1、PDF外文：http:/ 2570 字 出处： Dong W, Lucentini M, Naso V. Development and design of cold heat exchanger of pulse tube coolerC/ Energy Conversion Engineering Conference and Exhibit. IEEE, 2000:420-423 vol.1. 脉冲管式冷却器中制冷器的开发和设计 Wei Dong,Marco Lucentini,Vincenzo Naso 【摘要】 在过 去的十五年中，振荡流动传热成为
2、工程界中令人越来越感兴趣的主题 .例如 ,振荡流的应用包括冷却电器或其替代品 ,还有环保安全的制冷技术 ,诸如脉冲管或斯特林冰箱。这些冰箱的重要组成部分便是换热器。该过程的一个关键部分是振荡迫使工作流体在这些设备中运动 ,而不是在产生振荡的情况来增强传热。对于振荡过程以及常用可压缩流体的传热 ,至今仍然没有被完全了解 ,缺乏这种流动换热器的设计方法的一个原因是这些设备的效率是有限的。本文提出了一个实用制冷器的设计方法，这个方法考虑了加工气体振荡对传热的影响。我们可以用已知的方法来计算出与气体 振荡相关的设计参数。 符号 Af 流体的横截面积 &
3、nbsp;cp 比热容 D 板间距 dh 水力直径 H 冷却器的体积 h 传热系数 L 制冷器的长度 k 热导率 m 质量流量 n 板数 P 压力 Pr 普朗特数
4、q 传热速率 Remax 瞬时雷诺数振幅 Re 无量纲频率 T 温度 Umax 最大速度 Xmax 气体中的潮汐位移 热扩散速率系数 动力粘度 V 运动粘度 密度 w &
5、nbsp; 气体的平均剪应力 角频率 介绍 换热器是用来提高热量传递效率的设备 ,是每一个制冷机的重要组件。它们有各种各样的类型、形状、大小和排列方法 ,而且它是由丰富多样的材料制成。为了利用脉冲管制冷机 (PTR)中热泵的热声效应 ,可以将换热器的脉冲管两端相连。在某一温度下，制冷器将热量转移到环境中，而热量则来自于低温水库和拒绝吸收热量以及声功的换热器。在本篇我们只分析 PTR 的制冷器。 1、制冷器中工作气体的换热过程 仔细观察制冷器 ,并结合图 1 的说明 ,通过考虑一个沿
6、叠板的工作流体中的气体包裹的振荡，可以发现负责管路热泵的使用机制。气体包裹在一个温度 T下开始循环运动，首先是声波使气体包裹朝着蓄热器的左边移动。因为叠板之间的空间远小于蓄热器的热穿透深度 ,因此当它经历绝热压缩后 ,温度会从 T 上升到 T+。在这种状态下，气体包裹会比蓄热器叠板的 温度稍高而且不可逆传热将朝着蓄热器的叠板进行 (见图 1dQh）。这样最终产生的气体包裹温度将接近 T，气体能够回到制冷器的叠板和离开制冷器到脉冲管都是通过这种方法，然后减低压力使气体包裹绝热膨胀以及使温度降低到 T。在这种状态下，气体包裹比叠板冷而且不可逆的传热将朝着叠板到气体包裹的方向进行。这个步骤之后 ,气
7、体包裹便完成了一个周期的运动。 为了维持工作流体与固体中热容量大的横截面积之间的良好的热接触，我们将叠板精细的划分成了几个平行的通道，其水力半径可以比得上换热器叠板的热穿透深度。 换热器核心的两个特征长度是热 穿透深度 2k 和粘性穿透深度2vv ，他们是是两个主要的设计要求。 和 v 分别是热量扩散系数和动量扩散系数， 是角频率。热穿透深度 k描述了叠板周围的层次，而且热量通过流体扩散的距离正好是叠板与热声效应发生处之间的距离。在相应的时间间隔内，叠板周围液体层的厚度受限于黏力作用下流体的运动，由此导致它对热声效应的作用减少。为了同工作气体交换热量，脉冲管制冷机的换
8、热器最大只能拥有 k的横向尺寸。这两个渗透深度的比值叫做工作气体普朗特数。典型气体的普朗特数接近整数，所以粘性和热量的穿透深度是相当的。因此 ,换热器在 PTR 总是存在大量的粘性效应。 2、平行板堆叠的最优制冷器 在这一部分，我们会找出一叠平行板最优空间间隔以达到最大的传热效果，平行板间会用人工对流冷却。我们得到制冷器中的工作气体会通过振荡的方式在蓄热器和脉冲管中移动，而为了评价制冷器的传热能力，就必须了解振荡流体雷诺数的相关知识。 观察图 2 中的几何图形，在该图中，冷流温度和压缩机带来的压力降 P 是固定的。这样分析时
9、,我们会假定流体层流流动 ,同时假设板温度都是平均温度T。每个板的厚度 t 都比 D 足够小。 确定板之间的间距与确定最优板数是一样的，板可以用来填补板厚 H 留下的空间。 DHn （ 1） 制冷器的长度 L 应该稍大于气体包裹的潮汐位移 Xmax ，这样便可以使气体包裹与制冷机和脉冲管都有
10、联系。以这种方式定义的潮汐位移描述的是移动的气体包裹的峰间位移。 m axhm axm ax 4 R eRedXXL ， （ 2） vdUAmdRe hm a xfm a xhm a x （ 3） vdRe 2h （ 4） dh 是水力直径， m 是流体的质量流量， Af是在流动方向上的横截面积， Re是无量纲频率， Remax是瞬时雷诺数振幅。 a.充分发展流量极限 让 我们首先考虑 D 0 的极限，当每一个通道都足够的窄以至于流体一直充满了长度为 L 的制冷器，同样的限制情况下，流体的出
11、口温度就会接近板的温度Tw。每个流道流体的平均流速是用下面这个公式计算的。 LP12 DU 2 （ 5） 而总的质量流量是通过板的高度 H 计算出的。 LP12 DH U Hm 2 （ 6） 如图 3 所示，质量流量定义为在垂直流动方向上单位流体的长度。总的传热速率是通过全部流体的流动以及 m 得出的。 LP12 DHTTcmq 2wpa （ 7） 总的来说，在 D 0 的极限情况下，总的冷却速率的增长与 D2成正比。图三中的曲线定性的说明了这个趋势。 b.边界层流的极限 另一种极限情况是 D，其边界层在表面排成一列变得明显不同，即每个
