80K-2W斯特林制冷机全性能实验研究

80K-2W斯特林制冷机全性能实验研究 80K-2W斯特林制冷机全性能实验研究 2011年第1期 总第179期 低温工程 CRYOGENICS No.12011 SumNo.179 80K/2W斯特林制冷机全性能实验研究 韦孟柳杨开响刘冬毓吴亦农 (中国科学院上海技术物理研究所上海200083) 摘要:80K/2W斯特林制冷机是上海技术物理研究所自行研制的分置式牛津型制冷机.为验 证斯特林制冷机在各种工况下的广泛适应性,针对80K/2W制冷机进行实验,测试制冷机在不同压 缩机行程,制冷温度以及环境温度下的全性能特性,总结斯特林制冷机部分实用的规律. 关键词:斯特林制冷机热环境适应性压缩机行程 中图分类号:TB651文献标识码:A文章编号:1000—6516(2011)01—0016-03 Experimentalresearchofthermalperformance on80K/2WStirlingcryocooler WeiMengliuYangKaixiangLiuDongyuWuYinong (ShanghaiInstituteofTechnicalPhysics,ChineseAcademyofScience,Shanghai200083,C hina) Abstract:80K/2Wsplit—StirlingCryocoolerwasdevelopedbyShanghaiInstituteofTechnicalPhys— ics.Thecooler'Scoolingperformancewastestedwhilethecoolerwasoperatedatdifferentthe rmalenviron— ments,refrigerationtemperaturesandcompressorstrokes,whichdemonstratedthatStirling cryocoolershad vastapplicabilitytodifferentconditions.andaseriesoflawsofStirlingcryocoolers'wasf0und . Keys:Stirlingcryocooler;thermaladaptability;compressorstokes 随着斯特林制冷技术的Et益成熟,越来越多的应 用于各种空问项目,国内对斯特林制冷机的需求 逐渐增大.但斯特林制冷机的研发周期较长,对现有 制冷机的全性能的实验研究一方面,为制冷机开发者 将来的改进提供反馈信息,缩短研发周期;另一方面 也为方便用户在使用过程中根据需求对制冷机的运 行参数进行调节. 牛津型分置式斯特林制冷机.'的控制系统可 以分别控制膨胀机和压缩机活塞行程及相位.本 文采用80K/2W牛津型斯特林制冷机进行全性能 收稿日期:2010—1l-16;修订日期:2011—02—02 作者简介:韦孟柳,女,26岁,硕士研究生. 实验,测试制冷机在不同压缩机行程,不同制冷温 度以及不同环境温度下的热力性能,并对其规律进 行研究. 2实验装置 实验装置如图1,将制冷机置于高低温箱中,箱 内温度可以在一60?到l50?之间调节,温度均匀 度小于2?;压缩机和膨胀机的行程通过自制LVDT 位移传感器进行测量,并反馈到电控箱精确控制制冷 机的行程大小和相位;冷头温度采用四线制PTIO0 测量,并通过数据采集系统进行实时测量,调节加热 片功率以控制冷头温度. 第1期80K/2W斯特林制冷机全性能实验研究17 (a)制冷仉实物图 高低温箱控制区域 缩机膨胀机 干旱控电源厂——_\,.........1.一 +fT直流电源 侍移信号l---------L… .]ll LVDTLvD \./日I功率汁 ?Tl600弋广'————叶 (b)实验装置示意 图1制冷机及实验装置示意图 Fig.1Schematicdiagramofcryocoolerandexperimentapparatus 实验过程中,对于高温和低温实验,开机前对制 冷机预热或预冷10h以上,确保机身及冷头温度与 环境温度一致;制冷机性能数据的采集,都要保证环 境温度已达到规定的试验温度范围,冷头温度在前1 h达到指定温度,并且在前1h内变化小于0.2oC,确 保实验数据的可靠和稳定性. 3实验结果与分析 首先讨论压缩机行程对制冷机性能的影响.固 定环境温度,将膨胀机行程固定为满行程的75%,并 超前于压缩机76.,图2是环境温度为一40cI=时制冷 机在不同制冷温度和压缩机行程的性能图.图中虚 线为等比功线即压缩机输人电功与制冷量之比,粗实 线为等制冷温度线,细实线为等压缩机行程线. 制冷最,w 图2环境温度为一40?,不同压缩机行程制冷性能 Fig.2Performancemapwithdifferentcompressor stokesatsurrounding-temperatureof一40? 从图2中看到,等行程线接近一条斜率为负的直 线.对于同一压缩机行程,随着制冷量的增大,制冷 温度升高,压缩机输入功减小,比功减小.对不同压 缩机行程同一制冷温度,当压缩机行程从90%减小 到40%时,制冷量衰减严重,以80K为例,衰减量为 2.6W,但比功均维持在12w/w到16w/w之间. 这张图上还反映了每个运行参数下制冷机整机效率. 以80K为例,当压缩机行程从90%减小到70%,比 功减小,整机性效率提高;当压缩机行程从70%减小 到40%,比功增大,整机效率降低,即当压缩机行程 为70%时,整机效率最高. 环境温度为常温(23qC)和高温(60?)时,制冷 机性能随制冷温度及压缩机行程变化的规律与低温 (一40?)时类似,随着环境温度升高,图形整体向左 上方偏移,见图3和图4.值得注意的是,随着环境 温度的升高,等行程线的倾斜度增大,即制冷温度变 制冷景,w 图3环境温度为23?,不同压缩机行程制冷性能 Fig.3Performancemapwithdifferentcompressor stokesatsurrounding?temperatureof23? 18低温工程 换引起的功耗变化增大,以80%行程为例,制冷机制 冷温度从50K升高到100K,环境温度为一40?,23 ?和60?的功耗减小量分别为l0w,16w和 17.5W. 图4环境温度为6O?.不同压缩机行程制冷性能 Fig.4Performancemapwithdifferentcompressor stokesatsurrounding?temperatureof60oC 环境温度为23?,不同压缩机行程时,冷量随制 冷温度变化的曲线如图5.对于压缩机各行程,在制 冷温度为50—1o0K范围内,制冷量随制冷温度几乎 呈线性增加. 图5环境温度为23?时.制冷量和制冷温度的关系 Fig.5Measuredcoolingperformanceasafunctionof coldendtemperaturewithdifferentcompressor stokesatsurrounding-temperatureof23? 为等比功线,细实线为等环境温度线,粗实线为等制冷 温度线.对于相同的压缩机行程,等环境温度线和等 制冷温度线均接近于直线,线簇之间相互平行. 80 7O 嘉. 雷 50 40 30 【】l2j4 圳冷昔,W 图6同一压缩机行程在不同工作 环境温度制冷性能比较 Fig.6Performancemapatdifferent surrounding-temperatures 图7是压缩机行程为满行程的80%时,不同环 境温度下冷量随制冷温度变化的曲线.当环境温度 为一40—60?,在制冷温度为55—1O0K范围内,制 冷量随制冷温度的增加呈现较线性的趋势. 图7同一压缩机行程不同环境温度 冷量随制冷温度变化曲线 Fig.7Measuredcoolingperformanceasafunction ofthecoldendtemperatureatdifferent surrounding-temperatures 煮度对『机,,曼妻4结论缩机行程为满行程的80%,膨胀机行程固定为满行程一, 的75%,膨胀机行程超前于压缩机76..图6为不同本文完成80K/2W制冷机在不同压缩机行程, 环境温度和制冷温度时制冷机的性能曲线.图中虚线(下转第31页) 第1期混合工质自动充注装置的研制31 实验研究[D]北京:中国科学院低温技术实验中心,2002 8LuoEC,GongMQ,WuJF.PerformanceofR170mixturesasrefrig— erantsforrefrigerationat一80?temperaturerange[J]International JournalofRefrigeration,2009,32:892-900. 9刘建丽,公茂琼,吴剑峰,等.120K.150K温区混合工质内复叠节 流制冷机的实验研究[J].低温工程,2001,2:40-42. 10AndreyR.Refrigeratingmachineoperatingcharacteristicsundervari— OUSmixedrefrigerantmasscharges[J].InternationalJournalofRe— frigeration,2008,31:1145—1155. 11DerkingJH,BrakeHJM,SirbiA.Optimizationoftheworkingfluid inaJoule-Thomsoncoldstage[J].Cryogenics,2009,49:2151- (上接第10页) 2 3 4 5 6 7 参考文献 RadebaughR,LewisM,LuoE forpulsetuberefrigerators[C] 2006,51A:59-67. 12 13 l57. 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ErcangLuo,RayRadebaugh,MichaelLewis.InertaneeTubeModels andTheirExperimentalVerification[C].AdvancesinCryogenicEn— gineering,CEC,2004,49:1485—1492 胡剑英,戴巍,罗二仓,等.脉冲管制冷机调相机构的研究第三 部分:惯性管调相能力的研究[J].低温与超导,2008,36(10): 12.16. 胡剑英,戴巍,罗二仓,等脉冲管制冷机调相机构的研究第一 部分:双向进气模式的研究[J].低温与超导,2007,36(1):4-8. 胡剑英,戴巍,罗二仓,等脉冲管制冷机调相机构的研究第二 (上接第18页) 制冷温度以及环境温度下的性能测试,获得大量实验 数据,为下一步的研发工作提供事实依据.大量的实 验结果明,该制冷机对环境温度具有广泛的适应 性,通过了一40—6O?的环境温度的考核;制冷机在 制冷温度为50—1O0K,均可以平稳高效运行,所以 制冷机具有广泛的制冷温度适应性;制冷机的压缩机 行程可以在40%一90%范围内进行任意调节,可应 对不同功耗及冷量需求的场合. 从大量实验数据中,还得到以下结论:(1)对于 固定的的膨胀机行程,存在最优的压缩机行程使得整 9 11 l2 15 16 一 +"+-+"+-+*+-+-+? 部分:惯性管有无气库的研究[J].低温与超导,2008,36(9):8一 l3. GustafsonS,FlakeB,RazaniACFDSimulationofOscillatingFluid FlowinInertanceTubeandItsComparisontoOtherModels[C].Ad. vancesinCryogenicEngineering,CEC,AIP,Melville,NY,2006, 51:1497-1504. BarrettFlake,ArsalanRazani.PhaseShiftandCompressibleFluid DynamicsinInertanceTubes[C].Cryoeoolers13,Springer,New York,2004,257-284. 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