斯特林制冷机性能仿真计算

　　1 前言

　　斯特林制冷机作为微型制冷机中的一个重要的组成部分，不仅拥有一般微型低温制冷机体积小、适用性强等优点，而且具有系统性能稳定、制冷效率比较高的特点。由于其高效和可靠性，已广泛应用于航空航天工业、卫星遥感、低温工程、低温电子学、低温生物学等领域。

　　斯特林制冷机设计理论，涵盖到了热动力学、流体力学、传热学、多孔介质理论等多方面的问题[1]。国内一些研究机构曾采用计算机辅助设计的方法，建立了斯特林制冷机的系统计算仿真模型[2]; 采用节点分析的方法，建立了斯特林制冷机的数值计算模型[3]; 采用程序化设计，获得了斯特林制冷机蓄冷器的最佳结构参数[4]。

　　迄今为止，很少有文章对斯特林制冷机的各个性能参数进行分析，研究它们参数的变化对整机性能的影响。因此本文采用程序设计软件 Fortran6. 0，以等温模型为基础，对制冷机的热力参数进行编程计算，通过热力学计算分析各参数对制冷性能的影响，以指导新型制冷机研制过程中的参数确定问题。

　　2 基本模型

　　2. 1 基本物理模型

　　斯特林制冷机主要由曲轴箱、压缩腔、冷却器、排出器、膨胀腔和回热器等几部分组成。工作时，压缩活塞与排出器通过曲柄连杆机构将电机的旋转运动变为活塞的简谐运动，工质在压缩空间、蓄冷器( 回热器) 和膨胀空间等部分来回交替流动，而气体质量不变，从而构成闭式循环。

　　2. 2 数值计算模型

　　本文数值计算模型如下[5]。

　　3 理论计算与分析

　　3. 1 制冷机热力学设计

　　热力学计算过程采用等温模型分离计算法，先假设各种损失互不影响，且与理想循环无关，按等温模型计算理想循环，得到压力变化、质量分布、理论冷量和理论输入功率等参数，然后分别计算各种冷量损失和直接输入功率损失[6]。从理论制冷量中减去回热器损失、热幅射损失、流阻损失、穿梭损失、泵气损失、轴向导热损失等，最终获得有效制冷量。主要计算公式如下[7];

　　理论制冷量:

　　理论输入功率:

　　有效制冷量:

　　式中，Pav为系统平均压力，Pa; V0为冷腔最大容积，m3; σ 为压力参数; θ 为最小压力相位角; τ 为温度比; ∑ΔQi为各种冷损之和。

　　3. 2 各参数对制冷机性能的影响

　　为研究各参数对制冷机系统性能的影响，定义了一个性能参数。

　　制冷效率

　　式中: Nac为实际功耗。