复合制冷机用换热-阻力型狭缝冷端换热器的设计方法技术

本发明专利技术公开了一种复合制冷机用换热

【技术实现步骤摘要】
复合制冷机用换热
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阻力型狭缝冷端换热器的设计方法


[0001]本专利技术属于制冷及低温工程领域，具体涉及极低温区复合制冷机技术，特别涉及一种极低温区复合制冷机用换热
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阻力型狭缝冷端换热器的设计方法。

技术介绍

[0002]结合了回热式脉冲管制冷机和间壁式焦耳
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汤普森制冷机的极低温区复合制冷机技术是将制冷温度延伸至2K以下的重要手段，将为深空探测、超导单光子探测和空间量子通信技术提供了重要的低温环境支撑。
[0003]冷端换热器作为极低温区复合制冷机核心部件，其传热性能、流动阻力特性将直接影响到整个极低温区复合制冷机的性能。传统的极低温区复合制冷机用冷端换热器，即盘管换热器，虽然具有换热量大的显著优点，但同时需要较大的换热面积，给系统带来的阻力压降也非常大，不利于极低温区复合制冷机的性能，同时，其较大的体积和重量也不利于极低温区复合制冷机的空间应用。
[0004]冷端换热器是极低温区复合制冷机中极为关键的部件。在理想情况下，它要实现三方面主要功能：
[0005]1)实现高效换热。尤其在极低温区复合制冷机空间应用的情况下，预冷制冷机的预冷量较小，实现热量的高效交换显得尤为重要。这就需要能在有限体积下实现较大换热面积的几何结构。
[0006]2)减小流体流经换热器的流动损失。极低温区复合制冷机内循环流体的阻力压降对于极低温区复合制冷机的性能尤为关键，低压端流阻会影响极低温区复合制冷机最低制冷温度，高压端流阻则会影响极低温区复合制冷机最终制冷量的大小。因此需要能在换热量充足的条件下实现较小的流阻压降。
[0007]3)在满足换热及流阻的情况下，尽可能缩小换热器的体积与重量，这对于极低温区复合制冷机空间应用至关重要。

技术实现思路

[0008]鉴于现有研究和技术的不足，本专利技术提出了一种极低温区复合制冷机用换热
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阻力型狭缝冷端换热器的设计方法。其特征在于包括以下步骤：
[0009]步骤一：根据工程实际，确定极低温区复合制冷机用换热
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阻力型狭缝冷端换热器设计目标参数：最小换热量Q
min
和最大阻力压降ΔP
max
；
[0010]步骤二：根据实际工况，优选出极低温区复合制冷机用换热
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阻力型狭缝冷端换热器的材料；
[0011]步骤三：初步设计极低温区复合制冷机用换热
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阻力型狭缝冷端换热器的结构参数：极低温区复合制冷机用换热
‑
阻力型狭缝冷端换热器长度L、狭缝长度a、狭缝宽度b和狭缝条数x；
[0012]步骤四：在固定进出口参数条件下，对以上极低温区复合制冷机用换热
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阻力型
狭缝冷端换热器的流动及换热进行模拟计算，获得相应条件下的换热量和流动压降；
[0013]步骤五：判断步骤四所设计的极低温区复合制冷机用换热
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阻力型狭缝冷端换热器的实际换热量Q是否满足设计要求：若Q≥Q
min
，满足最低换热量要求，则进行步骤六；若Q<Q
min
，则不满足最低换热量设计要求，则增加狭缝长度Δa或减小狭缝宽度Δb，通过增大狭缝的换热面积或换热系数来提高极低温区复合制冷机用换热
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阻力型狭缝冷端换热器的实际换热量，重复步骤四，直至实际换热量Q满足设计要求；
[0014]步骤六：判断所设计的极低温区复合制冷机用换热
‑
阻力型狭缝冷端换热器的实际流动压降ΔP是否满足设计要求：对由步骤五确定的极低温区复合制冷机用换热
‑
阻力型狭缝冷端换热器进行流动过程模拟计算，获得其流动压降ΔP，若ΔP≤ΔP
max
，则满足最大允许流动压降ΔP
max
的设计要求，则进行步骤七；若ΔP>ΔP
max
，则不满足最大允许流动压降ΔP
max
的设计要求，则增加狭缝条数Δx或者增大狭缝宽度Δb，通过减小狭缝内流体流速或流动路径来减小极低温区复合制冷机用换热
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阻力型狭缝冷端换热器的实际流动压降，重复步骤四，直至实际流动压降ΔP满足设计要求。
[0015]步骤四中所述的极低温区复合制冷机用换热
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阻力型狭缝冷端换热器的流动及换热进行模拟计算的方法如下：
[0016]1)通过焓差法计算极低温区复合制冷机用换热
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阻力型狭缝冷端换热器的实际换热量，即利用极低温区复合制冷机用换热
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阻力型狭缝冷端换热器的进出口参数确定进出口焓值，计算两者之差为该换热器实际换热量Q；
[0017]2)计算流体通过极低温区复合制冷机用换热
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阻力型狭缝冷端换热器的流动压阻。首先，根据通过极低温区复合制冷机用换热
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阻力型狭缝冷端换热器的实际流量确定流经每一狭缝的实际流量，通过流体压降公式计算流体流经单一狭缝的压降ΔP1；其次，根据渐扩损失公式计算流体进出极低温区复合制冷机用换热
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阻力型狭缝冷端换热器的阻力压降ΔP2；同理根据减缩损失公式计算流体流出极低温区复合制冷机用换热
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阻力型狭缝冷端换热器的阻力压降ΔP3；因此可得流体流经极低温区复合制冷机用换热
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阻力型狭缝冷端换热器的总压降其中n为狭缝总条数。
[0018]本专利技术的目的在于，通过采用一种极低温区复合制冷机用换热
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阻力型狭缝冷端换热器设计方法，首先，可合理筛选换热器的材料，并优化换热器的尺寸参数，综合考虑换热器换热以及流动特性因素，实现在有限体积及有限重量内最大限度地增加换热面积，增大换热量，实现高效换热；其次，在满足换热器换热量的前提下，尽可能减小流体流经换热器的流动压阻，避免压阻过大给极低温区复合制冷机性能带来负面影响。
[0019]与现有设计方法相比，本专利技术具有以下优势：
[0020](1)在现有设计方法中，针对极低温区复合制冷机用换热器的设计方法均采用常规换热器设计方法，即效能
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传热单元数法和平均对数温差法。由于流体物性在极低温区随温度变化很大，利用该两种方法进行极低温区复合制冷机用换热器的设计计算会带来很大的计算误差。本专利技术在进行极低温区复合制冷机用换热
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阻力型狭缝冷端换热器的实际换热计算时采用焓差法，针对换热器进出口状态参数确定流体的换热量，避免了传统计算方法中由于物性参数岁温度变化带来的计算误差，使极低温区复合制冷机用换热
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阻力型狭缝冷端换热器的设计更贴近实际，计算更加准确。
[0021](2)在现有设计方法中，针对极低温区复合制冷机用换热器的设计往往只考虑换热器的换热性能，忽略流体流经换热器带来的阻力压降问题，然压降问题对于极低温区复合制冷机的性能尤为关键本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种复合制冷机用换热
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阻力型狭缝冷端换热器设计方法，其特征在于包括以下步骤：步骤一：根据工程实际，确定极低温区复合制冷机用换热
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阻力型狭缝冷端换热器设计目标参数：最小换热量Q
min
和最大阻力压降ΔP
max
；步骤二：根据实际工况，优选出极低温区复合制冷机用换热
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阻力型狭缝冷端换热器的材料；步骤三：初步设计极低温区复合制冷机用换热
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阻力型狭缝冷端换热器的结构参数：极低温区复合制冷机用换热
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阻力型狭缝冷端换热器长度L、狭缝长度a、狭缝宽度b和狭缝条数x；步骤四：在固定进出口参数条件下，对以上极低温区复合制冷机用换热
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阻力型狭缝冷端换热器的流动及换热进行模拟计算，获得相应条件下的换热量和流动压降；步骤五：判断步骤四所设计的极低温区复合制冷机用换热
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阻力型狭缝冷端换热器的实际换热量Q是否满足设计要求：若Q≥Q
min
，满足最低换热量要求，则进行步骤六；若Q<Q
min
，则不满足最低换热量设计要求，则增加狭缝长度Δa或减小狭缝宽度Δb，通过增大狭缝的换热面积或换热系数来提高极低温区复合制冷机用换热
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阻力型狭缝冷端换热器的实际换热量，重复步骤四，直至实际换热量Q满足设计要求；步骤六：判断所设计的极低温区复合制冷机用换热
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阻力型狭缝冷端换热器的实际流动压降ΔP是否满足设计要求：对由步骤五确定的极低温区复合制冷机用换热
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阻力型狭缝冷端换热器进行流动过程模拟计算，获得其流动压降ΔP，若ΔP≤ΔP

【专利技术属性】
技术研发人员：党海政，赵帮健，
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：