回热器填料布置方式对脉管制冷特性影响实验研究

    当温度低于70 K时,不锈钢丝网的体积热容将小于同温度下纯氦的热容,回热性能急剧下降,制约了脉管制冷机温度的进一步降低,其制冷温度通常被限制在30 K附近。在回热器冷端(1/3回热器长度)低温区采用具有更大比热容的铅丸(直径0.25 mm)有望进一步降低制冷温度,改善脉管制冷机性能。由于小孔型和双向进气型脉管制冷机工作机理上的一些差异,使得填料布置方式对制冷机性能的影响也将有所不同。为此,开展了小孔和双向进气模式下,不同填料布置方式时的脉管制冷特性实验研究。

    1　实验装置

    图1为制冷机的结构示意图,这是一台G-M型单级脉管制冷机。脉管和回热器尺寸分别为28 mm×155 mm(内径×长度)和32.35 mm×129 mm;气库体积1 L;冷热端换热器采用90目的紫铜丝网;连接压缩机和脉管制冷机进排气用旋转阀的时序为1.22;制冷机由德国LEYBOLD公司生产的2 kW压缩机RW2驱动;制冷温度测量采用经过标定的碳-玻璃电阻温度计,制冷量采用热平衡法测量。改造前的回热器填料全部为247目的不锈钢丝网。改造后的填料结构为:冷端1/3回热器长度为直径0.25 mm的铅丸,2/3回热器长度为不锈钢丝网。

    在双向进气模式下,为了对循环于回热器、脉管和双向进气阀的直流流动进行抑制,利用阀门流量系数的方向性,采用了如图1所示的由正流阀门(DIV₁)和逆流阀门(DIV₂)并联布置的双阀双向进气结构对直流进行抑制。图中DIV1阀门箭头指向从回热器到脉管,DIV₂则相反,箭头表示阀门的主流方向,通常生产厂家会在阀门上用箭头标出。由于两只阀门的流向不同,各自由交变流引起的直流方向正好相反,因此可以通过对两个阀门开度的合理配置,实现对直流的抑制和调节[1]。

    2　实验结果及分析

    图2给出了小孔模式下,不同回热器填料布置方式时的制冷量和COP曲线。由图可以看出:采用1/3铅丸(Pb)+2/3不锈钢丝网(SS)时制冷机的最低制冷温度为32 K,仅比单纯不锈钢丝网时的32.5 K略低。可见,回热器冷端用铅丸代替不锈钢丝网对于进一步降低制冷温度的作用十分有限。相应的制冷量和COP在制冷温度低于54 K高于不锈钢丝网,而当制冷温度高于54 K时小于后者,这是由于铅丸和不锈钢丝网体积热容随温度的不同变化规律引起的。由图可以看出,对于1/3铅丸+2/3不锈钢丝网的情形,制冷量和COP的曲线斜率在冷端温度高于45 K时开始低于100%不锈钢丝网时的值。假定温度呈线形分布,可得铅丸段平均温度为78 K,此时其体积热容已小于不锈钢丝网(70 K时铅丸的体积热容和不锈钢丝网相当),相应的回热性能也低于后者,从而在制冷量和COP曲线斜率上表现为低于不锈钢丝网。考虑到铅丸的填充率高于不锈钢丝网,使得单位回热器体积的热容在70 K时仍可能高于不锈钢丝网,再加上回热器空体积的减少也有助于改善制冷机性能,使得制冷机效率在高于45 K时仍可能高于不锈钢丝网。两者共同作用使得当制冷温度高于54 K时,相应的制冷量和COP才低于不锈钢丝网时的值。当然由于回热器空体积减少而引起的回热器流阻增大,则使得压缩机功耗增加,会对制冷机性能产生消极影响。制冷量和COP在何时开始低于不锈钢丝网取决于上述各因素的共同作用,实验结果与传统的回热器理论吻合[2]。