氩气J-T低温制冷器稳态特性仿真研究

　　1 引 言

　　在气体液化和低温制冷技术中，利用实际气体的焦耳-汤姆逊节流效应( J-T 效应) 是一种最常用的方法。J-T 冷却是通过实际气体如氮气、二氧化碳、氩气从高压膨胀到低压时温度降低实现的[1]。微型节流制冷器的研制在 20 世纪 50 年代，随着电子技术、军事武器装备和冷冻外科手术等尖端领域的需求应运而生。对于开式 J-T 节流微型制冷器具有不耗电、结构简单、启动时间短、可靠性高等特点，特别适合于短期使用的装置中[2]。但由于 J-T 制冷器复杂的几何形状和流体的多变性质，其制冷器的结构、运行参数以及材料等都制约着制冷效果的好坏，同时此技术多居于尖端科技领域，研究大多属于保密范畴，文献报道并不多，有一定的研究价值。

　　1994 年，台湾国立中央大学 F. C. Chou 等人对氩气焦耳-汤姆逊低温制冷器的非稳态性能进行了初步的实验和数值模拟，建立了一维非稳态动量、能量传递模型，这个模型的不足之处在于忽略了流道内的流体阻力及低温换热器的曲率效应。2001 年美国加州工艺州立大学的 H. Xue 和新加坡国立大学的 K. C.Ng，J. BWang 等人采用了分步参数法，对带有回热器的微型焦耳-汤姆逊低温冷却器的制冷效率、流动特性及热传导特性进行了研究，但是此模型对系统的换热不均匀性和回热器的尺寸影响因素没有考虑[3]。在此同时国内的研究更少，且主要集中在实验方面。

　　通过 VB 平台，实现计算机仿真模拟以代替繁复的样机制造和实验。按照氩气 J-T 低温制冷器的结构，根据不同的流动和换热特性，划分了物理区域，再针对不同区域建立了压降和换热过程方程，进而得到整个 J-T 低温制冷器的数学模型。用有限差分法通过 VB 程序同时调用氩气物性数据库实现求解此数学模型，分析了各因素对氩气 J-T 制冷器性能的影响，为优化现有 J-T 低温制冷器的结构，提高其制冷效果，降低研发和使用成本具有一定意义。

　　2 模型建立

　　2. 1 氩气 J-T 低温制冷器的物理模型

　　仿真模拟的 J-T 低温制冷器如图 1 所示，制冷器物理模型建立时进行如下假设:

　　( 1) 采用一维稳态仿真模型。

　　( 2) 由制冷器的材质与结构决定，把此模型分为7 段，如图 1 所示。

　　( 3) 节流后的氩气在头部与外界进行能量交换的换热量 Qt为定值。

　　物理模型建立时充分考虑到了结构尺寸的影响，沿程损失，局部损失，与外界环境对流及辐射换热均考虑在内。从第一段高压氩气入口侧开始，依次对每段及截面突变处根据质量守恒、动量守恒和能量守恒建立控制方程。控制方程组如下: