蓄冷器内部气体微团的热力过程分析

　　0引言

　　脉冲管制冷机从最初的基本型，到后来的小孔、双向进气、长颈管等改进形式，有许多种理论分析模型，如表面泵热理论、烩流理论、热声理论及热力学分析法等!1}3}，这些理论从不同的角度解释了脉冲管制冷机的制冷原理，并在很大程度上指导了脉冲管制冷机的研究和改进。

　　脉冲管制冷机中，蓄冷器是工质气体产生热功转换的关键部件，是理论分析的重点。从最初的基本型到后来的各种改进型制冷机，使得制冷机性能显著提高的一个关键因素是气体质量流量和压力波动之间的相位差的改变。

　　本文用拉格朗日方法跟踪蓄冷器内部的一个气体微团在一个周期内的热力过程，从质量流量和压力波动不同相位关系的情况，来分析其工作原理。为了便于说明问题，按照循序渐进的步骤，先分析等温蓄冷器内部质量流量和压力波动同相和正交情况下气体微团的压缩和膨胀过程，在此基础上分析有温度梯度蓄冷器内部任意相位关系的气体微团的PV图，给出一般情况下气体微团的理论制冷量的近似公式，得到影响脉冲管制冷机理论制冷量的关键因素。在本文的理论分析中仅对气体的运动做一维理想化分析，即不考虑速度的径向分布和边界层等效应，同时也不考虑气体的阻力、不完全换热等损失，并认为蓄冷器的热容无限大。

　　1蓄冷器内部气体微团的热力过程

　　1.1常温蓄冷器内部气体微团的P一V图

　　首先分析最简单的情况，图1是常温下理想蓄冷器内部速度和压力波动同相和相位差900的气体微团在一个周期的P一V图。结合两幅图可以看出，气体微团经历1-2-3-4-1一个循环周期之后，从平衡位置右侧(这里定义蓄冷器右侧为低温端)吸收相当于等温线下面阴影面积的热量40，并泵送至平衡位置左侧，而与外界交换的总的净热量和功都等于零。

　　对于蓄冷器内部速度波领先压力波900的气体微团，接近于基本型的脉冲管制冷机的情况，经历热力循环的过程和对应的位置如图1(b)所示，与图1(a)中的热力过程是一样的，都是等温压缩和等温膨胀，但是同样的热力过程对应于各自在蓄冷器中的位置不同:基本型的脉冲管制冷机，由干冷端速度和压力波的相位差是900，蓄冷器内的气体微团在平衡位置的右侧经历对称的等温压缩和膨胀过程，在左侧也是对称的膨胀和压缩过程，把膨胀过程中从蓄冷器填料吸收的热量在压缩过程又同样数量的传回了当地的填料，所以泵热量4}=。;而同相气体微团对应的理想改进型的脉冲管制冷机，膨胀吸热过程全都在平衡位置的右侧发生，压缩放热的过程全都在平衡位置的左侧，所以能够有较强的泵热能力。