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        排出器動(dòng)力學(xué)特性對(duì)斯特林制冷機(jī)性能影響分析

        2021-10-19 03:14:58曲家闖閆春杰許國(guó)太莊昌佩張學(xué)林
        真空與低溫 2021年5期
        關(guān)鍵詞:模型

        曲家闖,閆春杰,許國(guó)太,莊昌佩,張 安,張學(xué)林

        (蘭州空間技術(shù)物理研究所 真空技術(shù)與物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,蘭州 730000)

        0 引言

        斯特林制冷機(jī)是空間紅外遙感系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備,主要為紅外探測(cè)器提供低溫環(huán)境,可以有效降低探測(cè)器的信噪比,提高靈敏度。斯特林制冷機(jī)分為調(diào)相結(jié)構(gòu)和無(wú)調(diào)相結(jié)構(gòu)純氣動(dòng)的斯特林制冷機(jī)。純氣動(dòng)調(diào)相制冷機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊、可靠性高;純氣動(dòng)調(diào)相的斯特林制冷機(jī)的主要問(wèn)題是如何維持排出器的運(yùn)動(dòng)及與壓縮機(jī)活塞運(yùn)動(dòng)有合適的相位關(guān)系。排出器的相位只能通過(guò)調(diào)節(jié)排出器的質(zhì)量和板彈簧的剛度被動(dòng)調(diào)節(jié)[1],排出器的運(yùn)動(dòng)和與壓縮機(jī)的活塞運(yùn)動(dòng)相位角這兩個(gè)參數(shù)直接影響著斯特林制冷機(jī)的性能。本文期望通過(guò)建立斯特林制冷機(jī)的熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)模型來(lái)研究排出器的質(zhì)量及板彈簧剛度對(duì)整機(jī)性能的影響,找出其最佳值,提高斯特林制冷機(jī)的性能。

        1 斯特林制冷機(jī)的模型建立

        1.1 分置式斯特林制冷機(jī)結(jié)構(gòu)

        機(jī)械驅(qū)動(dòng)的斯特林制冷機(jī)按照結(jié)構(gòu)布置不同可分為整體式和分置式兩種[2]。分置式斯特林制冷機(jī)(牛津型)的壓縮機(jī)與排出器分開(kāi)放置,如圖1所示,兩者之間通過(guò)細(xì)管連接,可以有效地減少壓縮機(jī)的振動(dòng)對(duì)制冷機(jī)冷頭的影響,明顯降低排出器的振動(dòng)指標(biāo);壓縮機(jī)與膨脹機(jī)均采用間隙密封、柔性板彈簧支撐。

        圖1 分置式斯特林制冷機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of split Stirling refrigerator

        1.2 等溫模型建立

        采用等溫分析模型建立斯特林制冷機(jī)的熱力學(xué)模型,假設(shè):

        (1)壓縮腔和膨脹腔中進(jìn)行的是等溫過(guò)程,即等溫壓縮過(guò)程和等溫膨脹過(guò)程;

        (2)壓縮腔和膨脹腔的容積按正弦規(guī)律變化;

        (3)工質(zhì)遵守理想氣體狀態(tài)方程,即pV=MRT;

        (4)回?zé)徇^(guò)程是理想的,不考慮不可逆損失;

        (5)整個(gè)系統(tǒng)中的瞬時(shí)壓力相同;

        (6)各工作腔內(nèi)的溫度均勻一致。

        根據(jù)假設(shè),得出制冷機(jī)的理論制冷量Qc為:

        式中:δ無(wú)物理意義;pav為制冷機(jī)運(yùn)行過(guò)程中的平均壓力,Pa;V0為排出器掃氣容積,m3;θ1為壓力波之間相位角,rad;

        令:

        式中:τ為熱端與冷端溫度比;λ為容積比即壓縮機(jī)活塞掃氣容積與排出器掃氣容積之比;φ為排出器領(lǐng)先壓縮機(jī)活塞的角度(活塞相位角);s為相對(duì)死容積。

        式中:∑Vd,i為總空容積,m3;Vd,i為各死容積,m3;Ta為壓縮腔溫度,K;Tc為冷腔溫度,K;Td,i為各死容積內(nèi)的氣體溫度,K。

        試驗(yàn)表明,斯特林制冷機(jī)的實(shí)際制冷量Qr只有等溫模型計(jì)算值的30%[1],即:

        活塞相位角φ和排出器與壓力波之間相位角θ之間的關(guān)系如式(5):

        式中:ω為排出器往復(fù)運(yùn)動(dòng)的角頻率rad/s。

        1.3 排出器動(dòng)力學(xué)模型建立

        排出器是斯特林制冷機(jī)的關(guān)鍵部件,通過(guò)排出器(回?zé)崞鳎﹤鬟f的熱量比制冷機(jī)的制冷量大很多(約10~50倍),所以,排出器參數(shù)特性對(duì)制冷機(jī)的制冷性能起決定性的影響。將排出器受壓力波推動(dòng)做往復(fù)運(yùn)動(dòng)的過(guò)程設(shè)為是單自由度系統(tǒng)在簡(jiǎn)諧激勵(lì)下的振動(dòng),則可知壓力波與排出器的相位角、排出器的振幅、系統(tǒng)的臨界阻尼、系統(tǒng)固有頻率分別為[2]:

        式中:c為排出器運(yùn)動(dòng)過(guò)程中受到的阻尼,N(/m/s);k為排出器連接的板彈簧剛度,N/m;mp為排出器質(zhì)量,kg;xp為排出器往復(fù)運(yùn)動(dòng)的振幅,m;F0為壓縮機(jī)產(chǎn)生的壓力波使排出器所受到的力的振幅,假定壓力波為正弦波,則F0=A(rpmax-pav),N,其中Ar為排出器階梯桿面積,m2;cc為臨界阻尼,N(/m·s-1);fn為排出器固有頻率。

        2 仿真計(jì)算及結(jié)果分析

        在1.2、1.3中分別建立了斯特林制冷機(jī)的熱力學(xué)模型及排出器動(dòng)力學(xué)模型,兩個(gè)模型通過(guò)壓縮機(jī)活塞相位角φ和排出器與壓力波之間相位角θ建立起了聯(lián)系,并通過(guò)式(5)耦合。計(jì)算時(shí)先假定排出器初始振幅和系統(tǒng)阻尼不變,通過(guò)排出器動(dòng)力學(xué)方程求出排出器與壓力波的相位角θ,進(jìn)而求出活塞相位角,并根據(jù)等溫模型求出壓力波幅值,再將壓力波結(jié)果帶回動(dòng)力學(xué)方程,并求出排出器振幅,反復(fù)迭代,并將假定的排出器振幅值與動(dòng)力學(xué)計(jì)算值進(jìn)行對(duì)比,當(dāng)二者差值在一定范圍內(nèi)時(shí)結(jié)束迭代,輸出結(jié)果。

        2.1 排出器板彈簧剛度對(duì)系統(tǒng)的影響

        排出器板彈簧剛度影響排出器振幅及相位進(jìn)而影響整機(jī)的制冷量。保持整機(jī)的運(yùn)行頻率、排出器質(zhì)量不變,逐漸增大排出器板彈簧剛度,制冷量及相位角的變化如圖2所示。從變化曲線可以看出,隨著板彈簧剛度的增大,相位角逐漸減小,且減小趨勢(shì)越來(lái)越弱;而制冷量則是由小變大再變小,出現(xiàn)一個(gè)峰值,此時(shí)制冷量最大,整機(jī)輸出狀態(tài)最優(yōu),對(duì)應(yīng)的板彈簧剛度為5 500 N/m,相位角約為72°。即在制冷機(jī)設(shè)計(jì)、調(diào)試過(guò)程中,每一組參數(shù)對(duì)應(yīng)一個(gè)最佳排出器板彈簧剛度,此時(shí)制冷機(jī)在這一組參數(shù)下制冷量最大。

        圖2 制冷量及相位角隨板彈簧剛度變化曲線Fig.2 Variation of refrigerating capacity and phase angle with flexure spring stiffness

        排出器振幅隨板彈簧剛度變化曲線與制冷量的變化規(guī)律一致,同在5 500 N/m處有最大值,此時(shí)排出器的固有頻率與運(yùn)行頻率比約為0.85,如圖3所示。

        圖3 排出器振幅隨板彈簧剛度變化曲線Fig.3 Variation of displacer amplitude with Flexure spring stiffness

        2.2 排出器質(zhì)量對(duì)系統(tǒng)的影響

        制冷機(jī)的制冷量以及相位角隨排出器(回?zé)崞鳎┵|(zhì)量的變化曲線如圖4所示。隨著排出器質(zhì)量變大,制冷量先增大再減小,存在一個(gè)最佳質(zhì)量使得制冷量最大,而隨著排出器質(zhì)量變大,其固有頻率減小,逐漸接近運(yùn)行頻率,故相位角逐漸變大;令ε為排出器的固有頻率與運(yùn)行頻率的比值,ε=fn/f,其中fn為排出器固有頻率,f為制冷機(jī)運(yùn)行頻率,則排出器的振幅隨頻率比的變化曲線如圖5所示。當(dāng)頻率比約為0.85時(shí),振幅有最大值。

        圖4 制冷量及相位角隨排出器質(zhì)量變化曲線Fig.4 Variation of refrigerating capacity and phase angle with displacer mass

        圖5 排出器振幅隨頻率比變化曲線Fig.5 Variation of displacer amplitude with frequency ratios

        2.3 臨界阻尼對(duì)系統(tǒng)的影響

        同時(shí)變化板彈簧剛度與排出器質(zhì)量,保持排出器的固有頻率不變,維持排出器頻率比為0.85,系統(tǒng)的制冷量隨臨界阻尼變化如圖6所示??梢钥闯?,雖然頻率比不變,但隨著臨界阻尼變大,系統(tǒng)的制冷量遞減,說(shuō)明在相同的頻率比下,排出器的質(zhì)量越小,制冷量越大。

        圖6 制冷量隨臨界阻尼變化曲線Fig.6 Variation of refrigerating capacity with critical damping

        3 結(jié)論

        建立了分置式斯特林制冷機(jī)熱力學(xué)及動(dòng)力學(xué)模型,通過(guò)兩個(gè)模型的耦合計(jì)算,對(duì)排出器的動(dòng)力學(xué)特性與系統(tǒng)的制冷量、排出器振幅、相位角等的影響進(jìn)行了分析討論,得出以下結(jié)論:

        (1)排出器的板彈簧剛度存在一個(gè)最佳值,使得系統(tǒng)的制冷量最大。在本模型中,當(dāng)制冷量最大時(shí),排出器振幅有最大值,隨著板彈簧的剛度增大,活塞相位角逐漸減??;

        (2)隨著排出器質(zhì)量增大,系統(tǒng)的制冷量先增大再減小,當(dāng)頻率比為0.85時(shí),排出器振幅最大,說(shuō)明在制冷機(jī)設(shè)計(jì)及調(diào)試時(shí),須選定合適的排出器頻率比,使整機(jī)的制冷量最大;

        (3)保持頻率比在最佳值時(shí),排出器的臨界阻尼變大,系統(tǒng)的制冷量仍然會(huì)減小,表明,在設(shè)計(jì)斯特林制冷機(jī)時(shí)盡可能減小排出器的質(zhì)量有益于提高制冷量;當(dāng)排出器質(zhì)量確定后,須確定最佳的頻率比,以此計(jì)算出排出器板彈簧剛度,使膨脹機(jī)的性能最優(yōu)。

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