本文關鍵詞：液氦溫區(qū)預冷型J-T制冷機及其末級換熱器的數(shù)值與開式實驗研究

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【摘要】：空間探測領域的高速發(fā)展推動了低溫技術的進步,低溫探測器可實現(xiàn)更高的觀測精度并捕捉更微弱的信號,液氦溫區(qū)(1-10 K)是部分低溫探測器的工作溫度,在空間應用中具有重要作用。工作于液氦溫區(qū)的預冷型J-T制冷機具有結構緊湊、制冷效率高、運行時間長等優(yōu)勢,在空間中得到了廣泛應用。本文對這一技術展開了以下工作：1.系統(tǒng)地整理了國際上空間應用的液氦溫區(qū)預冷型J-T制冷技術,回顧了這一技術的發(fā)展歷程與最新進展,重點放在制冷機效率的比較和支撐密封等關鍵技術的梳理,提取出了實驗研究中的問題與障礙并為本文的工作提供參考。高效可靠的無油J-T壓縮機、預冷用的回熱式制冷機、整機運行參數(shù)優(yōu)化和穩(wěn)定可靠運行、以及高效緊湊的間壁式換熱器是研究中的關鍵問題。2.開展了工質分別為氮氣和氦氣的J-T循環(huán)熱力學分析。對于氮氣工質,循環(huán)的最大制冷量受制于高低壓氣體間最小的等溫焓差,高壓壓力升高有利于增大最小等溫焓差,討論了間壁式換熱器效率對制冷量的影響,預冷有利于提高制冷量。對于氦氣工質,必須通過預冷才能獲得液氦溫區(qū)的制冷量。討論了流體熱物性、附加熱負荷、軸向導熱和流動分布不均對低溫換熱器效率的影響。3.建立了液氦溫區(qū)預冷型J-T制冷機的數(shù)值模型,優(yōu)化了J-T循環(huán)的高壓壓力和末級預冷溫度,分析了最佳的參數(shù)組合。為減小末級換熱器中由于流體物性變化產(chǎn)生的不可逆損失,提出了一種新的末級換熱器結構,引入旁通J-T閥改變流量分布,通過平衡換熱器兩側的水當量減小傳熱溫差,從而減小不可逆損失并提高制冷機性能。4.開展了預冷型J-T制冷機的開式實驗研究,獲得了不同運行參數(shù)下的液氦溫區(qū)制冷量,當末級預冷溫度為17.36 K,壓比為16,流量為11 mg/s時,在4.46 K獲得82.74 mW的制冷量。蒸發(fā)器出口帶液導致實驗結果與數(shù)值模型存在偏差,通過修正數(shù)值模型中蒸發(fā)器出口的條件獲得了與實驗一致的結論。
【學位授予單位】：浙江大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TB65

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本文編號：1218696