脉管制冷与气波制冷耦合的研究

    1　前言

    脉管制冷和气波制冷都是利用压力能获取冷量的制冷方法,二者各有优缺点。脉管制冷的制冷温度低,但制冷量很小;而气波制冷的制冷量大,制冷温度却不够低 [1]。如果能将二者的优点结合起来,开发出一种低温位、大制冷量的制冷装置将是一件非常有益的工作。本文在分析两者制冷机理的基础上,对气波制冷机与脉 管制冷机结构的耦合性进行了试验研究。气波制冷机耦合脉管制冷结构以后,其温降和制冷效率得到了改善。同时,通过试验研究了振荡管长度、气体分配器的转 速、气体膨胀比等因素对脉管式气波制冷机等熵效率的影响,为脉管式气波制冷机的完善提供了依据。

    2　脉管式气波制冷机的制冷机理

    脉管式气波制冷机的结构如图1所示。脉管式气波制冷机是在气波制冷机的振荡管热端耦合了脉管式制冷的调节阀与气库,通过它们调节振荡管内激波的衰减,以增大温降和提高制冷效率。其工作过程和制冷机理与气波制冷机相似。

    由气源提供的高压气体通过进入气体分配器,从喷嘴高速射出,同时由于喷嘴的转动而依次射入沿圆周分布的各振荡管中。随即喷嘴从振荡管开口移开,振荡管的开 口被封住。由于射入气体为超声速状态,射入气体与振荡管内原有的气体发生一系列物理变化,产生的激波、压缩波及膨胀波系相互作用,使气流强烈振荡,在振荡 管的两端分别形成冷端和热端,热端气体经振荡管壁进行热交换,使气体的焓值降低[3]。当气体分配器的排气槽移至振荡管开口时,进入排气阶段,冷端气体从 振荡管内排出。这样,振荡管完成一次循环。根据激波理论,振荡管内激波消失时制冷效率最高,因此通过振荡管热端的气库、两个调节阀调节振荡管内激波的衰 减,可以增大温降和提高制冷效率。

    3　脉管制冷与气波制冷耦合的试验研究

    3.1耦合性的理论基础

    (1)气波制冷与脉管制冷在工作过程上的相似性

    (a)都要经历周期性的充气、闭气、排气过程;

    (b)脉冲管(振荡管)内气体都可以分为三个部分,如图2所示。第一部分为从工作管流入热端散热器的气体,称为气团Ⅰ;第二部分为在工作管内来回振荡,但 从不流出工作管的气团,称为气团Ⅱ;第三部分为从负荷换热器流入工作管的气体,它在一个周期后刚好从冷端流出脉冲管(振荡管),称为气团Ⅲ。

    利用开口系的能量方程,可以列出工作管在稳定工况工作时,气团Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ在一个周期内的能量方程:

    式中,H₂为从冷端流入工作管的焓流;H₁为脉管热端流出散热器的焓流。