基于CFD方法的低温氦气调节阀工作特性研究

根据20 K温区低温氦气调节阀的运行工况,基于CFD方法对一台DN25低温氦气调节阀内的速度、压力、温度等流动参数进行了仿真研究。得到不同开度和压差下,流线和漩涡的分布情况,确定阀内物理参数大梯度变化位置及规律。针对阀芯与阀座的微小缝隙,研究了氦气从亚音速到超音速变化中压力、速度、马赫数和温度变化特性。计算结果显示,氦气在压力比为0.495时达到临界状态,与基于理想气体节流膨胀理论计算的临界压力比仅相差4.2%。研究结果揭示了调节阀内低温流体性质变化和流动规律,为预测阀门阻塞流发生条件提供了依据。

基于大冷量斯特林制冷机的LNG加气站BOG再液化回收技术

对比分析了LNG(液化天然气)加气站3种BOG(蒸发气)回收方式,指出采用大冷量斯特林制冷机的BOG再液化回收技术,不仅解决了传统回收方式对天然气管网和CNG(压缩天然气)站的依赖,而且实现了液化天然气储运过程中的"零排放",经济和社会效益显著。在此基础上,探讨了单级整体式斯特林制冷机的制冷能力以及BOG的液化量,试验和计算结果表明:单级斯特林制冷机的制冷量达到1kW@77K和2kW@110K,每月BOG液化能力≥8t,满足了我国小型LNG站BOG回收过程对冷量的需求。

小型线性斯特林制冷机驱动控制方法研究

为了设计一种能使小型线性斯特林制冷机快速启动并获得高效功率输入的控制器,设计了基于STM32F407单片机的驱动控制器。根据控制器的输出电气参数对制冷机中的直线电机部分进行有限元仿真,仿真中未出现磁路饱和现象。基于传统的“低压启动,手动调节至高压运行”的制冷机启动方法,提出了“半压启动,线性升压,高压运行”的制冷机自动启动方法,在避免活塞撞缸的同时加快了制冷机制冷过程。通过脉宽调制技术将制冷机驱动波由正弦波转变为梯形波,以提高逆变电路的直流母线电压利用率。研究结果表明:梯形波驱动方式实现了制冷机输入功率约25 W的提升,制冷量也有相应提高。

基于改进AVOA的小型自由活塞斯特林制冷机控制算法研究

针对小型自由活塞斯特林制冷机在温度控制系统中建模复杂以及易受环境温度和热负载变化的影响等问题,提出一种基于改进非洲秃鹫优化算法的模糊PID控制算法。通过在一台10 W@77 K自由活塞斯特林制冷机的温度控制系统中加入滞环偏置继电器辨识制冷机的数学模型,以此构建闭环控制系统,着重针对基于改进非洲秃鹫算法的模糊PID控制算法进行仿真实验。针对非洲秃鹫优化算法存在的容易陷入局部最优、收敛速度慢等问题,提出了一种融合多策略的改进非洲秃鹫优化算法,其中引入Tent混沌映射以提高初始个体多样性,并对次优秃鹫选择策略进行改进,加强算法脱离局部困境的能力,最后利用精英反向学习进一步增强算法全局搜索能力。仿真实验结果表明,该算法与PID算法、模糊PID算法和非洲秃鹫算法优化的模糊PID算法相比,调节时间分别降低79.69%、56.22%、50.26%,超调量分别减少87.70%、59.81%、60.38%;在加入方波扰动、白噪声、脉冲扰动和正弦波扰动下,控制系统的超调量的变化率分别为2.61%、2.35%、2.44%和2.49%。因此,基于改进非洲秃鹫算法的模糊PID控制算法与常规控制算法相比,具有响应速度快、超调小、抗干扰性强和稳定性好等优点。

液氦温区低温气动调节阀的研制和工作特性研究

根据使用要求和低温阀的相关设计标准,研制了一台"DN15-CV5"型液氦温区低温气动调节阀,并开展了系统的实验研究,得到了一系列与不同阀门开度及压差条件对应的Cv值和漏热量,基于拉依达准则(3σ准则)等方法对实验结果进行了不确定度分析。结果表明,研制的低温气动调节阀具有精准的流量调节特性和良好的绝热性能,能够满足液氦温区低温工程的使用要求。

10W@77K自由活塞斯特林制冷机的设计和实验研究

为满足高温超导、红外探测和气体液化等领域对高效率、高可靠性、长寿命低温制冷机的需求,对10 W@77 K自由活塞斯特林制冷机进行了研究。制冷机设计为整体式结构,由动磁式直线电机驱动。基于Sage建立制冷机整机模型开展了数值求解,并根据数值计算结果对运行频率、工作压力以及回热器填料等对制冷机性能的影响规律进行了分析。计算结果表明,在制冷机结构参数优化的条件下,工作压力为2.1 MPa、运行频率为60 Hz时,制冷量可达11.87 W@77 K,COP为0.068。根据参数优化设计结果研制样机并开展实验研究,实测制冷量达到10.62 W@77 K,COP为0.062。将制冷机连续运行200 h,制冷量波动范围小于0.5 W(即总制冷量的±4.7%),显示出良好的性能稳定性。

30K温区百瓦级二级斯特林制冷机

30 K温区大冷量回热式低温制冷机在超导冷却、气体液化等领域具有广阔的应用前景.相较于其他类型的低温制冷机,斯特林制冷机具有结构紧凑、降温速率快、效率高等优势.基于理论分析和数值计算结果研制了一台大冷量二级斯特林制冷机,并对其开展了初步的实验研究.对不同工况下制冷机的压力波特性以及室温端换热器的换热特性进行研究,发现提高充气压力,压缩腔的压力振幅会提高,室温端换热器的换热量提高.提高第二级制冷温度,压缩腔的压力振幅与室温端换热器的换热量减小,且其减小速率均随制冷机第一级热负荷的增加而提高.制冷机无负荷工作时,每提高0.1 MPa充气压力,制冷机第二级制冷温度降至30 K的平均降温速率提高0.72 K/min.在2.6 MPa充气压力时,制冷机第二级可在13.24 min内降至30 K,最终无负荷制冷温度为19.83 K,此时第一级制冷温度为71.2 K.在第一级无热负荷时,该制冷机在30 K时可提供110 W制冷量,相对卡诺效率为10.96%,这是目前国内该类型低温制冷机公开报道的最高性能.