脈管制冷機的基本原理分析目錄TOC\o"1-3"\h\u26049脈管制冷機的基本原理分析 138321.1脈管制冷機的類型 1244931.1.1按照驅(qū)動方式劃分 1147681.1.2按照布置方式劃分 3296221.2脈管制冷機的工作原理 4102791.3脈管制冷理論 5294971.3.1表面熱泵理論 5268801.3.2焓流調(diào)相理論 646441.3.3熱聲理論 623031.3.4數(shù)值模擬計算理論 61.1脈管制冷機的類型1.1.1按照驅(qū)動方式劃分按照驅(qū)動方式來劃分，脈管制冷機分為G-M型脈管制冷機、斯特林型脈管制冷機和熱聲驅(qū)動型脈管制冷機。G-M型脈管制冷機通過壓縮系統(tǒng)提供穩(wěn)定的高壓源，在膨脹系統(tǒng)產(chǎn)生冷量。其實際上是利用帶有閥的壓縮機，進行連續(xù)的西蒙膨脹使絕熱氣體放氣制冷，共有升壓、等壓充氣、絕熱放氣和等壓排氣四個過程。G-M脈管制冷機的的特點是具有更高的制冷量和較低的工作頻率，冷頭振動小且便于安裝，但是它的能量損失較高，體積較大。目前應(yīng)用于低溫泵、超導(dǎo)磁體冷卻、氦液化器等方面。圖1.1G-M型脈管制冷機結(jié)構(gòu)示意圖圖1.2G-M型脈管制冷機斯特林型脈管制冷機是一種按逆向斯特林循環(huán)工作的制冷機。它由回?zé)崞?、冷卻器、冷量換熱器、膨脹腔和壓縮腔組成。它的循環(huán)所經(jīng)歷等溫壓縮、定容放熱、等溫膨脹和定容吸熱四個過程，其中等溫膨脹過程進行制冷，理想狀態(tài)的制冷量即為膨脹功。斯特林脈管制冷機的結(jié)構(gòu)緊湊、制冷效率高、操作簡便并且采用線性壓縮機作為驅(qū)動裝置使得它的體積小，適合應(yīng)用于各種微型制冷機的場合。目前其發(fā)展由單級到多級，創(chuàng)造了多缸制冷機，驅(qū)動方式也更加多種多樣，在溫度極低的液氮溫區(qū)附近進行小制冷量應(yīng)用。圖1.3單級斯特林脈管制冷機結(jié)構(gòu)示意圖圖1.4斯特林型脈管制冷機熱聲驅(qū)動型脈管制冷機是一種區(qū)別于其他驅(qū)動方式的脈管制冷機，它沒有機械驅(qū)動的壓縮機而是基于熱聲效應(yīng)工作的，即為熱聲制冷。它主要利用熱聲振蕩產(chǎn)生壓力波來驅(qū)動脈管工作，其在低溫下沒有機械運動部件不僅減少了空間，而且其具有結(jié)構(gòu)簡單、運行穩(wěn)定、電磁干擾小、可靠性高以及環(huán)保等優(yōu)點。目前熱聲驅(qū)動型脈管制冷機技術(shù)尚不完善，但在能源和低溫領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景，是研究人員研究的熱點，不斷對其創(chuàng)新和完善。圖1.5熱聲制冷機的裝置示意圖圖1.6熱聲驅(qū)動型脈管制冷機1.1.2按照布置方式劃分按照制冷機中回?zé)崞骱兔}管的相對布置方式劃分，脈管制冷機包括直線型脈管制冷機、同軸型脈管制冷機和U型脈管制冷機。直線型脈管制冷機，即回?zé)崞骱兔}管連接在一條直線上，結(jié)構(gòu)簡單且制冷效率高，如圖b。流體工質(zhì)從回?zé)崞髦本€流入脈管，簡單高效，除與外界環(huán)境的換熱影響并無其他損失。但是它的缺點在于直線型的結(jié)構(gòu)使其尺寸較大，在其他結(jié)構(gòu)的布置上稍顯復(fù)雜，尤其是冷頭結(jié)構(gòu)處于直線型結(jié)構(gòu)的中央位置，與其他結(jié)構(gòu)難以耦合，對條件要求較高。同軸型脈管制冷機布置的布置方式如圖c所示，它的回?zé)崞靼}管并處于同一軸線上，這樣的布置方式使其結(jié)構(gòu)緊湊，適合用于對空間尺寸要求較小的場合。另外回?zé)崞靼}管這種結(jié)構(gòu)，一定程度上使脈管隔絕了外界環(huán)境溫度的影響，而冷頭處于末端，容易與其他結(jié)構(gòu)進行耦合獲取制冷量。但是它的缺點在于制冷效率低下，一來在冷頭部分工質(zhì)要進行彎折流動，阻力極大，二來脈管與回?zé)崞鹘佑|部分要進行大量的換熱，這一熱損失也極大影響了其制冷效率。U型脈管制冷機的結(jié)構(gòu)如圖a所示，是回?zé)崞骱兔}管并列布置的。它的結(jié)構(gòu)尺寸要遠遠小于直線型，同時脈管與回?zé)崞鞑⒘型ㄟ^U型管連接，工質(zhì)在彎道的回流損失和阻力損失都減小，效率高于同軸型，但是同樣低于直線型的制冷效率，是一種介于直線型和同軸型之間的結(jié)構(gòu)。圖aU型脈管制冷機圖b直線型脈管制冷機圖c同軸型脈管制冷機圖1.7不同的脈管制冷機的結(jié)構(gòu)示意圖1.2脈管制冷機的工作原理基本脈管制冷機結(jié)構(gòu)如圖1.8所示，包括壓縮機、回?zé)崞?、脈管，以及切換閥、導(dǎo)流器、負荷換熱器和水冷卻器。它是通過充氣壓縮和放氣膨脹來獲得制冷量的。其工作原理是：壓縮機對氣體進行壓縮后，高壓氣體進入處于進氣狀態(tài)的切換閥，經(jīng)過回?zé)崞鬟M行冷卻，達到制冷溫度的氣體微團經(jīng)由層流器保持層流狀態(tài)進入脈管內(nèi)，之后不斷有氣體微團進入脈管，進行充氣壓縮。脈管中的氣體被壓縮至水冷卻器，由冷卻水對脈管內(nèi)的氣體微團進行冷卻降溫，關(guān)閉切換閥進氣靜止一段時間后再將其進行排氣，高壓氣體向負荷換熱器流通，并膨脹降溫，最后在負荷換熱器處吸收外界熱量達到制冷效果，然后進行周期性循環(huán)。脈管制冷機的特點有：安全可靠、結(jié)構(gòu)簡單、效率高、對振動和電磁抗干擾能力強、工作時間長、冷端無運動部件；但是冷頭安裝受限，朝下安裝以方便與其他部件連接。圖1.8基本脈管制冷機循環(huán)過程的氣體溫度分布1.切換閥；1.回?zé)崞鳎?.負荷換熱器；4.脈管；5.水冷卻器；6.導(dǎo)流器1.3脈管制冷理論1.3.1表面熱泵理論表面泵熱原理[17]，基本型脈管制冷機主要依靠脈管壁面與氣體間的相互傳熱，即表面泵熱效應(yīng)將熱量從冷端傳到熱端，脈管中部絕大多數(shù)氣體并沒有參與制冷，因此其制冷效果受到限制。制冷機中的氣體微團工質(zhì)，在冷端吸收熱量，送至熱端，之后再熱段吸收冷量送至冷端，從環(huán)境中吸收熱量，進行周期性制冷工作。從微觀角度來看，表面泵熱原理基于拉格朗日視角，定性解釋了基本型脈管的制冷機理。但由于泵熱的局限性，泵熱原理不能用于解釋隨后發(fā)展起來的制冷性能遠高于基本型脈管制冷機的各種調(diào)相型脈管制冷機。1.3.2焓流調(diào)相理論為解釋小孔型脈管制冷機性能提升的機理，Radebaugh提出了焓流調(diào)相理論[18,19]。焓流調(diào)相理論給出了脈管制冷機制冷量的表達式，并從中引出了相角這一對制冷機性能起決定性影響的參數(shù)。根據(jù)焓流調(diào)相理論，小孔型脈管制冷機性能得以提升正是因為小孔和氣庫的存在改善了基本型脈管冷端原本接近90°的相位，使得脈管內(nèi)時均焓流增大，即理論制冷量增大。焓流調(diào)相理論合理地解釋了交變流下脈管制冷機的工作機理，并且得出應(yīng)該對脈管冷端壓力波和質(zhì)量流進行適當?shù)恼{(diào)節(jié)，采用相移器適當調(diào)節(jié)其相位差才是脈管制冷機今后發(fā)展的道路。目前，單級GM脈管制冷機運用雙向進氣調(diào)相制冷溫度最低達到10K左右[20]，其兩級結(jié)構(gòu)可在4.2K有1W以上的制冷量。脈管制冷機的性能運用雙向進氣的方式顯著提高，成為當前脈管制冷機廣泛使用的調(diào)相形式。1.3.3熱聲理論熱聲效應(yīng)是熱能與聲能之間相互轉(zhuǎn)換的現(xiàn)象。它是由于處于聲場中的固體介質(zhì)與振蕩流體之間的相互作用，從而導(dǎo)致在距離固體壁面一定范圍內(nèi)產(chǎn)生沿著聲傳播方向的時均熱流和時均功流。1777年，ByronHiggins首先發(fā)現(xiàn)了“歌焰”現(xiàn)象，將氣體火焰放在兩端開口的垂直管的合適位置，管中能夠激發(fā)出聲音，尤其是在管子的固有模態(tài)被激發(fā)時，更容易產(chǎn)生強烈的聲音，這就是最早期的熱聲現(xiàn)象[21]。中科院理化所的肖家華博士將適用于駐波聲場的熱聲理論推廣到一般聲場，根據(jù)固體外壁面與外熱源不同的熱接觸情況，將熱聲效應(yīng)劃分為：等溫?zé)崧曅?yīng)、絕熱熱聲效應(yīng)和一般情形的熱聲效應(yīng)三種情況，并分別建立了一般聲場下等溫?zé)崧曅?yīng)和絕熱熱聲效應(yīng)的波動方程[22]，還對多孔介質(zhì)擾動場方程和波動方程進行了推導(dǎo)，肖家華初步建立了回?zé)崾街评錂C熱聲理論框架，他的工作在當時處于熱聲研究的國際領(lǐng)先水平，為我國的熱聲研究奠定了理論基礎(chǔ)。1.3.4數(shù)值模擬計算理論除了基于各種理論對制冷機理展開的定性分析，還有基于計算流體力學(xué)的數(shù)值模擬法，簡稱CFD，對脈管制冷機的回?zé)崞鞴ぷ鞅举|(zhì)進行了定量研究。區(qū)別于傳統(tǒng)的熱力學(xué)分析法，CFD通過劃分網(wǎng)格，給定邊界條件，建立質(zhì)量、能量和動量守恒方程，建立離散化方程來求解，更具有一般性和通用性，能反映制冷機內(nèi)部實際工作過程和具體參數(shù)。（1）建立網(wǎng)格化模型。對一種制冷機模型進行理論分析時，首先應(yīng)該建立該制冷機的幾何模型，對其進行網(wǎng)格劃分，以方便對其進行數(shù)值模擬和流動情況的分析。在創(chuàng)建模型時同樣要基于實驗事實和物理概念對其進行構(gòu)造，劃分合適的網(wǎng)格數(shù)量等；（2）確定邊界條件。確定模型的各個部件名稱、壁面邊界、流體的進出口邊界條件等，正確的設(shè)定邊界條件是進行數(shù)值模擬計算