脈管制冷機(jī)課件

脈管制冷循環(huán)1、模型的提出1963年，美國(guó)學(xué)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(duì)一根管子交替的進(jìn)行加壓和減壓，并且同時(shí)防止管內(nèi)氣體的紊流混合，利用高低壓氣體對(duì)脈管內(nèi)空腔的充放氣過(guò)程來(lái)實(shí)現(xiàn)制冷效果?；拘兔}沖管制冷機(jī)的結(jié)構(gòu)如下圖所示：2、基本型脈沖管制冷機(jī)的結(jié)構(gòu)制冷流程由壓縮機(jī)、旋轉(zhuǎn)閥、回?zé)崞鳌峤粨Q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(jī)的結(jié)構(gòu)如下圖所示：圖中：1、旋轉(zhuǎn)閥塞；2、回?zé)崞鳎?、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(jī)的工作過(guò)程西蒙膨脹制冷：1932年，德國(guó)人西蒙（Simon）利用放氣過(guò)程獲得低溫并且制成小型的氦液化器，稱(chēng)為西蒙膨脹。這一利用放氣的過(guò)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(guò)程必為降溫的過(guò)程，這種過(guò)程在低溫制冷機(jī)技術(shù)領(lǐng)域得到了很實(shí)際的應(yīng)用。基本型脈管制冷循環(huán)的工作過(guò)程：當(dāng)旋轉(zhuǎn)閥處于進(jìn)氣位置的時(shí)候，來(lái)自壓縮機(jī)的高壓氣體先通過(guò)回?zé)崞鞅焕鋮s到制冷溫度后計(jì)入換熱器HC和層流化元件，以層流形式進(jìn)入脈管，在管內(nèi)不混合，先進(jìn)入的氣體受到后進(jìn)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(shí)溫度升到到，旋轉(zhuǎn)閥進(jìn)入關(guān)閉位置時(shí)，加壓進(jìn)氣過(guò)程完成。加壓進(jìn)氣完成的時(shí)候，脈管內(nèi)氣體處在靜止期，此時(shí)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(lái)，進(jìn)入排氣過(guò)程，換熱器HH端的氣體同樣以層流的形式向脈管開(kāi)啟推進(jìn)，同時(shí)由于膨脹壓力降低，氣體溫度逐步下降，當(dāng)氣體回到換熱器HC時(shí)，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(shí)現(xiàn)制冷作用。最終，氣體經(jīng)過(guò)回?zé)崞髁鲃?dòng)到壓縮機(jī)入口段，并且在回?zé)崞鞯玫郊訜?。為保證氣體層流運(yùn)動(dòng)，比且保證換熱器有足夠時(shí)間換熱，進(jìn)氣排氣過(guò)程一般都比較短，靜止期較長(zhǎng)。整個(gè)工作循環(huán)脈管內(nèi)的氣體可以分為三個(gè)部分。第一是脈管內(nèi)部原有的氣體，這些氣體不進(jìn)入換熱器HC，進(jìn)排氣溫度變化如下圖虛線所示。第二部分是進(jìn)排氣過(guò)程中既通過(guò)換熱器HC，又進(jìn)入HH中的氣體，溫度變化如圖中實(shí)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(guò)程中恰好流動(dòng)到HH入口，只留到脈管內(nèi)部不進(jìn)入HH，其經(jīng)歷的溫度變化如下圖中實(shí)線所示。圖：脈管制冷機(jī)及溫度分布：5、脈管制冷機(jī)熱力學(xué)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(shí)認(rèn)為管內(nèi)氣體的流動(dòng)是平面流動(dòng)，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(jiǎn)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(guò)程中，我們知道只有第二部分的氣體才能通過(guò)換熱器HC中對(duì)外界產(chǎn)生制冷作用，對(duì)于脈管來(lái)說(shuō)，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(jì)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(zhǎng)度的增加，體積比越大，減壓排氣的時(shí)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(duì)制冷機(jī)理起決定作用。假設(shè)：脈管內(nèi)氣體沒(méi)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(duì)象，其在脈管加壓進(jìn)氣前處于圖中a點(diǎn)，此時(shí)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(guò)程中，內(nèi)部工質(zhì)微元實(shí)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(lèi)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(shí)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(lái)實(shí)現(xiàn)熱量由一端（HC）到另一端（HH）.即在低溫段進(jìn)行制冷，在高溫端排出熱量，實(shí)際上進(jìn)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(lái)實(shí)現(xiàn)制冷。為保證工質(zhì)與管壁有足夠的換熱時(shí)間，要求脈管在一個(gè)完整的工作周期內(nèi)靜止期要占很長(zhǎng)時(shí)間，脈管脈動(dòng)頻率不能太快也不能太低，太低的話(huà)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(gè)不同的概念，泵熱率是指從換熱器HH測(cè)量確定的單位時(shí)間的換熱量；制冷量是指從換熱器HC測(cè)定的確定的外界加入脈管的熱量。若無(wú)不可逆損失，二者相等，實(shí)際過(guò)程中不可逆損失存在，主要包括不完全回?zé)岷洼S向?qū)?。因此泵熱率指脈管的總泵熱效果，大小應(yīng)為制冷量與內(nèi)部損失之和。朗斯沃斯針對(duì)多種不用規(guī)格的脈管進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，脈管的幾何規(guī)格及主要實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下圖所示：9、實(shí)驗(yàn)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(shí)候溫度稱(chēng)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(duì)于長(zhǎng)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(kuò)散率，n為脈管脈動(dòng)頻率，D為脈管內(nèi)徑（3）：其他條件相同的時(shí)候，脈管的泵熱率正比于脈管長(zhǎng)度。（4）：脈管泵熱率與壓力成正比，壓力比一定的時(shí)候，平均壓力越高，泵熱率越大。（5）：泵熱率隨著脈動(dòng)頻頻率的增加而增加，脈動(dòng)率的增加會(huì)減少氣體靜止期的時(shí)間，因此存在一個(gè)脈動(dòng)最佳的頻率。（6）：根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，泵熱率的經(jīng)驗(yàn)公式為：10、優(yōu)缺點(diǎn)及基本應(yīng)用情況脈管制冷機(jī)的最大優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，尤其是結(jié)構(gòu)中沒(méi)有低溫下的運(yùn)動(dòng)部件，好處是機(jī)器可靠性高，膨脹及振動(dòng)小，缺點(diǎn)是制冷效果差，每一級(jí)降溫都不大。實(shí)驗(yàn)證實(shí)，熱源為室溫的時(shí)候，單機(jī)脈管的冷端溫度可以達(dá)到124K，未獲得更低的溫度，可將脈管進(jìn)行串聯(lián)。當(dāng)前，脈管制冷機(jī)正向著微型化和實(shí)用化方向發(fā)展，中、日、法、德、美、荷等國(guó)家研制出了不同結(jié)構(gòu)的脈管制冷機(jī)，在低溫區(qū)，目前所報(bào)道的最低溫度可以達(dá)到1.78K，同時(shí)第一臺(tái)制冷量為0.5W并且溫度為4.2K的商用脈管制冷機(jī)已經(jīng)在美國(guó)的Cryomech低溫設(shè)備公司問(wèn)世，對(duì)于液氦區(qū)，脈管制冷機(jī)的性能有的已經(jīng)達(dá)到了斯特林機(jī)的水平。內(nèi)容補(bǔ)充：帶有切換閥的基本型脈沖管制冷機(jī):由于氣體在通過(guò)閥門(mén)時(shí)有節(jié)流損失而降低了制冷效率?？赡婊拘兔}沖管制冷機(jī):直接利用活塞在氣缸內(nèi)往復(fù)運(yùn)動(dòng)，使制冷系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生壓力波動(dòng)而導(dǎo)致脈沖管內(nèi)氣體的壓縮和膨脹過(guò)程。圖3-89可逆基本型脈沖管制冷機(jī)原理圖1—活塞2—水冷卻器3—脈沖管4—負(fù)荷換熱器5—回?zé)崞?/p>

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(jī)小孔型脈沖管制冷機(jī)中由于小孔和氣庫(kù)的加入，制冷機(jī)理發(fā)生了變化，運(yùn)轉(zhuǎn)頻率也大幅度提高?？疾烀}沖管熱端的焓流變化，因?yàn)闅鈳?kù)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(kù)的壓差。

小孔對(duì)P和u的振幅有調(diào)節(jié)作用，小孔開(kāi)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(tuán)可以向斯特林制冷機(jī)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(qiáng)。多路旁通脈沖管制冷機(jī)多路旁通方案對(duì)制冷過(guò)程的影響主要在于它在旁通點(diǎn)處形成了一次膨脹制冷過(guò)程。在多路旁通處一股焓流由回?zé)崞髁魅朊}沖管中，旁通點(diǎn)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(guò)程多路旁通脈沖管制冷機(jī)中的能量傳遞雙活塞脈沖管制冷機(jī)雙活塞脈沖管制冷機(jī)能克服小孔調(diào)節(jié)作用對(duì)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(lái)調(diào)節(jié)脈沖管中P和u的相位。配氣活塞與