【摘要】：中國對天然氣進口需求的快速增長,使得天然氣的運輸及存儲成為其中重要一環(huán),卻也面臨著諸多技術(shù)困難,其中大冷量高效可靠的低溫制冷技術(shù)是亟需的關(guān)鍵支撐技術(shù)。脈管制冷機由于無低溫下運動部件,是滿足該應用的理想制冷方式。然而脈管制冷機由于膨脹功無法回收導致其本征效率低于卡諾效率,該特征在液化天然氣溫區(qū)以及更高溫區(qū)的大冷量應用場合尤為突出。如何在保證脈管制冷高可靠性和長壽命等優(yōu)勢的同時,盡量提高其制冷效率,業(yè)已成為制約其工程應用的主要問題。針對當前研究不足,本文基于脈管制冷法,從聲-力-電匹配角度以及其能量回收機理兩方面進行了研究,試圖找到通往卡諾效率的途徑,具體開展工作如下：1)構(gòu)建基于脈管制冷的聲-力-電(AcME)耦合匹配方法針對制冷機內(nèi)部匹配效率低的問題,從復向量分析方法入手,對制冷機的三大部分：電路部分、機械部分以及聲阻抗部分分別進行向量分析,得到制冷機整機聲-力-電的耦合匹配向量圖,揭示了制冷機各部分之間的耦合匹配機理,為制冷機的設計、分析及優(yōu)化提供了新的視角。分析制冷機冷頭作為聲負載對壓縮機輸出特性的影響規(guī)律,理論推導了壓縮機各參數(shù)基于聲阻抗形式的一般表達式(含非諧振情形)�；赗C聲學負載實驗驗證了該理論分析。引入壓縮機阻抗甜點的概念并進行深入討論,即在該特定工況下,壓縮機可以同時獲得最大輸出聲功和最高轉(zhuǎn)換效率,是一臺設計完成的壓縮機的最優(yōu)工況。針對壓縮機與制冷機冷頭可能存在的不匹配的情形,借助電學中匹配網(wǎng)絡的概念,提出聲學匹配網(wǎng)絡,有望改善壓縮機與制冷機冷頭負載之間的不匹配問題�；谝陨系腁cME匹配,給出了一種線性壓縮機主要參數(shù)反求方法,為線性壓縮機的工程化提供理論支撐。2)提出可逼近卡諾效率的脈管級聯(lián)制冷法脈管制冷機的本征理論制冷效率為Tc/Th(Tc為制冷溫度,Th為環(huán)境溫度),低于卡諾效率Tc(Th-Tc),且制冷溫度越高,與卡諾效率偏離就越明顯。針對這一不足,提出一種多級級聯(lián)型脈管制冷法,其每一級制冷機由回收自前一級制冷機脈管熱端的聲功來驅(qū)動,通過熱力學分析表明,無窮級級聯(lián)制冷效率等于卡諾效率。這一結(jié)論在脈管本征制冷效率[Tc/Th]和卡諾效率[Tc/(Th-Tc)]之間搭建了一座橋梁,在科學研究和工程實踐方面均有重要意義。3)實驗成功驗證所提出的脈管級聯(lián)制冷法基于實驗室已有500W線性壓縮機,選取233 K(-40℃)為制冷溫度,有望獲取較大制冷量以驗證脈管級聯(lián)法回收能量的可能性。設計并搭建一臺三級級聯(lián)脈管制冷機實驗臺,分別開展了單級、兩級級聯(lián)和三級級聯(lián)的實驗驗證工作。結(jié)果表明,在運行頻率60 Hz,充氣壓力2.5 MPa,壓縮機輸入功為500 W時,單級脈管制冷機制冷量為181.3 W,制冷效率0.3626,相對卡諾效率10.4%；兩級級聯(lián)制冷機總制冷量為241.6 W(其中第一級175.0 W,第二級66.6 W),效率0.4832,相對卡諾效率13.9%；三級級聯(lián)制冷機總制冷量為253.6 W(其中第一級164.9 W,第二級70.7 W,第三級18.0 W),效率0.5072,相對卡諾效率14.6%。兩級級聯(lián)較單級制冷效率提高約33.3%,三級級聯(lián)提高39.9%,從實驗上驗證了脈管級聯(lián)制冷法對能量回收再利用的能力。
【學位授予單位】：浙江大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TB651

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本文編號：2653278