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.     

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.     

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.     

斯特林型脉管制冷机中的回热器温度不均匀性研究

回热器是脉管制冷机和热声热机中的最关键部件之一. 当回热器由中小功率放大到大功率时, 其内垂直于声传播方向的热力和水力联系变弱. 在这种情况下, 任何的非对称因素都可能在制冷机或发动机的回热器内引发严重的不稳定性问题, 从而降低制冷机或发动机的性能. 对一台大功率二级热耦合U型斯特林脉管制冷机进行了实验研究, 通过对中间换热器和回热器周向温度分布进行测量, 发现了一种由级间预冷不对称性引起的回热器温度不均匀性. 观察发现, 回热器周向的温度不均匀性源于第二级回热器的中间换热器, 之后, 这个温度不均匀性在回热器中以内部直流的形式自行放大, 最大径向温差可达30~40 K. 在对第一级冷头外加热负荷并逐步增大热负荷直至把第一级的预冷效应转变为加热效应的过程中, 回热器内的温度不均性逐渐变弱, 最后其方向发生逆转. 本研究证明了在大功率回热式热机中保持换热器加热或冷却作用周向均一的重要性.     

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...     

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.     

我国大型低温制冷技术取得重大突破

<正>百瓦级功率,制冷至零下18摄氏度,家用冰箱可以做到。同等功率,制冷至零下271摄氏度,则需要国际先进技术。近日,国家重大科研装备研制项目"液氦到超流氦温区大型低温制冷系统研制"通过验收及成果鉴定,标志着我国具备了研制液氦温度(零下269摄氏度)千瓦级和超流氦温度(零下271摄氏度)百瓦级大型低温制冷装备的能力。     

液氮温度下陶瓷桥中两个K_α波段信号的约瑟夫逊频率混频

一、引言 液氦温区的约瑟夫逊混频器已有许多作者进行了研究,表明了它具有较低噪声、较高变频效率和较宽频带的优点,在毫米波、亚毫米波段的接收方面受到了广泛的重视,但由于它要在极低温下工作,而在应用上受到限制。近来液氮温区超导材料的出现,为超导器件在电子学方面的广泛应用提供了可能。     

2’-O-甲基化修饰对Ribozyme活性的影响

锤头结构Ribozyme切割底物时的催化结构包括3个螺旋区和中间10核苷酸的单链区(编号为3～9,12～14,在我们过去文章中称3个双链区为茎区,现根据一些科学家的建议改称为螺旋区.我们原称的茎Ⅰ现称螺旋Ⅲ,原茎Ⅲ现称螺旋Ⅰ,原茎Ⅱ称螺旋Ⅱ).在我们实验室进行的机制研究表明3个螺旋区碱基配对的强弱以及螺旋的构象可影响反应的最适温度和切割效率.将螺旋Ⅰ和/或螺旋Ⅲ的RNA·RNA配对改为RNA·DNA(或DNA·DNA)配对既减弱了Ribozyme与底物的相互作用又改变了螺旋的构象,使反应的最适温度与切割效率都降低很多,有的甚至几乎看不到切割活性.将螺旋Ⅱ的RNA·RNA配对改为DNA·RNA配对只影响螺旋Ⅱ的构象而不影响Ribozyme与底物的相互作用,结果也使反应的最适温度和切割效率降低,但影响较小.为提高Ribozyme稳定性又不影响或少影响它的切割效率,我们研究了2’-O-甲基化对Ribozyme活性的影响.     

高温氧化物超导体组成分析

1986年自Bodnorg和Müller发现高温氧化物超导体以来使氧化物系列的超导体研究有了长足的进展,实现了人们长期以来追求获得液氮温区超导体的理想,液氮比液氦便宜10倍,而效率高20多倍,大大加快了超导技术的开发与应用.1988年,我们实验室在高氧压下     

针孔SPECT成像完全三维图像重建的研究

依托自行研制的一台高分辨率小动物单光子发射型计算机体层成像系统(Micro- SPECT), 开发针孔SPECT成像的完全三维图像重建技术. 该研究包括: 针孔SPECT成像的投影算子推导及其在Radon空间的采样特性分析; 有效的系统几何参数校正方法; 适用于圆轨道和螺旋轨道扫描的三维图像重建算法及定量补偿方法的实现. 为验证开发的完全三维图像重建技术, 进行了相应的计算机模拟成像、模具成像及小鼠成像实验, 并对结果进行了讨论. 计算机模拟和模具及小鼠成像实验显示: 跟基于解析求逆理论的近似图像重建算法FDK相比, 基于统计理论的三维迭代图像重建算法结合有效的系统响应补偿方法, 能够显著地改善重建图像质量和提高系统成像分辨率; 螺旋轨道扫描的针孔SPECT成像技术可以有效地克服常规圆轨道扫描成像的局限性, 扩大成像系统的轴向视野, 提供相对完备的锥形束投影采样空间, 实现高分辨率的全身小动物SPECT成像. 实验结果表明我们开发的完全三维图像重建方法与技术是切实有效的, 达到了预期的目的, 可以较容易地推广应用于多针孔SPECT成像的三维图像重建.     

液氮温区高效直线压缩机驱动的脉冲管制冷机

通过对直线压缩机驱动的脉冲管制冷整机系统的效率进行理论分析, 发现惯性管的阻抗不仅对脉冲管制冷机的效率有重要影响, 而且会改变制冷机的阻抗, 从而进一步影响压缩机的电声转换效率. 借助于湍流修正模型, 解决了惯性管阻抗由于受到湍流转捩的影响而难以预测的问题, 因此设计出了一台高性能的直线压缩机驱动的脉冲管制冷机. 在电输入功率为127 W、制冷温度为77 K的情况下获得了9.4 W的制冷量, 整机相对卡诺效率达到了19.8%.     

探测低能量太阳中微子的低温两相电子泡探测器

提出并设计了一种新型的低温两相中微子探测器, 它利用电子泡在液氦池中特殊的传输特性, 实时、高效地测量了来自太阳质子-质子反应产生的低能量中微子. 该电子泡探测器的工作原理类似于时间投影室, 当入射中微子进入到探测介质液氦池中后, 与氦原子发生作用, 会激发弹性散射电子, 通过测量这些散射电子的能量及轨迹并与放射性背景信号分开, 就可以反推出入射中微子的能量和其他性质. 由于散射电子的信号很弱, 因此使用位于液面上方饱和蒸汽区的气体电子倍增器放大电子信号. 这种技术的突出优点是具有极高的空间分辨率和很好地抑制电离信号反馈的功能. 基于气体电子倍增器读取电信号和高精度CCD相机以进行探测光信号的新型时间投影室的研究, 目的是建造一个三维的空间分辨率为几个毫米量级的大型液氦低温探测器, 以探测能量低至100~200 keV的太阳中微子.     

基于吸收式换热技术的多段立式吸收-蒸发器的实验研究与应用

吸收式换热器是吸收式热泵应用于集中供热的关键核心部件.采用多段吸收式热泵机构可以有效提升机组性能:一次网回水温度一定时可大幅降低总传热面积,更重要的是在机组面积不变情况下显著降低一次网回水温度,实现单段机组无法实现的参数.本文在此技术基础上,设计并制作了三段大温差立式降膜吸收-蒸发器单元,并进行了多组工况的实验,测试其性能.该实验单元可以实现水侧大温差,形成三级蒸发压力梯度,与传统单段吸收机相比,实现了梯级换热,换热过程更加匹配;建立一维吸收器传热传质模型,分析并解释了实验中吸收器出现的冷却水出口温度高于溶液温度的现象.实验单元直接应用于实际供热工程中,在不同供暖工况下取得了良好的效果,一次网回水温度可以低至30℃以下.     

工程酸露点——锅炉低温余热利用极限的新判据

在某电厂建立积灰试验台,研究积灰对换热器的传热特性的影响.试验系统安装在某电厂300 MW机组空气预热器和电除尘器之间的烟道旁,双层试验套管插入烟道之中,冷却水先后流经内管和外管.数据表明:当煤质一定时,试验段Nu随着外壁温的变化而变化,在某一特定外壁温区间内骤降,此时换热元件积灰和腐蚀情况加剧,这个骤降温度区间被定义为工程酸露点.工程酸露点可以用来指导锅炉低温余热系统的设计,保持余热系统入口水温高于工程酸露点,换热器不但可以保持较高传热性能,同时避免了严重的低温腐蚀.就经济性和设备可靠性来说,工程酸露点是余热利用系统设计的新判据.试验表明:工程酸露点比传统热力学酸露点至少低30℃,具有更高的实用价值.     

一种用于冲击压缩实验并设有10 K气冷屏的液氦温度低温靶

液氦的冲击压缩实验是一种获取样品氦在高温高密度下性质的可行途径. 介绍了一种自研制的应用于100 Pa环境中的液氦温度低温靶, 该低温靶具有独立真空夹层和气冷屏的结构设计, 获得了3.63 K的最低温度和3.7 K的稳定温度, 降温过程和温度稳定性都完全满足冲击压缩实验的要求. 为了研究低温靶的绝热性能, 利用Fluent对低温靶热分析, 计算结果与实验结果吻合较好, 计算方法可以有效用于低温靶的优化设计.     

熔盐在复杂换热结构内的对流换热特性实验研究及进展

揭示熔盐在复杂换热结构内的对流换热规律,实现系统的高效换热是发展下一代先进核能发电技术和高温光热发电技术要解决的关键问题之一.本文首先回顾了熔盐对流换热实验的研究历程,总结发现其经历了从光滑管到强化管、从管内到换热器壳侧的发展过程;同时指出研究熔盐在换热器壳侧复杂结构内的换热规律是今后一项十分重要的工作.接着,系统介绍了作者团队近年来对熔盐在普通的管壳式换热器、大小孔折流板换热器、弓形折流板换热器、折流杆换热器的壳侧,以及印刷电路板换热器翼型肋片侧5种复杂结构内的对流换热规律的实验研究工作;总结了上述研究中获得的熔盐在5种复杂结构内的对流换热实验关联式,同时给出了关联式具体的参数适用范围.这些实验关联式具有形式简单、精度较高等特点,可以满足工程需求.最后,对上述复杂结构中的熔盐换热性能进行了对比分析.结果表明, 4种管壳式换热器壳侧的换热能力为大小孔折流板换热器折流杆换热器弓形折流板换热器普通的管壳式换热器;此外,还发现翼型印刷电路板换热器的单位体积换热量远大于4种管壳式换热器.最后,探讨了复杂换热结构内的熔盐对流换热方面需要进一步探究的内容.     

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.     

用于强化脉管制冷的He-H2混合工质和Er3NiHx填料

在采用He-H₂混合工质脉管制冷实验中发现回热材料Er₃Ni具有吸收(附)H₂的性质, 初步估算表明吸氢后形成的氢化物Er₃NiH_x具有比Er₃Ni更大的体积比热容, 回热性能更加优越. 实验结果表明, He-H₂混合工质和Er₃NiH_x填料的共同作用显著提高了30K温区脉管制冷机的性能.