学位论文 > 优秀研究生学位论文题录展示

液氮至液氢温区的热声驱动低温制冷机的研究

作　者: 胡剑英
导　师: 罗二仓；戴巍
学　校: 中国科学院研究生院（理化技术研究所）
专　业: 制冷与低温工程
关键词: 介观热力学理论线性热声理论数值模拟热声驱动低温制冷机调相机制声学压力波放大器液氢温区三级高频脉冲管制冷机液氦温区
分类号: TB651
类　型: 博士论文
年　份: 2007年
下　载: 339次
引　用: 8次
阅　读: 论文下载

内容摘要

热声驱动低温制冷机是一种完全无运动部件的新型热力机械,具有高度的可靠性。它以热源作为驱动,在电能缺乏热能丰富的地方具有广泛的应用前景。近年来热声驱动低温制冷机的研究进展迅速,已成为能源和低温领域的一个重要研究热点。但是,目前热声驱动低温制冷机工作机理有待于深入认识,其流程结构也有待于进一步改进以提高性能。为此,本文开展了以下几个方面的理论和实验的研究工作:1.发展了交变流动热机和制冷机的介观热力学理论,并对线性热声理论进行了系统归纳和总结:应用交变流动热机介观热力学分析方法的基本思路,进一步对交变流动回热器内的微循环热力过程进行了分析,证明了理想回热器的效率等于卡诺循环的效率。同时,将介观热力学分析方法扩展到对交变流动换热器、热缓冲管(脉冲管)内气体微团的热力过程分析;对线性热声理论进行了归纳和整理,给出了本文所研究的热声驱动低温制冷机的数值模拟方法。2.对脉冲管制冷机中的调相机制进行了系统研究,在此基础上提出了无气库的惯性管调相机构以及可以消除直流的双向进气调相机构:实验验证了无气库惯性管作为高频脉冲管制冷机热端调相元件的有效性,并进行了深入的理论分析。研究表明:在层流状况下,无气库的惯性管可以取代带气库的惯性管作为脉冲管制冷机的调相部件,但是二者在湍流情况下通常不能为小功率的脉冲管制冷机提供所需的阻抗;指出在惯性管能够为脉冲管制冷机提供所需的阻抗时,双向进气结构不能提高制冷机性能,只有在惯性管提供的阻抗不能满足制冷机要求时双向进气结构才能发挥积极的作用;提出了一种抑制双向进气结构直流损失的新方法;在以上研究的基础上,用热声发动机驱动的单级脉冲管制冷机首次在国际上获得了低于液氮的温度。3.提出了声学压力波放大器等高效耦合机构,对它们的工作机制进行了深入研究:提出了四种耦合热声发动机和脉冲管制冷机的结构:声学变压器,二介质耦合结构,声学压力波放大器以及二介质耦合声学压力波放大器,其中后两种耦合结构可以使热声发动机的压力波幅值获得数倍的放大,脉冲管制冷机可以获得1.3以上的驱动压比,并且使热声发动机所需的加热量大幅度减少,制冷机的声功利用率则成倍增加,大大提高了系统的热效率;二介质耦合声学压力波放大器还可以大幅降低系统的工作频率,使热声发动机和脉冲管制冷机获得更好的匹配。4.在国际上首次成功研制一台突破液氢温度的热声驱动的二级脉冲管制冷机,并对其工作机制进行了深入研究:该系统采用聚能型行波热声发动机作为驱动源,以一台两级脉冲管制冷机作为低温制冷部件,利用二介质耦合声学压力波放大器作为二者的耦合部件,发动机采用氮气作为工质,制冷机采用氦气作为工质;该系统的工作频率为23.3Hz,二介质耦合声学压力波放大器对压力波幅值能产生1.7倍的放大效果,在加热功率为2600W,加热温度为630℃时,制冷机获得了18.1K的最低制冷温度,这是目前世界上报道的热声驱动低温制冷机所获得的最低制冷温度。5.开发了液氦温区的三级高频脉冲管制冷机的数值模拟程序,并对液氦温区的三级高频脉冲管制冷机工作机理进行了深入的理论分析:首先建立了三级脉冲管制冷机的数值模型,开发了相应的程序。然后对一些新的回热器填充材料物性进行了讨论分析,选用镀铅不锈钢丝网作为二级回热器的填充材料,三级回热器则采用三种不同的稀土金属材料作为填充材料。另外,详细讨论分析了各级回热器、脉冲管尺寸对最低无负荷制冷温度的影响。经过优化,设计了一台可工作于液氦温区的三级脉冲管制冷机,其最低制冷温度可达3.9K,为实验研究奠定了理论基础。

全文目录

摘要  2-4
Abstract  4-10
主要符号表  10-12
第1章绪论  12-39
  §1-1 课题研究背景  12-14
  §1-2 热声技术的研究进展  14-31
    §1-2-1 热声效应的发现  14-15
    §1-2-2 热声发动机的发展  15-21
      §1-2-2-1 驻波热声发动机的发展  16-18
      §1-2-2-2 行波热声发动机的发展  18-20
      §1-2-2-3 串级热声发动机的发展  20-21
    §1-2-3 热声制冷机的发展  21-31
      §1-2-3-1 传统热声制冷机的发展  22-25
      §1-2-3-2 脉冲管制冷机的研究进展  25-31
  §1-3 热声理论的研究进展  31-35
    §1-3-1 线性热声理论的研究  31-32
    §1-3-2 非线性热声理论的研究  32-35
    §1-3-3 关于脉冲管制冷机的其他理论  35
  §1-4 热声驱动低温制冷机的研究进展  35-37
  §1-5 本文的主要工作  37-39
第2章热声理论基础  39-68
  §2-1 前言  39
  §2-2 热声效应的介观热力学分析  39-57
    §2-2-1 回热器内气体微团热力过程  39-43
    §2-2-2 回热器与换热器交界面处气体微团的热力过程  43-50
      §2-2-2-1 平衡位置位于回热器内  43-47
      §2-2-2-2 平衡位置位于换热器内  47-50
    §2-2-3 回热器内微团位移关系的推导  50-53
    §2-2-4 回热器卡诺效率的证明  53-54
    §2-2-5 换热器内的微团热力过程  54-55
    §2-2-6 脉管(热缓冲管)内的微团热力过程  55-57
  §2-3 线性热声理论  57-64
    §2-3-1 基本热声方程  57-58
    §2-3-2 热声方程组的解  58-61
    §2-3-3 热声时均能量效应  61-64
  §2-4 数值模拟算法  64-67
  §2-5 本章小结  67-68
第3章脉冲管制冷机调相机构的研究  68-89
  §3-1 前言  68
  §3-2 带气库型和无气库型惯性管调相机理的讨论  68-76
    §3-2-1 理论分析  68-70
    §3-2-2 计算结果  70-73
    §3-2-3 计算实例  73
    §3-2-4 应用实例——液氮温区的热声驱动低温制冷机  73-76
  §3-3 双向进气作用  76-81
    §3-3-1 双向进气作用的初步分析  76-77
    §3-3-2 程序计算  77-81
    §3-3-3 关于惯性管性能的准则  81
  §3-4 惯性管调相能力的讨论  81-84
  §3-5 双向进气结构的改进  84-88
    §3-5-1 直流抑制器  84-85
    §3-5-2 可行性分析  85-86
    §3-5-3 试验装置和结果  86-88
  §3-6 本章小结  88-89
第4章热声驱动低温制冷机耦合方式的研究  89-115
  §4-1 前言  89
  §4-2 声学变压器  89-94
    §4-2-1 声学变压器的结构及基本原理  89-90
    §4-2-2 理论计算  90-92
    §4-2-3 试验装置与结果  92-93
    §4-2-4 存在的问题  93-94
  §4-3 二介质耦合方法  94-97
    §4-3-1 实验装置  94-95
    §4-3-2 实验与结果  95-97
    §4-3-3 存在的问题  97
  §4-4 声学压力波放大器  97-105
    §4-4-1 理论计算  98-101
      §4-4-1-1 用等直径管作为声学压力波放大器  98-99
      §4-4-1-2 使用锥管的设想  99-101
    §4-4-2 实验与结果  101-104
    §4-4-3 计算误差分析  104-105
  §4-5 用声学压力波放大器耦合热声驱动低温制冷机的研究  105-110
    §4-5-1 理论计算  105-106
    §4-5-2 耦合热声发动机和单级脉冲管制冷机  106-109
    §4-5-3 耦合热声发动机和两级脉冲管制冷机  109-110
  §4-6 二介质耦合声学压力波放大器  110-114
    §4-6-1 理论计算分析  111-113
    §4-6-2 试验装置与结果  113-114
  §4-7 本章小结  114-115
第5章液氢温区热声驱动低温制冷机的研究  115-139
  §5-1 前言  115
  §5-2 试验系统  115-126
    §5-2-1 聚能型行波热声发动机  116-121
      §5-2-1-1 行波回路  116-119
      §5-2-1-2 谐振器  119-121
    §5-2-2 制冷机  121-123
    §5-2-3 二介质耦合声学压力波放大器  123-125
    §5-2-4 测量系统  125-126
  §5-3 几个问题的改进  126-134
    §5-3-1 耦合位置的改进  126-129
    §5-3-2 脉管内声流的抑制  129-132
      §5-3-2-1 重力的作用  129
      §5-3-2-2 脉管直径的影响  129-130
      §5-3-2-3 突变截面的影响  130-132
    §5-3-3 辐射屏的设计  132-134
  §5-4 实验与结果  134-138
    §5-4-1 耦合器尺寸的选择  134-135
    §5-4-2 最低制冷温度的获得  135-136
    §5-4-3 制冷量的测量  136-138
  §5-5 本章小结  138-139
第6章液氦温区热声制冷机的数值模拟研究  139-156
  §6-1 前言  139
  §6-2 高频多级脉冲管制冷机问题的讨论  139-146
    §6-2-1 回热器填料的讨论  139-144
      §6-2-1-1 一级回热器填料的选择  140
      §6-2-1-2 二级回热器填料的选择  140-141
      §6-2-1-3 三级回热器填料  141-142
      §6-2-1-4 回热器填料的加工  142-144
    §6-2-2 工作气体的选择  144-145
    §6-2-3 脉冲管制冷机结构的讨论  145-146
  §6-3 三级脉冲管制冷机的数值模拟  146-155
    §6-3-1 回热器尺寸的影响  148-150
    §6-3-2 回热器填料的影响  150-152
    §6-3-3 脉管尺寸的影响  152-153
    §6-3-4 工作气体的影响  153-155
  §6-4 本章小结  155-156
第7章全文总结  156-160
参考文献  160-173
附录一攻博期间发表的论文及申请的专利目录  173-177
附录二参与的科研项目及获奖情况  177-179
致谢  179-180

液氮至液氢温区的热声驱动低温制冷机的研究

内容摘要

全文目录

相似论文