巨永林-回热式低温制冷机新发展

回热式低温制冷机新发展回热式低温制冷机新发展巨永林上海交通大学制冷与低温工程研究所机械与动力工程学院A楼412室13816471805，[e-mail]13816471805，[e-mail]onandCryogenics主要内容1.研究背景和意义2.回热式制冷循环3.回热式低温制冷机3.回热式低温制冷机4.斯特林制机（维勒米尔制冷机）4.斯特林制机（维勒米尔制冷机）5.G-M制冷机（索尔文制冷机）6.脉管制冷机7.热声驱动制冷机7.热声驱动制冷机InstituteofRefrigerationandCryogenics1、低温制冷机获得和维持低温的机械（装置）获得和维持低温的机械（装置）ƒ由于简单、方便灵活得到了重视和迅速发展。它省去了低温液体储运、充注等麻烦，已在很它省去了低温液体储运、充注等麻烦，已在很多方面获得应用InstituteofRefrigerationandCryogenicsJouleThomsonSlidLiidSitil分类StoredGasHighpressureStoredCryogenAmbientpressureJoule-ThomsonSolidLiquidSupercriticalOpenCycleAmbienttemp.LowtemperatureCryogenicRefrigerationClosedCycleCryocoolerDynamicStaticRadiatorRadiatorSorptioncompressorSlidttRegenerativeRecuperativeJoule-ThomsonBraytonValvelessValvesSolidstateMagneticThermoelectricLaserBraytonClaudeStirlingVuilleumierPulsetubeGifford-McMahonPulsetubeInstituteofRefrigerationandCryogenics106红外探测应用背景105(W)TransmissionlinesAirliquefactionAccelerators&FusionLNGLiquidH2红外探测红外制导卫星遥感遥测101034POWER(Transformers1GJ1TJLarge-sizeFCLVacuumHOcryotraps2卫星遥感遥测大气环境检测低温真空泵1012RATIONPGenerators1GJMid-sizeSMESCryopumpsSMES,Mag.Sep.,MRIFCLMotors低温真空泵LNG，LO2，LH2磁悬浮101001EFRIGERMaglevWirelessBearingsIRHZBOO&CHZBO1MJMicro-SMESMRICryopumpsFCLCryosurgery224磁悬浮超导器件低温保存10-12RELTSelectronicsSQUIDsNbNElect.HTSSQUIDsIRIR2低温保存低温外科低温恒温器15101050100300-2TEMPERATURE(K)asc3ca1.cdrRadebaugh2003低温恒温器InstituteofRefrigerationandCryogenics2、回热式制冷循环热机（发动机和制冷机）¾热机（发动机和制冷机）¾热力学原理和工作特点InstituteofRefrigerationandCryogenics最基本的热机有两类：发动机和制冷机热机简介最基本的热机有两类：发动机和制冷机HTHTHTQHHQHTQHRefrigeratorWHQWEngineQRefrigeratorQEngineCCTTCC(a)发动机(b)制冷机TTCCInstituteofRefrigerationandCryogenics热力学原理热力学第一，二定律规定了能量平衡关系与热功转换效率的上限WQQch=−热力学第一定律:CarnothchhTTTQWηη=−≤=热力学第二定律:发动机CarnothccCOPTTTWQCOP=−≤=hhQ制冷机chTTW是同温限卡诺循环热机的工作系数，它在T-S图上由两个等温过程和两个等熵过程组成的，具有最高CarnotCOPη由两个等温过程和两个等熵过程组成的，具有最高的热力学完善度。但实际循环不可能是完全可逆的，而且实际工质的性质也不适合采用卡诺循环CarnotCOPInstituteofRefrigerationandCryogenics而且实际工质的性质也不适合采用卡诺循环回热式热力循环（理想）TT0CarnotTT0StirlingTT0EricssonV1V2P2P1STcSTcSTcTBraytonTJoule-ThomsondQ≤TdST0T0dQ=TdS(可逆)f0T0SS(可逆)HeattransferTcTcInstituteofRefrigerationandCryogenics回热式热力循环（实际）实际上，换热是在一定的温差下进行的，且各气体微元的热实际上，换热是在一定的温差下进行的，且各气体微元的热力循环是不完整的。但是，可以认为在T-S图上一个完整的热力循环是由许多在不同温差下的微小卡诺循环组合成TPHPL的热力循环是由许多在不同温差下的微小卡诺循环组合成的。实际循环效率是许多微小卡诺循环的平均值。T12HL24T3LSInstituteofRefrigerationandCryogenics3、回热式低温制冷机9斯特林制机（Stili）制冷机9斯特林制机（Stirling）制冷机9维勒米尔（Vuillenmier）制冷机9维勒米尔（Vuillenmier）制冷机9G-M制冷机9索尔文（Solvay）制冷机脉管制冷机9脉管制冷机9热声制冷机9热声制冷机InstituteofRefrigerationandCryogenics回热式低温制冷机(Regenerative)W...0气库W.W.00Q.T0气库Q,TQ.,TQ.,T000000Q.,Thh小孔排出器脉冲管Q.TQ.TQ.T蓄冷器排出器脉冲管Q,TQ,TQ,Tcccccc(a)斯特林(b)脉冲管(c)G-M蓄冷器InstituteofRefrigerationandCryogenics结构特点ƒ压力波发生器（压缩机）：提供系统容积或压力变化ƒ回热器(蓄冷器)：在回热过程中存储和释放热量(冷量)回热器(蓄冷器)：在回热过程中存储和释放热量(冷量)ƒ热端和冷端换热器：实现与不同温度下外热源的热量交换CCylinderHeatexchangerRegeneratorpVTmmhdtp,V,T,mpdVmhdtdQControlvolumeInstituteofRefrigerationandCryogenicsdQControlvolume4、斯特林制冷机(Stirling)1.发展历史2.结构特点3.工作过程和原理3.工作过程和原理4.进展和应用实例4.进展和应用实例InstituteofRefrigerationandCryogenics发展历史1816,苏格兰人RobertStirling,发明了斯特林循环并获得了专利，它主要是作为热机采用空气作为工质，通过工作采用空气作为工质，通过工作在不同温度之间空气的压缩和膨胀过程将热能转换成功，或膨胀过程将热能转换成功，或将功转化为热能InstituteofRefrigerationandCryogenics发展历史1816年，第一台斯特林热机的气缸高为3.05米1834年,JohnHershel提出将斯特林热机循环作为制冷循环1834年,JohnHershel提出将斯特林热机循环作为制冷循环来制作冰1861年,AlexanderKirk将它变为现实1861年,AlexanderKirk将它变为现实InstituteofRefrigerationandCryogenics发展历史¾发展非常缓慢，直到1946年荷兰的PhilipsCompany研制出第一台液化空气的斯特林制冷机，采用氦气作为工作介质，极大的提高了性能¾10年后，斯特林制冷机被用来冷却红外探测器件¾10年后，斯特林制冷机被用来冷却红外探测器件¾近100年的发展过程中，斯特林热机的基本结构没有发生大的变化¾但是，蓄冷材料，密封技术，柔性板弹簧支撑技¾但是，蓄冷材料，密封技术，柔性板弹簧支撑技术的发展使它已经成为一种非常高效，紧凑，可靠的制冷机，得到了广泛的应用靠的制冷机，得到了广泛的应用InstituteofRefrigerationandCryogenics商业的斯特林制冷机大型斯特林制冷机（700W/80K，12kW输入功）微型斯特林制冷机(0.15W/80K,3W输入功)InstituteofRefrigerationandCryogenics优缺点优点：¾高效（卡诺循环效率）¾高效（卡诺循环效率）¾紧凑，易于微型化紧凑，易于微型化缺点：缺点：¾活塞密封，磨损¾机械振动，电磁干扰¾精确的相位控制¾精确的相位控制InstituteofRefrigerationandCryogenics结构特点活塞排出器回热器活塞排出器回热器压缩腔膨胀腔压缩腔膨胀腔InstituteofRefrigerationandCryogenicsW.W.TwoMovingParts活塞-排出器W0PistonωW0PistonωgQ.,T00ωTQ.,T000ωDisplacerRegeneratorRegeneratorQ.,Tccstirling3c.cdrQ.,TccExternalRegeneratorInternalRegenerator制冷性能取决于体积流量与压力的振幅以及它们之间的相位差制冷性能取决于体积流量与压力的振幅以及它们之间的相位差由冷端运动活塞(排出器)与压缩机活塞以一定相位关系的相对运动来实现制冷InstituteofRefrigerationandCryogenics运动来实现制冷CiCiCiCi旋转(机械)压缩机驱动PistonPistonCompressionCompressionSpaceSpacePistonPistonCompressionCompressionSpaceSpacePistonPistonCompressionCompressionSpaceSpacePistonPistonCompressionCompressionSpaceSpaceCrankshaftCrankshaftCrankshaftCrankshaftCrankshaftCrankshaftCrankshaftCrankshaftExpanderExpander--regeneratorregeneratorExpansionExpansionspacespaceDynamicDynamicsealssealsExpanderExpander--regeneratorregeneratorExpansionExpansionspacespaceDynamicDynamicsealssealsExpanderExpander--regeneratorregeneratorExpansionExpansionspacespaceDynamicDynamicsealssealsExpanderExpander--regeneratorregeneratorExpansionExpansionspacespaceDynamicDynamicsealssealsInstituteofRefrigerationandCryogenicsCompressionCompressionCompressionCompression线性(电磁)压缩机驱动PistonPistonSpaceSpaceLinearmotorLinearmotorPistonPistonSpaceSpaceLinearmotorLinearmotorL