基于电路类比与熵分析的三级气耦合脉管制冷机设计方法技术

本发明专利技术公开了一种基于电路类比与熵分析的三级气耦合脉管制冷机设计方法，共分五步：1)建立三级气耦合型脉管制冷机结构模型；2)建立三级气耦合型脉管制冷机电路类比模型；3)通过焓流分析方法，计算回热器中温度分布；4)通过熵分析模型对三级气耦合型脉管制冷机的制冷量进行求解；5)对相关工作参数、部件尺寸进行优化。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，对三级气耦合型脉管制冷机的实用化发展具有重要意义。

【技术实现步骤摘要】
201610235718

【技术保护点】
一种基于电路类比与熵分析的三级气耦合脉管制冷机设计方法，其特征在于设计方法步骤如下：步骤一：建立三级气耦合型脉管制冷机结构模型；该模型包括：压缩机(1)、级后冷却器(2)、第一级回热器(3)、第一级冷端换热器(4)、第一级脉管(5)、第一级热端换热器(6)、第一级惯性管(7)、第一级气库(8)、第二级回热器(9)、第二级冷端换热器(10)、第二级脉管(11)、第二级热端换热器(12)、第二级惯性管(13)、第二级气库(14)、第三级回热器(15)、第三级冷端换热器(16)、第三级脉管(17)、第三级热端换热器(18)、第三级惯性管(19)和第三级气库(20)；其中，制冷机热端温度为T0，三级冷端制冷温度依次为Tc1、Tc2、Tc3，制冷量分别为Qc1、Qc2、Qc3，输入声功为W1；步骤二：建立三级气耦合型脉管制冷机电路类比模型；根据动量方程，气耦合型脉管制冷机的动态压力与体积流率存在如下关系：Δpd=-iωρmΔx/A1-(1-i)δv/2rhU·≅-(iωρmΔxA+Rv)U·---(1)]]>对于回热器和脉管而言，其内部热力学过程绝热，因此连续性方程可表述为：pd=-γmpmiωAΔxΔU·+pmln pmγm(∂γ∂ppd+∂γ∂TTd)---(2)]]>而对于等温的级后冷却器、冷端换热器、热端换热器、惯性管和气库，连续性方程变为：pd=-pmiωAΔxΔU·+pmCfm(∂Cf∂ppd+∂Cf∂TTd)---(3)]]>式中：γ为绝热因子，ω为角频率，Cf为压缩因子，Rv为黏性阻抗，下标m表示平均值，pd,Td分别表示动态压力、体积流率、动态温度，黑体字符则表示这三项均为矢量，其振幅和相位角分别为|pd|、|Tg|和θp、θm、θT；通过表达式(1)、(2)、(3)，可以将脉管制冷机中的动态压力类比成电路系统中的电压，体积流率类比成电流；则对于第一级回热器(3)、第二级回热器(9)和第三级回热器(15)而言，其内部动态压力与体积流率的关系为：式中：为空隙率，g为体积流率引发的温度梯度变化系数，rg为单位长度管道内压降引发的阻抗，下标0表示进口处参数，下标x表示在位置x处的状态参数，定义从压缩机流向气库的方向为正方向；回热器的水利直径通常远小于热渗透深度和粘性渗透深度，因此g可以近似为：g≅1T∂T∂x---(6)]]>而表达式(4)中的rg计算表达式为：rg=2Xμ2Re2Yρdh3|U·|---(7)]]>式中：Re为雷诺数，μ为黏度，X、Y为无量纲参数；对于填充丝网的回热器而言，X、Y的经验计算表达式为：Y=0.0074·Re(Re≤10)0.129-0.0058·ln2(Re/200)(10<Re≤3000)0.149-0.0239·ln(Re/200)(Re>3000)---(9)]]>而在填充球状填料的回热器中，X、Y经验计算表达式为：Y=0.0022·Re(Re≤10)-0.007+0.0126·ln(Re)(10<Re≤330)0.1032-0.00695·ln(Re)(Re>330)---(11)]]>在级后冷却器(2)、第一级冷端换热器(4)、第一级热端换热器(6)、第二级冷端换热器(10)、第二级热端换热器(12)、第三级冷端换热器(16)以及第三级热端换热器(18)中，其内部热力学过程可近似为等温过程，因此动态压力和体积流率的关系为：U·x=U·0-∫0x[iωApmpdx-iωACfm(∂Cf∂ppdx+∂Cf∂TTdx)]·dx---(13)]]>对于平行板型换热器而言，在分析rg时，其无量纲参数X、Y计算表达式为：X=8.5·Re-1Re≤20000.0034+2.72×1013Re-5Re>2000---(14)]]>Y＝0.33+0.09/[1.0+e(3500‑Re)/1500]  ...

【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