液氦温区分离型二级脉管制冷机研究

研制了一台液氦温区分离型二级脉管制冷机. 该制冷机由两台独立的脉管制冷机组成, 一级回热器冷端和二级回热器中部通过热桥相连, 从根本上弥补了传统耦合型多级脉管制冷机级间干扰的不足. 单独测试第1级脉管最低制冷温度达到13.8 K, 这是单级脉管制冷机最低制冷温度新纪录. 采用双压缩机双旋转阀驱动该二级脉管, 第2级最低制冷温度达2.5 K, 并可同时在4.2 K和37.5 K获得508 mW和15 W制冷量. 为了简化结构、扩大应用, 首次采用单压缩机单旋转阀驱动分离型脉管制冷机, 达到了相同的制冷性能.     

突破液氢温度的热驱动热声制冷机

提出了一种“二介质耦合声学放大器”作为热声发动机与低温脉冲管制冷机的新型耦合机构, 使其继续保持压力幅值放大的功能, 且能够在热声发动机和脉冲管制冷机之间安装弹性膜. 利用此新型耦合机构, 可以使热声发动机以氮气为工作介质获得较低的工作频率, 而脉冲管制冷机则可采用氦气为工作介质使其优良的低温制冷性能得到保证. 采用聚能型行波热声发动机驱动, 最终使一台两级脉冲管制冷机获得了18.7 K的无负荷温度, 使热驱动的热声制冷机突破了液氢温度.     

13 K热耦合二级Stirling型脉管制冷机

Stirling型脉管制冷机比G-M型脉管制冷机具有更紧凑的结构和更高的制冷效率, 已经成为低温制冷机领域的研究热点. 为了获得低于20 K的无负荷制冷温度, 设计建立了一台热耦合二级Stirling型脉管制冷机. 热耦合级间布置方式使得各级制冷机内的工质流动相互独立, 便于小孔阀和双向进气阀调相结构的优化调节, 有利于实现系统内直流流动的有效控制, 级间制冷量的分配也更为灵活. 采用一台线性压缩机驱动该制冷机, 在200 W输入电功率条件下, 实现了14.97 K的无负荷制冷温度. 采用两台线性压缩机分别驱动第一级和第二级脉管制冷机, 在400 W总输入电功率条件下, 获得了12.96 K的低温, 为目前国内外公开报道采用二级Stirling型脉管制冷机获得的最低制冷温度.     

300 Hz高频热声驱动脉冲管制冷机

介绍了300Hz驻波热声发动机驱动脉冲管制冷机的最新进展.在前期经验的基础之上,针对驻波发动机、脉冲管制冷机以及它们之间的耦合机制进行了优化.在平均压力和加热功率分别为4.13MPa和1760W时,脉冲管制冷机的入口压比达到了1.248,并获得了69.5K的无负荷最低制冷温度,这是该频率范围的热声驱动脉冲管制冷机首次获得70K以下的低温.     

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.     

以氦-3为工质的回热式气体制冷机性能分析

现有液氦温区回热式低温制冷机的实验测量和理论仿真研究几乎都采用氦-4为工质,改用氦-3为工质时低温制冷机理论上可突破氦-4的λ相变限制,获得低于2K的无负荷制冷温度,并在液氦温区获得更大制冷量.通过比较氦-3与氦-4的热物理性质差异以及低温制冷机回热器仿真计算,从回热器损失、制冷量、相对COP等多个方面定量分析了分别采用氦-3和氦-4为工质时低温回热器的性能.证明氦-3工质可以显著改进回热式气体制冷机的低温制冷性能.     

用于热声驱动脉冲管制冷机的新耦合机制: 声学放大器

提出了声学放大器的概念, 有意识地用一根长管来连接热声发动机与脉冲管制冷机. 理论计算表明, 合适的管长及管径可以大幅度地放大来自热声发动机的压力波动, 脉冲管制冷机从而可以获得更大的驱动压比. 在理论分析的基础上, 初步的研究也证实了压力波动的放大效果. 在平均压力2.46 MPa, 工作频率69 Hz时, 一根内径8 mm, 长2.8 m的紫铜管把来自热声发动机的压力波动幅值平均放大为2.5倍以上. 特别地, 使用1.67 kW的加热功率, 发动机的压比为1.11, 脉冲管制冷机入口的压比到达了1.32, 进而在脉冲管制冷机的冷头获得了65.7 K的温度.     

92 K热声驱动脉管制冷机

1990年Radebaugh和Swift等人采用热声发动机代替常规机械压缩机驱动脉管制冷机,建成了完全无机械运动部件、可实现长期稳定运行的低温制冷机,引起了人们的兴趣．由于热声驱动脉管制冷机可采用太阳能集热或燃气等作驱动源,对于电能短缺而热能富集的场合具有实用意义,例如一可能的应用场合是用于液化天然气,即以燃烧天然气为驱动热源,用制取的制冷量来液化其余的天然气,目前相关的研发丁作受到极大的关注。     

空间液氦温区J-T节流制冷机套管换热器优化

空间液氦温区J-T节流制冷机技术是目前深空探测任务的主要制冷技术,而逆流换热器是液氦温区J-T节流制冷机的关键部件之一.螺旋套管换热器结构简单,体积重量较小,在空间液氦温区J-T节流制冷机中被普遍采用.本文分析了螺旋套管换热器效率对节流循环的影响,并对换热器进行了理论分析和优化设计.分析表明减小螺旋套管换热器的管径和螺旋直径可以提高换热器的换热系数,进而提升换热器的效率.开展了相关的实验研究,实验结果验证了理论分析的正确性,证明提升套管换热器效率,可以降低节流循环对预冷量的需求,同时降低节流前温度,最终提高预冷型J-T节流制冷机的整机效率和制冷量.     

热声发动机及其驱动脉管制冷机研究进展

热声驱动脉管制冷作为一种可用热能驱动的完全无运动部件的新型制冷方案已成为制冷与低温领域的研究热点. 回顾了热声学的发展历史, 针对热声发动机及其驱动脉管制冷机研究中的关键技术, 综合评述了热声学理论和实验研究的最新进展与典型样机, 并指出了该研究领域今后的发展方向和工业应用的前景.     

小型斯特林热声发动机谐振管内径的影响研究

基于线性热声理论, 对一台小型热声斯特林发动机进行了数值仿真, 并进行了相应的实验研究. 计算和实验结果表明, 谐振管内径的变化对于小型斯特林热声发动机的谐振频率以及性能具有十分重要的影响. 适当减小谐振管的径向尺寸, 能够有效降低整机的谐振频率, 提高系统波动压力幅值, 这对于热声斯特林发动机的小型化具有重要的指导意义. 根据计算和分析, 搭建了一台小型热声斯特林发动机, 其谐振管的长度和内径分别为350 mm和20 mm, 工作频率为282 Hz, 当充气压力为2 MPa, 加热量为637 W时, 系统最大压力峰峰值和压比分别达到了0.22 MPa和1.116, 初步具备驱动热声制冷机或者热声发电机的能力     

热声振荡器的二端口网络模型及起振条件

热声发动机的起振过程是发生在非均匀声介质中的自激振荡过程, 揭示各影响因素之间的耦合关系是热声学基础研究的重要课题. 将热声发动机视为由主动网络与被动网络组成的热声振荡器. 相应地, 推导了组件对应的二端口Y参数, 采用负阻模型和反馈模型分别描述了驻波和行波热声发动机, 并给出了对应的二端口网络拓扑, 应用Nyquist失稳判据获得了热声振荡器的起振条件. 模型预测的起振参数, 特别是起振频率及模态特征与文献实验报道相符; 此外, 通过拓扑图论证了驻波热声发动机起振于负阻状态、热声——斯特林发动机存在高频模态. 该方法通过考察热声系统的频域响应, 实现了以解析方式反映发动机运行参数和系统结构对起振模态、起振温度的影响; 能避免使用经验频率设计热声系统, 在系统设计阶段提供热稳定性校核的途径.     

空间液氦温区J-T节流制冷机节流微孔实验

液氦温区节流制冷机在空间探测中获得了广泛的应用,基于本实验室研制的多级高频脉冲管预冷节流循环的复合式制冷机,针对节流微孔对节流制冷机性能的影响进行分析和实验.研究发现,节流微孔的尺寸不仅影响节流制冷机的流量,对节流制冷效果也有着重要影响.通过实验对不同孔径微孔进行了研究,获得了最佳微孔尺寸.此外,对节流前高压对节流制冷机流量、制冷机和最低无负荷温度的影响进行了分析和实验研究.基于此,采用三级无油线性压缩机驱动节流循环,测试了闭式循环节流制冷机的性能,在4.48 K获得了81.5 m W的制冷量.     

有阀线性压缩机驱动液氦温区闭式JT制冷机性能

线性压缩机驱动的液氦温区闭式JT(Joule-Thomson)节流制冷系统,是实现深空探测目标的核心技术.为进一步探究闭式JT循环的压缩机工况影响和制冷温度变化情况,搭建了预冷型液氦温区闭式JT节流制冷机实验台.实验中,采用单向阀组与传统线性压缩机结合,获取JT循环所需直流流动氦气工质并提供节流所需大压比.考虑单级有阀线性压缩机压力能力,选取10 K左右预冷温度,测试了不同压缩机工况特性及节流孔的压力流量特性.通过调节活塞位移和压缩机运行频率,可以获得3.91 K的最低温度.该闭式循环JT制冷机在4.09 K稳定工况下可以获得10.8 mW的最大制冷量,为后续多级压缩和更低温区的闭式系统提供可靠的研究基础.     

石墨烯海绵的光声效应

探索了三维石墨烯海绵的光声效应.由于其具有均匀的孔结构以及良好的吸光特性,石墨烯海绵能产生均匀的光声信号.通过研究石墨烯海绵在不同气体中的光声效应,获得了所产生的光声信号与气体性质的关系.研究发现,石墨烯海绵在不同频率(20~20000 Hz)范围内,产生的光声信号均具有良好的谐振性.为了进一步解释石墨烯海绵的光声机理,建立了相应的理论模型.这些结果为利用石墨烯材料在光声器件等方面的研究提供了有益的借鉴.     

以氦-4为唯一工质的1.8 K复合制冷机及其应用验证

量子信息技术和深空探测等领域的蓬勃发展,对2 K以下温区高可靠、长寿命、小型轻量化、高制冷效率低温制冷机的需求日益迫切,高频脉冲管耦合Joule-Thomson(JT)的复合制冷循环是实现这一目标的重要手段.目前国际上以该循环获得2 K以下温区的成功实践,均是在脉冲管分系统使用氦-4而JT分系统使用氦-3作为循环工质的情况下获得的.氦-3在地球上存量稀少、价格高昂,是阻碍这一循环在更广范围内实用化的关键瓶颈.本文对以氦-4为唯一工质的四级高频脉冲管耦合JT的复合制冷循环开展了理论与实验研究,分析了基于该循环获取2 K以下温度的关键难点和可行性,从采用间隙密封的直流线性压缩机的低压压力和多级间壁式回热器的低压侧压降损失入手,理论预测出在40 kPa系统充气压力下可实现1.1 kPa的压缩机吸气压力和438.6 Pa的低压侧总压降,从而能获得1.54 kPa的饱和蒸气压,此时采用氦-4节流可实现1.78 K的制冷温度.同时,在氦-4超流态工况下,分析了小界面温差的Kapitza热导对冷头蒸发器内超流氦热传递的影响,并给出了在此基础上JT循环参数优化的限制条件.设计出的制冷机的无负荷温度经过...     

一种大幅度提高热声发动机压比的“声学泵”

压比是评价热声发动机的重要参数之一. 提出了一种可以大幅度提高热声发动机的“声学泵”, 并给出了其工作原理的理论分析. 采用2.5 MPa的氮气在一台聚能型的行波发动机进行了实验, 表明它可以将压比从1.25提高到1.47以上.     

基于(火积)守恒方程的可逆热力循环(火积)分析及其应用

将(火积)分析应用于热力循环性能的分析和优化中.首先在可逆热力过程和热力循环的分析中提出了热(火积)流和功热(火积)流的概念,并建立了相应的(火积)守恒方程.其次通过对可逆热机热泵联合循环中(火积)守恒的分析表明,与通常的热泵循环不同,热机-热泵联合循环的功能类似于电学中的变压器(电压变换器),因此可把此类联合循环称之为变温器或温度变换器.此外,取决于联合循环热源的温度,在某些条件下联合循环必须向环境输出功热(火积)流,从而降低联合循环的性能;而在另外一些条件下则可以从环境吸收功热(火积)流,从而提高联合循环的性能.最后,基于热质理论指出了热(火积)实际上是热质能的简化表达式,因而热(火积)流和功热(火积)流则分别是热质能流和功热质能流的简化表达式,它们实际上都是相对性能量.因此,类似于电压变换器中电能与磁能满足能量守恒定律,热机热泵联合循环中不仅热量和功量满足能量守恒定律,热(火积)流和功热(火积)流还满足相对性能量守恒定律,从而(火积)分析方法可用于分析可逆热力循环的性能,而熵分析及?分析方法则无法分析可逆热力循环的性能.最后,本文以两种典型的热机-热泵联合循环为例分析了联合循环的性能评价方法.     

百瓦级行波热声发电机实验样机研究

报道了一种行波热声发动机驱动直线发电机产生电能的实验研究. 在原理实验中, 当热声发动机工作压力为2.5 MPa、谐振频率为64 Hz, 且压力振幅为0.2 MPa时, 该直线发电机可输出100 W以上的电能.     

塔式太阳能熔盐腔体吸热器一体化光热耦合模拟研究

首先采用蒙特卡罗光线追迹与杰勃哈特方法结合的混合光学模拟方法对塔式聚光集热系统中太阳辐射传播的全过程进行了完整描述,准确获得了全镜场条件下吸热表面非均匀的能流分布.在此基础上对熔盐腔体吸热器进行了一体化光热耦合模拟,重点分析了非均匀能流分布条件下熔盐流动布置方式对吸热性能的影响,同时考察了不同时刻条件下的吸热性能,结果表明:腔体吸热器吸热表面的能流分布表现出强烈的非均匀性,在这种非均匀的能流分布条件下,熔盐的流动布置方式会对吸热器性能产生显著的影响.当熔盐从能量密度高的区域流入,温度迅速升高,整个吸热面处于较高的温度水平,热损失较大,且会在熔盐出口处会出现熔盐加热吸热管的"吸热恶化"现象;当熔盐从能量密度低的区域流入,温度缓慢升高,整个吸热面处于相对较低的温度水平,热损失较小,能够获得更多的高温熔盐.另外,反射损失随时间变化显著,热损失随时间变化不显著.