学位论文 > 优秀研究生学位论文题录展示

液氦温区斯特林型脉管制冷机回热损失机理与多级脉管级联方式研究

作　者: 李卓裴
导　师: 邱利民；甘智华
学　校: 浙江大学
专　业: 制冷及低温工程
关键词: 脉管制冷机液氦温区高频斯特林型回热器级联方式低温惯性管
分类号: TB651
类　型: 博士论文
年　份: 2010年
下　载: 170次
引　用: 1次
阅　读: 论文下载

内容摘要

液氦温区低温制冷机在低温超导、航天深空探测、国防军事、医疗以及低温物理等研究领域有着重要应用。斯特林型脉管制冷机具有可靠性高、寿命长、重量轻及潜在的高效性高效率等优点,因此研制开发液氦温区斯特林型脉管制冷机具有重要的研究与应用价值。然而,相比于发展日趋成熟的80 K温区斯特林型脉管制冷机,4K温区斯特林型脉管制冷机理论和实验研究尚处于起步阶段,限制了其在相关领域的应用。鉴于此,本文以探索液氦温区回热器高频损失机理和寻找高频下采用氦-4工质获得液氦温区的有效途径为目标,开展了以下工作：1.脉管制冷机的热力学分析及液氦温区高频回热器损失机理研究基于热力学定律,分析了脉管制冷机内部各部件的热力学特性,并给出了脉管制冷机的各种损失。研究了制冷温度、工质种类、平均压力、压比等参数对液氦温区回热器在高频下损失的影响,对进一步了解液氦温区回热器的损失机理具有重要的指导意义。2.系统编制了液氦温区斯特林型脉管制冷机的结构图谱脉管制冷机的级间结构对脉管制冷机的性能有着重要影响。本文探索了液氦温区斯特林型脉管制冷机可采用的级间布置方式,并首次编制了液氦温区斯特林型脉管制冷机的结构图谱。为了进一步明确级联方式不当而导致的多级脉管制冷机损失,研究了不同声功下脉管热端温度布置方式对制冷机整机性能的影响,为液氦温区斯特林型脉管制冷机级联方式的优化指明了方向。3.低温惯性管调相的理论研究针对4K斯特林型脉管制冷机声功较小,运行频率较低而导致采用常规的室温惯性管调相能力不足的问题,本文研究了脉管热端温度对惯性管调相能力的影响,并提出采用低温惯性管作为4K斯特林型脉管制冷机调相装置的方案。对低温下实际气体性质进行了修正,并计算了压比、平均压力、气库容积对惯性管调相角度的影响。4.两级G-M型脉管制冷机预冷的单级斯特林型脉管制冷机的设计、制作本文基于回热器模拟软件REGEN3.3设计了带预冷的单级斯特林型脉管制冷机,重点研究了高频回热器在液氦温区的性能。给出了斯特林型脉管制冷机到达液氦温区所需要的预冷温度和预冷量,并设计了单级斯特林型脉管制冷机和两级G-M型脉管制冷机热耦合部件。搭建了整机和动态参数测试实验台,为脉管制冷机的实验研究打下了基础。5.带预冷的4K斯特林型脉管制冷机的实验研究为了验证理论计算结果并探索斯特林型脉管制冷机采用氦-4工质进入液氦温区的可行性,本文开展了运行参数(包括工作频率、平均压力、输入功率、预冷温度等)、回热器填料以及回热器结构等对4K斯特林高频脉管制冷机性能影响以及对预冷级制冷机预冷要求的实验研究。采用氦-4作为工质的斯特林型脉管制冷机首次进入液氦温区。

全文目录

致谢  5-6
摘要  6-8
ABSTRACT  8-11
主要符号表  11-12
目录  12-15
1 绪论  15-36
  1.1 研究背景与意义  15-17
  1.2 低温制冷机的分类  17-18
  1.3 脉管制冷机的发展简史  18-22
  1.4 液氦温区脉管制冷机的研究进展  22-33
    1.4.1 液氦温区G-M型脉管制冷机  24-27
    1.4.2 液氦温区斯特林型脉管制冷机  27-33
  1.5 液氦温区斯特林型脉管制冷机存在的主要问题  33-34
  1.6 本文的主要工作  34-36
2 液氦温区高频回热器的损失机理研究  36-52
  2.1 脉管制冷机的热力学分析  36-46
    2.1.1 闭系系统的热力学分析  36-37
    2.1.2 开系系统的热力学分析  37-38
    2.1.3 交变流动的热力学分析  38-39
    2.1.4 脉管制冷机中的能量流动  39-41
    2.1.5 脉管制冷机中的损失  41-46
      2.1.5.1 脉管中的损失  41-42
      2.1.5.2 回热器中的损失  42-46
  2.2 液氦温区高频回热器性能的模拟研究  46-50
    2.2.1 回热器模拟软件REGEN 3.3简介  46-47
    2.2.2 液氦温区高频回热器的损失特性  47-50
      2.2.2.1 不同温区的损失比例图  48-49
      2.2.2.2 (4-10 K)温区制冷机损失分布  49
      2.2.2.3 平均压力对液氦温区实际气体损失以及回热器无效损失影响  49
      2.2.2.4 压比对液氦温区实际气体损失以及回热器无效损失影响  49-50
  2.3 本章小结  50-52
3 多级脉管制冷机级间布置方式的比较研究  52-66
  3.1 液氦温区低温制冷机主要级间布置方式  52-57
    3.1.1 液氦温区G-M型脉管制冷机级间布置方式  52-54
      3.1.1.1 气耦合型  53-54
      3.1.1.2 热耦合型  54
    3.1.2 液氦温区斯特林型脉管制冷机级间布置方式  54-57
  3.2 脉管热端级间布置对制冷性能影响的计算与分析  57-64
    3.2.1 数值模拟模型  57-59
    3.2.2 数值模拟结果  59-64
      3.2.2.1. 脉管热端温度对制冷量及热端输入功的影响  59-61
      3.2.2.2. 脉管热端温度对预冷量的影响  61
      3.2.2.3. 脉管热端温度对制冷机系统比功的影响  61-64
  3.3 本章小结  64-66
4 带预冷的液氦温区单级斯特林型脉管制冷机设计  66-108
  4.1 总体方案设计  66-67
  4.2 液氦温区单级斯特林型脉管制冷机设计  67-106
    4.2.1 运行参数设计  68-73
      4.2.1.1 工作频率的选择  68-71
      4.2.1.2 平均压力和压比的选择  71-73
    4.2.2 回热器设计  73-93
      4.2.2.1 回热器的温区分段  74-79
      4.2.2.2 回热器冷端相位  79-82
      4.2.2.3 回热器冷端质量流  82-83
      4.2.2.4 回热器填料的选择  83-86
      4.2.2.5 回热器结构设计  86-93
    4.2.3 脉管设计  93
    4.2.4 惯性管设计  93-102
      4.2.4.1 惯性管的调相要求  93-96
      4.2.4.2 低温惯性管计算理论基础  96-98
      4.2.4.3 低温惯性管计算及性能分析  98-102
    4.2.5 热桥和换热器设计  102-104
      4.2.5.1 热桥设计  102
      4.2.5.2 换热器设计  102-104
    4.2.6 系统应力分析  104-106
      4.2.6.1 热应力分析  104-105
      4.2.6.2 薄壁管强度校核  105-106
  4.3 本章小结  106-108
5 带预冷的液氦温区单级斯特林型脉管制冷机实验系统  108-119
  5.1 制冷机系统  108-112
    5.1.1 单级斯特林型脉管制冷机  109-112
    5.1.2 两级G-M型脉管制冷机  112
  5.2 真空和绝热系统  112-114
  5.3 测量系统  114-116
    5.3.1 温度测量  114-115
    5.3.2 压力测量  115
    5.3.3 制冷量和预冷量测量  115-116
  5.4 误差分析  116-118
    5.4.1 温度测量误差  116-117
    5.4.2 加热功率测量误差  117-118
  5.5 本章小结  118-119
6 带预冷的液氦温区单级斯特林型脉管制冷机实验研究  119-144
  6.1 两级G-M型脉管制冷机以及热桥性能测试  119-121
  6.2 理论设计工况下的实验结果  121-131
    6.2.1 运行参数的影响  122-130
    6.2.2 最低制冷温度的探索  130-131
  6.3 回热器性能优化  131-142
    6.3.1 填料对脉管制冷性能影响分析  132-137
    6.3.2 回热器结构对脉管制冷性能影响分析  137-142
  6.4 本章小结  142-144
7 全文总结与展望  144-147
  7.1 全文总结  144-145
  7.2 本文的主要创新点  145-146
  7.3 展望  146-147
参考文献  147-153
附录液氦温区斯特林型脉管制冷机级间结构布置方式  153-163
作者简历及在学期间所取得的科研成果  163-165

液氦温区斯特林型脉管制冷机回热损失机理与多级脉管级联方式研究

内容摘要

全文目录

相似论文