CN107917928A - 一种双开口多管束制冷机非稳态导热测试平台 - Google Patents
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Abstract
一种双开口多管束制冷机非稳态导热测试平台，属于压力气体膨胀制冷技术领域。该测试平台采用双开口管束静止，高压喷嘴和高温喷嘴以固定夹角随主轴周期旋转的结构，为微秒级高精度快速响应传感器的安装提供有效方案，实现制冷整机管束内流体的热力学参数的动态采集及壁面温度的测量，为压力振荡管内部流动机理对制冷影响的研究提供最直接的实验数据；综合考虑了通道之间的影响及进出口气流的连续性，运转时与现有气波制冷机工作状态相同，可以更准确的反应真实气波机生产时的状态，使实验数据能够更直观、可靠的反应气波机内部流体参数变化对整机效率的影响，对优化喷嘴结构尺寸及其配合提供更准确的实验依据。
Description
技术领域
本发明涉及一种双开口多管束制冷机非稳态导热测试平台，属于压力气体膨胀制冷技术领域。
背景技术
气波制冷领技术是一种利用振荡管内的非定常压力波来实现气体的能量交换，达到冷热分离的气体膨胀制冷技术。该技术发展至今，已经有很多结构形式的气波制冷设备问世，从最早的静止式气波制冷机，到后来的旋转式气波制冷机，到现在的压力交换式气波制冷机。压力交换式气波制冷机最早是由大连理工大学胡大鹏等人提出，该制冷机采用一种双开口振荡管结构，可以提高气波制冷的等熵效率，该制冷机还具有可以长时间运行、可带液、结构简单、通用性强等优点，正逐步的取代静止和旋转式气波制冷机。
现在本领域的专利主要有：现有的气波制冷机均为双开口压力振荡管为旋转部件，两端喷嘴为固定部件。这种结构不利于对管束内流体的温度及管束壁温的测量，导致难以满足对气波制冷机的内部机理的研究。应用于内部参数测量的专利“一种基于相对运动的简化内燃波转子实验装置”（CN104458269A）是压力震荡管束静止、喷嘴周期旋转的单管实验测试平台，该专利未考虑相邻振荡管之间的影响。
发明内容
为了克服现有技术中存在的问题，本发明提供一种双开口多管束制冷机非稳态导热测试平台。该测试平台应采用双开口管束静止，高压喷嘴和高温喷嘴以固定夹角随主轴周期旋转，使工作气体有规律的进出管束实现制冷的一种双开口多管束制冷整机实验平台。为高精度快速响应温度传感器的安装提供有效方案，实现制冷整机管束内流体的温度及管束壁温的动态采集，亦综合考虑了通道之间的影响及进出口气流的连续性，运转时与现有气波制冷机工作状态相同，可以更准确的反应真实气波机生产时的状态，弥补了目前气波制冷整机内部机理及导热问题实验研究的空白，对气波制冷机的结构优化提供最为直接的实验数据基础。
本发明采用的技术方案是：一种双开口多管束制冷机非稳态热传导测试平台，它包括高压端外壳、高温端外壳、定子和主轴，所述定子与高压端外壳、高温端外壳用螺栓连接；在定子中采用第一轴承、第二轴承支撑主轴，在主轴的一端用固定在定子上的轴承压盖封闭，轴承压盖带有迷宫环槽与主轴形成迷宫密封，主轴的两侧分别设置高压喷嘴结构和高温喷嘴结构，高压喷嘴结构用键与主轴连接，并用背紧螺母压紧，高温喷嘴结构在紧靠定子的一侧设有固定在主轴上的环形凸台；电机连接伸出高温端外壳的主轴端部，带动高压喷嘴结构和高温喷嘴结构周期性旋转；所述高压端外壳内部设有高压进气通道、低温气腔和低温出气通道；高压进气通道与主轴端部的高压气腔相连，高压气腔与低温气腔靠主轴与高压端外壳配合的迷宫密封分隔开；主轴在与高压喷嘴结构的相连处，主轴上设有高压气腔与高压喷嘴结构的高压气通道相连的高压进气开口，高压喷嘴结构的高压气通道与定子上环向均布的压力振荡通道连接；所述高压喷嘴结构与高温喷嘴结构存在固定的夹角，随着喷嘴结构同时旋转，定子的压力震荡通道先于高压喷嘴结构连通，在通道内完成压力交换后再与高温喷嘴结构相连，夹角变化范围为0-270度角，转速n小于或等于5000r/min；所述主轴为带有两段空腔的轴，除所述高压腔外，还设有轴内高温腔，轴内高温腔连接高温喷嘴结构的高温气体通道与高温端外壳的高温腔，在主轴的轴内高温腔与高温喷嘴结构的高温气体通道相连处开设高温进气开口，在主轴与高温外壳的高温腔相通处开设高温出气开口； 高温喷嘴结构中的高温气通道连接定子上环向均布的压力振荡通道；所述高温端外壳包括常温回气腔、高温腔、常温进气通道和高温出气通道，高温腔与常温回气腔之间、高温腔与外部环境之间靠主轴与高温端外壳配合的两道迷宫密封分别隔开。
所述压力振荡通道采用尺寸相同的扇形通道，其宽度范围4mm-50mm，高度范围6mm-300mm，通道间隔板厚度范围0.2mm-4mm，通道个数8-200，通道长度100-1000mm；在扇形中线位置沿轴线方向开设传感器安装孔，安装用于采集管内流体的瞬时热力学参数的微秒级高精度快速响应温度传感器探头和压力探头，在错开快速响应传感器探头安装孔位置的其他通道中线位置沿轴线方向布置用于壁温采集的贴片式热电偶。
所述高压喷嘴结构、高温喷嘴结构分别带有第二配重块、第一配重块，配重块的质量要与对侧气体通道的质量相同，其形式采用以影响流体流动最小化的板型、鹅卵石形、锥形或筛网型。
本发明的效果和益处是：这种双开口多管束制冷机非稳态导热测试平台采用双开口管束静止，高压喷嘴和高温喷嘴以固定夹角随主轴周期旋转的结构，为微秒级高精度快速响应传感器的安装提供有效方案，实现制冷整机管束内流体的热力学参数的动态采集及壁面温度的测量，为压力振荡管内部流动机理对制冷影响的研究提供最直接的实验数据；综合考虑了通道之间的影响及进出口气流的连续性，运转时与现有气波制冷机工作状态相同，可以更准确的反应真实气波机生产时的状态，使实验数据能够更直观、最可靠的反应气波机内部流体参数变化对整机效率的影响，对优化喷嘴结构尺寸及其配合提供更准确的实验依据；结构简单，转动件质量大为降低，运行功耗显著降低。
附图说明
图1是一种双开口多管束制冷机非稳态导热测试平台的结构示意图。
图2是图1中的A-A剖视图。
图3是高压进气通道的正视图。
图4是高温出气通道的正视图。
图中：1、高压进气通道，2、高压端外壳，3、高压喷嘴结构，4、高压出气开口，5、波定子，6、压力震荡通道，7、主轴，8、探头安装孔，9、高温进气开口，10、高温喷嘴结构，11、高温出气开口，12、高温出气通道，13、高温腔，14、轴内高温腔，15、高温端外壳，16、第一配重块，17、常温回气腔，18、常温进气通道，19、第一轴承，20、第二轴承，21、轴承压盖，22、低温气腔，23、键，24、低温出气通道，25、第二配重块，26、背紧螺母，27、高压气腔。
具体实施方式
图1、2、3、4示出了一种双开口多管束制冷机非稳态导热测试平台的结构图。图中，这种双开口多管束制冷机非稳态热传导测试平台包括高压端外壳2、高温端外壳15、定子5和主轴7。定子5与高压端外壳2、高温端外壳15用螺栓连接。在定子5中采用第一轴承19、第二轴承20支撑主轴7，在主轴7的一端用固定在定子5上的轴承压盖21封闭，轴承压盖21带有迷宫环槽与主轴7形成迷宫密封。主轴7的两侧分别设置高压喷嘴结构3和高温喷嘴结构10，高压喷嘴结构3用键23与主轴7连接，并用背紧螺母26压紧，高温喷嘴结构10在紧靠定子5的一侧设有固定在主轴7上的环形凸台10a。电机连接伸出高温端外壳15的主轴7端部，带动高压喷嘴结构3和高温喷嘴结构10周期性旋转；
高压端外壳2内部设有高压进气通道1、低温气腔22、和低温出气通道24。高压进气通道1与主轴7端部的高压气腔27相连，高压气腔27与低温气腔22靠主轴7与高压端外壳2配合的迷宫密封分隔开。主轴7在与高压喷嘴结构3的相连处，主轴7上设有高压气腔27与高压喷嘴结构3的高压气通道相连的高压进气开口4，高压喷嘴结构3的高压气通道与定子5上环向均布的压力振荡通道6连接。
高压喷嘴结构3与高温喷嘴结构10的存在固定的夹角，随着喷嘴结构同时旋转，定子5的压力震荡通道6先于高压喷嘴结构3连通，在通道内完成压力交换后再与高温喷嘴结构10相连，夹角变化范围为0-270度角，转速n小于或等于5000r/min。
主轴7为带有两段空腔的轴，除高压腔27外，还设有轴内高温腔14。轴内高温腔14连接高温喷嘴结构10的高温气体通道与高温端外壳15的高温腔13，在主轴7的轴内高温腔14与高温喷嘴结构10的高温气体通道相连处开设高温进气开口9，在主轴7与高温外壳15的高温腔13相通处开设高温出气开口11。 高温喷嘴结构10中的高温气通道连接定子5上环向均布的压力振荡通道6。
高温端外壳15包括常温回气腔17、高温腔13、常温进气通道18和高温出气通道12，高温腔13与常温回气腔17之间、高温腔13与外部环境之间靠主轴7与高温端外壳15配合的两道迷宫密封分别隔开。
压力振荡通道6采用尺寸相同的扇形通道，其宽度范围4mm-50mm，高度范围6mm-300mm，通道间隔板厚度范围0.2mm-4mm，通道个数8-200，通道长度100-1000mm；在扇形中线位置沿轴线方向开设传感器安装孔，安装用于采集管内流体的瞬时热力学参数的微秒级高精度快速响应温度传感器探头和压力探头，在错开快速响应传感器探头安装孔位置的其他通道中线位置沿轴线方向布置用于壁温采集的贴片式热电偶。
高压喷嘴结构3、高温喷嘴结构10分别带有第二配重块25、第一配重块16，配重块的质量要与对侧气体通道的质量相同，其形式采用以影响流体流动最小化的板型、鹅卵石形、锥形或筛网型。
采用上述的技术方案，压力震荡管束为静止部件，主轴与电机连接，带动进、出气部件周期性旋转，使不同气体周期性的进出压力振荡通道。由于转动部件的转速只取决于气体能否周期性进出振荡通道，所以转速要求较低，n小于或等于5000r/min。
下面以一条压力震荡通道的制冷流程加以说明：高压通道通入高压气体，高压气体通过高压腔、高压喷口进入压力震荡通道，形成激波，与通道内原有常压气体进行压力和温度的交换；高压喷口与高温喷口存在一定角度，随着转动件的旋转，高温喷口与之前射入高压气的压力震荡通道相连，使能量交换后的高温气体从通道内排出；随着旋转件的继续旋转，压力振荡通道脱离进出气部件，其两侧均暴露于常温回气腔和低温腔，常温回气通入常温进气通道，在常温气体的推动下，低温气体即产品排出振荡通道到低温腔内。由于压力震荡通道环形均布形成管束，随着转动件的周期性连续旋转，不同气体连续进出压力震荡管束，故设备的进出口气体流动均连续且均匀。
在波定子的探头安装孔装高精度快速响应温度传感器探头，用于采集管内流体的瞬时温度。在波转子外壁凹槽安置热电偶贴片，用于采集壁温。
高压喷口与高温喷口的夹角由高压进气部件与主轴相连的键的位置来控制，夹角可变化范围为0-270度角。
Claims (3)
1.一种双开口多管束制冷机非稳态热传导测试平台，它包括高压端外壳（2）、高温端外壳（15）、定子（5）和主轴（7），其特征在于：所述定子（5）与高压端外壳（2）、高温端外壳（15）用螺栓连接；在定子（5）中采用第一轴承（19）、第二轴承（20）支撑主轴（7），在主轴（7）的一端用固定在定子（5）上的轴承压盖（21）封闭，轴承压盖（21）带有迷宫环槽与主轴（7）形成迷宫密封，主轴（7）的两侧分别设置高压喷嘴结构（3）和高温喷嘴结构（10），高压喷嘴结构（3）用键（23）与主轴（7）连接，并用背紧螺母（26）压紧，高温喷嘴结构（10）在紧靠定子（5）的一侧设有固定在主轴（7）上的环形凸台（10a）；电机连接伸出高温端外壳（15）的主轴（7）端部，带动高压喷嘴结构（3）和高温喷嘴结构（10）周期性旋转；所述高压端外壳（2）内部设有高压进气通道（1）、低温气腔（22）和低温出气通道（24）；高压进气通道（1）与主轴（7）端部的高压气腔（27）相连，高压气腔（27）与低温气腔（22）靠主轴（7）与高压端外壳（2）配合的迷宫密封分隔开；主轴（7）在与高压喷嘴结构（3）的相连处，主轴（7）上设有高压气腔（27）与高压喷嘴结构（3）的高压气通道相连的高压进气开口（4），高压喷嘴结构（3）的高压气通道与定子（5）上环向均布的压力振荡通道（6）连接；所述高压喷嘴结构（3）与高温喷嘴结构（10）存在固定的夹角，随着喷嘴结构同时旋转，定子（5）的压力震荡通道（6）先于高压喷嘴结构（3）连通，在通道内完成压力交换后再与高温喷嘴结构（10）相连，夹角变化范围为0-270度角，转速n小于或等于5000r/min；所述主轴（7）为带有两段空腔的轴，除所述高压腔（27）外，还设有轴内高温腔（14），轴内高温腔（14）连接高温喷嘴结构（10）的高温气体通道与高温端外壳（15）的高温腔（13），在主轴（7）的轴内高温腔（14）与高温喷嘴结构（10）的高温气体通道相连处开设高温进气开口（9），在主轴（7）与高温外壳（15）的高温腔（13）相通处开设高温出气开口（11）； 高温喷嘴结构（10）中的高温气通道连接定子（5）上环向均布的压力振荡通道（6）；所述高温端外壳（15）包括常温回气腔（17）、高温腔（13）、常温进气通道（18）和高温出气通道（12），高温腔（13）与常温回气腔（17）之间、高温腔（13）与外部环境之间靠主轴（7）与高温端外壳（15）配合的两道迷宫密封分别隔开。
2.根据权利要求1所述的一种双开口多管束制冷机非稳态热传导测试平台，其特征在于：所述压力振荡通道（6）采用尺寸相同的扇形通道，其宽度范围4mm-50mm，高度范围6mm-300mm，通道间隔板厚度范围0.2mm-4mm，通道个数8-200，通道长度100-1000mm；在扇形中线位置沿轴线方向开设传感器安装孔，安装用于采集管内流体的瞬时热力学参数的微秒级高精度快速响应温度传感器探头和压力探头，在错开快速响应传感器探头安装孔位置的其他通道中线位置沿轴线方向布置用于壁温采集的贴片式热电偶。
3.根据权利要求1所述的一种双开口多管束制冷机非稳态热传导测试平台，其特征在于：所述高压喷嘴结构（3）、高温喷嘴结构（10）分别带有第二配重块（25）、第一配重块（16），配重块的质量要与对侧气体通道的质量相同，其形式采用以影响流体流动最小化的板型、鹅卵石形、锥形或筛网型。
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