商用斯特林制冷机热力过程的数值模拟.pdfVIP

中国工程热物理学会 工程热力学与能源利用 2002学术会议 编号：021088 商用斯特林制冷机热力过程的数值模拟 刘迎文何雅玲李惠珍 西安交通大学能源与动力工程学院， 西安， 710049 Tel：029-·2663851 E-·mail：yalinghe@。mail．xitu．edu．en 摘要： 本文运用变质量系统热力学原理，提出综合分析斯特林循环中热力、传热和交变流动过程的 计算机全模拟分析方法．以深圳益可制冷公司生产的M-21型商用斯特林制冷机为例进行，典型计算， 得到了斯特林制冷循环过程全部热力参数的瞬时变化和一个周期内的循环参数，较为真实地反映r商 用斯特林制冷机的实际工作过程，为商用斯特林制冷机设计和改进提供了可靠的理论计算依据． 关键词： 数值模拟 斯特林循环低温工程 一、引言 自十九世纪六十年代，柯克(A．Kirk)将斯特林循环的逆循环用于制冷领域以来， 斯特林制冷机已广泛应用于遥感遥测、电子技术、航天航空和低温超导等新一代工业技 术、军工和科研部门，但由于相对技术难度及成本等原因，一直未能将这该技术延伸到 民用商品的制冷设备中。随着CFC替代问题的提出，国内外也开始关注斯特林制冷技术 的民用化研究。例如，美国马拉卡(Malaker)博士在六十年代即开展斯特林制冷技术的 民用化研究，将斯特林制冷技术用于40英尺冷藏拖车，运送桔子原汁效果良好”’”。美 国Sunpower公司开发了200立升超低能耗冰箱，采用斯特林制冷机制冷，运行的平均功 率只有8瓦，每年耗电量为70千瓦时，而常规的电冰箱一年的耗电为300千瓦时。 本文为此对商用斯特林制冷机的热力动态过程进行了必要的计算机模拟，采用的方 法如下：按实际机器结构化分子系统，同时考虑热力、传热和流动过程，运用变质量系 统热力学原理，列出微分方程，用计算机求解，得到机内全部热工参数的瞬时变化和一 周期的循环参数，从而较真实地揭示了循环的实际工作过程。并以深圳益可制冷公司生 产的M一21型斯特林制冷机为例作典型计算，并与实验结果进行了对比，二者吻合的很好， 从而说明完全可以用该计算机模拟斯特林制冷机的工作过程，并对斯特林制冷机的设计 和改进提供依据，具有工程实用性．M一21型斯特林制冷机的结构见参考文献[6，7]。 基金项目：国家973重点基础研究发展规划资助项目(No．G2000026303)和国防科技重点实验室基 金项目(No．00JS65．4．1J10807) 二、物理模型 考虑到斯特林制冷机内部实际上是一个不均匀系统，按实际制冷机的五个部件—— 膨胀墙、冷量换热器、回热器、冷却器和压缩腔，将制冷机划分五个子系统，如|{}】1所 示。规定子系统间界面的质量流率的正负为：图l所式的方向为正，反之为负，压缩腔、 冷却器和膨胀腔、冷景换热器的壁面温度均取定值，分别为7矗和7k，I：质遵循理想 气体性质。 昌察 ： 州c 、＼弋。＼ TWE1 o j jj ＼、j j I l膏蒂哥 CK KR RHHE 雪 r_R～ 图1 斯特林制冷机的物理模型 三、控制方程 控制方程是理论模型的数学描述，是其核心部分。本文用连续方程、能量方程、动 量方程、填料能量方程、状态方程以及容积变化‘3肄方程来对斯特林制冷机的物理模型 进行数学描述。 dm 连续方程 ． ． 2所m一肌“f