新型径轴向混合填充式回热器的流动阻力实验

王 强 陈 曦 刘业凤 马诗旻 郭永飞 张安阔

1 引言

目前回热式气体制冷机用回热器按填料填充方式大致可分为三类:第一类是径向填充，包括丝网型回热器、渐开线式薄片回热器、螺旋型盘式回热器［1-3］;径向填充回热器优点是填充方式简单易控，回热器内的流动比较均匀，轴向导热损失小;缺点是流动阻力损失大，一般空隙率较大，空容积损失大。第二类是轴向填充，包括平行丝型回热器、薄片式回热器、蚀刻金属薄片回热器［4-6］;轴向填充回热器优点是流动阻力损失小，空隙率可设计的较小，空容积损失小，缺点是轴向导热损失一般较大，回热器内的流动不均匀，在大温差冲击下易变形。第三类是随机丝型回热器［7］以及堆叠球体式回热器［8］。第三类回热器的填料无规则结构，一般流动阻力和轴向导热损失较大，在一般情况下使用较少。

考虑到径向填充和轴向填充的优缺点是互补的，因此可以把二者结合起来，设计一种新型径轴向混合填充式回热器结构，其中径向填料由紧密层叠的不锈钢或磷青铜丝网填充而成，轴向填料由一束紧密排列的小丝径不锈钢丝束或丝网卷裹填充而成。回热器结构模型如图1所示。

图1 新型径轴向混合填充式回热器结构示意图Fig.1 Schematic diagram of novel cryocooler regenerator with combined radial and axial filling

为了进行实验对比，分别制作了层叠丝网式、平行丝式、丝网卷裹式及新型径轴向混合填充式4种结构回热器。测试4种回热器两端压降和通回热器的流量，通过实验结果分析对比得出新型径轴向混合填充式回热器的流动特性，便于优化新型径轴向混合填充式回热器性能。

2 稳态流动特性实验测试装置

稳态流动特性测试系统主要由自主设计的回热器套、压差变送器、压力传感器、玻璃转子流量计等装置构成，结构如图2所示。

在稳态流动特性测试系统中，工质气体经过气罐减压阀减压后流经装配在回热器套内的回热器填料，最后工质气体流经玻璃转子流量计。压差变送器测量回热器两端压降，压力传感器测试回热器进口的压力大小，通过读取流量计读数得知工质气体流量值大小。

图2 稳态流动特性测试系统示意图Fig.2 Schematic diagram of test system for steady flow properties

测试了4种回热器结构，特征参数:回热器直径D、填充长度L、空隙率ε、比表面积a、水力直径rh，如表1所示。

表1 4种回热器特征参数Table 1 Feature parameters of four type of regenerators

3 稳流测试结果分析

分别采用N2、He为气体工质，以不同的体积流量流经四种回热器结构的压降进行了测试。工质气流压力维持在300 kPa左右，工质温度为(20±1)℃。

3.1 不同结构形式填料内的压降与工质气体体积流量关系

分别采用N2、He为工质气体时，单位长度填料内工质气体的压降与工质气体体积流量的关系，具体如图3、图4所示。

图3 不同结构形式填料内的N2压降Fig.3 Pressure drop of N2 under different regenerator matrix structures

图4 不同结构形式填料内的He压降Fig.4 Pressure drop of He under different regenerator matrix structures

由图3、图4可知，随着工质气体体积流量的增加，填料内工质压降也逐渐增大;对4种结构形式回热器，在相同的工质体积流量下，单位长度填料内的工质压降最大为层叠丝网式，最小为平行丝式，径轴向混合填充介于二者之间;由于N2与He间密度和动力粘度的差异，对同一回热器，采用N2为工质时回热器单位长度填料内的工质压降是采用He时的1.6—2.2 倍。

3.2 不同结构形式填料内的流动阻力系数与工质气体体积流量关系

流阻系数反映了填料结构形式、填料尺寸、工质物性、工质流量大小等因素对工质流动阻力的影响，回热器内工质气体的稳态流动阻力系数f可表达为:

式中:ΔP为工质流动压降，Dh为填料的水力直径，ρ为工质气体密度，L为回热器填料长度，mAf为单位流通面积内的质量流量，Af为自由流通面积，qV为工质体积流量，D为回热器直径，ε为回热器孔隙率。

由式(1)可知，工质气体的稳态流动阻力系数f可由反映回热器结构特性的水力直径Dh、孔隙率ε、长径比L/D等回热器结构参数和工质流量qV及工质压降ΔP等参数计算而得，结合所制作4回热器的结构参数和所测工质流量qV、工质压降ΔP等参数，得到各结构形式回热器内工质稳态流动阻力系数f与工质类型、工质体积流量间的关系情况，具体可见图5、图6。

图5 不同N2流量下的流动阻力系数fFig.5 Flow friction factor f under different volume flow of N2

图6 不同He流量下的流动阻力系数fFig.6 Flow friction factor f under different volume flow of He

由图5、图6可知，随着工质体积流量的增加，各回热器的稳态流动阻力系数f均有所减小，当工质体积流量小于1.75 m3/h时，稳态流动阻力系数f随流量不同而变化的幅度较大，体积流量大于1.75 m3/h时，稳态流动阻力系数f随流量变化的幅度变小;在N2体积流量相同的条件下，4种回热器中稳态流动阻力系数f从大至小依次是层叠丝网式、径轴向混合填充式、丝网卷裹式、平行丝式;由于N2与He间密度、粘度等物性有较大差别，在相同体积流量下，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。

3.3 不同结构形式填料内的稳态流阻系数与雷诺数关系

回热器的稳态流动阻力系数f与单位长度填料内工质压降ΔP/L及回热器内工质流动的雷诺数Re之间的关系式:

由式(2)可知，回热器稳态流动阻力系数f由回热填料的结构参数水力直径Dh、工质的物性参数密度ρ和动力粘度μ、代表流动性能的工质压降ΔP和雷诺数Re三个主要方面的因素共同决定。根据所制作四种回热器的具体结构参数和工质体积流量、工质流动压降等参数，结合式(2)可得到不同雷诺数Re下各回热器的稳态流动阻力系数f变化曲线，具体可见图 7、图 8。

图7 N2在不同Re下的稳态流阻系数fFig.7 Steady flow friction factor f of N2 under different Re

由图7、图8可知，随着工质雷诺数Re的增加，各回热器的工质稳态流动阻力系数f均有所减小，当工质N2雷诺数Re小于25时，稳态流动阻力系数f随雷诺数Re变化其改变幅度较大;对比图7右端和图8左端相近大小雷诺数所对应的稳态流动阻力系数值f可知，尽管N2与He物性差别较大，但同种回热器内工质流动的雷诺数Re大小相近时所对应的f几乎相同，故可知回热器稳态流动阻力系数f主要与回热器结构形式和工质雷诺数Re有关，受工质种类的影响不大。

图8 He在不同Re下的稳态流阻系数fFig.8 Steady flow friction factor f of He under different Re

4 结论

(1)在工质体积流量相同的条件下，新型回热器的稳态流动阻力系数f小于层叠丝网型回热器，而大于丝网卷裹型回热器和平行丝型回热器;

(2)在相同体积流量下，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;

(3)回热器稳态流动阻力系数f主要与回热器结构形式和工质雷诺数Re有关，受工质种类的影响不大。

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3 D R Ladner，JPMartin，PSThompson.A low porosity regenerator matrix for high frequency low temperature cryocoolers［J］.Cryocoolers13，2004:395-404.

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7 Mounir B Ibrahim，David Gedeon，Gary Wood，et al.A Microfabricated Segmented-Involute-Foil Regenerator for Enhancing Reliability and Performance of Stirling Engines［R］.NASA/CR-2009-215516.

8 T Tsukagoshi，K Matsumoto，T Hashimoto，et al.Optimum structure of multilayer regenerator with magnetic materials［J］.Cryogenics，1997，37:11-14.