多层混合填料型低温蓄冷器的数值分析研究.pdfVIP

第四届全国低温工程 低 温 工 程 1999年第4期 学 术会议 论文集 CRYOGENICS 总第 110期 多层混合填料型低温蓄冷器的数值分析 ‘ 王莉 方 良 徐向东 张亮 (中科院低沮技术实验中心 北京 100080) 摘要 首次建立了较完善的液氮温区多层混合填料型低温蓄冷器的数位模拟方 法，模型中考虑了工作过程中的传热、蓄冷器内空N率存在以及工质的实际气体性 质等多种实际因素 运用数值模拟方法，详细地研究了常用蓄冷镇料如Pb,Er3Ni, ErNiz,ErNi,ErNio.gCoo.,等的不同组合对制冷效果的影响，提出了不同续抖的轰佳 组合确定原则，为合理有效地设计高性能液氮温区低温蓄冷界提供了依据。 主肠词 低温蓄冷蓉 数值分析 多层混合续抖 前言 由于液氦温区附近氦的特殊物性，低温端填料热容不足造成的压缩热损失成为低温蓄冷 器中的主要损失，4.2K附近填料比热的大小成为影响制 冷量的主要因素。在现有条件下，如何减小以至于消除压 缩热损失，进一步提高制冷机制冷性能，寻求4.2K附近 高比热的填料是解决问题的关键。 由于单一填料结构式蓄冷器已无法满足低温蓄冷器 工作性能的要求[1-3]，如图1所示。早在1993年研究者们 就尝试在低温蓄冷器内使用多种填料来弥补单一填料低 温下比热值的不足，随后几年取得的较好成果均是在采用 图t 坑料及氮气比热随通度的变化 多种混合填料型低温蓄冷器的条件下取得的 〔卜幻 多种混 合填料型低温蓄冷器为何能相对提高蓄冷器性能?在现有的常用蓄冷材料条件下，其最佳组 合为何?最佳组合的原则是什么?通过数值模拟方法，这是本文主要解决的问题。 本文在已有的单种填料型低温蓄冷器的数值模拟方法基础上，首次建立了较完善的液氦 温区多层混合填料型低温蓄冷器的物理和数值模型，考虑了工作过程中的传热、蓄冷器内空 隙率存在以及工质的实际气体性质等多种实际因素。运用数值模拟方法，首次详细地研究了 常用填料的不同组合对工质参数动态变化规律及制冷机性能的影响机理，提出了不同填料的 最佳组合确定原则，为合理有效地设计高性能液氦温区低温蓄冷器提供了依据。 ，国家自然科学荃金资助项目。王莉，女。28岁，博士 低 温 工 程 1999年第4期 2 数值模拟方法 2.1 物理模型与基本控制方程 冷头换热器、 图2给出了液氦温区多层混合填料型低温蓄冷器的物理模型，它由蓄冷器、 冷腔三部分组成，是一个人口边界给定的变质量系统。为方便 3 4 区域离散和程序设计，模型中假设蓄冷器固定不动，冷腔是带 推移活塞的可变容积。蓄冷器热端为开口边界，流动工质氦可 自由地通过开口边界。基本假设为: (1)一维流动; (2)忽略轴向导热和流动阻力; 图么 低沮蓄冷器物理椒型 1.热端边界，2 蓄冷器，3.冷头换 (3)冷头换热器和冷腔壁温恒定。设为制冷温度。 热器。4.冷腔， 用数值方法救解，处理方法上采用整体求解法，即无论对 流体区还是固体区全部采用统一的方程描述，任意一个子区域的通用控制方程包括连续性方 程、能量守恒方程及物性方程等。补充其边界条件为:低温蓄冷器的热端为多级G-M制冷 机上一级的冷腔，这里设为热端边界条件。 压力周期性波动条件:p=f(B) O_B_2n 热端温度变化条件: T=Tw二:onst M, 。 T=T_ m,;0