低温回热器模型REGEN

回热器是低温制冷机的核心组件,完成回热器的热设计与结构设计等于说完成了回热式低温制冷机设计的主体。通过建立回热器内流体与回热填料的质量方程、动量方程和能量方程并求解可确定制冷机的理论设计性能指标。运用解析方法求解回热器数学物理模型相当困难,因此广泛采用数值求解方法。总结了目前国际上主流的回热器物理数学模型,介绍并比较回热器性能仿真软件REGEN、Sage和DeltaE,重点介绍REGEN的原理、特点、功能和应用等方面,并指出其不足之处和发展方向。

基于新物性库的低温回热器REGEN模拟

REGEN程序是用于回热式低温制冷机中回热器部分的仿真模拟软件。在仅内嵌有氦元素工质的基础上,工作新增了包含N2、H2、Ne、Ar和甲烷等13种低温工质的物性库,介绍了其适用温度、压力区间及计算精度等情况。在保留原有氦-4(4He)的基础上补充了当前最新的4He状态方程的研究成果,以此验证了新物性库与原物性库的衔接性和复现性。使用基于新物性库的REGEN3.3a程序对He、H2和Ne为工质的斯特林型脉管制冷机,进行了模拟优化计算并比较了采用不同工质时制冷机的制冷系数。

交变流动传热的相似准则

为了利用相似原理研究管内工质交变流动传热特性,从可压缩粘性流体的一般控制方程出发,推导了描述理想气体管内交变流动传热的相似准则体系,包括Va、Remax、γ、Ma、Pr和Ar,并具体分析了各准则的物理意义,以及与其它常用相似准则的关系。

可用于THz探测器的百赫兹高频脉管制冷性能

THz探测技术的发展对低温制冷技术提出了更为紧凑高效的需求,为了进一步减小低温制冷机的体积,提高制冷机运行频率是一个重要的方法。近期的研究表明,如果配合制冷机频率的提高,增加相应的充气压力,缩小制冷机的体积等可以使制冷机工作在百赫兹、甚至千赫兹的水平上,为低温制冷机走向微型化提供了参考。本文给出了世界上首例采用线性压缩机驱动的、运行在百赫兹以上频率,并在80K有2W制冷量的高效脉管制冷机,其无负荷制冷温度为50K,并且该制冷机具有快速降温的特点,从环境温度冷却到80K的时间为7min,达到50K仅需要11min。

40W/30K大冷量单级G-M制冷机的研制及性能测试

为满足高温超导设备的冷却需求,本文对40W/30K大冷量单级G-M制冷机进行了理论计算、结构设计和制冷性能测试。测试结果表明,在采用磷青铜网和铅球组成的复合蓄冷材料时,研制的制冷机样机可以获得19.2K的最低制冷温度,在30K时能提供38.8W的制冷量,基本符合了设计目标要求。

回热式低温制冷机循环理论研究

通过对卡诺循环以及由两个等温过程和两个多变过程组成循环的分析和研究 ,从理论上证明由两个等熵过程和两个多变过程组成的热力循环 (在相同的当量温限下 ) ,能够达到与卡诺值相等的热力学效率 ,并由此得到了一些低温制冷机理想回热循环的热力学效率 ,采用改进型布雷顿循环 (由两个等温和两个等压过程组成 )和GM循环对脉管制冷机循环进行了研究 。

线性压缩机驱动的80K单级脉管制冷机设计与实验研究

结合美国标准与技术研究院(NIST)的回热器计算软件REGEN3.2,成功设计了1台单级斯特林型脉管制冷机。采用惯性管调相,在2.5 MPa充气压力和60 Hz频率下,获得无负荷制冷温度59 K。在压缩机输入电功率为250 W时,80 K获得了3.8 W的制冷量,与设计计算结果吻合得较好。

低于 4K 温度工作的二级脉管制冷机研制

介绍最近研制的一台双向进气带第二小孔阀型二级脉管制冷机实验情况。该机采用计算机时序控制，脉管热端均处于室温。文中给出了二级脉管制冷机的基本结构尺寸以及试验结果：一级脉管达到４５Ｋ；二级脉管无负荷最低制冷温度达到３．１Ｋ。能稳定、长期工作，讨论了影响制冷机性能的主要因素。

脉管制冷机回热器各参数关联性研究

在脉管制冷机回热器优化设计中,涉及诸多结构参数和运行参数,各参数之间具有一定的关联性。为了使回热器达到最佳性能,需要对每个参数循环迭代优化,整个流程将非常繁杂。基于回热器数值计算程序REGEN,对脉管制冷机回热器各参数之间的关联性进行了研究,并根据各参数之间关联性的强弱对设计流程进行了简化,以期对脉管制冷机回热器的工程实践提供指导。

线性斯特林制冷机分层回热器优化设计与实验

回热器为回热式低温制冷机的主要部件之一,其结构直接影响制冷机的性能。本文分析了分层填充回热器对制冷机性能的影响,在此基础上,结合回热器模拟软件REGEN3.3的仿真结果,设计了线性斯特林制冷机的分层填充回热器结构,并做了实验验证。实验结果表明,回热器采用适当的分层方式能大幅度提高制冷机的性能。该制冷机与优化前相比,降温速度提升了14%,整机效率提高了37.5%。

4～10 K温区活性炭对氦气的吸附特性及其在4 K温区回热式制冷机中的潜在应用（英文）

活性炭对氦气的吸附量数据是低温领域中吸附式制冷机、气隙式热开关和制冷机回热器研究中的重要参数。活性炭作为制冷机蓄冷材料时,其对氦气的高吸附量导致的高比热有望解决4 K制冷机目前磁性蓄冷材料蓄冷能力严重不足的瓶颈问题,另外还存在着无磁性优点。然而,目前液氦温区活性炭对氦气的吸附量还没有充足的实验数据。本文通过搭建实验台,测试了活性炭在4~10 K,0.5~3.5 MPa范围内的吸附量数据,并计算了吸附热。另外,为了充分验证使用吸附的氦气作为蓄冷材料的可行性,分别计算和测试了比热与流动阻力。结果表明,吸附氦气后的活性炭比热明显高于常规的回热器材料,其流动阻力也与目前Er3Ni等颗粒材料相当,能够适用于4 K制冷机回热器的蓄冷材料。

斯特林制冷机混合填料回热器性能优化及试验研究

针对旋转整体式斯特林制冷机的回热器性能优化,讨论了回热器丝网填料选型的原则,分析了不同温区采用不同丝网参数的回热器模型,并利用REGEN软件对混合丝网模型进行了优化分析。通过实验数据对模拟优化的结果进行了分析和讨论,验证了混合丝网模型优化结果的正确性,为旋转整体式斯特林制冷机回热器性能优化提供依据。

液氢无损储存回热式热驱动制冷机的数值模拟

本文针对液氢储罐零蒸发需求,利用SAGE软件对300 W@20 K回热式热驱动制冷机系统开展了模拟计算和优化设计,验证了双效自由活塞斯特林制冷机和热声驱动脉管制冷机两种方案用于液氢无损储存系统的可行性。结果表明,在平均压力5 MPa,工作频率50 Hz,加热温度500℃的工况下,双效自由活塞斯特林制冷机的整机[火用]效率可达到19.4%,而热声驱动脉管制冷机为14.3%。但斯特林系统由于采用定参数谐振活塞耦合,难以实现多工况匹配,导致其对平均压力、加热温度等运行参数的变化十分敏感。相比之下,热声系统完全无运动部件,具有极佳的工况适应性,因此热声驱动脉管制冷机系统在液氢无损储存应用领域将是一种颇具潜力的解决方案。

回热式低温制冷研究进展

很多特殊的物理现象伴随着低温而出现,低温技术正逐渐渗透到社会生活中的很多领域。回热式制冷作为两类主流低温制冷技术之一,主要包括斯特林制冷机、G-M制冷机、脉冲管制冷机3种结构形式。前两种结构技术成熟,但在寿命或效率方面有一定的不足;脉冲管制冷机可靠性和效率均较高,近年来发展最为迅猛。热声理论从声波与固壁相互作用的角度解释了回热式制冷的工作机制,正逐步发展成为研究回热式制冷的统一的理论工具,同时也使一种新的回热式制冷机结构——热声制冷机诞生。其中,双作用热声制冷可能存在较大的发展前景。目前回热式制冷正呈现多热点的发展趋势。回热式制冷在不断拓展应用的同时也在不断深化内在的科学问题研究,改进自身结构,孕育新的发展的机会。

单级回热器变工况优化设计

通过回热器数值计算程序REGEN深入理解回热器模型,计算回热器内部各项损失。基于各参数间的强弱关系讨论了回热器的优化设计流程。在此基础上,针对35 K、60 K和80 K温区及30~300 Hz频率,给出了回热器中质量流量、长度、填料以及充气压力对制冷效率COP的影响关系图,以期对回热器的工程实践提供指导。

回热式低温制冷装置回热器填料结构概述

作为回热式低温制冷机关键部件之一,回热器性能对整机效率影响甚大。分析了回热器填料多孔介质的选择依据及性能评价指标。根据填料物性、结构及填充方式的不同,将其分为层叠丝网型、环形狭缝型、球状颗粒型、随机纤维型、平行丝束型和蜂窝泡沫型等。结合其结构形式,总结了不同回热器的特点及应用场合。对回热器填料研究和发展趋势进行了展望。

大功率4K脉管制冷机模拟和实验研究

提高液氦温区脉管制冷机的制冷量对于冷却超导磁体和氦液化具有重要意义。本文将已成功应用于单级脉管制冷机和4 K G-M制冷机模拟的回热器模拟软件REGEN用于液氦温区脉管制冷机二级回热器的模拟。计算结果显示,脉管制冷机在4.2 K的制冷量一定程度上随着二级质量流量的增加而增大。在此基础上,我们在实验中采用不同质量流量的压缩机对第二级进行驱动以对计算结果进行验证。实验结果与计算结果基本吻合。在用单台6.8 kW压缩机同时对第一级和第二级驱动时,制冷机在第一级和第二级分别有20 W@40 K和0 7 W@4.2 K的制冷量。改用双压缩机和双旋转阀分别驱动第一级和第二级(第一级:CP4000,第二级:CP6000),在制冷机第一级和第二级分别获得20 W@47.5 K和1 1 W@4.2 K的制冷量,总输入电功率为11.7 kW。这是目前分离型二级脉管制冷机获得的最大制冷量。

低温调相VM-PT制冷机蓄冷器优化研究

低温调相VM气耦合脉冲管制冷机是一种热驱动的新型液氦温区制冷机。本文对液氦温区的低温调相VM气耦合脉冲管制冷机蓄冷器进行了相关研究。首先对制冷机系统及蓄冷器填充方式进行了介绍;其次利用Sage对两级蓄冷器中不同填充方式进行了数值研究;最后对制冷机两级填充方式进行了实验验证及优化,最终该制冷机获到了3.06 K的无负荷制冷温,在4.2 K可以提供30.2 mW的制冷量。