[发明专利]基于熵分析的三级热耦合型高频脉冲管制冷机的设计方法

说明书

技术领域

本发明涉及制冷与低温工程领域，特别涉及一种基于熵分析的三级热耦合型高频脉冲管制冷机的设计方法。

背景技术

在国际范围内，低温制冷技术在过去的近半个世纪中都得到了快速发展，并在航空航天、国防、超导工业、医疗、能源以及低温物理等领域有着广泛应用。低至10K及其以下的深低温区在甚长波红外探测、太赫兹探测、X射线探测、低温超导等领域更有着不可替代的应用。相比较低温液体杜瓦，机械制冷方法体积小、重量轻、维护方便、工作寿命长，在机动性、可靠性、使用寿命等方面具有很大优势，在航天和军事等领域优势更为明显。机械制冷方法要实现10K及以下的深低温区，常需要使用三级或以上级数的多级系统。脉冲管制冷机取消了广泛应用于常规回热式机械制冷机的冷端排出器，因而在回热式制冷机中实现多级系统最为方便；再加上脉冲管制冷机冷端低振动、低干扰和无磨损的天然优势，因而近年来成为深低温区多级机械制冷研究的热点。

多级脉冲管制冷机主要分为热耦合型和气耦合型，国际上对这两种类型的多级系统都尝试采用各自的设计方法，但目前尚没有总结出一种行之有效的公认的设计原则。特别是针对三级高频脉冲管制冷机的基于熵分析的设计方法，目前在公开文献上尚未见报道。

发明内容

鉴于现有技术的不足，本文提出一种基于熵分析的三级热耦合型高频脉冲管制冷机的设计方法：

本发明的目的在于，提供了一种三级热耦合型高频脉冲管制冷机的设计方法。通过该设计方法，可以在确定制冷需求及基本工作参数的情况下，对包括各级脉冲管制冷机的输入声功、制冷温度、充气压力、压比、工作频率、回热器尺寸、热桥连接位置、蓄冷填料等在内的各项工作参数进行优化设计分析，从而显著地降低各项不可逆损失，提高系统工作效率。

该设计方法包括以下步骤：

步骤一：建立三级热耦合型高频脉冲管制冷机计算模型，该模型包括：第一级压缩机1、第一级连管2、第一级级后冷却器3、第一级回热器4、第一级冷端换热器5、第一级脉冲管6、第一级热端换热器7、第一级惯性管8、第一级气库9、第二级压缩机10、第二级连管11、第二级级后冷却器12、第二级回热器13、第二级冷端换热器14、第二级脉冲管15、第二级热端换热器16、第二级惯性管17、第二级气库18、第三级压缩机19、第三级连管20、第三级级后冷却器21、第三级回热器22、第一级热桥23、第二级热桥24、第三级冷端换热器25、第三级脉冲管26、第三级热端换热器27、第三级惯性管28和第三级气库29。

其中，第一级冷端换热器5通过第一级热桥23分别与第二级回热器13和第三级回热器22相连，并对后两级脉冲管制冷机进行预冷。第二级冷端换热器14则通过第二级热桥24与第三级回热器22相连，并对第三级脉冲管制冷机进行预冷。

三级脉冲管制冷机热端工作温度均为T₀，冷端温度依次为T_c1、T_c2和T_c3。三级脉冲管制冷机输入声功分别为W₁、W₂、W₃；第一级脉冲管制冷机总制冷量为Q_t1，通过第一级热桥23预冷第二级的预冷量为Q_p12，预冷第三级的预冷量为Q_p13，可取出的制冷量为Q_c1；第二级脉冲管制冷机总制冷量为Q_t2，通过第二级热桥24预冷第三级的预冷量为Q_p23，可取出的制冷量为Q_c2；第三级脉冲管制冷机制冷量为Q_c3，该制冷量可以被全部取出；则三级脉冲管制冷机的冷量之间存在如下关系：

Q_t1＝Q_c1+Q_p12+Q_p13(1)

Q_t2＝Q_c2+Q_p23(2)

步骤二：建立基本假设，在基于熵分析的回热器设计方法中，建立如下假设：首先，仅考虑回热器部分的损失；其次，假定冷、热端换热器保持温度恒定，基于此假设，则回热器进、出口位置时均熵流均为0。

步骤三：基于以上假设，采用熵分析法得到第一级脉冲管制冷机的总制冷量表达式：