本发明专利技术公开了一种基于熵分析的三级热耦合型高频脉冲管制冷机的设计方法，共分六步：1)建立模型；2)建立合理的基本假设，简化模型；3)基于熵分析，对第一级的性能进行分析；4)在前面的研究基础上，对第二级性能进行分析；5)将前面的分析结果代入第三级，得到第三级制冷性能与各级工作参数的解析关系；6)基于前述模拟结果，根据实际需求，对包括各级的输入声功、制冷温度、充气压力、压比、工作频率、回热器尺寸、热桥连接位置、蓄冷填料等在内的各项工作参数进行优化设计，以达到最佳工作状态。本发明专利技术可以显著降低各项不可逆损失，提高系统制冷效率，对三级热耦合型高频脉冲管制冷机的实用化发展具有重要意义。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术设及制冷与低溫工程领域，特别设及一种基于赌分析的=级热禪合型高频 脉冲管制冷机的设计方法。
技术介绍
在国际范围内，低溫制冷技术在过去的近半个世纪中都得到了快速发展，并在航 空航天、国防、超导工业、医疗、能源W及低溫物理等领域有着广泛应用。低至IOK及其W下 的深低溫区在甚长波红外探测、太赫兹探测、X射线探测、低溫超导等领域更有着不可替代 的应用。相比较低溫液体杜瓦，机械制冷方法体积小、重量轻、维护方便、工作寿命长，在机 动性、可靠性、使用寿命等方面具有很大优势，在航天和军事等领域优势更为明显。机械制 冷方法要实现IOK及W下的深低溫区，常需要使用=级或W上级数的多级系统。脉冲管制冷 机取消了广泛应用于常规回热式机械制冷机的冷端排出器，因而在回热式制冷机中实现多 级系统最为方便;再加上脉冲管制冷机冷端低振动、低干扰和无磨损的天然优势，因而近年 来成为深低溫区多级机械制冷研究的热点。多级脉冲管制冷机主要分为热禪合型和气禪合型，国际上对运两种类型的多级系 统都尝试采用各自的设计方法，但目前尚没有总结出一种行之有效的公认的设计原则。特 别是针对=级高频脉冲管制冷机的基于赌分析的设计方法，目前在公开文献上尚未见报 道。
技术实现思路
鉴于现有技术的不足，本文提出一种基于赌分析的=级热禪合型高频脉冲管制冷 机的设计方法：[000引本专利技术的目的在于，提供了一种=级热禪合型高频脉冲管制冷机的设计方法。通 过该设计方法，可W在确定制冷需求及基本工作参数的情况下，对包括各级脉冲管制冷机 的输入声功、制冷溫度、充气压力、压比、工作频率、回热器尺寸、热桥连接位置、蓄冷填料等 在内的各项工作参数进行优化设计分析，从而显著地降低各项不可逆损失，提高系统工作 效率。该设计方法包括W下步骤：步骤一:建立=级热禪合型高频脉冲管制冷机计算模型，该模型包括:第一级压缩 机1、第一级连管2、第一级级后冷却器3、第一级回热器4、第一级冷端换热器5、第一级脉冲 管6、第一级热端换热器7、第一级惯性管8、第一级气库9、第二级压缩机10、第二级连管11、 第二级级后冷却器12、第二级回热器13、第二级冷端换热器14、第二级脉冲管15、第二级热 端换热器16、第二级惯性管17、第二级气库18、第=级压缩机19、第=级连管20、第=级级后 冷却器21、第=级回热器22、第一级热桥23、第二级热桥24、第=级冷端换热器25、第=级脉 冲管26、第=级热端换热器27、第=级惯性管28和第=级气库29。 其中，第一级冷端换热器5通过第一级热桥23分别与第二级回热器13和第=级回 热器22相连，并对后两级脉冲管制冷机进行预冷。第二级冷端换热器14则通过第二级热桥 24与第=级回热器22相连，并对第=级脉冲管制冷机进行预冷。 =级脉冲管制冷机热端工作溫度均为To,冷端溫度依次为Tc1、Tc2和Tc3。=级脉冲 管制冷机输入声功分别为Wi、W2、化;第一级脉冲管制冷机总制冷量为Qti,通过第一级热桥23 预冷第二级的预冷量为Qp12，预冷第S级的预冷量为Qp13，可取出的制冷量为Qcl;第二级脉冲 管制冷机总制冷量为Qt2,通过第二级热桥24预冷第S级的预冷量为Qp23,可取出的制冷量为 0。2;第；级脉冲管制冷机制冷量为Qc3,该制冷量可W被全部取出；则；级脉冲管制冷机的 冷量之间存在如下关系： Qti=Qci+Qpi2+Qpi3 (1) Qt2 =Qc2+Qp23 (2) 步骤二:建立基本假设，在基于赌分析的回热器设计方法中，建立如下假设:首先， 仅考虑回热器部分的损失;其次，假定冷、热端换热器保持溫度恒定，基于此假设，则回热器 进、出口位置时均赌流均为0。[001引步骤S:基于W上假设，采用赌分析法得到第一级脉冲管制冷机的总制冷量表达 式：(3) 式中：Qahi为第一级回热器4热端轴向导热量，Sgi为第一级回热器4内总赌产。第一级回热器4热端的轴向导热量计算公式为：(4)第一级回热器4中的赌产主要包括S个部分:轴向导热损失Sg-ai，压降损失Sg-Pi,工 质与丝网的不可逆换热损失Sg-Cl: Sgi=Sg-ai+Sg-pi+Sg-ci巧) 其中，由轴向导热引发的赌产表达式为：傾[002引式中山1为第一级回热器4管壁导热系数，Awi为第一级回热器4管壁横截面积，、1 为第一级回热器4内部导热系数，All为第一级回热器4内部横截面积。由压降导致的赌产微分表达式为：式中：R为理想气体常数，Tl为第一级脉冲管制冷机工作周期，Psi为第一级充气压 力，I耐为1处的质量流振幅，Pd功1处动压振幅，0pi为1处压力波的相位角，A01为1处压力 波与质量流的相位差。动压振幅与相位角可W通过如下公式求解：式中：疚为体积流率，rg为回热器中单位长度的阻抗，g为控制源项，CO为角频率，Cp 为工质的等压比热容，CV为工质的等容比热容。联立公式(8)、（9)可解得压力波与质量流的 振幅和相位角。由工质与丝网不可逆换热导致的赌产微分表达式为：式中：Cm为第一级回热器4中蓄冷填料的比热容，Pm为蓄冷填料的密度，巧为第一 级回热器4中的空隙率，fi为第一级脉冲管制冷机的工作频率，表示1处工质与丝网的对 流换热系数，&为第一级回热器的比表面积，ITmI为1处蓄冷填料的溫度振幅。在1处工质与丝网的对流换热系数计算表达式为：hgm,i=入gNui/dh(11)式中：入g表示工质的导热系数，Nul表示1处工质的努谢尔数， 化为水利直径。努谢尔数可W通过经验公式计算：[003引 M/z二口+化9妙6/細）.巧1'巧式中：Pei为工质在1处的贝克莱数。 将表达式(4)、巧）、（6)、（7)、（10)、（11)、（12)代入(3)式中，并在第一级回热器4长 度^上求积分，即可得到第一级脉冲管制冷机总制冷量与各工作参数的解析表达式。步骤四：采用类似的赌分析方法，得到第二级脉冲管制冷机制冷量的解析表达式：式中：Qp12为第一级脉冲管制冷机预冷第二级的预冷量，Qah2为第二级回热器13热 端轴向导热量，Sg2为第二级回热器13中的赌产。第一级脉冲管制冷机预冷第二级的预冷量Qp12计算式为： 式中：为第二级回热器13管壁导热系数，Aw2为第二级回热器13管壁横截面积， 为第二级回热器13内部导热系数，Ai2为第二级回热器13内部横截面积，L21为第二级回热 器13热端到第一级热桥23连接处的长度。第二级回热器13热端轴向导热量Qah2计算表达式为：(巧 第二级回热器13中赌产同样由S部分组成：轴向导热、压降损失W及工质与丝网 的不可逆换热：[004引Sg2二Sg-a2+Sg-p2+Sg-c2( 16 )轴向导热引起的傭产表达式为：(17)压降引起的赌产微分表达式为： 式中：R为理想气体常数，T2为第二级脉冲管制冷机工作周期，Ps2为第二级充气压 力，I撕快1处的质量流振幅，Pdi为1处动压振幅，0pi为1处压力波的相位角，A01为1处压力 波与质量流的相位差。压力波与质量流的振幅和相位角可W通过表达式(8)、（9)进行计算。 由工质与丝网不可逆换热导致的赌产微分表达式为： 式中：Cm为第二级回热器13中蓄冷填料的比热容，Pm为蓄冷填料的密度，後为第二 级回热器13本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种基于熵分析的三级热耦合型高频脉冲管制冷机的设计方法，其特征在于，设计方法如下：步骤一：建立三级热耦合型高频脉冲管制冷机计算模型，该模型包括：第一级压缩机(1)、第一级连管(2)、第一级级后冷却器(3)、第一级回热器(4)、第一级冷端换热器(5)、第一级脉冲管(6)、第一级热端换热器(7)、第一级惯性管(8)、第一级气库(9)、第二级压缩机(10)、第二级连管(11)、第二级级后冷却器(12)、第二级回热器(13)、第二级冷端换热器(14)、第二级脉冲管(15)、第二级热端换热器(16)、第二级惯性管(17)、第二级气库(18)、第三级压缩机(19)、第三级连管(20)、第三级级后冷却器(21)、第三级回热器(22)、第一级热桥(23)、第二级热桥(24)、第三级冷端换热器(25)、第三级脉冲管(26)、第三级热端换热器(27)、第三级惯性管(28)和第三级气库(29)；其中，第一级冷端换热器(5)通过第一级热桥(23)分别与第二级回热器(13)和第三级回热器(22)相连，并对后两级脉冲管制冷机进行预冷，第二级冷端换热器(14)则通过第二级热桥(24)与第三级回热器(22)相连，并对第三级脉冲管制冷机进行预冷；三级脉冲管制冷机热端工作温度均为T0，冷端温度依次为Tc1、Tc2和Tc3；三级脉冲管制冷机输入声功分别为W1、W2、W3；第一级脉冲管制冷机总制冷量为Qt1，通过第一级热桥(23)预冷第二级的预冷量为Qp12，预冷第三级的预冷量为Qp13，可取出的制冷量为Qc1；第二级脉冲管制冷机总制冷量为Qt2，通过第二级热桥(24)预冷第三级的预冷量为Qp23，可取出的制冷量为Qc2；第三级脉冲管制冷机制冷量为Qc3，该制冷量可以被全部取出；则三级脉冲管制冷机的冷量之间存在如下关系：Qt1＝Qc1+Qp12+Qp13 (1)Qt2＝Qc2+Qp23； (2)步骤二：建立基本假设，在基于熵分析的回热器设计方法中，建立如下假设：首先，仅考虑回热器部分的损失；其次，假定冷、热端换热器保持温度恒定，基于此假设，则回热器进、出口位置时均熵流均为0；步骤三：基于以上假设，采用熵分析法得到第一级脉冲管制冷机的总制冷量表达式：Qt1=Tc1T0W1-Tc1T0Qah1-Tc1Sg1---(3)]]>式中：Qah1为第一级回热器(4)热端轴向导热量，Sg1为第一级回热器(4)内总熵产；第一级回热器(4)热端的轴向导热量Qah1计算公式为：Qah1=-(λw1Aw1+λi1Ai1)dTdl|l=0---(4)]]>第一级回热器(4)中的熵产主要包括三个部分：轴向导热损失Sg‑a1，压降损失Sg‑p1，工质与丝网的不可逆换热损失Sg‑c1：Sg1＝Sg‑a1+Sg‑p1+Sg‑c1 (5)其中，由轴向导热引发的熵产表达式为：dSg-ai1=(λw1Aw1+λi1Ai1)·1T2·(dTdl)2·dl---(6)]]>式中：λw1为第一级回热器(4)管壁导热系数，Aw1为第一级回热器(4)管壁横截面积，λi1为第一级回热器(4)内部导热系数，Ai1为第一级回热器(4)内部横截面积；由压降导致的熵产微分表达式为：式中：R为理想气体常数，τ1为第一级脉冲管制冷机工作周期，ps1为第一级充气压力，为l处的质量流振幅，pdl为l处动压振幅，θpl为l处压力波的相位角，△θl为l处压力波与质量流的相位差。动压振幅与相位角可以通过如下公式求解：式中：为体积流率，rg为回热器中单位长度的阻抗，g为控制源项，ω为角频率，cp为工质的等压比热容，cV为工质的等容比热容。联立公式(8)、(9)可解得压力波与质量流的振幅和相位角；由工质与丝网不可逆换热导致的熵产微分表达式为：式中：cm为第一级回热器(4)中蓄冷填料的比热容，ρm为蓄冷填料的密度，为第一级回热器(4)中的空隙率，f1为第一级脉冲管制冷机的工作频率，hgm,1表示l处工质与丝网的对流换热系数，β1为第一级回热器的比表面积，|Tm|为l处蓄冷填料的温度振幅；在l处工质与丝网的对流换热系数计算表达式为：hgm,l＝λgNul/dh (11)式中：λg表示工质的导热系数，Nul表示l处工质的努谢尔数，dh为水利直径。努谢尔数可以通过经验公式计算：式中：Pel为工质在l处的贝克莱数；将表达式(4)、(5)、(6)、(7)、(10)、(11)、(12)代入(3)式中，并在第一级回热器(4)长度L1上求积分，即可得到第一级脉冲管制冷机总制冷量与各工作参数的解析表达式；步骤四：采用类似的熵分析方法，得到第二级脉冲管制冷机制冷量的解析表达式：Qt2=Tc2T0W2+Tc2Tc1Qp12-Tc2T0Qah2...
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：党海政，高志谦，
申请(专利权)人：中国科学院上海技术物理研究所，
类型：发明
国别省市：上海;31
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