低温制冷机 1.ppt

上海理工大学 2010年 4月 图3-73克劳特制冷机 基本型脉冲管制冷机利用充放气获得低温的方法实质上是西蒙膨胀制冷的一种型式。 基本型脉冲管制冷机与西蒙膨胀过程的不同点: 脉冲管制冷机运行时，脉冲管气体轴向存在一温度梯度，入口端温度低，封闭端温度高；而西蒙膨胀的容器内气体温度均匀； 充气完毕后，脉冲管取走热量的方式是靠封闭端的水冷换热器；而西蒙膨胀的热量是靠整个容器表面与外部环境的对流换热。 基本型脉冲管制冷机除了压缩气源和切换阀是室温运动部件外，在低温处无任何运动部件，因此其结构简单、运行可靠，但是其制冷效率低。 带有切换阀的基本型脉冲管制冷机:由于气体在通过阀门时有节流损失而降低了制冷效率。 可逆基本型脉冲管制冷机:直接利用活塞在气缸内往复运动，使制冷系统内产生压力波动而导致脉冲管内气体的压缩和膨胀过程。 图3-89 可逆基本型脉冲管制冷机原理图 1—活塞 2—水冷却器 3—脉冲管 4—负荷换热器 5—回热器 图3-90 相同压比下带切换阀式脉冲管与可逆基本型 脉冲管内部压力波图。 a-基本型脉冲管 b-可逆基本型脉冲管. 常规气体制冷机的冷腔膨胀活塞与压力之间有一定的运动相位差，冷端可获得制冷的膨胀功。 其中的能量平衡有: 脉冲管冷端的焓流表示一周期内脉冲管冷端向热端传输的能量，可称之为脉冲管的毛制冷量。 脉冲管传递热量的能力（即制冷能力）取决于P和u1在相位上能否接近，以及两者振幅的大小。 可逆基本型脉冲管制冷机的最主要特点是:将上一个循环的能量存储起来，在下一个循环，其所需的能量一部分来自马达，另一部分则由储存的能量提供，这样就能大大减少外部所需的能量而提高热效率。 (3.108) (3.109) 图3-91 基本型脉冲管的能量传递及压力与流速的相位关系 2. 小孔型脉冲管制冷机 小孔型脉冲管制冷机中由于小孔和气库的加入，制冷机理发生了变化，运转频率也大幅度提高。 考察脉冲管热端的焓流变化，因为气库的容积大，其压力基本稳定为系统的平均压力，热端的气体流向取决于脉冲管与气库的压差。 小孔对P和u的振幅有调节作用，小孔开度增大，压力振幅减小，流速振幅增大。这样小孔型脉冲管中冷端气团可以向斯特林制冷机中的膨胀活塞一般获得一定的相位需求，利用膨胀功制冷。 脉冲管由冷端向热端的泵热能力大大增强。 (3.110) 3. 双向进气脉冲管制冷机 无功气体:在小孔型脉管制冷机中，通过回热器的气体中有一部分气体并不产生制冷效应，降低了回热器效率。这部分不作功的气体在脉管中来回震荡，既不通过小孔进入气库，也不从冷端换热器进入回热器。这些气体柱塞随时间膨胀和收缩，但并不产生制冷。 图3-92 双向进气型脉管制冷机. a)无阀压缩机驱动 b) 有阀压缩机驱动 4. 多路旁通脉冲管制冷机 多路旁通方案对制冷过程的影响主要在于它在旁通点处形成了一次膨胀制冷过程。 在多路旁通处一股焓流由回热器流入脉冲管中，旁通点成为制冷部位。其在低温区性能优越的主要原因是脉冲管旁通部位加一换热器以利于制冷，出现两次膨胀制冷过程。 图3-93 多路旁通脉冲管制冷机中的能量传递 5. 双活塞脉冲管制冷机 双活塞脉冲管制冷机能克服小孔调节作用对于P和u的相位匹配并不是完美的缺陷，采用一配气活塞来调节脉冲管中P和u的相位。 配气活塞与产生压力波的主活塞之间存在一定相位差，两者的运动规律如下: (3.111) (3.112) 6. 四阀式脉冲管制冷机 图3-94 四阀式脉冲管制冷机的当量P—V图 四阀式脉冲管制冷机理可以由脉冲管中P和u的变化来说明。根据四个阀门的开关变化，脉冲管压力和脉冲管热端阀门两端的压力变化可定性表示，图中压差的正负对应气体的流向。 图3-95 四阀式脉冲管中压力 与小孔两端压差的关系 7．多级脉管制冷机 为获得更低的制冷温度，可以采用多级脉管制冷方案。脉管制冷机冷端无运动部件，不存在机械运动的耦合，易于进行多级布置。 图3-96 三级脉冲管制冷机结构示意图。1 压缩机， 2 旋转阀， 3 气库， 4 小孔阀， 5 双向进气阀， 6 第一级蓄冷器， 7 第二级蓄冷器， 8第三级蓄冷器， 9 第一级脉冲管， 10 第二级脉冲管， 11第三级脉冲管，12 第一级冷头， 13 第二级冷头， 14 第三级冷头，15 回热管， 16 辐射屏， 17 真空罩。 图3-97 两级脉管制冷机结构示意图。1 压缩机， 2 旋转阀， 3 气库， 4 小孔阀， 5 双向进气阀， 6 第一级蓄冷器， 7 第二级蓄冷器， 8 第一级