用于液化天然气冷量回收的冷脉管发动机

朱绍伟

（同济大学机械与能源工程学院，上海201804）

引 言

脉管制冷机经历了近20年的发展［1－5］，已取得了长足的进步，是目前应用于卫星上冷却红外元件的主要的制冷机，其特点是高度可靠和高效率。许多航天技术对地面技术产生了重大的影响。脉管制冷机也将对地面技术产生不可估量的影响。具有室温推移活塞的脉管制冷机是一种可回收膨胀功的脉管制冷机，效率更高［6－9］，可作为超小型液化天然气的冷源，或BOG的再凝缩。文献 ［10］提出了冷脉管发动机的概念，是脉管制冷机的逆向循环，其特点是没有低温下的运动部件，高度可靠，理论效率和卡诺效率一样。可作为利用LNG冷量发电的冷发动机，所产生的功可由线性电机转换为电力输出。其特点是负荷可在0～100%的宽广范围变化，这是基于透平膨胀机的发电系统所无法比拟的。我国液化天然气的利用会越来越普遍，大型稳定的液化天然气冷源可利用透平膨胀机发电系统。小型不稳定的液化天然气冷源，冷脉管发动机具有很大的优势。作为一种值得开发的新型发动机，仅靠文献 ［10］提出的基本概念不足以指导这种发动机的开发。本文将用数值分析的方法着重讨论冷脉管发动机的基本原理和利用扫气容积变化调节输出功。

1 结 构

图1是冷脉管发动机的示意图，吸热器、回热器、加热器、脉管和推移活塞顺次连接，膨胀机用于对外输出功。

图1 冷脉管发动机Fig.1 Cold pulse tube engine

冷脉管发动机是利用液化天然气与环境之间的温差发电。液化天然气流过加热器，由加热器汽化；吸热器从环境吸热，功从膨胀机输出。

冷脉管发动机的效率的定义为消耗单位冷量所发出的功与卡诺机消耗单位冷量所发出的功之比。

本文的算例的主要尺寸如下：回热器直径200mm，长50mm，填充丝径0.1mm的不锈钢丝网，填充率30%。脉管直径100mm，长400 mm。膨胀机扫气容积2000cm3，推移活塞扫气容积1500cm3，工质氦气，充气压力2MPa，室温300K，低温112K。工作频率100Hz。

冷脉管发动机与冷斯特林发动机相比，没有低温下的运动部件。而且，还有斯特林发动机不可比拟的优点。液化天然气的冷量除了汽化潜热外，还有显热可利用。因此，可采用多管冷脉管发动机，其冷头由多根管子组成，每个冷头工作于不同的温度，从而提高发电效率。而多缸斯特林机虽可做到这点，但多缸和多管的造价是不可比拟的。

2 工作原理

膨胀机活塞做往复运动，使冷头产生压力波动，压力波动驱动推移活塞做往复运动。气体在膨胀腔、冷头、推移活塞间往复流动。

推移活塞从脉管室温端向脉管冷端输入功，脉管冷端的气体被加热，在加热器放热，加热液化天然气；在回热器的室温端，吸热器吸热，膨胀机对外输出功。

如果将脉管内的气体看作是推移活塞的伸延，冷脉管发动机可看作是推移活塞的一部分被气体取代了的冷斯特林发动机。由于没有低温下的运动部件，与斯特林机相比，克服了斯特林机可靠性低、造价高的缺点。这也正是脉管制冷机在卫星上成为主流机种的主要原因之一。

图2是推移活塞前腔与膨胀腔的p－V图。图中显示推移活塞前腔对外做功，膨胀腔吸收功。从p－V图的形状看，和斯特林发动机基本一样。

图2 膨胀机与推移活塞的p－V图Fig.2 p－Vdiagram of expander and displacer

图3是脉管内的等价p－V图。图中的等价p－V图显示向脉管的冷气团输入功。因而冷气团被加热。脉管的设计要求是冷端的p－V图和室温端的p－V图要有一定的距离。这可防止冷气团和热气团接触同样的管壁而产生过大的热端向低温端的漏热损失。

图4是有效能流和焓流在冷头的分布。左边的焓流平行部分是脉管部分。右边焓流平行部分是回热器部分。脉管与回热器之间是加热器部分。回热器左侧是吸热器部分。在脉管中，有效能流和焓流负值意味着功从脉管的室温端向冷端传递，从而实现加热功能。在加热器中，从左到右焓流从负变正意味着放热，有效能流数值从左到右微弱变小意味着传热造成的有效能损失。在回热器中，焓流从左到右意味着热损失。有效能流数值在回热器中从右到左变大。在吸热器中，从左到右焓流从正变为负意味着吸热，有效能流数值从左到右变小意味着传热造成的有效能损失，剩余的有效能被膨胀腔和推移活塞背腔吸收。推移活塞背腔吸收的膨胀功传递给推移活塞前腔用于从脉管的室温端向脉管输入用于加热。膨胀腔吸收的膨胀功用于输出。

图5是回热器冷端质量流量和压力随时间的变化。由于是加热，质量流量与压力相位差180°时加热量最大。图5显示回热器冷端质量流量和压力要偏离180°的相位差从而使回热器损失小。

图3 脉管内的等价p－V图Fig.3 Equivalent p－Vdiagrams in pulse tube

图4 有效能流和焓流在冷头的分布Fig.4 Enthalpy flow and exergy flow along cold head

图5 回热器冷端质量流量和压力随时间的变化Fig.5 Mass flow rate and pressure at cold end of regenerator

3 扫气容积比和相位差

图6～图8显示了效率、输出功和加热量随推移活塞与膨胀活塞扫气容积比和推移活塞与膨胀活塞间相位差的变化。有一个最佳的扫气容积比和相位差使效率最大，加热量和输出功随扫气容积比和相位差的增大而增大。在这个算例中，最佳扫气容积比是0.75，最佳相位差是10°，最佳效率是52%，与此对应的输出功是10009W，加热量是11558W。

图9～图11显示了在相位差10°时的效率、加热量和输出功随推移活塞与膨胀活塞扫气容积比和脉管长度的变化。最佳扫气容积比随脉管长度的增大而增大，加热量和输出功随扫气容积比的增大而增大，随脉管长度的增大而减小。推移活塞的调相作用是产生一部分气体分量用于平衡脉管的空容积。脉管越长，所需的推移活塞容积越大。

图6 效率随扫气容积比和相位差的变化Fig.6 Efficiency vs phase angle and swept volume ratio

图7 输出功随扫气容积比和相位差的变化Fig.7 Output power vs phase angle and swept volume ratio

4 功率调节

图12显示了效率、加热量和输出功随膨胀机扫气容积的变化，加热量和输出功随膨胀机扫气容积的减小而减小，有一个最佳扫气容积使效率最高。因而，膨胀机扫气容积可作为一个调节加热量的参数。

对于线性电机，由于电机需要工作在共振频率，因而，频率很难作为调节参数来调节输出功。对于曲柄连杆机构，频率则可作为调节参数来调节输出功。

图8 加热量随扫气容积比和相位差的变化Fig.8 Heat vs phase angle and swept volume ratio

图9 效率随扫气容积比和脉管长度的变化Fig.9 Efficiency vs pulse tube length and swept volume ratio

5 结 论

本文论述了工作在室温与液化天然气温度间的冷脉管发动机的工作原理。对一个给定的冷脉管发动机，有一个最佳的扫气容积比和最佳相位角，使效率最大。在本文算例中，最佳扫气容积比是0.75，最佳相位差是10°，最佳效率是52%，与此对应的输出功是10009W，加热量是11558W。最佳扫气容积比随脉管的增大而增大。膨胀机扫气容积可作为一个调节加热量的参数，扫气容积越小，加热量越小，输出功越小。

图10 输出功随扫气容积比和脉管长度的变化Fig.10 Output power vs pulse tube length and swept volume ratio

图11 加热量随扫气容积比和脉管长度的变化Fig.11 Heat vs pulse tube length and swept volume ratio

图12 效率、加热量和输出功随膨胀腔扫气容积的变化Fig.12 Swept volume effect

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