大冷量同軸型脈沖管制冷機(jī)蓄冷器周向溫度分布實(shí)驗(yàn)研究

張雅婷 王乃亮 趙密廣 李金澤 荀玉強(qiáng) 梁驚濤

(1 中國(guó)科學(xué)院理化技術(shù)研究所中國(guó)科學(xué)院空間功熱轉(zhuǎn)換技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 100190)

(2 中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 北京 100049)

1 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步,空間應(yīng)用對(duì)于制冷量的需求越來(lái)越大。如紅外技術(shù)向著大面陣、多光譜的方向發(fā)展;大冷量的深低溫制冷機(jī)的前級(jí)預(yù)冷量需求大幅增加;低溫推進(jìn)劑的長(zhǎng)期儲(chǔ)存等,將需要制冷機(jī)提供越來(lái)越多的冷量[1-2]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)此開(kāi)展了一系列研究工作。2010 年,中國(guó)科學(xué)院理化技術(shù)研究所研制的大冷量脈沖管制冷機(jī),可以在120 K 提供10 W的冷量,可用來(lái)冷卻光學(xué)系統(tǒng)[3]。2016 年,中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所研究了一種10 W@ 70 K 的脈沖管制冷機(jī),用于紅外焦平面陣列的制冷,在70 K時(shí)相對(duì)卡諾效率達(dá)到了14.75%[4]。液氮溫區(qū)10 W冷量左右的空間脈沖管制冷機(jī)應(yīng)用已有所應(yīng)用,而制冷量在百瓦級(jí)的脈沖管制冷機(jī)的應(yīng)用目前還主要集中在地面上,包括冷卻超導(dǎo)電纜、低溫液體的“零”蒸發(fā)等[5-6]。2014 年,胡劍英等人研制了一臺(tái)大冷量脈沖管制冷機(jī),7.6 kW 輸入功率下,能夠在80 K 產(chǎn)生520 W 的制冷量[7]。2019 年,黨海政等人研制出了一臺(tái)在77 K 溫度下制冷量為500 W 的脈沖管制冷機(jī),相對(duì)卡諾效率為14%[8]。雖然百瓦級(jí)的脈沖管制冷機(jī)已有一定的應(yīng)用,但其中仍存在著流場(chǎng)和溫度場(chǎng)不均勻的科學(xué)問(wèn)題等待解決。關(guān)于脈沖管內(nèi)的Rayleigh 流、射流、第三種直流[9-10]等非交變流的研究已比較充分,但對(duì)于大冷量的脈沖管制冷機(jī)而言,蓄冷器內(nèi)部流動(dòng)的穩(wěn)定性才是影響冷指效率的關(guān)鍵因素。2007 年,Dietrich 等人[11]在一臺(tái)200 W 的脈沖管制冷機(jī)上發(fā)現(xiàn),超過(guò)某個(gè)臨界點(diǎn)后,蓄冷器內(nèi)產(chǎn)生環(huán)流,其大小與蓄冷器的溫度梯度、質(zhì)量流量以及橫向?qū)崧视嘘P(guān)。2007 年,Andersen 等人[12]通過(guò)數(shù)值計(jì)算,發(fā)現(xiàn)環(huán)流的產(chǎn)生機(jī)理主要有3 個(gè)原因:蓄冷器兩端壓力波的波形與正弦波的偏差;瞬時(shí)質(zhì)量流量,取決于蓄冷器兩端的瞬時(shí)壓差溫度;蓄冷器內(nèi)的溫度波動(dòng),首次提出采用“并聯(lián)回?zé)崞髂Ｐ汀焙?jiǎn)化和解釋蓄冷器內(nèi)部環(huán)流。隨后,浙江大學(xué)邱利民等人[13]發(fā)展了這一方法,并提出了用以定量計(jì)算蓄冷器周向溫差的方法。

目前關(guān)于大冷量的脈沖管制冷機(jī)蓄冷器內(nèi)部不均勻流動(dòng)的理論研究結(jié)果還處于一個(gè)定性和不充分的階段,通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究是理解蓄冷器內(nèi)部流動(dòng)過(guò)程的一個(gè)重要途徑。其中,通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到制冷機(jī)各主要參數(shù)對(duì)于同一軸向長(zhǎng)度位置周向溫度分布的影響,可以直觀地獲得反映蓄冷器內(nèi)部流動(dòng)過(guò)程特征的重要信息。由于諸多參數(shù)都可能影響蓄冷器溫度分布的均勻性,而對(duì)于會(huì)產(chǎn)生明顯的影響的參數(shù)的辨識(shí)及其影響程度還缺乏定量的實(shí)驗(yàn)研究?；谀壳暗难芯楷F(xiàn)狀,本研究通過(guò)采用控制變量法探究了輸入電功、頻率、冷頭熱負(fù)荷對(duì)蓄冷器周向溫差的影響,并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析和討論,通過(guò)定量的實(shí)驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明了以上3 種參數(shù)對(duì)蓄冷器溫度分布的具體影響,并解釋了產(chǎn)生這些影響的原因,從而加深了對(duì)蓄冷器內(nèi)部流動(dòng)過(guò)程的理解。

2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建

2.1 結(jié)構(gòu)參數(shù)

本研究所使用的動(dòng)磁式壓縮機(jī)活塞直徑為60 mm,最大輸入電功約2 000 W,輸入電功為1 800 W時(shí),制冷機(jī)可以在90 K 產(chǎn)生100 W 的冷量。所使用的脈沖管制冷樣機(jī)的蓄冷器長(zhǎng)徑比為0.86;對(duì)于一臺(tái)12 W/80 K 冷量的脈沖管制冷機(jī),其蓄冷器長(zhǎng)徑比為1.6[14]。隨著冷量的提高,蓄冷器長(zhǎng)徑比逐漸減小,對(duì)于冷量在百瓦級(jí)的脈沖管制冷機(jī),蓄冷器的長(zhǎng)徑比大多小于1。

根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù),結(jié)合本實(shí)驗(yàn)室以往的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn),對(duì)樣機(jī)進(jìn)行了三維設(shè)計(jì)、投產(chǎn)、加工、組裝,最終完成了實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的研制,樣機(jī)實(shí)物如圖1 所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)樣機(jī)實(shí)物圖Fig.1 Photo of pulse tube refrigerator

2.2 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置簡(jiǎn)圖如圖2 所示。在壓縮機(jī)兩側(cè)安裝了激光位移傳感器以監(jiān)測(cè)活塞的運(yùn)動(dòng)行程,防止其行程超過(guò)最大限位值發(fā)生撞缸。在進(jìn)氣連管上安裝了壓力波傳感器,用來(lái)監(jiān)測(cè)進(jìn)入冷指的壓力波幅值。將激光位移傳感器與壓力波傳感器輸出的信號(hào)輸入到示波器上,可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)活塞位移與壓力波的相位。安裝位移傳感器與壓力波傳感器的目的是為了計(jì)算壓縮機(jī)實(shí)際輸出的PV 功,以此可以單獨(dú)評(píng)估壓縮機(jī)效率與冷指效率。

圖2 實(shí)驗(yàn)裝置簡(jiǎn)圖Fig.2 Schematic of experimental device

3 不同參數(shù)對(duì)蓄冷器溫度分布的影響

蓄冷器中的氣體是交變流動(dòng)的,任何非對(duì)稱(chēng)的因素都可能會(huì)對(duì)蓄冷器內(nèi)部產(chǎn)生熱力學(xué)不穩(wěn)定性。當(dāng)制冷機(jī)的冷量小于5 W 時(shí),蓄冷器的長(zhǎng)徑比通常大于1.5,由于蓄冷器直徑小且長(zhǎng)度大,通過(guò)內(nèi)部填料的徑向?qū)嵋话憧梢曰鞠菍?duì)稱(chēng)因素帶來(lái)的溫度場(chǎng)不均勻性。而隨著冷量增大,蓄冷器直徑變大,長(zhǎng)徑比減小,由于蓄冷器內(nèi)部填料的徑向?qū)嵊邢?將不足以抵消溫度或壓力擾動(dòng)帶來(lái)的影響,因此非對(duì)稱(chēng)因素會(huì)對(duì)小長(zhǎng)徑比的蓄冷器內(nèi)部熱力學(xué)過(guò)程產(chǎn)生顯著的影響。非對(duì)稱(chēng)性的產(chǎn)生與諸多參數(shù)有關(guān),因此需要定量的實(shí)驗(yàn)結(jié)果以探究每個(gè)參數(shù)對(duì)蓄冷器內(nèi)溫度分布均勻性影響程度的大小。

由于蓄冷器內(nèi)部流場(chǎng)不易直接觀測(cè),因此可以通過(guò)監(jiān)測(cè)蓄冷器同一軸向長(zhǎng)度處管壁的周向溫差來(lái)間接衡量其內(nèi)部流場(chǎng)的穩(wěn)定性。實(shí)驗(yàn)中通過(guò)在蓄冷器管壁上距離冷端換熱器底端42 mm(熱端換熱器底部到冷端換熱器底部1/2 處)位置處布置6處溫度計(jì)測(cè)量點(diǎn)來(lái)監(jiān)測(cè)周向溫度分布情況。沿逆時(shí)針?lè)较蛎扛?0°在圓周方向布置了4 個(gè)溫度測(cè)點(diǎn),由于在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)1、4 和2、3 點(diǎn)位間的溫差較大,因此在這兩處點(diǎn)位中間又增加了5 號(hào)和6 號(hào)兩處溫度測(cè)點(diǎn)。

圖3 蓄冷器外壁圓周方向的溫度測(cè)點(diǎn)Fig.3 Temperature measuring point in circumferential direction of outer wall of regenerator

3.1 制冷機(jī)工作頻率的影響

圖4 為保持輸入電功600 W 不變,冷頭無(wú)熱負(fù)荷的實(shí)驗(yàn)條件下,將制冷機(jī)工作頻率從42 Hz 開(kāi)始以2 Hz 為間隔逐步增大到56 Hz 時(shí),不同頻率下的蓄冷器周向溫度分布圖。圖5 為相同實(shí)驗(yàn)條件下圓周方向最大溫差和冷頭溫度隨頻率的變化關(guān)系圖。圖中橫坐標(biāo)代表點(diǎn)位,2.5 代表6 號(hào)點(diǎn)位,4.5 代表5 號(hào)點(diǎn)位,1—4 分別代表1—4 號(hào)點(diǎn)位。

表1 液氮溫區(qū)不同冷量的蓄冷器結(jié)構(gòu)對(duì)比Table 1 Comparison of structure of regenerator with different cooling capacity at liquid nitrogen temperature

由圖4 分析可知,隨著頻率的增加,各點(diǎn)位的溫度也隨之提高。42 Hz 時(shí),1 號(hào)點(diǎn)位的溫度為81.7 K,56 Hz 時(shí)1 號(hào)點(diǎn)位的溫度升高到了114.1 K。由圖5 可見(jiàn),隨著頻率的提高,冷頭溫度先降低后升高,當(dāng)頻率為48 Hz 時(shí),冷頭溫度最低,為35.6 K。但隨著頻率的提高,測(cè)點(diǎn)溫度呈上升趨勢(shì),這說(shuō)明蓄冷器沿軸向的溫度分布除了受冷頭溫度的影響外,與頻率還有明顯的關(guān)系。如,52 Hz時(shí),冷頭溫度為38.8 K,42 Hz 時(shí),冷頭溫度為41.1 K,但52 Hz 各測(cè)點(diǎn)溫度均明顯高于42 Hz 各測(cè)點(diǎn)溫度,因此,頻率和冷頭溫度都會(huì)對(duì)蓄冷器的軸向溫度分布產(chǎn)生影響。

圖4 頻率對(duì)蓄冷器外壁圓周方向溫度分布的影響Fig.4 Influence of frequency on temperature distribution in circumferential direction of outer wall of regenerator

圖5 蓄冷器圓周方向最大溫差、冷頭溫度隨頻率的變化關(guān)系圖Fig.5 Diagram of maximum temperature difference in circumference direction of regenerator and temperature of cold head variation with frequency

這也說(shuō)明在實(shí)際情況中,蓄冷器沿軸向的溫度分布并不是線性變化的。并且,頻率的改變并沒(méi)有引起周向溫度分布的改變,最高溫度始終在2 點(diǎn)位,而最低溫始終在5 點(diǎn)位。

圖5 可見(jiàn),當(dāng)頻率為42 Hz 時(shí)溫差最小,為14.7 K,48 Hz 時(shí)溫差最大,為27.8 K。溫差隨著頻率的提高沒(méi)有明顯的規(guī)律,這也間接表明頻率與蓄冷器圓周方向的溫度分布是否均勻相關(guān)性不大。

3.2 輸入功率的影響

圖6 為保持頻率為48 Hz 不變、冷頭無(wú)熱負(fù)荷的實(shí)驗(yàn)條件下,將輸入電功從200 W 增大到1 400 W,不同輸入功率下的蓄冷器周向溫度分布圖。200 W輸入功率下,各點(diǎn)位的溫度差異小于8 K,溫度基本均勻。從400 W 開(kāi)始,隨著輸入電功的增大不同點(diǎn)位處的溫度發(fā)生了不同趨勢(shì)的改變。1 點(diǎn)位的溫度幾乎不發(fā)生改變,2 點(diǎn)位的溫度隨輸入電功的增大而升高,3 點(diǎn)位隨輸入電功的增大而減小,5 點(diǎn)位在400—1 000 W 輸入功率下隨輸入電功增大而降低,超過(guò)1 000 W 后,溫度變化趨勢(shì)發(fā)生了突變,在1 000—1 400 W 范圍內(nèi)隨輸入電功的增大升高。對(duì)于為何會(huì)出現(xiàn)這一現(xiàn)象,通過(guò)結(jié)合圖7 中冷頭溫度隨輸入電功的變化曲線來(lái)進(jìn)行分析。

圖6 輸入功率對(duì)蓄冷器外壁圓周方向溫度分布的影響Fig.6 Influence of input power on temperature distribution in circumferential direction of outer wall of regenerator

圖7 蓄冷器圓周方向最大溫差、冷頭溫度隨輸入電功的變化關(guān)系圖Fig.7 Diagram of maximum temperature difference in circumference direction of regenerator and temperature of cold head variation with input electric power

當(dāng)輸入電功為1 000 W 時(shí),冷頭溫度達(dá)到最低,為33.3 K。之后隨著輸入電功的增加冷頭溫度逐漸升高,這與Dietrich 等人的研究結(jié)果一致,說(shuō)明當(dāng)操作條件到達(dá)某一“臨界值”后,蓄冷器內(nèi)部流場(chǎng)的不均勻性也到達(dá)某一程度,嚴(yán)重惡化制冷機(jī)性能,而輸入功率與這一“臨界值”有密切的關(guān)系。蓄冷器內(nèi)部氣體的流動(dòng)狀態(tài)在到達(dá)這一“臨界值”后發(fā)生了劇烈的改變,蓄冷器內(nèi)部環(huán)流效應(yīng)加劇,因此,管壁上某些區(qū)域的溫度變化也因流動(dòng)狀態(tài)的改變呈現(xiàn)出了與之前相反的趨勢(shì)。

3.3 冷頭熱負(fù)荷的影響

保持輸入電功600 W 和頻率44 Hz 不變,通過(guò)改變冷頭加熱量以探究冷頭熱負(fù)荷對(duì)蓄冷器圓周方向溫度分布的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,隨著冷頭熱負(fù)荷的增加,蓄冷器周向溫差逐漸減小,各點(diǎn)溫度逐漸升高,如圖8 所示。將上述實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理,可以得到不同冷頭熱負(fù)荷下冷頭溫度及測(cè)量位置周向最大溫差的關(guān)系,如圖9 所示。

圖8 冷頭熱負(fù)荷對(duì)蓄冷器外壁圓周方向溫度分布的影響Fig.8 Influence of heat flux of cold head on temperature distribution in circumferential direction of outer wall of regenerator

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出,隨著冷頭熱負(fù)荷的增加,冷頭溫度近似線性地上升,而周向最大溫差則近似線性地下降。由圖9 可知,當(dāng)加熱量為零時(shí),周向最大溫差為29.4 K,當(dāng)加熱量為30 W 時(shí),圓周方向的最大溫差為25 K,當(dāng)加熱量增加至50 W 時(shí),周向最大溫差約為21 K。加熱功率為10 W 時(shí),冷頭溫度和周向最大溫差略微偏離線性關(guān)系,這可能是由于實(shí)驗(yàn)測(cè)量誤差引起的。

圖9 蓄冷器圓周方向最大溫差、冷頭溫度隨熱負(fù)荷的變化關(guān)系圖Fig.9 Diagram of maximum temperature difference in circumference direction of regenerator and temperature of cold head variation with heat flux

針對(duì)這一現(xiàn)象,經(jīng)分析認(rèn)為,由于冷頭添加熱負(fù)荷給系統(tǒng)增加了一個(gè)額外的焓流δH輸入,使得冷端換熱器處的氣體吸收了這一熱量Qlift,熱源所釋放的熱量均勻加熱了冷端換熱器部位附近的氣體,因而減小了冷頭附近同一圓截面上氣體的溫度差異,從而減小了測(cè)點(diǎn)間的最大溫差。從另一方面來(lái)看,外部熱量的輸入使得冷頭溫度升高,蓄冷器的軸向溫度梯度減小,這也有利于蓄冷器內(nèi)部流場(chǎng)的均勻性。

4 結(jié)論

為了從實(shí)驗(yàn)的角度揭示大冷量脈沖管制冷機(jī)特有的長(zhǎng)徑比小于1 的“短粗”型蓄冷器內(nèi)部流動(dòng)過(guò)程及其特性,本研究以一臺(tái)100 W/90 K 的脈沖管制冷機(jī)為研究對(duì)象,探究了頻率、輸入電功、冷頭熱負(fù)荷對(duì)蓄冷器流場(chǎng)和溫度分布均勻性的影響,并初步分析了產(chǎn)生這些影響的原因。主要結(jié)論如下:

(1)隨著頻率的提高,蓄冷器的周向溫差沒(méi)有表現(xiàn)出與之的相關(guān)性,但頻率會(huì)影響蓄冷器的軸向溫度分布。

(2)增大制冷機(jī)的輸入電功,蓄冷器周向溫差呈增大的趨勢(shì),蓄冷器內(nèi)部流場(chǎng)會(huì)在達(dá)到某一“臨界值”后產(chǎn)生劇烈的不均勻性并嚴(yán)重影響制冷機(jī)的性能。本實(shí)驗(yàn)中,該臨界值與冷指最低溫度存在對(duì)應(yīng)關(guān)系。

(3)在冷頭施加熱負(fù)荷可以減小蓄冷器周向溫差,原因一是氣體吸收了外界輸入的熱量,氣體被加熱后溫度均勻性有所改善,二是冷頭溫度的升高使得軸向溫度梯度減小,這也有利于蓄冷器內(nèi)部熱力學(xué)穩(wěn)定性。