大功率脉管制冷机回热器内非均匀性研究

【作者】 方凯； 邱利民；

【机构】 浙江大学制冷与低温研究所；

【摘要】 快速发展的高温超导技术极大的促进了大功率低温制冷机的市场需求。而在当今超导领域,Stirling制冷机和GM制冷机因发展时间长、技术成熟、制冷量大、制冷效率高的优点已得到广泛的使用。相比传统的Stirling和GM制冷机,斯特林型脉管制冷机低温端无运动部件,带来了一系列诸如长寿命、高可靠性、长维修间隔、无电磁干扰等优势,因而可望成为新型高效长寿命大功率制冷机的有力竞争者。但由于大功率脉管存在有一些特有的机理性问题尚未解决,限制了其性能的提高,其中一个典型问题即为回热器内的非均匀性问题。非均匀性的定义及特征所谓非均匀性问题主要是指在回热器内,在同一截面上发生的非均匀的流动和传热,导致回热器效率和整机性能急剧恶化的现象。其典型特征主要有:1.回热器同一截面不同位置的温度出现显著差异,随着输入PV功的增加,差异会急剧上升,最大可达180K左右,有实验数据表明这种温度梯度在空间上呈现出随机性,温度最高点和最低点会发生迁移;2.回热器内存在有环形路径的直流流动,即DC流;3.伴随着温度的不均匀性,回热器效率急剧下降,在制冷机上具体表现为无负荷制冷温度的上升和COP的下降。4.通常非均匀性会发生于长径比较小的单个回热器内(目前报道有非均匀性现象的回热器中长径比最大的仅为1.5),或是多个并联的回热器内。5.使用高热导率的回热器填料能够显著抑制非均匀性。因此回热器作为大功率功率脉管制冷机的关键部件,非均匀性现象会显著降低回热器的效率,因而成为限制大功率脉管制冷机发展的重要因素之一。但由于非均匀性本身导致的直流流动相比交变质量流而言非常小,几乎无法直接测量到,而对于温度分布的测量又大多集中于回热器壁面,无法准确探知回热器内部的分布情况,因此当前对于非均匀性的实验观测手段非常有限,而对于其产生机理、发展机制的理论研究,目前多停留在理论模型阶段。当前对于非均匀性诱发因素的研究,按照其产生来源大体可划分为内因和外因两种类型。其中对于内因的研究,当前主要包括回热器流阻、回热器内填料传热边界和回热器内气体的对流效应三个因素,而外因的研究主要针对于回热器两端的质量流扰动和回热器壁面的温度扰动等因素。虽然能够引发回热器非均匀性现象的因素多种多样,但其发展机制则相对单一:回热器相对薄弱的径向热联系导致的周向温差和气体粘性系数与温度的相关性所引发的正反馈效应。因而对于非均匀性的抑制措施也主要从改善回热器内气流分布和回热器内径向导热条件两个方面入手,弱化这种正反馈的发展机制。目前已有大量的实验数据证明通过优化回热器两端的整流层和插入高热导率的回热器填料,可有效抑制回热器内的非均匀性现象,提高制冷机性能。更多还原