肖日仕，陳曉屏

（昆明物理研究所，昆明 650223）

0 引言

Hampson型微型J-T節(jié)流制冷器因結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，啟動(dòng)時(shí)間快，無(wú)運(yùn)動(dòng)部件等特點(diǎn)而被廣泛的的應(yīng)用在紅外探測(cè)器、CMOS-IC芯片、紅外制導(dǎo)系統(tǒng)等部件的冷卻上。其工作原理為高溫高壓氣體從進(jìn)口流入并流經(jīng)Hampson型逆流換熱器的高壓端，通過(guò)節(jié)流小孔等焓節(jié)流變成低溫低壓的流體給熱負(fù)載提供冷量后通過(guò)回流通道流出，低壓流體通過(guò)回流通道的過(guò)程中冷卻高壓通道的高溫流體，使得冷端溫度不斷降低，直至達(dá)到工作溫度[1]。

在Hampson型節(jié)流制冷器中，回?zé)釗Q熱器即Hampson型翅片管換熱器是非常重要的部件，在制冷循環(huán)中承擔(dān)關(guān)鍵的回?zé)釗Q熱過(guò)程，工作性能的好壞將直接影響制冷器整機(jī)性能?；?zé)釗Q熱器的進(jìn)氣口一般是高壓氣體，通常是低壓回流通道氣體壓力的50～500倍。相應(yīng)的低壓出口的容積流率一般高于高壓入口[2]。

一般情況下，對(duì)節(jié)流制冷器性能的指標(biāo)要求是對(duì)瞬態(tài)性能如啟動(dòng)時(shí)間、溫度穩(wěn)定性等特性的要求，但實(shí)際上節(jié)流制冷器的穩(wěn)態(tài)性能比如穩(wěn)定工作溫度或換熱器的換熱效率等更重要，實(shí)際上如果探測(cè)器芯片質(zhì)量一般，對(duì)正常成像下制冷器的穩(wěn)定工作溫度要求是非?？量痰?。另外，同樣會(huì)利用低溫?fù)Q熱器的LNG工業(yè)的研究，如果換熱器的換熱效率從理想狀態(tài)的100%降到實(shí)際的96.5%，那么液化器的液化量將減少22%[3]。在氦液化的情況下，Atrey[4]計(jì)算得出，如果換熱器的效率從97%降到95%，那么液化量將會(huì)減少12%。Barron[5]則表示，如果換熱器效率低于85%，將不會(huì)有氦被液化。因此對(duì)節(jié)流制冷器而言，換熱效率同樣是重要的。

由于節(jié)流制冷器在軍事領(lǐng)域的特殊應(yīng)用需求，關(guān)于J-T節(jié)流制冷器的基礎(chǔ)研究匱乏，數(shù)據(jù)資料不足，制約著開式節(jié)流制冷器的原創(chuàng)性研發(fā)和優(yōu)化，只能依靠樣品仿制和“試錯(cuò)”方法進(jìn)行產(chǎn)品開發(fā)[6-7]，這也是導(dǎo)致紅外探測(cè)器用節(jié)流制冷器成品率低和性能不穩(wěn)定的原因之一。因此，目前國(guó)內(nèi)外對(duì)Hampson型節(jié)流制冷器的穩(wěn)態(tài)及瞬態(tài)特性進(jìn)行了研究，并提出了一些措施使制冷器模型更加準(zhǔn)確，為Hampson型節(jié)流制冷器的研究和優(yōu)化提供一定的方法和思路。

1 Hampson型J-T制冷器的研究

圖1為Hampson型節(jié)流制冷器及翅片管換熱器的示意圖。實(shí)際上，對(duì)Hampson型節(jié)流制冷器的研究主要集中在對(duì)節(jié)流制冷器上的Hampson型翅片管換熱器的研究，這是因?yàn)橹评淦餍阅艿暮脡暮艽蟪潭壬弦蕾囉贖ampson型翅片管換熱器性能的優(yōu)劣。通過(guò)對(duì)Hampson型翅片管換熱器的研究，得到換熱器的流動(dòng)與傳熱特性，并以此分析換熱器性能隨結(jié)構(gòu)參數(shù)或運(yùn)行工況的變化趨勢(shì)，才能指導(dǎo)對(duì)Hampson型翅片管換熱器乃至制冷器的優(yōu)化工作。

圖1 微型J-T制冷器及翅片管換熱器圖Fig.1 Miniature Joule-Thomson cooler and finned tube heat exchanger

對(duì)Hampson型節(jié)流制冷器的研究?jī)?nèi)容主要有兩個(gè)方面：對(duì)節(jié)流制冷器的穩(wěn)態(tài)特性研究以及瞬態(tài)特性研究。對(duì)節(jié)流制冷器的穩(wěn)態(tài)特性研究的主要目的是得到穩(wěn)態(tài)條件下的運(yùn)行工況，并對(duì)制冷器或換熱器的換熱效率、可用能損失、制冷量等屬性進(jìn)行優(yōu)化；而對(duì)節(jié)流制冷器的瞬態(tài)特性研究的主要目的是得到制冷器啟動(dòng)時(shí)的一些特性，從而對(duì)制冷器重要的評(píng)價(jià)指標(biāo)—啟動(dòng)時(shí)間及溫度穩(wěn)定性等參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。下面分別總結(jié)了近年來(lái)對(duì)Hampson型節(jié)流制冷器的穩(wěn)態(tài)特性和瞬態(tài)特性的一些研究工作。

1.1 Hampson型J-T制冷器的穩(wěn)態(tài)特性研究

Ng等[1]用數(shù)值計(jì)算和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法研究了一個(gè)Hampson型節(jié)流制冷器的穩(wěn)態(tài)特性，制冷工質(zhì)為氬氣，其實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示，其模型的模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果非常吻合。在研究中有兩個(gè)重要點(diǎn)：一是在其數(shù)值模擬計(jì)算時(shí)采用離散化模型，計(jì)算每個(gè)節(jié)點(diǎn)時(shí)都更新新的物性參數(shù)來(lái)迭代求解；二是制冷器沿軸向?qū)Νh(huán)境的漏熱損失考慮進(jìn)了模型中。然而，在該研究中，流量分配的不均勻性和沿壁的軸向?qū)嵛纯紤]進(jìn)去。

圖2 節(jié)流制冷器測(cè)試平臺(tái)圖[1]Fig.2 JT cooler testing facility

Chua等[8]對(duì)復(fù)雜的Hampson型翅片管換熱器模型作了研究，在模擬的時(shí)候考慮了毛細(xì)管壅塞流的影響，消除了早期文獻(xiàn)中對(duì)Hamspon型節(jié)流制冷器研究的局限性。將數(shù)值計(jì)算得到的出口溫度與實(shí)驗(yàn)測(cè)量所得的出口溫度作了對(duì)比，發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)測(cè)量所得出口溫度要高于數(shù)值計(jì)算所得出口溫度。同時(shí)，還研究了進(jìn)氣壓力和質(zhì)量流量對(duì)制冷器的制冷功率的影響，在一定范圍內(nèi)，進(jìn)氣壓力越大，制冷功率越大。另外，從結(jié)果可以看出，當(dāng)進(jìn)氣壓力從14 MPa增大到18 MPa時(shí)，換熱器的換熱效率會(huì)緩慢降低。在該研究中，沿壁的軸向?qū)岷蛯?duì)環(huán)境的漏熱沒有考慮進(jìn)去。

Gupta等[9]研究了傳熱單元數(shù)為12的Hampson型制冷器在裝配時(shí)，裝配間隙對(duì)其性能的影響。比較了制冷器模型計(jì)算所得數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以看出實(shí)驗(yàn)所得換熱器的效率要低于計(jì)算所得換熱器效率，而從計(jì)算結(jié)果來(lái)看，通過(guò)從1.2～0.3 mm這樣不斷減小裝配間隙，換熱器的換熱效率從91.7%增大到95.8%。研究結(jié)果表明，可以通過(guò)對(duì)Hampson型節(jié)流制冷器的裝配間隙進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整來(lái)改善低壓側(cè)的壓降特性，以實(shí)現(xiàn)想要達(dá)到的熱力學(xué)性能。在該研究中，沒有考慮流體性質(zhì)變化的影響。

Hong等[10]利用效能-傳熱單元法（ε-NTU）研究了翅片管換熱器的熱力學(xué)性能。結(jié)果表明，換熱器的效率隨著質(zhì)量流率的增加而減小，這是因?yàn)橘|(zhì)量流量增大會(huì)導(dǎo)致傳熱單元數(shù)NTU的減小。當(dāng)制冷器的進(jìn)氣壓力為10 MPa和20 MPa時(shí)，對(duì)于在0～0.45 g/s范圍內(nèi)不同的質(zhì)量流量，理想情況下制冷器的制冷量會(huì)有一個(gè)最優(yōu)點(diǎn)，即在某一質(zhì)量流量下的制冷量最大，而當(dāng)進(jìn)氣壓力增大到30～50 MPa時(shí)，制冷量會(huì)隨著質(zhì)量流量的增大而不斷增大。在該研究中，沿壁的軸向?qū)嵋约皩?duì)環(huán)境的漏熱沒有考慮進(jìn)去。

同樣由Hong等[11]利用效能-傳熱單元法（ε-NTU）對(duì)三種結(jié)構(gòu)的制冷器：?jiǎn)螌訂温菪?、單層雙螺旋、雙層雙螺旋進(jìn)行了對(duì)比研究。結(jié)果表明了翅片管繞制圈數(shù)、質(zhì)量流率、供氣壓力對(duì)制冷器性能的影響，隨著翅片管換熱器總長(zhǎng)度的增加和質(zhì)量流率的增加，制冷器的制冷量增加，但是制冷器的工作溫度會(huì)升高，不能達(dá)到80 K或更低的溫度。另外，在高進(jìn)氣壓力的情況下，雙通道換熱器的制冷功率要明顯高于單通道換熱器。同樣在該研究中，沿壁的軸向?qū)岷蛯?duì)環(huán)境的漏熱沒有考慮進(jìn)去。

Hong等[12]利用效能-傳熱單元法（ε-NTU）和等熵模型研究了Hampson型制冷器的熱力學(xué)模型以及環(huán)境溫度對(duì)換熱器性能的影響。對(duì)于一個(gè)恒定的供氣壓力，在低溫環(huán)境下制冷器有著大的質(zhì)量流率和制冷量，這使得制冷器同樣有著大的制冷功率。另一方面，用一個(gè)有限容積氣瓶供氣，在低溫環(huán)境下，由于氣瓶的壓力不斷減小，制冷器的質(zhì)量流率較小，但其有著和恒定供氣壓力幾乎等同的制冷功率。研究表明，制冷器在低溫環(huán)境下的降溫速度非?？臁Ｔ谠撗芯恐?，流量分配的不均勻性和沿壁的軸向?qū)釠]有被考慮進(jìn)去。

Tzabar[13]用效能-傳熱單元數(shù)法對(duì)螺旋翅片管換熱器的穩(wěn)態(tài)特性進(jìn)行了數(shù)值研究。在供氣壓力40 MPa，質(zhì)量流率0.2 g/s以及外殼直徑10 mm的情況下，得到了高壓端和低壓端在穩(wěn)態(tài)時(shí)的溫度分布。還分析了換熱器的換熱熱阻，其中低壓側(cè)的對(duì)流換熱熱阻最大，因此，在設(shè)計(jì)換熱器時(shí)應(yīng)盡可能減小該熱阻。另外，還研究了不同工作條件及改變翅片管尺寸對(duì)壓降特性和換熱器性能的影響，結(jié)果顯示影響換熱器長(zhǎng)度和低溫端壓降的主要因素是質(zhì)量流率而不是供氣壓力。在該研究中，沿壁的軸向?qū)釠]有考慮進(jìn)去。

Ardhapurkar等[14]建立了Hampson型節(jié)流制冷器的數(shù)值模型，并用Matlab軟件編程進(jìn)行模擬計(jì)算，數(shù)值模型計(jì)算得到的溫度分布和壓力分布與Ng等的實(shí)驗(yàn)值對(duì)比后比較的吻合。文章研究了翅片密度對(duì)換熱器換熱效率的影響，結(jié)果表明換熱器的換熱效率隨翅片的繞制密度增大而增大。另外，還研究了質(zhì)量流量對(duì)制冷器制冷功率的影響，可以看出存在一個(gè)最優(yōu)的質(zhì)量流量使得制冷器的制冷功率最大。而當(dāng)質(zhì)量流量逐漸增大時(shí)，換熱器的換熱效率逐漸減小，高壓側(cè)壓降則逐漸增大。同樣在研究換熱器長(zhǎng)度對(duì)制冷器制冷功率的影響時(shí)可以看出，存在一個(gè)最優(yōu)的換熱器長(zhǎng)度使得制冷器的制冷功率最大。在該研究中，流量分配的不均勻性沒有考慮進(jìn)去。

劉鑫等[15]對(duì)Hampson型節(jié)流制冷器的穩(wěn)態(tài)特性進(jìn)行了數(shù)值研究，在建立數(shù)值模型時(shí)充分考慮了流道的幾何形狀、流體物性的變化、縱向?qū)釗p失以及輻射漏熱損失，其模擬得到的結(jié)構(gòu)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的誤差不超過(guò)1.09%。對(duì)制冷器的漏熱損失分析可以發(fā)現(xiàn)，外殼縱向?qū)崾锹岬闹饕蛩兀硗饴釗p失隨著進(jìn)氣壓力的增大也會(huì)相對(duì)的增大。文章采取響應(yīng)面優(yōu)化法來(lái)優(yōu)化換熱器的結(jié)構(gòu)參數(shù)，最終優(yōu)化結(jié)構(gòu)表明：在一定運(yùn)行參數(shù)下，換熱器的肋片尺寸存在一個(gè)最優(yōu)點(diǎn)，使換熱器的可用能損失最小，即運(yùn)行性能最佳。在該研究中，流量分配不均勻性沒有考慮進(jìn)去。

1.2 Hampson型J-T制冷器的瞬態(tài)特性研究

在工程實(shí)際中，對(duì)Hampson型節(jié)流制冷器瞬態(tài)特性的研究是非常重要的：一方面是降溫特性和其對(duì)工作環(huán)境的依賴性往往是其性能的重要體現(xiàn)；另一方面快速冷卻到制冷器的工作溫度是對(duì)制冷器的重要需求。

Chou等[16]采用簡(jiǎn)化的一維動(dòng)量和能量輸運(yùn)模型模擬了非自調(diào)式Hampson型制冷器的流動(dòng)和換熱特性，同時(shí)搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對(duì)制冷器進(jìn)行了測(cè)試，制冷工質(zhì)為氮?dú)?，進(jìn)氣壓力分別為20.69 MPa、15.17 MPa及11.03 MPa。其冷卻時(shí)間的數(shù)值預(yù)測(cè)值與實(shí)驗(yàn)測(cè)量所得的值基本一致，從制冷器沿Hampson型翅片管的溫度分布和壓力分布來(lái)看，換熱器的大小和質(zhì)量是對(duì)制冷器瞬態(tài)特性影響非常重要的因素。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，當(dāng)進(jìn)氣壓力范圍在11～22 MPa時(shí)，制冷器的啟動(dòng)時(shí)間隨壓力的增大而減小。

Chien等[17]同樣對(duì)自調(diào)式節(jié)流制冷器的瞬態(tài)特性進(jìn)行了研究，為此建立了制冷器和波紋管自調(diào)機(jī)構(gòu)的模型，并采用數(shù)值計(jì)算+實(shí)驗(yàn)研究的方式進(jìn)行研究。由于普通的波紋管自調(diào)機(jī)構(gòu)存在節(jié)流閥開-關(guān)振蕩效應(yīng)和溫度調(diào)節(jié)時(shí)存在一定的延時(shí)，會(huì)造成制冷器冷端出現(xiàn)較大幅度的溫度波動(dòng)，因此該研究還設(shè)計(jì)了一種新的自調(diào)機(jī)制，制冷器同時(shí)裝配有兩個(gè)節(jié)流小孔，啟動(dòng)時(shí)兩個(gè)節(jié)流閥同時(shí)通氣，此時(shí)流量較大，當(dāng)制冷器冷端基本降低到工作溫度時(shí)，大直徑的節(jié)流孔關(guān)閉，只有小直徑節(jié)流孔工作，此時(shí)流量較小。

Ng等[1]用圖2所示的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對(duì)Hampson型制冷器的瞬態(tài)特性進(jìn)行了研究，制冷工質(zhì)為氬氣。在進(jìn)氣壓力分別為17.912 MPa和14.047 MPa的情況下，將制冷器從啟動(dòng)后180 s內(nèi)的瞬態(tài)特性測(cè)試并記錄下來(lái)，對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果，兩者相差不到0.3%。在一個(gè)恒定的氣源供氣情況下，制冷器的啟動(dòng)時(shí)間相對(duì)較短，到達(dá)110 K一般只要50 s左右。

Hong等[18]用實(shí)驗(yàn)研究的方法研究一個(gè)自調(diào)式Hampson型節(jié)流制冷器的瞬態(tài)特性。采用有限容積氣瓶供氣，其實(shí)驗(yàn)裝置如圖3所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，制冷器的降溫速率隨著供氣壓力的增加而增加，但最終穩(wěn)定下來(lái)的冷端溫度基本不隨供氣壓力的變化而變化。質(zhì)量流量在氣瓶開啟后先增大之后達(dá)到自調(diào)點(diǎn)急劇下降并趨于穩(wěn)定。另外，對(duì)于一個(gè)給定的制冷器，只有當(dāng)氣瓶容積足夠大時(shí)才能讓制冷器降到工作溫度并維持穩(wěn)定工作一段時(shí)間，當(dāng)氣瓶容積不夠時(shí)，會(huì)出現(xiàn)自調(diào)機(jī)構(gòu)不起作用，氣瓶?jī)?nèi)氣體壓力迅速減小的情況。

圖3 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)示意圖[18]Fig.3 Schematic diagram of the experimental apparatus

Tzabar等[19]對(duì)雙節(jié)流孔制冷器進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，制冷器采用兩種供氣方式，一種是只供給純氬氣；另一種是采用預(yù)冷級(jí)，先讓氪氣通入將制冷器冷卻到一定溫度，再通入氬氣讓制冷器穩(wěn)定工作。從研究結(jié)果可以看出，預(yù)冷溫度越低，制冷器的啟動(dòng)時(shí)間越低，帶預(yù)冷級(jí)的制冷器要比未帶預(yù)冷級(jí)的制冷器的冷卻時(shí)間減小8 s左右。制冷器的啟動(dòng)時(shí)間隨質(zhì)量流量的增大而減小，當(dāng)質(zhì)量流量達(dá)到5 SLPM時(shí)，再增大質(zhì)量流量對(duì)啟動(dòng)時(shí)間的影響就不大了。文章還研究了膨脹區(qū)域的大小對(duì)啟動(dòng)時(shí)間的影響，可以看出隨著膨脹區(qū)域體積的增大，啟動(dòng)時(shí)間也隨之增大，但當(dāng)質(zhì)量流量較大時(shí)，膨脹區(qū)域體積大小對(duì)啟動(dòng)時(shí)間幾乎就沒有影響了。

Hong等[20]用數(shù)值計(jì)算的方法研究了非自調(diào)式的雙螺旋結(jié)構(gòu)制冷器的瞬態(tài)特性，研究得到了不同供氣壓力下制冷器的啟動(dòng)時(shí)間和冷端溫度變化情況，可以看出隨著供氣壓力的增大，制冷器的降溫速率越快，但當(dāng)供氣壓力增大到40 MPa后，再增大供氣壓力則不會(huì)增大降溫速率了。制冷器的啟動(dòng)時(shí)間隨供氣壓力的增大而減小，但當(dāng)供氣壓力在超過(guò)30 MPa后，再增大供氣壓力并不會(huì)減小啟動(dòng)時(shí)間。研究表明，在維持一定制冷功率的情況下，制冷器在供氣壓力為30 MPa時(shí)的耗氣量是最小的，這對(duì)于實(shí)際的工作具有一定的指導(dǎo)意義。在該研究中，沿壁的軸向?qū)釠]有考慮進(jìn)去。

Tzabar等[21]研究了一種自調(diào)式Hampson型雙節(jié)流孔節(jié)流制冷器的瞬態(tài)特性。在60 mL氬氣且氣瓶供氣壓力67 MPa的情況下，通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試得到45 s內(nèi)冷端溫度和氣瓶?jī)?nèi)壓力值，該制冷器到達(dá)90 K的時(shí)間不超過(guò)5 s，氣瓶壓力先急劇下降至57 MPa，之后較緩慢的下降。另外還分別測(cè)試了雙孔60℃、25℃、-45℃及單孔-20℃四種情況下制冷器的啟動(dòng)特性，其啟動(dòng)時(shí)間-45℃＜25℃＜-20℃＜60℃。

Tzabar等[22]建立了杜瓦-探測(cè)器-制冷器整體模型（DDCA）并用有限元模型對(duì)Hampson型節(jié)流制冷器的瞬態(tài)特性進(jìn)行了研究，其建模思路和模型離散化示意圖如圖4所示，對(duì)翅片熱容和導(dǎo)熱系數(shù)的計(jì)算分成了兩個(gè)計(jì)算區(qū)域：一是翅片與制冷器芯軸的接觸區(qū)域；另一個(gè)是翅片和毛細(xì)管的計(jì)算區(qū)域。翅片和毛細(xì)管的尺寸都調(diào)整到適合制冷器芯軸的大小，單個(gè)單元的低壓側(cè)流體又被分成N個(gè)計(jì)算單元，其中N是單個(gè)繞制圈數(shù)上翅片的數(shù)量，每一個(gè)毛細(xì)管計(jì)算單元即為相鄰翅片之間的區(qū)域，流過(guò)每個(gè)毛細(xì)管計(jì)算單元的質(zhì)量流量為m/N。利用建立好的模型對(duì)供氣壓力為69 MPa（工質(zhì)為氮?dú)猓?，氣瓶容積為60 mL情況下，制冷器在常溫（23℃）、低溫（-20℃）及高溫（60℃）下的瞬態(tài)特性，可以很明顯的看出，啟動(dòng)時(shí)間隨環(huán)境溫度的減小而減小。在該研究中，對(duì)環(huán)境的漏熱因素沒有考慮進(jìn)去。

圖4 換熱器模型示意圖[22]Fig.4 Aschematic view of the heat-exchanger model

Damle等[23]研究了在氣瓶不同充氣壓力并考慮分布式J-T效應(yīng)的情況下Hampson型制冷器的降溫特性。結(jié)果表明，根據(jù)質(zhì)量流率的大小，其數(shù)值模型能夠自動(dòng)調(diào)節(jié)分布式J-T效應(yīng)的影響。當(dāng)質(zhì)量流率較大導(dǎo)致翅片管內(nèi)的壓降較大時(shí)，分布式J-T效應(yīng)的影響非常顯著，而考慮分布式J-T效應(yīng)時(shí)，冷卻效果更好。另外還對(duì)不同氣瓶容積及不同初始?jí)毫η闆r下的制冷器進(jìn)行了兩次數(shù)值模擬，一次不考慮分布式J-T效應(yīng)，另一次則考慮。當(dāng)考慮分布的J-T效應(yīng)時(shí)，可以看出，在有限容積的高質(zhì)量流率初始冷卻期內(nèi)，制冷功率更大。

同樣由Damle等[24]，利用建立好的有限元模型研究了翅片繞制密度對(duì)Hampson型節(jié)流制冷器的瞬態(tài)特性的影響?？梢钥闯?，若要制冷器的冷端能夠降到相對(duì)低的工作低溫，翅片的繞制密度必須要大于某一數(shù)值，在該數(shù)值之前，制冷器能達(dá)到的冷端溫度隨繞制密度增大而減小，若繞制密度大于該數(shù)值，繼續(xù)增大翅片密度則制冷器的冷端溫度不會(huì)繼續(xù)降低。研究表明，在一定工況下，冷端溫度的降溫速率隨翅片繞制密度增大而增大。另一個(gè)重要的研究結(jié)果就是翅片密度與啟動(dòng)時(shí)間的關(guān)系，可以看出在某一質(zhì)量流量下，當(dāng)翅片繞制密度超過(guò)某一數(shù)值時(shí)（即在該繞制密度下制冷器冷端溫度能達(dá)到最低，該研究為1.5 fins/mm），隨著翅片繞制密度的增大，制冷器的啟動(dòng)時(shí)間會(huì)逐漸減小。

2 不可忽略的影響因素

傳統(tǒng)的換熱器模型會(huì)忽略掉一些因素，因?yàn)樵诘湫偷膫鳠岷土鲃?dòng)學(xué)中通常影響不大。然而在低溫翅片管換熱器中，由于對(duì)換熱器的效率要求極高，這些因素也必須被考慮進(jìn)來(lái)，總結(jié)了研究Hampson型節(jié)流制冷器且換熱器的換熱效率足夠高時(shí)不能被忽略的因素，包括流體熱物性隨溫度的變化、與周圍環(huán)境大的熱交換（熱泄露）、沿壁的軸向?qū)岷土黧w的流動(dòng)不均勻性。這些影響被考慮時(shí)對(duì)應(yīng)的換熱器換熱效率總結(jié)在圖5中。

圖5 考慮各因素時(shí)對(duì)應(yīng)的換熱器效率圖Fig.5 Effects to be considered for a given design effectiveness

對(duì)于換熱器效率要求不高的應(yīng)用，所有這些因素都可以忽略不計(jì)。然而對(duì)于高效率換熱器的要求，都需要被考慮，其對(duì)換熱器換熱效率的敏感程度為：流體性質(zhì)的改變＞流量分配不均勻＞沿壁軸向?qū)幔緦?duì)環(huán)境的漏熱，實(shí)際中對(duì)這些因素的考量取決于特定的工作條件。正如前面分析所述，制冷器啟動(dòng)時(shí)間的快慢與肋片管換熱器換熱量大小有關(guān)。

3 結(jié)論

對(duì)Hampson型節(jié)流制冷器的研究工作，包括對(duì)制冷器的穩(wěn)態(tài)特性和瞬態(tài)特性的研究。大部分文獻(xiàn)采用的是數(shù)值模擬及實(shí)驗(yàn)研究的方式，采用流體仿真軟件如ANSYS等進(jìn)行模擬的研究則非常少，原因一方面是Hampson型節(jié)流制冷器模型的復(fù)雜程度會(huì)使建模過(guò)程相對(duì)困難；另一方面是流體仿真軟件無(wú)法模擬等焓節(jié)流過(guò)程。上述研究很大程度上揭示了Hampson型節(jié)流制冷器的流動(dòng)和傳熱過(guò)程，也給研究者在優(yōu)化制冷器的性能時(shí)指明了方向。當(dāng)然，這些研究還存在一些問題，包括對(duì)兩相流動(dòng)的忽略和對(duì)一些影響因素的忽略，導(dǎo)致其模擬結(jié)果總會(huì)和真實(shí)情況有著部分偏差。

針對(duì)目前對(duì)Hampson型節(jié)流制冷器的研究現(xiàn)狀，主要有四個(gè)方面需要改進(jìn)或進(jìn)一步探究。

（1）實(shí)際情況下，Hampson型節(jié)流制冷器的工作時(shí)會(huì)存在氣液兩相狀態(tài)，在該狀態(tài)下的流動(dòng)和傳熱與單相狀態(tài)下是不同的，大部分的研究沒有對(duì)氣液兩相狀態(tài)下制冷器的特性進(jìn)行研究，這就導(dǎo)致模擬計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況有著一定的偏差。因此，針對(duì)氣液兩相流，可以采用ANSYS等仿真軟件中的多相流計(jì)算模型進(jìn)行仿真計(jì)算；

（2）由于Hampson型節(jié)流制冷器的換熱器效率足夠高，因此隨著研究手段和工具越來(lái)越多樣化，在研究過(guò)程中，應(yīng)盡可能的考慮如流體熱物性隨溫度的變化、與周圍環(huán)境大的熱交換（熱泄露）、沿壁的軸向?qū)岷土黧w的流動(dòng)不均勻性等因素的影響。因此，針對(duì)上述問題，可以采用內(nèi)嵌NIST數(shù)據(jù)庫(kù)的一些計(jì)算軟件，如EES或ANSYS來(lái)模擬計(jì)算，并盡可能考慮漏熱等影響，且在劃分網(wǎng)格單元時(shí)盡量規(guī)避流動(dòng)不均勻性的問題，如一個(gè)繞制圈數(shù)為一個(gè)單元網(wǎng)格；

（3）對(duì)Hampson型節(jié)流制冷器的流體仿真研究工作非常的少。實(shí)際上由于數(shù)值模型的區(qū)域劃分多以一個(gè)繞制圈數(shù)為一個(gè)研究單元，因此用諸如ANSYS這樣的流體仿真軟件對(duì)Hampson型節(jié)流制冷器進(jìn)行研究能夠得到比數(shù)值模擬更詳盡的流動(dòng)與傳熱特性，且結(jié)果也會(huì)更為準(zhǔn)確；

（4）在Hampson型節(jié)流制冷器穩(wěn)態(tài)條件下的結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析與在瞬態(tài)條件下結(jié)構(gòu)的優(yōu)化分析是有比較大差異的，在其中一種條件下的最優(yōu)結(jié)構(gòu)并不一定是另一種條件下的最優(yōu)結(jié)構(gòu)，這與需要優(yōu)化的指標(biāo)有關(guān)。因此對(duì)Hampson節(jié)流制冷器的優(yōu)化工作應(yīng)從穩(wěn)態(tài)條件和瞬態(tài)條件進(jìn)行綜合考量。針對(duì)上述問題，可以先用仿真軟件分別對(duì)節(jié)流制冷器的穩(wěn)態(tài)特性和瞬態(tài)特性進(jìn)行數(shù)值模擬研究，然后結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步分析，在穩(wěn)態(tài)特性和瞬態(tài)特性之間進(jìn)行衡量，最終得到的優(yōu)化方案應(yīng)為考量二者之后的最優(yōu)。

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