表面泵熱原理，證明了脈管內(nèi)壁與氣體的換熱對制冷機理起決定作用。假設(shè)：脈管內(nèi)氣體沒有紊流混合，存在有右圖的溫度分布，以任意微元m為分析對象，其在脈管加壓進氣前處于圖中a點，此時微元工質(zhì)與管內(nèi)壁處在熱力平衡狀態(tài)，參數(shù)為P1，Ta，Va。結(jié)論：脈管工作過程中，內(nèi)部工質(zhì)微元實現(xiàn)的功能是將熱量從溫度較低的表面a到d輸送到溫度較高的表面b到c，不同位置的微元經(jīng)歷著類似的循環(huán)和泵熱作用。表面泵熱就是利用一端封閉的管內(nèi)氣體的交替壓縮與膨脹作用，實現(xiàn)工質(zhì)與管壁的熱交換作用，依靠脈管內(nèi)微元的作用來實現(xiàn)熱量由一端（HC）到另一端（HH）.即在低溫段進行制冷，在高溫端排出熱量，實際上進出換熱器HH的只是一小部分工質(zhì)氣體，依靠這部分氣體來實現(xiàn)制冷。為保證工質(zhì)與管壁有足夠的換熱時間，要求脈管在一個完整的工作周期內(nèi)靜止期要占很長時間，脈管脈動頻率不能太快也不能太低，太低的話易造成工質(zhì)的穩(wěn)流混合造成效率降低。8、泵熱率和制冷量泵熱量和制冷量的區(qū)別：二者是兩個不同的概念，泵熱率是指從換熱器HH測量確定的單位時間的換熱量；制冷量是指從換熱器HC測定的確定的外界加入脈管的熱量。若無不可逆損失，二者相等，實際過程中不可逆損失存在，主要包括不完全回熱和軸向?qū)帷Ｒ虼吮脽崧手该}管的總泵熱效果，大小應(yīng)為制冷量與內(nèi)部損失之和。朗斯沃斯針對多種不用規(guī)格的脈管進行了實驗研究，脈管的幾何規(guī)格及主要實驗結(jié)果如下圖所示：9、實驗結(jié)論：（1）：泵熱量和制冷量與脈管冷端溫度呈線性關(guān)系，泵熱率為零的時候溫度稱為極限冷端溫度表示為（2）：表征脈管內(nèi)傳熱的特征數(shù)為傅里葉數(shù)Fo，對于長度不同的脈管，若Fo相同，泵熱率也相同。Fo定義為：式中：a為氣體擴散率，n為脈管脈動頻率，D為脈管內(nèi)徑（3）：其他條件相同的時候，脈管的泵熱率正比于脈管長度。（4）：脈管泵熱率與壓力成正比，壓力比一定的時候，平均壓力越高，泵熱率越大。（5）：泵熱率隨著脈動頻頻率的增加而增加，脈動率的增加會減少氣體靜止期的時間，因此存在一個脈動最佳的頻率。（6）：根據(jù)實驗結(jié)果，泵熱率的經(jīng)驗公式為：10、優(yōu)缺點及基本應(yīng)用情況脈管制冷機的最大優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，尤其是結(jié)構(gòu)中沒有低溫下的運動部件，好處是機器可靠性高，膨脹及振動小，缺點是制冷效果差，每一級降溫都不大。實驗證實，熱源為室溫的時候，單機脈管的冷端溫度可以達到124K，未獲得更低的溫度，可將脈管進行串聯(lián)。當前，脈管制冷機正向著微型化和實用化方向發(fā)展，中、日、法、德、美、荷等國家研制出了不同結(jié)構(gòu)的脈管制冷機，在低溫區(qū)，目前所報道的最低溫度可以達到1.78K，同時第一臺制冷量為0.5W并且溫度為4.2K的商用脈管制冷機已經(jīng)在美國的Cryomech低溫設(shè)備公司問世，對于液氦區(qū)，脈管制冷機的性能有的已經(jīng)達到了斯特林機的水平。內(nèi)容補充：帶有切換閥的基本型脈沖管制冷機:由于氣體在通過閥門時有節(jié)流損失而降低了制冷效率?？赡婊拘兔}沖管制冷機:直接利用活塞在氣缸內(nèi)往復(fù)運動，使制冷系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生壓力波動而導(dǎo)致脈沖管內(nèi)氣體的壓縮和膨脹過程。圖3-89可逆基本型脈沖管制冷機原理圖1—活塞2—水冷卻器3—脈沖管4—負荷換熱器5—回熱器

下圖：相同壓比下帶切換閥式脈沖管與可逆基本型脈沖管內(nèi)部壓力波圖。

a-基本型脈沖管b-可逆基本型脈沖管.圖：基本型脈沖管的能量傳遞及壓力與流速的相位關(guān)系

小孔型脈沖管制冷機小孔型脈沖管制冷機中由于小孔和氣庫的加入，制冷機理發(fā)生了變化，運轉(zhuǎn)頻率也大幅度提高?？疾烀}沖管熱端的焓流變化，因為氣庫的容積大，其壓力基本穩(wěn)定為系統(tǒng)的平均壓力，熱端的氣體流向取決于脈沖管與氣庫的壓差。

小孔對P和u的振幅有調(diào)節(jié)作用，小孔開度增大，壓力振幅減小，流速振幅增大。這樣小孔型脈沖管中冷端氣團可以向斯特林制冷機中的膨脹活塞一般獲得一定的相位需求，利用膨脹功制冷。

脈沖管由冷端向熱端的泵熱能力大大增強。多路旁通脈沖管制冷機多路旁通方案對制冷過程的影響主要在于它在旁通點處形成了一次膨脹制冷過程。在多路旁通處一股焓流由回熱器流入脈沖管中，旁通點成為制冷部位。其在低溫區(qū)性能優(yōu)越的主要原因是脈沖管旁通部位加一換熱器以利于制冷，出現(xiàn)兩次膨脹制冷過程多路旁通脈沖管制冷機中的能量傳遞雙活塞脈沖管制冷機雙活塞脈沖管制冷機能克服小孔調(diào)節(jié)作用對于P和u的相位匹配并不是完美的缺陷，采用一配氣活塞來調(diào)節(jié)脈沖管中P和u的相位。配氣活塞與