基于传输管的三级级联脉管制冷机实验研究

发布时间:2019-12-05 13:26
作者:chinacryo

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引 言

脉管制冷机是回热式低温制冷机的一种,半个世纪以来,发展出不同的结构形式,主要包括基本型、小孔气库型、双向进气型和惯性管气库型脉管制冷机。伴随着结构形式的改变,其制冷效率不断增加。脉管制冷机采用气体活塞代替排出器,同样可以使回热器获得较好的相位,因此,脉管制冷机较斯特林制冷机、G-M制冷机具有低振动、高可靠性的内在优势。有得有失,高机械可靠性的代价是部分声功以热量形式在惯性管气库耗散,因此,脉管制冷机本征效率为Tc/Th,达不到卡诺效率Tc/(Th-Tc)。这大大限制了脉管制冷机在较高制冷温区(如LNG温区)的应用,如何回收这部分在脉管热端耗散声功,成为近年脉管制冷机研究的一个趋势。

针对声功回收,主要有3种回收方式:其一通过引入运动部件回收声功;其二是加入环路实现声功回收;第三种则是Swift等人提出的通过四分之一波长脉管回收声功。受四分之一波长脉管制冷机启发,在2015年[6]提出一种可回收声功的级联型脉管制冷机,理论分析表明,随着级联数增加,该制冷机制冷效率无限逼近卡诺效率,实验表明,固定输入电功率500 W,233 K制冷温度时,两级级联脉管可获得241.6 W制冷量,其中第二级脉管制冷机可回收66.6 W制冷量,制冷效率较单级脉管制冷机提高33%。

计算表明,第二级制冷机仍有约80 W声功在脉管热端耗散,因此,进一步引进第三级脉管制冷机回收这部分耗散声功。同样地,计算得233 K制冷温度时,三级级联脉管制冷机较单级脉管制冷机制冷效率提高38.5%。


三级级联制冷机设计

使用现有线性压缩机作为压力源,设计工况为500 W输入功率、60 Hz工作频率、2.5 MPa充气压力,结合Regen和Sage,三级级联脉管制冷机设计工况见表1,可以看到,相同输入功率下,三级级联脉管制冷机较单级脉管制冷机制冷效率提高38.5%。

理想传输管中并没有考虑管内摩擦及其它不可逆因素,例如为使管内体积流量幅值较小,应减小管截面积,但这样会加剧管内湍流,增加损失,而增加管截面积,未达到所需调相角度,则需增加管长,这样也会增加损失。因此在实际设计时需要考虑这些损失所带来的影响。将Sage中计算所得的传输管入口条件代入式(10)、式(11)可以得到一级传输管、二级传输管内忽略损失、不忽略损失时,压力、体积流量幅值,声功(PV)分布情况(图5)。其中一级传输管A0=2、L=0.414λ,二级传输管A0=1、L=0.371λ(1/4波长脉管制冷机中A0<1,L=λ/4)。可以看到,不考虑流动损失、换热损失时,压力、体积流量幅值呈现无衰减的周期变化,声功也保持不变,Sage中加入不可逆损失后,压力、体积流量幅值均沿管长衰减,且声功也单调减小。

图6表示根据Sage计算所得级联脉管制冷机内相位关系,下标h、c、hpt分别表示回热器热端、回热器冷端、脉管热端。p1、p2、p3分别表示一级、二级、三级压力波。一级传输管分别将压力波、质量流量相位扭转167.6°、112.0°,这样,二级制冷机回热器热端质量流重新超越压力波20.1°。二级传输管分别将压力波、质量流量相位扭转162.0°、97.7°,这样,三级制冷机回热器热端质量流重新超越压力波18.3°。

表1 三级级联脉管制冷机设计结果对比

Table 1 Comparisons among calculated results of single stage,two-stage cascade PTC and three-stage cascade PTC


实验装置

在已有两级级联脉管制冷机(输入电功500 W、制冷温度233 K时,该两级级联脉管制冷机制冷量为241.6 W)基础上串联第三级制冷机。三级级联脉管制冷机三维模型见图7,表2展示了其各部件主要特征尺寸。由于制冷温度为233 K,故制冷机冷端采用方便可行的非真空珠光砂绝热。温度计精度为0.1 K。各级冷头均布加热电阻,采用热平衡的方式测试制冷量,整机共安装有5只压力传感器(布置位置见图7),其中P2可测静压,其它4只仅作动压测试使用。静压压力传感器由机械式指针压力表标定。



图6 级联型脉管制冷机相位关系图
Fig.6 Phase diagram of three-stage cascade PTC


图7 三级级联脉管制冷机模型图
Fig.7 Experimental setup of a three-stage cascade PTC


表2 三级级联脉管制冷机主要结构参数

Table 2 Designed parameters of three stage cascade PTC


4 实验结果及讨论

通过热平衡法,调节各级加热电阻功率,可得到各级制冷机在233 K制冷量,测试得一、二、三级制冷机制冷量分别为164.9 W、70.7 W、18 W,总制冷量为253.6 W(图8),较单级制冷机额外获得72.3 W制冷量,制冷效率增加39.9%。较两级联脉管制冷机额外获得12 W制冷量,性能提升5.0%。级联脉管制冷机将脉管热端本应耗散声功逐级回收,随着级数的增加,脉管制冷机理论效率也会不断趋近卡诺效率,三级级联脉管制冷机实验进一步验证该理论。


图8 级联制冷机性能对比图
Fig.8 Compasison of cooling power

图9显示制冷温度为233 K时,背压腔(P1)、第一级(P2)、第二级(P3)、第三级(P4)制冷机内压力波形,第二级入口处压力波滞后于第一级入口处压力波170.8°,三级入口处压力波滞后于二级入口处压力波165.3°,与模拟值167.6°、162.0°一致。验证了传输管扭转相位、传递声功的可行性。

图9 实测制冷机压力波形图

Fig.9 Measured pressure waves of three-stage cascade PTC

从图8所示的各级理论制冷量与实验测得制冷量的对比图中,可以看到随着级数的增加,第一级制冷机的制冷量分别是181.3 W、175.0 W、164.9 W,性能逐渐恶化。图10所示,3种运行条件下,随着运行级数的增加,第一级制冷机内相位关系逐渐被压缩,回热器中部质量流与压力波相位开始偏离,导致第一级制冷机性能不断恶化。因此,由于该三级级联脉管制冷机是在现有第一级、第二级制冷机基础上设计的,随着运行级数的增加,在增加总制冷量的同时,有可能会恶化前级制冷机性能。在设计声功回收型多级级联制冷机时,应对整机重新进行优化,这样才能获得更好的性能。


图10 3种运行工况下第一级制冷机内理论相位关系对比
Fig.10 Calculated phase diagrams of the 1st stage PTC under three operations

结 论

为进一步验证级联脉管制冷效率向卡诺效率逼近的可能,在已有声功回收两级级联制冷机基础上,引入第三级声功回收脉管制冷机,给出理想传输管内声波传输规律,并量化分析传输管内相位扭转情形。从理论、实验两方面验证三级级联脉管制冷机回收声功的可行性。实验测得,500 W输入电功、233 K制冷温度时,该结构共可获得253.6 W制冷量,较单级脉管制冷机增加39.9%,较两级级联脉管制冷机效率增加5.0%。


作者:赵钦宇、王龙、甘智华、 金泽远

by《低温工程》


标签:三级制冷机低温制冷机制冷设计

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