低溫冰箱自由活塞式斯特林制冷機(jī)模擬與優(yōu)化

武 飛，陳 曦

（上海理工大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院，上海 200093）

低溫冰箱自由活塞式斯特林制冷機(jī)模擬與優(yōu)化

武 飛，陳 曦

（上海理工大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院，上海 200093）

自由活塞斯特林制冷機(jī)具有高效緊湊，適合中低溫制冷等優(yōu)點(diǎn)。對用于低溫冰箱自由活塞式斯特林制冷機(jī)進(jìn)行了一維建模，并實(shí)現(xiàn)整機(jī)性能的模擬與優(yōu)化。在考慮各種空體積的情況下，模擬分析了壓縮活塞PV功和相位角的變化對整機(jī)性能的影響，獲得了制冷機(jī)運(yùn)行的最佳相位。對比了環(huán)形回?zé)崞鞯奶盍霞疤畛浞绞綄ψ杂苫钊剿固亓种评錂C(jī)的性能影響，及對應(yīng)材料下回?zé)崞鞯妮S向?qū)釗p失情況。模擬了制冷機(jī)性能隨回?zé)崞骺障堵屎椭评錅囟鹊淖兓闆r，計(jì)算分析了回?zé)崞鲀?nèi)部的不可逆損失隨空隙率的變化情況，并且獲得了不同溫度下的最佳空隙率。最后，為了獲得好的制冷性能，優(yōu)化不同制冷溫度的回?zé)崞髟O(shè)計(jì)參數(shù)及膨脹活塞與氣缸壁的密封間隙寬度。

自由活塞式斯特林制冷機(jī)；低溫冰箱；回?zé)崞鳎婚g隙密封

0 引言

斯特林循環(huán)制冷機(jī)是一種回?zé)崾綒怏w制冷機(jī)，其結(jié)構(gòu)上有一個重要的特點(diǎn)就是在壓縮機(jī)與膨脹機(jī)之間不使用配氣閥門，壓縮機(jī)和膨脹機(jī)以相同的高頻率運(yùn)轉(zhuǎn)，制冷機(jī)系統(tǒng)內(nèi)壓力的變化規(guī)律是由內(nèi)部各種參數(shù)的相互作用共同決定。自由活塞式制冷機(jī)是采用直線驅(qū)動壓縮機(jī)，利用氣體軸承和板彈簧支撐內(nèi)部的運(yùn)動部件；利用氣動驅(qū)動技術(shù)，即通過內(nèi)部氣體壓力差和彈簧控制膨脹活塞運(yùn)動振幅和相位來實(shí)現(xiàn)膨脹制冷。在航空航天、超導(dǎo)、低溫醫(yī)學(xué)、低溫生物學(xué)、低溫電子學(xué)方面都有著廣泛的應(yīng)用[1]。自由活塞式斯特林制冷機(jī)以其運(yùn)動部件少、無油潤滑、不易磨損、可靠性高、壽命長、結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、制冷效率高等優(yōu)點(diǎn)受到了越來越多的關(guān)注[2]。，而且由于節(jié)能環(huán)保（使用氦氣制冷）在普冷領(lǐng)域也逐漸受到重視，有著良好的發(fā)展前景[3]。許多研究人員也對自由活塞式斯特林制冷機(jī)進(jìn)行了一系列的模擬及實(shí)驗(yàn)研究[4-6]。

陳曦等[3]分析了斯特林制冷機(jī)應(yīng)用于低溫冰箱上優(yōu)勢：體積小、重量輕、無污染、效率高。陳曦通過實(shí)驗(yàn)方法研究了200 K/40 W的自由活塞式制冷機(jī)充氣壓力和制冷溫度對共振頻率的影響，膨脹機(jī)固有頻率和運(yùn)行對相位差的影響[5]。張麗敏等[6]搭建了1臺液氮溫區(qū)的大冷量自由活塞式斯特林制冷機(jī)，在80 K獲得了78 W的制冷量。李偉等[7]通過計(jì)算機(jī)仿真研究了自由活塞式斯特林制冷機(jī)的調(diào)相。在國外斯特林制冷機(jī)無論是理論研究，樣機(jī)研發(fā)還是產(chǎn)品化都處于領(lǐng)先地位，SunPower和Global Cooling BV研究中心合作[8]，以Berchowiz等[9-10]為領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)研制出了COP值為3.0的斯特林冰箱樣機(jī)。相對于常見的冰箱制冷系統(tǒng)，該型號斯特林冰箱受環(huán)境溫度的影響很小，因而斯特林冰箱應(yīng)用于溫度較高的地區(qū)有很大的優(yōu)勢。同時還研發(fā)了大容積的家用冰箱及小容積移動式冰箱，其COP值均比同等情況下的其他制冷方式的冰箱要好。Berchowitz將自由活塞斯特林制冷技術(shù)應(yīng)用于便捷式冰箱，通過熱虹吸管將自由活塞式斯特林制冷機(jī)的冷量傳遞到冰箱里，用CO2作為傳熱媒介。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，其制冷效率要比蒸氣壓縮式制冷或熱電制冷系統(tǒng)高很多[11]。韓國LG公司將斯特林制冷技術(shù)應(yīng)用于冰箱，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，與傳統(tǒng)的制冷循環(huán)相比可以節(jié)能25%左右[12]。

文章主要對自由活塞式斯特林制冷機(jī)進(jìn)行一維整機(jī)模擬，以獲得自由活塞斯特林制冷機(jī)的各種關(guān)鍵部件對制冷性能的影響規(guī)律，并通過SAGE軟件對斯特林制冷機(jī)在低溫冰箱工作溫區(qū)的設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。

1 自由活塞斯特林制冷機(jī)及其初步設(shè)計(jì)參數(shù)

自由活塞式斯特林制冷機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖1所示，自由活塞式斯特林制冷機(jī)主要包括動磁式直線電機(jī)、壓縮活塞、膨脹活塞、環(huán)形蓄冷器、冷端換熱器、熱端換熱器、板彈簧及外殼等部件。通過板彈簧支撐技術(shù)，可以保持活塞與氣缸之間的無油潤滑密封間隙，為活塞的往復(fù)運(yùn)動提供一定的行程和剛度，清除了運(yùn)動部件之間的直接接觸，提高了可靠性與使用壽命。在運(yùn)行過程中壓縮活塞落后于膨脹活塞一定的相位差，使得壓縮腔與膨脹腔中的氣體在整個制冷機(jī)中完成由兩個等溫膨脹與兩個等容回?zé)峤M成的斯特林循環(huán)過程，實(shí)現(xiàn)制冷[8]。

圖1 自由活塞式斯特林制冷機(jī)結(jié)構(gòu)簡圖

針對1臺自由活塞式斯特林制冷機(jī)，研究結(jié)構(gòu)參數(shù)和運(yùn)行參數(shù)對制冷機(jī)性能的影響，該制冷機(jī)主要部件的參數(shù)如表1所列。

表1 自由活塞式斯特林制冷機(jī)參數(shù)

2 模擬分析及優(yōu)化

所用的模擬軟件是低溫制冷機(jī)整機(jī)模擬軟件SAGE 5.0，可以模擬不同類型的斯特林循環(huán)的制冷機(jī)與發(fā)動機(jī)。不論是哪種斯特林機(jī)械，都是由換熱固體壁面、氣體區(qū)域、圓筒、換熱器、活塞等部件組成，各部件通過合適的熱流邊界、力的作用面相互耦合。雖然自由活塞式斯特林制冷機(jī)各部件的結(jié)構(gòu)和工作機(jī)理各不相同，但都可以看成氣體在具有不同長度和截面積的流道內(nèi)的流動換熱現(xiàn)象?？梢愿鶕?jù)各部件內(nèi)氣體與固體的流動換熱特點(diǎn)，將固體和氣體劃分為幾個特定的類型，分別進(jìn)行模塊化建模。隨后設(shè)定模型的初始參數(shù)，如運(yùn)行參數(shù)、溫度分布、材料以及各母部件的網(wǎng)格劃分等，在各時間、空間節(jié)點(diǎn)對氣體區(qū)域與固體壁面的控制方程進(jìn)行差分處理。通過不同固體區(qū)域和氣體區(qū)域之間的組合，便能實(shí)現(xiàn)整個制冷機(jī)各個部件的模塊化建模，各個模塊間再通過熱流、質(zhì)量流和壓力實(shí)現(xiàn)連接，便可完成整機(jī)數(shù)值模型的建立。最后，通過聯(lián)立求解控制方程組，便能求解出各節(jié)點(diǎn)動態(tài)溫度、壓力和質(zhì)量流等參數(shù)，最后計(jì)算得到壓縮機(jī)功耗、制冷機(jī)的制冷量、活塞相位等。

2.1 壓縮活塞PV功和相位角對制冷性能的影響

在制冷機(jī)運(yùn)行過程中，制冷機(jī)內(nèi)部的質(zhì)量流與壓力波存在一定的相位差，使得排出器領(lǐng)先于壓縮活塞一定相位角，因此產(chǎn)生制冷效應(yīng)。使得制冷機(jī)運(yùn)行在最佳的相位關(guān)系下可以減小回?zé)釗p失，提高回?zé)嵝?，從而提高整機(jī)效率。為了解制冷性能與相位的變化關(guān)系，模擬得到了自由活塞式斯特林制冷機(jī)的相位與制冷性能曲線。

圖2為相位角對制冷性能的影響，可以看出，相位角在50°~110°的范圍內(nèi)變化，制冷量與COP都隨著相位角的增加而先增加后減小，當(dāng)相位角為80°時COP達(dá)到最大值，當(dāng)相位角為84°時，制冷量達(dá)到最大，COP的最佳相位角略微小于制冷量的最佳理論相位角。

圖2 相位角對制冷性能的影響曲線圖

圖3為壓縮活塞PV功對制冷性能的影響，可以看出，在制冷溫度為193 K，保持最佳理論相位角為80°，壓縮活塞PV功由40 W開始增加時，制冷量與COP都相應(yīng)的增大，當(dāng)壓縮活塞PV功增大到90 W時COP達(dá)到最大值，繼續(xù)增加PV功時，制冷量的增幅變緩，COP開始減小。

2.2 回?zé)崞魈盍蠈χ评錂C(jī)性能的影響

回?zé)崞髯鳛樗固亓謾C(jī)最關(guān)鍵的部件，其工作性能對整機(jī)性能具有重要影響[13]，為提高低溫制冷機(jī)的整體性能，研究回?zé)崞鲀?nèi)工質(zhì)氣體的傳熱和流動特性、優(yōu)化回?zé)崞鞯慕Y(jié)構(gòu)形式顯得尤為重要。在穩(wěn)定運(yùn)行中，回?zé)崞鲀啥?、回?zé)崞鲀?nèi)部及壁面均會維持一定的溫差，在此溫差的推動下，回?zé)崞鲀?nèi)部沿著軸向及徑向都會產(chǎn)生導(dǎo)熱損失，軸向?qū)釗p失是靜損失中最重要的一項(xiàng)損失。因此，模擬了不同溫度下回?zé)崞鲀?nèi)采用不同填充材料和填充方式時的導(dǎo)熱損失和制冷量變化關(guān)系。

因此，鄭州市必須優(yōu)化城市發(fā)展規(guī)劃，提供完善的城市創(chuàng)新基礎(chǔ)設(shè)施，對標(biāo)國際一流創(chuàng)新型城市各項(xiàng)指標(biāo)，著力解決短板問題，與國內(nèi)外知名研發(fā)機(jī)構(gòu)建立產(chǎn)學(xué)研用創(chuàng)新平臺，依托平臺培養(yǎng)人才、聯(lián)合創(chuàng)新和布局“鄭州智造”產(chǎn)業(yè)，加快鄭州高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的價值鏈攀升。

圖3 壓縮活塞PV功對制冷性能的影響曲線圖

圖4為不同溫度下不同填料和填充方式對導(dǎo)熱損失的影響，在相同空隙率下，隨著制冷溫度的提高，回?zé)崞鲀啥?、回?zé)崞鲀?nèi)部與外壁面的溫度梯度減小，因此二種填充方式軸向?qū)釗p失都隨著溫度升高而減小，而采用卷裹式聚酯材料時回?zé)崞鞯膶?dǎo)熱損失要高于不銹鋼絲網(wǎng)。回?zé)崞魈盍蠟椴讳P鋼絲網(wǎng)時，在軸向絲網(wǎng)間的接觸方式為點(diǎn)接觸，而填料為卷裹式聚酯時，在軸向接觸方式為線接觸，因而不銹鋼絲網(wǎng)在軸向的導(dǎo)熱熱阻要小于卷裹式聚酯材料，所以導(dǎo)熱損失也小于卷裹式聚酯材料。

圖4 不同填充材料和方式對回?zé)崞鲗?dǎo)熱損失的影響曲線圖

圖5為不同溫度下兩種不同的回?zé)崞魈盍虾吞畛浞绞綄χ评錂C(jī)性能的影響，隨著溫度的升高二者的制冷量都呈線性增加，并且在相同空隙率時，低溫段兩者制冷性能區(qū)別較小，隨著溫度的升高，采用SS304金屬絲網(wǎng)材料（woven screen SS304）時的制冷性能逐漸高于卷裹式聚酯材料（wrapped foil Polyster）。這是因?yàn)樵诘蜏貢r金屬絲網(wǎng)材料的回?zé)釗p失和軸向?qū)釗p失比卷裹式聚酯材料小，流阻損失卻大于卷裹式聚酯材料，二者總損失相差不大，因此制冷量接近，隨著溫度升高，二者的導(dǎo)熱損失和回?zé)釗p失均相應(yīng)減小，流阻損失相應(yīng)增大，卷裹式聚酯填料的總損失大于不銹鋼絲網(wǎng)填料，因此在中高溫區(qū)時采用不銹鋼絲網(wǎng)制冷性能更好，在253 K時，制冷量可提高12.5%。

圖5 不同填料和方式對制冷量的影響曲線圖

2.3 回?zé)崞骺障堵实挠绊?/p>

由于回?zé)崞骺障堵蕦χ评錂C(jī)的性能也有很大的影響，在進(jìn)行制冷機(jī)性能模擬與優(yōu)化時中，空隙率也是一個很重要的參數(shù)，因此模擬了采用卷裹式聚酯材料時，回?zé)崞魈盍系目障堵蕦χ评湫阅艿挠绊憽?/p>

圖6為不同回?zé)崞骺障堵试诓煌评錅囟认聦χ评淞康挠绊懀瑘D7為不同回?zé)崞骺障堵试诓煌评錅囟认聦責(zé)崞鞑豢赡鎿p失的影響。當(dāng)回?zé)崞骺障堵蔬^大時，回?zé)崞鞯男顭崮芰Σ蛔?，使得斯特林制冷機(jī)性能下降，回?zé)崞骺障堵蔬^大時，回?zé)崞鲀?nèi)部的流動阻力損失和導(dǎo)熱損失增大，也會影響制冷性能。從圖6和圖7可以看出，回?zé)崽盍喜捎镁砉骄埘ゲ牧?，回?zé)崞骺障堵蕿?0%～55%時，使得回?zé)崞鲀?nèi)的總損失最小，制冷量最大，并且隨著制冷溫度的提高，回?zé)崞鲀?nèi)的總損失減小，制冷量相應(yīng)增加。

2.4 膨脹活塞密封間隙的影響

自由活塞式斯特林制冷機(jī)的壓縮活塞與氣缸、膨脹活塞桿與壓縮活塞內(nèi)孔，以及排出器與氣缸間通常采用間隙密封技術(shù)[14-15]。間隙密封是利用密封零件之間的徑向微小間隙及該間隙在軸向的一定長度來實(shí)現(xiàn)的一種密封形式[16]。間隙密封減小了軸孔間的磨損、降低了磨損污染，提高了制冷機(jī)的壽命。其中膨脹活塞與氣缸的間隙密封由于存在大的溫度梯度，對制冷性能的影響相對更大，為了分析密封間隙對制冷機(jī)的影響，模擬了膨脹活塞與氣缸的密封間隙與制冷量的變化關(guān)系。

圖6 不同空隙率對制冷量的影響曲線圖

圖7 不同空隙率對回?zé)崞鞑豢赡鎿p失的影響曲線圖

圖8為冷端溫度為193 K時，不同密封間隙對制冷量的影響。可以看出，當(dāng)采用等間隙寬度時，自由活塞式斯特林制冷機(jī)的制冷量隨著間隙的增大存在最優(yōu)間隙寬度使得制冷量達(dá)到最大值。由于排出器周期性運(yùn)動，在密封間隙中會有周期性的充氣和排氣，當(dāng)密封間隙過大，在間隙兩端壓力不相等時會引起氣體的泄漏，增大泵氣損失。同時，由于排出器與氣缸壁存在溫差，當(dāng)間隙過小，又會損失間隙中的傳熱，增加了穿梭損失，當(dāng)密封間隙為23 μm時，二者的損失之和最小，制冷量最大。

圖8 間隙對制冷量的影響曲線圖

3 結(jié)論

文章對用于低溫冰箱的自由活塞式斯特林制冷機(jī)進(jìn)行了一維整機(jī)模擬，工質(zhì)為氦氣，充氣壓力3.0 MPa，運(yùn)行頻率為80 Hz，熱端溫度300 K，并對其關(guān)鍵部件的參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，得出結(jié)論：

（1）隨著壓縮活塞PV功的增加，制冷量也相應(yīng)增加，相對卡諾效率在PV功為90 W時最大為37%，整機(jī)運(yùn)行的最佳相位角為80°；

（2）當(dāng)制冷溫度在170 K附近時，回?zé)崞魈盍喜捎貌讳P鋼金屬絲網(wǎng)和卷裹式聚酯材料對制冷性能的影響差別不大，但是隨著制冷溫度的升高，采用不銹鋼金屬絲網(wǎng)的制冷性能逐漸優(yōu)于卷裹式聚酯材料，在253 K時，采用不銹鋼絲網(wǎng)做回?zé)崞魈盍媳染砉骄埘ヌ盍系闹评淞刻岣吡?2.5%；

（3）當(dāng)回?zé)崞魈盍喜捎镁砉骄埘ゲ牧蠒r，回?zé)崞鞯淖顑?yōu)空隙率為50%～55%，此時，回?zé)崞鲀?nèi)不可逆損失最小，制冷性能最佳。

（4）當(dāng)制冷溫度為193 K，膨脹活塞與氣缸壁之間等間隙寬度時，最優(yōu)密封間隙寬度為23 μm。

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SIMULATION AND OPTIMIZATION OF FREE PISTON STIRLING COOLER USING IN LOW TEMPERATURE FREEZER

WU Fei，CHEN Xi
（Institute of Refrigeration and Cryogenics Technology，University of Shanghai for Science and Technology，Shaihai200093，China）

Free piston Stirling cryocooler（FPSC）has the advantages of efficient and compact，it is suitable for middle and low temperature refrigeration.In this paper，a 1-D model had been built to study FPSC used in low temperature freezer.The performance of FPSC are obtained by simulation and optimization.Under the conditions of different dead volumes，the influences of the PV power and phase angle on the machine performance are simulated in detail，and an optimal phase angle is got.In the paper，the effect of different regenerator materials and filling methods on the axial heat conduction losses of the regenerator and cooling performance of FPSC are also studied.The effects of the porosity of regenerator on the cooling capacity is obtained under different cooling temperatures.The influence of porosity on irreversible loss of regenerator are calculated and analyzed，and the optimal porosities are obtained under different cooling temperatures.At last，in order to obtain good cooling performance the parameters of regenerator and clearance seal are optimized in different cooling temperature.

free piston stirling cryocooler（FPSC）；low temperature freezer；regenerator；clearance seal

TB651+.5

A

1006-7086（2016）06-0365-05

10.3969/j.issn.1006-7086.2016.06.011

2016-07-09

武飛（1990-），男，山西太原人，碩士研究生，主要從事制冷與低溫技術(shù)研究。E-mail：wufein@126.com。