G-M制冷机

[ 字号: ] [ 关闭 ] 2008-12-6 9:54:11 来自网络 作者:admin 浏览次数: 发表评论

关键词:换热器

 G-M循环是由吉福特(Gifford)和麦克马洪(Mcmahon)二人发明,其原理是绝热气体放气制冷。目前已研制出单级、双级和三级G-M循环的制冷机,制冷温度从液氦温度到液氮温度,制冷量(1~100)w。目前G-M型制冷机已得到广泛应用。

          

图1 GM制冷机的系统示意图                GM制冷机循环动画演示

 

  图1为单级G-M制冷机的系统图。单级G-M机有压缩机组1,进气阀2,排气阀3,回热器4,换热器5和膨胀机6等组成。压缩机组包括低压储气罐a,高压储气罐b,冷却器c和往复式压缩机d四大部分,彼此间用管道相连。进气阀2和排气阀3都处在室温下,由机械控制其开启和关闭,用来控制通过回热器与膨胀机的气流和循环的压力及容积。回热器4内装有金属网片,冷、热气流交替的流过它,起着储存和回收冷量的作用。通过该作用达到冷热气流间换热的目的,并建立室温和制冷机冷端之间的温差。要求其换热效率在99%以上,否则直接影响制冷机的性能。换热器5供输出冷量用。膨胀机6由薄壁不锈钢气缸f和位于气缸两端的两个有效容积(1)和(2)。容积(1)处在室温下,容积(2)处在低温下,它们与回热器用管道相连接。推移活塞在气缸中的上下移动由一小曲轴控制。它和进、排气阀的控制机构组合在一起,由一个微型电机带动。进、排气阀的开启和关闭与推移活塞的移动位置之间按一定的相对角配合,以保证实现制冷机的热力循环。

  工作气体在压缩机d中压缩,然后经冷却器c冷却,清洁的高压气体进入高压储气罐b。开始时,控制机构使推移活塞处于气缸底部,与此同时打开进气阀。高压气体进入推移活塞上方的热腔容积(1)和回热器4。回热器4及容积(1)的压力增高。当压力平衡后,推移活塞从气缸底部向上移动,把进入到热腔(1)的气体推移出去,经回热器4被冷却后进入冷腔(2)。与此同时,还有一部分来自高压储气罐的气体,也经回热器4被冷却后进入冷腔(2)。推移活塞移动到气缸顶部,进气阀关闭。打开排气阀,使冷腔(2)内的气体经换热器5,回热器4与低压储气罐相连通。这时,处在冷腔(2)中的高压气体,向低压储气罐a放气。制得的冷量经换热器5输出。气体经回热器4加热后,进入低压储气罐,然后进入高压储气罐b。同时,推移活塞重新移动到气缸底部,排气阀关闭。这样,周而复始,整个系统就能连续工作,连续不断的制取冷量。

  对于G-M制冷机作如下假定:1)系统中工质为理想气体;2)回热器、换热器和管道的空容积以及膨胀机的死隙容积均为零;3)回热器及换热器没有换热损失;4)不计回热器、阀门管道及换热器的流动损失;5)气缸体与推移活塞绝热良好,两者之间无摩擦,回热器本体无纵向热漏损失;6)没有外泄漏损失;7)压缩机的工作是可逆绝热的;8)进、排气阀提前关闭和开启的影响可忽略不计。此时G-M制冷机完成的循环为理想G-M循环。它由升压、等压进气、绝热放气、等压排气四个热力过程组成。以冷腔为研究对象,G-M循环的四个工作阶段及理想 图表示在图2上。

  取换热器与膨胀机冷腔作为一个热力系统。在稳定工况下,系统完成一个循环时,其内能 保持不变,即 。又根据假定3)和5)没有热损失。于是,一个循环中系统的能量平衡式为:                    

  而冷腔对外界作的净功 应等于冷腔 图的面积,因此,
                            (1)
式中 Qw ----- 为理想制冷量;
  PH ----- 高压压力;
  PL ----- 低压压力;
  V ----- 冷腔容积。

 



(a)系统图      (b)P-V图      (c)四个工作阶段
图2 理想G-M循环的系统图、四个工作阶段及P-V图
 



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