新型径轴向混合填充式回热器的理论与实验研究

回热器（蓄冷器）是回热式气体制冷机的核心部件，其工作性能直接影响整机性能，而回热器填料对回热器性能有决定性影响。本项目通过比较各种径向和轴向填充式回热器的流动与传热特性，提出新型径轴向混合填充式回热器结构，采用径向填充的丝网以减小轴向导热损失，改善回热器内的流动不均匀性；采用轴向填充的缠绕圆柱型蚀刻金属薄片或金属丝以降低流动阻力，并减小回热器空容积。通过理论和实验的深入研究，获得径轴向填料对回热器内流动和传热的影响规律，为有效改善回热器综合性能提供理论参考。通过对不同形式径轴向填充式回热器的详细研究，探索径轴向填料之间互相影响的流动和传热规律，最终得到用于低温制冷机的高性能回热器设计和制作方法。这种径轴向混合填充式回热器可以实现高回热效率和低流动阻力，同时轴向导热损失和空容积较小，可极大提高回热式低温制冷机效率。本项目的成功实施，对于低温制冷机和斯特林发动机的性能提高均具有重要意义。

回热器是低温制冷机的关键部件，其性能的优劣对制冷机的性能有决定性影响，本项目的目的是研究回热器内工质气体的回热和流动特性、优化回热器的结构形式。对层叠丝网式、平行丝式、径轴向混合填充式三种结构回热器建立了简化模型，利用Fluent软件对模型内工质的稳定流动、交变流动情形进行了模拟计算。设计和制作了四种回热器，利用稳态流阻测试实验台对回热器填料的压降进行测试，讨论了各回热器的回热特性、工质流阻系数的影响因素和关系式。在工质体积流量相同的条件下，四个回热器中稳态流动阻力系数f从大至小排序依次是层叠丝网式、径轴向混合填充式、丝网卷裹式、平行丝式。在相同的体积流量下，以He为工质的稳态流动阻力系数f是以N2为工质时的3.4～3.6倍。径轴向混合填充式回热器可以在回热效率和流动阻力间实现有效的平衡。对新型径轴向混合填充式回热器进行了轴向导热特性的研究,通过回热器轴向填料的轴向导热损失占填料总轴向导热损失90%以上。.设计了一种新型蚀刻金属薄片式回热器，利用数学软件Mathematica7对其进行结构优化，稳态流动实验结果表明：新型蚀刻金属薄片式回热器的fsteady比直径为0.08mm的平行丝式稍大，但仅为其它三种填料结构回热器的1/3～1/2左右。交变流动实验结果表明：回热器的交变流动阻力系数fosc随频率的增大而升高，新型蚀刻金属薄片式回热器的fosc远小于层叠丝网式，仅达到层叠丝网的17%；随着充气压力的升高，回热器的fosc都下降，充气压力对层叠丝网的fosc的影响要大于新型蚀刻金属薄片式。.利用格子玻尔兹曼方法，直接对蚀刻薄片和丝层叠网回热器的微观结构流场进行了模拟。得到了两种回热器填料的微观流场和两端压差。模拟结果显示：当回热器的直径、水力直径和填充率相近情况下，不同流速下蚀刻薄片卷裹式回热器的稳态阻力系数比层叠丝网回热器小。稳态阻力系数的模拟变化趋势与实验一致。.基于脉冲管制冷机回热器结构，提出了#400不锈钢丝网以及其与#300和#500组合而成的混合式回热器填充方式。通过构建一单级分体式脉冲管制冷机测试平台，将#400及混合目数丝网分别填充至制冷机回热器内，进行整机实验，实验结果验证了低温制冷机回热器冷热端分别填充高低目数丝网，可提高制冷机性能，是一种有效的回热器优化方法。