脈管制冷聲-力-電匹配及其逼近卡諾效率的方法.pdf

1、中國(guó)對(duì)天然氣進(jìn)口需求的快速增長(zhǎng)，使得天然氣的運(yùn)輸及存儲(chǔ)成為其中重要一環(huán)，卻也面臨著諸多技術(shù)困難，其中大冷量高效可靠的低溫制冷技術(shù)是亟需的關(guān)鍵支撐技術(shù)。脈管制冷機(jī)由于無低溫下運(yùn)動(dòng)部件，是滿足該應(yīng)用的理想制冷方式。然而脈管制冷機(jī)由于膨脹功無法回收導(dǎo)致其本征效率低于卡諾效率，該特征在液化天然氣溫區(qū)以及更高溫區(qū)的大冷量應(yīng)用場(chǎng)合尤為突出。如何在保證脈管制冷高可靠性和長(zhǎng)壽命等優(yōu)勢(shì)的同時(shí)，盡量提高其制冷效率，業(yè)已成為制約其工程應(yīng)用的主要問題。針對(duì)當(dāng)前

2、研究不足，本文基于脈管制冷法，從聲-力-電匹配角度以及其能量回收機(jī)理兩方面進(jìn)行了研究，試圖找到通往卡諾效率的途徑，具體開展工作如下：
　　1）構(gòu)建基于脈管制冷的聲-力-電（AcME）耦合匹配方法
　　針對(duì)制冷機(jī)內(nèi)部匹配效率低的問題，從復(fù)向量分析方法入手，對(duì)制冷機(jī)的三大部分：電路部分、機(jī)械部分以及聲阻抗部分分別進(jìn)行向量分析，得到制冷機(jī)整機(jī)聲?力?電的耦合匹配向量圖，揭示了制冷機(jī)各部分之間的耦合匹配機(jī)理，為制冷機(jī)的設(shè)計(jì)、分析及優(yōu)

3、化提供了新的視角。
　　分析制冷機(jī)冷頭作為聲負(fù)載對(duì)壓縮機(jī)輸出特性的影響規(guī)律，理論推導(dǎo)了壓縮機(jī)各參數(shù)基于聲阻抗形式的一般表達(dá)式（含非諧振情形）?；?RC聲學(xué)負(fù)載實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該理論分析。
　　引入壓縮機(jī)阻抗甜點(diǎn)的概念并進(jìn)行深入討論，即在該特定工況下，壓縮機(jī)可以同時(shí)獲得最大輸出聲功和最高轉(zhuǎn)換效率，是一臺(tái)設(shè)計(jì)完成的壓縮機(jī)的最優(yōu)工況。針對(duì)壓縮機(jī)與制冷機(jī)冷頭可能存在的不匹配的情形，借助電學(xué)中匹配網(wǎng)絡(luò)的概念，提出聲學(xué)匹配網(wǎng)絡(luò)，有望改善壓縮

4、機(jī)與制冷機(jī)冷頭負(fù)載之間的不匹配問題。
　　基于以上的AcME匹配，給出了一種線性壓縮機(jī)主要參數(shù)反求方法，為線性壓縮機(jī)的工程化提供理論支撐。
　　2）提出可逼近卡諾效率的脈管級(jí)聯(lián)制冷法
　　脈管制冷機(jī)的本征理論制冷效率為Tc/Th（Tc為制冷溫度，Th為環(huán)境溫度），低于卡諾效率Tc/(Th-Tc)，且制冷溫度越高，與卡諾效率偏離就越明顯。針對(duì)這一不足，提出一種多級(jí)級(jí)聯(lián)型脈管制冷法，其每一級(jí)制冷機(jī)由回收自前一級(jí)制冷機(jī)脈管熱

5、端的聲功來驅(qū)動(dòng)，通過熱力學(xué)分析表明，無窮級(jí)級(jí)聯(lián)制冷效率等于卡諾效率。這一結(jié)論在脈管本征制冷效率[Tc/Th]和卡諾效率[Tc/(Th-Tc)]之間搭建了一座橋梁，在科學(xué)研究和工程實(shí)踐方面均有重要意義。
　　3）實(shí)驗(yàn)成功驗(yàn)證所提出的脈管級(jí)聯(lián)制冷法
　　基于實(shí)驗(yàn)室已有500 W線性壓縮機(jī)，選取233 K（-40°C）為制冷溫度，有望獲取較大制冷量以驗(yàn)證脈管級(jí)聯(lián)法回收能量的可能性。設(shè)計(jì)并搭建一臺(tái)三級(jí)級(jí)聯(lián)脈管制冷機(jī)實(shí)驗(yàn)臺(tái)，分別開展了

6、單級(jí)、兩級(jí)級(jí)聯(lián)和三級(jí)級(jí)聯(lián)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證工作。結(jié)果表明，在運(yùn)行頻率60 Hz，充氣壓力2.5 MPa，壓縮機(jī)輸入功為500 W時(shí)，單級(jí)脈管制冷機(jī)制冷量為181.3 W，制冷效率0.3626，相對(duì)卡諾效率10.4％；兩級(jí)級(jí)聯(lián)制冷機(jī)總制冷量為241.6 W（其中第一級(jí)175.0 W，第二級(jí)66.6 W），效率0.4832，相對(duì)卡諾效率13.9%；三級(jí)級(jí)聯(lián)制冷機(jī)總制冷量為253.6 W（其中第一級(jí)164.9 W，第二級(jí)70.7 W，第三級(jí)18.0