10K以下温区使用多孔材料吸附氦气式回热器的机理研究

批准号:
51706233
项目类别:
青年科学基金项目
资助金额:
25.0 万元
负责人:
陈六彪
依托单位:
学科分类:
E0601.工程热力学
结题年份:
2020
批准年份:
2017
项目状态:
已结题
项目参与者:
潘长钊、吴显林、王珏
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中文摘要
10K及以下温区,制冷机工质气体氦气的比热高于目前几乎已知的所有蓄冷材料,导致回热器蓄冷能力不足,成为制冷机在此温区性能提高的一个瓶颈问题。本项目开展使用多孔材料吸附部分工质气体氦气作为制冷机10K以下温区回热器的机理研究和实验测试。将在通过氦气吸附量大小对多孔材料进行测试筛选的基础上,混合搭配热导率具有明显差异的不同多孔材料,并组合丝网、纤维毡等低流阻填料,研制具有“高比热、各向异性热导率和低流阻”三大理想特征的高效回热器。同时,将基于质量、动量和能量守恒方程,结合气体状态方程和吸附/脱附速率的线性推动力方程进行编程计算,对交变流动下温度压力等存在明显相位差异这一特殊条件下的多孔材料对氦气的动态吸附/脱附特性以及多孔材料吸附/脱附热效应与制冷机微观制冷效应的耦合影响等基础问题开展研究。本项目是极低温回热器研究的一个新探索,可以为10K以下温区制冷机回热器材料的选择和使用提供有益的帮助。
英文摘要
The specific heat capacities of the working gas helium are much higher than that of the general regenerator materials with temperature below 10 K, which severely limits the enhancing of the refrigerator performance. The mechanical of regenerator using adsorbed helium by porous material with temperature below 10 K will be studied in this project. The porous materials were screened firstly by the amount of adsorbed helium, then the selected porous materials with a significant thermal conductivities difference and screens or fiber mats with a low flow resistance will be assembled to build a regenerator with characteristics of high heat capacity, anisotropic thermal conductivity and low flow resistance. Meanwhile, a calculation model based on the continuity equation, momentum equation, energy equation, gas state equation and adsorption/desorption rate linear driving force equation will be built to study the dynamic adsorption/desorption characteristics and the coupling effects of adsorption/desorption heat effect and refrigerator cooling effect by porous materials under the alternating flow conditions, where a significant phase difference between the temperature and pressure. This project provides a novel way for regenerator study, and it will be beneficial to the development of refrigerator with temperature below 10 K.
低温制冷机在地面实验和空间探索应用需求很大,但目前工作在10K以下温度时制冷效率很低。本项目主要对此温区制冷机关键部件回热器开展研究以提高制冷性能。面对此温区制冷机工质氦气的比热高于几乎已知的所有蓄冷材料,导致回热器蓄冷能力不足这一问题,开展了使用多孔材料吸附部分工质氦气作为回热器材料的机理研究和实验测试。主要研究内容和成果分四部分,一是搭建了流动阻力、热导率/表观热导率和吸附量等测试装置,对传统丝网和各种磁性蓄冷材料的相关参数进行了测试和计算分析,进一步筛选了椰壳活性炭和超级活性炭等多孔材料作为回热器低温吸附材料,并对其在3-20K温度不同充气压力下的相关物性进行了详细的测试和分析;二是对多孔材料开展了分子模拟研究工作,探索了低温下可对氦气进行充分吸附的分子结构,考察了不同分子结构对吸附量/吸附热等参数的影响。对吸附式回热器整体建模,考察了动态低温吸附特性以及脱附/吸附热效应与微观制冷效应的耦合影响。三是考虑到所用多孔材料为颗粒状,与传统丝网的结构存在很大的不同,通过数值计算和实验相结合的办法开展了颗粒型材料与丝网型材料的对比研究,揭示了液氢温区丝网型回热器和液氦温区颗粒型回热器的不同损失特性,给出了减小回热器损失的优化方向;四是探索了不同蓄冷材料的组合方案,构建了“高比热、各向异性热导率和低流阻”高效回热器,通过将多孔材料与常规回热器材料混合填充至一台高频脉冲管制冷机,开展了整机性能实验测试。实验结果表明,在同等实验条件下,混合填充椰壳活性炭后的高频脉冲管制冷机无负荷温度从初始的3.59K降低至了3.56K,在4.0K的制冷量提高了30.67%,充分验证了项目所提的正确性。本项目是极低温回热器研究的一个新探索,可以为10K以下温区制冷机回热器材料的选择和使用提供有益的帮助,另外研制过程中针对活性炭/超级活性炭等多孔材料,以及Er3Ni、HoCu2和GOS等材料测得的相关热物性参数和流动特性参数对于制冷机研究人员也有直接的参考价值。
期刊论文列表
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专利列表
Design of a two-stage gas-coupled high-frequency pulse tube cryocooler working around 4 K
4 K左右两级气耦合高频脉冲管制冷机设计
DOI:10.1088/1757-899x/755/1/012039
发表时间:2020-06
期刊:IOP Conference Series: Materials Science and Engineering
影响因子:--
作者:Liu Xuming;Chen liubiao;Wang Junjie;Zhou Yuan
通讯作者:Zhou Yuan
Molecular simulation on adsorption of helium by activated carbon in 4-10 K
4-10 K 活性炭吸附氦气的分子模拟
DOI:10.1088/1757-899x/755/1/012111
发表时间:2020-03
期刊:IOP Conference Series: Materials Science and Engineering
影响因子:--
作者:Xi Xiaotong;Wang Jue;Chen Liubiao;Zhou Yuan;Wang Junjie
通讯作者:Wang Junjie
An 80 mW/8 K high-frequency pulse tube refrigerator driven by only one linear compressor
仅由一台线性压缩机驱动的 80 mW/8 K 高频脉冲管制冷机
DOI:10.1016/j.cryogenics.2019.05.006
发表时间:2019
期刊:Cryogenics
影响因子:2.1
作者:Wu Xianlin;Chen Liubiao;Liu Xuming;Wang Jue;Zhou Yuan;Wang Junjie
通讯作者:Wang Junjie
DOI:10.1088/1757-899x/755/1/012036
发表时间:2020-06
期刊:IOP Conference Series: Materials Science and Engineering
影响因子:--
作者:J. Wang;C. Pan;T. Zhang;K. Luo;X. Xi;L. Chen;Y. Zhou;J. Wang
通讯作者:J. Wang;C. Pan;T. Zhang;K. Luo;X. Xi;L. Chen;Y. Zhou;J. Wang
DOI:10.1088/1757-899x/755/1/012037
发表时间:2020-06
期刊:IOP Conference Series: Materials Science and Engineering
影响因子:--
作者:J. Wang;C. Pan;X. Xi;L. Chen;Y. Zhou;J. Wang
通讯作者:J. Wang;C. Pan;X. Xi;L. Chen;Y. Zhou;J. Wang
面向空间天文探测的液氦温区脉冲管制冷机理研究
- 批准号:--
- 项目类别:面上项目
- 资助金额:64万元
- 批准年份:2020
- 负责人:陈六彪
- 依托单位:
国内基金
海外基金
