6-3-回热式低温制冷机.ppt

§6-3回热式低温制冷机斯特林（Stirling）循环低温制冷机吉福特－麦克马洪（Gifford－McMahon）循环低温制冷机脉管制冷机1、Stirling循环制冷机Stirling循环循环示意图Stirling循环T-s图Stirling循环制冷机的研究进展线性电机运动部件少活塞与气缸侧向受力小挠性轴承径向刚性支撑，轴向软弹簧：气缸壁和活塞无接触（10～20mm间隙）牛津型Stirling制冷机磁悬浮轴承：结构、控制比较复杂对置双活塞结构：消除振动2、Gifford－McMahon循环制冷机G-M循环制冷机是Stirling循环制冷机的变体1956年由Gifford、McMahon发明有两个等容过程、两个等压过程组成可用普通油润滑压缩机G－M制冷机工作过程G－M制冷机工作过程G－M制冷机工作过程G－M制冷机工作过程G-M制冷循环在P－V图上的表示循环经历过程1－2：等容充气2－3：等压充气3－4：等容放气4－1：等压放气G-M循环制冷机的研究回热器效率排出器轴向导热的影响回热器内气体的交互换热旋转阀的可靠性排出器性能及可靠性3、脉管制冷机基本型1963Gifford、Longsworth发明两种循环基本循环可逆循环效率低小孔型1985年Mikulin提出效率大大提高，走向实用谐振型（热声型）3.1、基本型脉管制冷机基本工作原理3.1、基本型脉管制冷机基本工作原理脉管制冷机的工作原理脉管内始终存在温度梯度脉管中间部分气体从未离开脉管，只在管内振荡，隔离了脉管冷、热端脉管内气体中间部分起到G-M制冷机排出器的作用脉管长度要足够大表面泵热理论表面泵热理论气体微团经历绝热压缩、冷却、绝热膨胀、吸热循环循环的结果形成脉管轴向温度梯度工作频率↑→气体与管壁换热不充分工作频率↓→轴向导热↑制冷量不大，效率不高，温度不够低（165K）基本型脉管制冷机的两种形式采用切换阀的基本型脉管制冷机－G-M型脉管制冷机（基本循环）采用无阀压缩机的基本型脉管制冷机－Stirlin型脉管制冷机（可逆循环）可回收膨胀功（飞轮储存）低温端无运动部件，简单可靠3.2小孔型脉管制冷机1985年Mikulin提出增加小孔和大气库小孔型脉管制冷机的特点气库中的压力波动很小工作过程中气体流进／出气库，热端换热器性能↑，增加了脉管内工质数量运转频率也大幅度提高大大提高了脉管制冷机的性能空气工质：105K；He工质：64K推动了脉管制冷的迅速发展至今单级脉管制冷机的最低无负荷制冷温度可低达20K。小孔型脉管制冷机的理论及发展制冷机理发生了很大变化Mikulin：经典分析法Peter：向量分析法Radebaugh：相位理论－基于焓流理论分析相位理论最广泛为人们所应用相位理论相位理论相位理论的重要结论相位理论给出的最重要的结论：φ＝0：即υ和p同相位时，H＝Hmax－制冷量达到最大。φ＝π/2：H＝0－不产生制冷量0φ≤π/2：H0－脉管制冷机产生制冷效应的必要条件，即有焓流从冷端流向热端。基本型与小孔型脉管的相位理论分析基本型：热端封闭：只有当dp/dt0时，qm0当dp/dt0时，qm0，如图理想情况：φ＝π/2→不制冷实际情况：管壁散热、轴向导热→φ≠π/2小孔型：气库压力几乎不变，通过小孔存在质量交换→qm不完全取决于dp/dtppav：脉管→气库（qm0）ppav：气库→脉管（qm0）相位理论的应用－相移器相位理论的提出，解放了研究者的思想，基于相位理论，已经提出了一系列新颖的相移器来改善脉管制冷机性能1989年，西安交大吴沛宜、朱绍伟首次提出用相移原理对脉管制冷进行数值分析。1990年，朱绍伟、吴沛宜等提出了双向进气理论，并在中国科学院低温实验中心进行了实验验证，把单级脉管的制冷温度从49K降为42K双向进气型脉管双向进气型脉管无功气体降低了回热器效率→不经过回热器，直接从压机出口引入脉管热端在较大范围内调节速度波和压力波的相位，使两者在相位上匹配得更好。双向进气对脉冲管中的动态参数具有调幅作用，脉管中压力振幅随之增大，也有助于提高制冷量。其他的脉管相移器脉管制冷机的应用及发展红外探测器军事空间技术半导体制造用低温泵医学最低制冷温度已进入液氦温区（1.78K）需解决的关键问题脉管的制冷效应与相移原理的定量关系多级脉管制冷循环方案及