大冷量斯特林制冷机回热器模拟和实验研究
随着高温超导技术、液化空气技术和低温液体保存技术快速发展,大冷量低温制冷需求也越来越多。斯特林制冷机有着高效、低噪和安全等方面的优势,在低温制冷领域起到了重要作用。目前对大冷量斯特林制冷机回热器缺少高精度量化计算方法,对回热器结构参数和工作参数之间相互影响机制也有待进一步探讨。本文以曲柄连杆驱动的四缸大冷量斯特林制冷机为研究对象,对制冷机和回热器性能进行数值模拟和实验研究。模拟计算采用Sage软件,实验用大冷量四缸斯特林制冷机由斯特林发动机改造而成。斯特林制冷机模拟计算表明,丝网丝径或孔隙率的增加都会降低回热器阻力损失,同时也会导致焓流损失增加。各丝径存在一种孔隙率使焓流损失产生突变。回热器各项损失中以阻力损失为主。改变回热器的放置方式,从热端到冷端孔隙率逐渐增大时,回热效果更好。模拟分析制冷机充气压力和工作频率两种工况对制冷机性能影响,存在最佳工作状态使各项损失降到最低,制冷性能最好。COP随充气压力的增加而降低,充气压力较低时,COP随工作频率先降低后升高,最低点在20～25 Hz;充气压力较高时,COP随工作频率增加而增加。斯特林制冷机实验研究发现,当充气压力为1.5 MPa,输入功率18 k W,制冷机冷头从室温降至120 K需2500 s,最低温度稳定至100 K,可得663 W制冷量。充气压力升高,制冷量随之增加,最低制冷温度降低。实验测得制冷量和COP变化规律与模拟值一致,但模拟值明显高于实验值,主要原因是模拟计算没有考虑径向、周向传热损失、机械传动损失以及润滑油的影响。实验对比孔隙率为0.6和0.66两种回热器结构对制冷机性能和回热器压降的影响发现,高压低频工作状态下,0.66孔隙率的回热器性能更好;低压高频工况下,孔隙率为0.6的回热器性能更优。拟合了两种回热器摩擦系数的经验公式。
- 作者：
- 魏之豪
- 学位授予单位：
- 辽宁科技大学
- 授予学位：
- 硕士
- 学位年度：
- 2020年
- 导师姓名：
- 赵巍；顾根香；李洪宇
- 中图分类号：
- TB651
- 关键词：
- 斯特林制冷机；回热器；大冷量；损失分析；摩擦系数
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