【摘要】：中國(guó)對(duì)天然氣進(jìn)口需求的快速增長(zhǎng),使得天然氣的運(yùn)輸及存儲(chǔ)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(jī)由于無(wú)低溫下運(yùn)動(dòng)部件,是滿足該應(yīng)用的理想制冷方式。然而脈管制冷機(jī)由于膨脹功無(wú)法回收導(dǎo)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(yīng)用場(chǎng)合尤為突出。如何在保證脈管制冷高可靠性和長(zhǎng)壽命等優(yōu)勢(shì)的同時(shí),盡量提高其制冷效率,業(yè)已成為制約其工程應(yīng)用的主要問(wèn)題。針對(duì)當(dāng)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(jī)理兩方面進(jìn)行了研究,試圖找到通往卡諾效率的途徑,具體開(kāi)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(duì)制冷機(jī)內(nèi)部匹配效率低的問(wèn)題,從復(fù)向量分析方法入手,對(duì)制冷機(jī)的三大部分：電路部分、機(jī)械部分以及聲阻抗部分分別進(jìn)行向量分析,得到制冷機(jī)整機(jī)聲-力-電的耦合匹配向量圖,揭示了制冷機(jī)各部分之間的耦合匹配機(jī)理,為制冷機(jī)的設(shè)計(jì)、分析及優(yōu)化提供了新的視角。分析制冷機(jī)冷頭作為聲負(fù)載對(duì)壓縮機(jī)輸出特性的影響規(guī)律,理論推導(dǎo)了壓縮機(jī)各參數(shù)基于聲阻抗形式的一般表達(dá)式(含非諧振情形)�；赗C聲學(xué)負(fù)載實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該理論分析。引入壓縮機(jī)阻抗甜點(diǎn)的概念并進(jìn)行深入討論,即在該特定工況下,壓縮機(jī)可以同時(shí)獲得最大輸出聲功和最高轉(zhuǎn)換效率,是一臺(tái)設(shè)計(jì)完成的壓縮機(jī)的最優(yōu)工況。針對(duì)壓縮機(jī)與制冷機(jī)冷頭可能存在的不匹配的情形,借助電學(xué)中匹配網(wǎng)絡(luò)的概念,提出聲學(xué)匹配網(wǎng)絡(luò),有望改善壓縮機(jī)與制冷機(jī)冷頭負(fù)載之間的不匹配問(wèn)題�；谝陨系腁cME匹配,給出了一種線性壓縮機(jī)主要參數(shù)反求方法,為線性壓縮機(jī)的工程化提供理論支撐。2)提出可逼近卡諾效率的脈管級(jí)聯(lián)制冷法脈管制冷機(jī)的本征理論制冷效率為T(mén)c/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(duì)這一不足,提出一種多級(jí)級(jí)聯(lián)型脈管制冷法,其每一級(jí)制冷機(jī)由回收自前一級(jí)制冷機(jī)脈管熱端的聲功來(lái)驅(qū)動(dòng),通過(guò)熱力學(xué)分析表明,無(wú)窮級(jí)級(jí)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(xué)研究和工程實(shí)踐方面均有重要意義。3)實(shí)驗(yàn)成功驗(yàn)證所提出的脈管級(jí)聯(lián)制冷法基于實(shí)驗(yàn)室已有500W線性壓縮機(jī),選取233 K(-40℃)為制冷溫度,有望獲取較大制冷量以驗(yàn)證脈管級(jí)聯(lián)法回收能量的可能性。設(shè)計(jì)并搭建一臺(tái)三級(jí)級(jí)聯(lián)脈管制冷機(jī)實(shí)驗(yàn)臺(tái),分別開(kāi)展了單級(jí)、兩級(jí)級(jí)聯(lián)和三級(jí)級(jí)聯(lián)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證工作。結(jié)果表明,在運(yùn)行頻率60 Hz,充氣壓力2.5 MPa,壓縮機(jī)輸入功為500 W時(shí),單級(jí)脈管制冷機(jī)制冷量為181.3 W,制冷效率0.3626,相對(duì)卡諾效率10.4%；兩級(jí)級(jí)聯(lián)制冷機(jī)總制冷量為241.6 W(其中第一級(jí)175.0 W,第二級(jí)66.6 W),效率0.4832,相對(duì)卡諾效率13.9%；三級(jí)級(jí)聯(lián)制冷機(jī)總制冷量為253.6 W(其中第一級(jí)164.9 W,第二級(jí)70.7 W,第三級(jí)18.0 W),效率0.5072,相對(duì)卡諾效率14.6%。兩級(jí)級(jí)聯(lián)較單級(jí)制冷效率提高約33.3%,三級(jí)級(jí)聯(lián)提高39.9%,從實(shí)驗(yàn)上驗(yàn)證了脈管級(jí)聯(lián)制冷法對(duì)能量回收再利用的能力。
【學(xué)位授予單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TB651

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本文編號(hào)：2653278