一種噴射式微型J—T制冷器熱交換性能的分析

萬志強(qiáng)　李世蕓　蘇玉輝　黃子毅

摘要： 對一種噴射式微型J-T制冷器的熱交換性能進(jìn)行研究分析，選用30MPa的氮?dú)庾鳛楣べ|(zhì)，截取溫度對性能影響最大的部分，采用CFD軟件FLUENT模擬研究其從啟動(dòng)到穩(wěn)定工作時(shí)的溫度的分部情況，尋找到提高熱交換性能的方法，從換熱的角度為后續(xù)改進(jìn)制冷器的性能提供理論依據(jù)。

Abstract： The heat exchange performance of a micro spray J-T Cooler was studied. 30MPa nitrogen is chosen as the working fluid， and the part which is influenced most by temperature is cut out. Simulation study on the part from the start to the stable working temperature by using CFD software FLUENT is to find the ways to improve the performance of heat exchange. For this point， it is to provide a theoretical basis for the subsequent improvement of the refrigeration performance.

關(guān)鍵詞： 噴射式微型J-T制冷器；性能；熱交換

Key words： a Micro Spray J-T Cooler；performance；heat exchange

中圖分類號：TB651 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號：1006-4311（2018）05-0123-03

0 引言

在紅外技術(shù)中，紅外探測器要求在特定的低溫環(huán)境下才能獲得最佳工作性能，因此研制體積小、重量輕、制冷效率高、啟動(dòng)快的制冷器在紅外技術(shù)和國防工程中具有重要的作用。由于目前國內(nèi)對噴射式微型J-T制冷器的研究還不夠成熟，文章通過對該制冷器建模，分析其工況，截取溫度對性能影響最大的部分，并采用ANSYS FLUENT模擬其從啟動(dòng)到穩(wěn)定工作情況下的溫度分部情況，分析該部分的溫度分布情況，以提出提高其性能的方向。

1 噴射式J-T制冷器原理分析

J-T制冷器是利用實(shí)際氣體的焦耳-湯姆遜效應(yīng)（簡稱J-T效應(yīng)）而制成的制冷器。對于J-T制冷器常用的制冷工質(zhì)，常溫下一次節(jié)流是不可能液化的，例如30MPa的氮?dú)庠谄錅囟?75K左右時(shí)，一次節(jié)流才會(huì)有液氮產(chǎn)生，因此需要對氣體進(jìn)行預(yù)冷。如圖1所示，噴射式微型J-T制冷器實(shí)物圖。

噴射式J-T制冷器內(nèi)部管道圖如圖2所示，進(jìn)氣管中有預(yù)冷級工質(zhì)管道和制冷級管道，預(yù)冷級管道節(jié)流后的冷氣體回流冷卻這五層管道后進(jìn)入的氣體；制冷級工質(zhì)管道節(jié)流后的液氮直接用于冷卻紅外芯片。該制冷器采用分級節(jié)流的結(jié)構(gòu)，采用分級節(jié)流最大的優(yōu)點(diǎn)在于避免了由節(jié)流壓差不穩(wěn)定引起的節(jié)流后溫度變化的影響，制冷級工質(zhì)直接節(jié)流到大氣壓，節(jié)流溫度穩(wěn)定，節(jié)流后直接用于冷卻紅外芯片，保證了紅外芯片性能的穩(wěn)定。預(yù)冷級管道由于有回流氣體流動(dòng)阻力的影響（即存在背壓），節(jié)流后的氣壓會(huì)存在較大的變化，節(jié)流后用于與這五層管道后進(jìn)入的工質(zhì)進(jìn)行熱交換，達(dá)到收集冷量的目的。節(jié)流孔示意圖如圖3所示，在四根預(yù)冷級毛細(xì)管的末端存在節(jié)流孔，其中四根預(yù)冷級毛細(xì)管外纏繞了肋片，增大了換熱面積，提高熱交換效率。

2 氮工質(zhì)的熱力學(xué)性能

氣象分?jǐn)?shù)為節(jié)流后氣體所占的比例，氣象分?jǐn)?shù)為1表示節(jié)流全為氣體，如圖4所示，為30MPa的氮?dú)庖淮喂?jié)流到一個(gè)大氣壓下的氣象分?jǐn)?shù)與節(jié)流前的溫度變化情況，可以發(fā)現(xiàn)節(jié)流前溫度在178K左右時(shí)，30MPa氮?dú)庖淮喂?jié)流到一個(gè)大氣壓下會(huì)有液氮出現(xiàn)。隨著節(jié)流前的溫度降低，節(jié)流后的溫度不發(fā)生變化，但氣象分?jǐn)?shù)變少，也就是說，節(jié)流前的溫度越低，所產(chǎn)生的液氮分?jǐn)?shù)就會(huì)越多，這樣，根據(jù)氣象分?jǐn)?shù)就可以知道節(jié)流之后有多少氣體變成了液體，因此，尾部的節(jié)流孔附近制冷級管道部分的溫度變化情況直接影響到制冷器的性能，對該部分的換熱情況進(jìn)行模擬分析是至關(guān)重要的。對于這四層預(yù)冷級管道，由于存在回流阻力，節(jié)流后溫度變化會(huì)有所不同。取蒸發(fā)壓力穩(wěn)定值0.8MPa[4]，如圖5所示，為30MPa氮?dú)庖淮喂?jié)流到0.8MPa的溫度變化情況。

3 FLUENT仿真分析

FLUENT軟件是常用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）商用軟件之一，也是目前功能最全面、適用性最廣、國內(nèi)使用最廣泛的CFD軟件之一。FLUENT軟件提供了靈活的網(wǎng)格特性，可以讓用戶使用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，包括三角形、四邊形、四面體、六面體網(wǎng)格來解決具有復(fù)雜外形的流動(dòng)，甚至也可以使用混合型非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格；可用于二維平面、二位軸對稱和三維流動(dòng)分析；可完成多種參考系下流場模擬、定常與非定常流動(dòng)分析、多相流分析、固體與流體耦合傳熱分析、多孔介質(zhì)分析等。因此，文章采用FLUENT進(jìn)行模擬分析。

從圖2噴射式J-T制冷器內(nèi)部管道圖和圖3節(jié)流孔示意圖中可以看到，預(yù)冷級工質(zhì)節(jié)流后高速噴出的冷氣先冷卻制冷級管道后續(xù)預(yù)冷段，再回流冷卻五層后進(jìn)入的管道工質(zhì)，而這部分管道位于制冷級節(jié)流孔前端以及預(yù)冷級管道節(jié)流孔附近，因此這段管道的溫度變化情況直接影響到節(jié)流后的溫度和液氮份數(shù)。因此，對這一部分管道的換熱情況進(jìn)行仿真分析是至關(guān)重要的。截取五層管道的靠近節(jié)流孔部分，如圖6所示。

在Workbench環(huán)境下，采用自動(dòng)網(wǎng)格劃分的方法對圖6所示的管道部分進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分的情況如圖7所示。

在workbench中啟動(dòng)fluent，根據(jù)圖5所示的溫度變化情況施加邊界條件，然后模擬的溫度的分部狀態(tài)。如圖8第一次節(jié)流溫度分部狀態(tài)所示可以看到各層管道的溫度分布情況，通過第一次預(yù)冷后的制冷級管道所達(dá)到的最低溫度為275K左右。

由于為了簡化計(jì)算，前段管道的熱交換情況被忽略考慮，預(yù)冷級管道的實(shí)際溫度會(huì)更低。由于FLUENT的局限性，只能分段模擬氣體節(jié)流后的熱交換情況。如圖9所示第二次節(jié)流后的溫度分布狀態(tài)。可以發(fā)現(xiàn)，溫度分布狀態(tài)與第一次節(jié)流的溫度分布狀態(tài)類似。

經(jīng)過數(shù)次節(jié)流后，當(dāng)制冷級節(jié)流前的溫度達(dá)到178K左右時(shí)，節(jié)流后會(huì)出現(xiàn)液氮，此后隨著制冷級管道溫度繼續(xù)降低，節(jié)流后的溫度不再發(fā)生變化，保持為77.3K，此時(shí)達(dá)到紅外芯片的工作溫度，紅外芯片以最佳性能開始工作，如圖10所示紅外芯片開始工作時(shí)的節(jié)流后的溫度分布情況。

4 結(jié)論

從圖8、9、10溫度分布圖可以看出提高預(yù)冷、制冷管道的熱交換效率對提高制冷器的性能有很大的影響，可以采取以下幾種措施：

①增加制冷級工作管道的后續(xù)螺旋段的圈數(shù)，同時(shí)對這部分管道進(jìn)行鍍鎳，同時(shí)對預(yù)冷級管道后續(xù)幾圈進(jìn)行鍍鎳。②合理布置各層毛細(xì)管的纏繞方式，讓回流阻力達(dá)到最佳值。③對預(yù)冷級管道節(jié)流孔的位置進(jìn)行合理的分布，使節(jié)流后的氣體能夠充分冷卻制冷級后部螺旋管道。

參考文獻(xiàn)：

[1]孫義蘭，張駿馳，石寶明.過程模擬實(shí)訓(xùn)-Aspen HYSYS[M].北京：中國石化出版社 2015，7.

[2]胡仁喜，康士廷，等.FLUENT 16.0流場分析從入門到精通[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2016，6.

[3]徐浩，劉忠惠，等.一種紅外探測用微型制冷器特性的實(shí)驗(yàn)研究[J].低溫與超導(dǎo)，1997（3）.

[4]楊家艾，劉剛，胡穎濤.噴射式 J - T制冷器的研制[J].激光與紅外，2007，37（1）：53-55.

[5]李秀強(qiáng)，胡音，王三煜.一種噴射式快速啟動(dòng)制冷器的研制[J].低溫與超導(dǎo)，2010（4）：22-24.

[6]曲樂，張宏飛，王三煜.快速直噴式J-T 制冷器性能優(yōu)化研究[J].低溫與超導(dǎo)，2014（3）：25-27.

[7]李家鵬，陳曉屏，陳軍.微型節(jié)流制冷器啟動(dòng)時(shí)間的理論分析[J].激光與紅外，2009（1）：27-30.

[8]馬艷紅.影響自調(diào)式 J - T 制冷器啟動(dòng)時(shí)間的因素[J].激光與紅外 2013（3）：258-260.endprint