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回热式低温制冷机.pdf

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回热式低温制冷机 巨永林 上海交通大学制冷与低温工程研究所 机动大楼412室 yju@sjtu.edu.cn,021-34206532 主要内容 ¾研究背景和意义 ¾回热式制冷循环 ¾回热式低温制冷机 ¾斯特林制冷机 ¾脉管制冷机 ¾热声驱动制冷机 ¾问题和发展趋势 第一部分:研究背景和意义 LNG AcceleratorsAirliquefaction &FusionLiquid Transmission H 2lines 1TJVacuum Large-H2Ocryotraps sizeTransformers FCL 1GJ Mid-sizeGenerators SMES,Mag.Sep., SMES MRIMotors CryopumpsFCL Maglev BearingsCryosurgery MRI1MJWireless Micro-SMES O2&CH H2ZBOIRZBO LTSNbN electronicsElect.IRIRHTS SQUIDs TEMPERATURE(K) 低温制冷技术分类 Joule-ThomsonSolidLiquidSupercritical StoredGasStoredCryogen HighpressureAmbientpressure Ambienttemp.Lowtemperature OpenCycle CryogenicRefrigeration ClosedCycle DynamicCryocoolerStatic Radiator Regenerative Recuperative Sorption Joule-Thomsoncompressor ValvesValvelessBrayton ClaudeSolidstate StirlingMagnetic Gifford-McMahonVuilleumierThermoelectric PulsetubePulsetubeLaser 低温制冷机 获得和维持低温的机械 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 多方面获得应用 ƒ机械式制冷，混合工质节流制冷，热声制冷 机，吸附制冷，辐射制冷，半导体制冷，磁制 冷，激光制冷等 低温制冷机应用研究背景 ƒ国防和军事(红外制导，预警，军事夜视装置，红 外探测器，γ-射线探测仪等) ƒ空间技术(卫星遥感遥测，红外探测仪等) ƒ资源环境(大气，地质，矿物资源探测，环境检测) ƒ商业(低温泵，LNG，磁悬浮，半导体器件，低温光 电子器件，高低温超导器件，超导计算机等) ƒ医学(液氧，超导MRI，SQUID磁强计，农业和生物 组织低温保存，器官移植，低温外科等) ƒ科研(液氮，液氦杜瓦，低温恒温器，高低温超导 科学仪器，大科学工程中的低温制冷系统等) 低温制冷机应用研究背景（续） ƒ空间遥感遥测，高低温超导器件迅速发展的推动 ƒ空间用小型制冷机起源于60年代美国的太空探测 计划，由于空间飞行器的特殊性，制冷机必须在 可靠性和寿命、效率和能耗、体积和重量、振动 等方面满足严格的飞行器有效载荷的限制 ƒ适合空间技术用的制冷机只有少数几种，按研 发、应用的时间顺序，主要有：被动式辐射制冷 机、开式及闭式J-T制冷机、Stirling制冷机、 逆Brayton循环制冷机，脉管制冷机 第二部分:回热式制冷循环 ¾热机（发动机和制冷机） ¾热力学原理和工作特点 热机简介 „最基本的热机有两类：发动机和制冷机 THTH QHQH WW EngineRefrigerator QCQC TCTC (a)发动机(b)制冷机 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 热力学第一定律:Qh−Qc=W WTh−Tc 热力学第二定律:η=≤=ηCarnot发动机 QhTh QcTc COP=≤=COPCarnot制冷机 WTh−Tc ηCarnot是同温限卡诺循环热机的工作系数，它在T-S图上 COPCarnot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 回热式热力循环（理想） „回热式热力循环：在T-S图上由两个回热过程代替卡诺 循环的两个等熵过程。如果回热过程是定容的，则为 Stirling循环，回热过程是定压的，则为Ericsson循环 T Th22'2''11'1'' sVpsVp Tc 34 s 回热式热力循环（理想） CarnotStirlingEricsson TT0TT0TT0 V2P V12P1 TcTcTc SSS Br