一种喷射式微型J—T制冷器热交换性能的分析

万志强　李世芸　苏玉辉　黄子毅

摘要： 对一种喷射式微型J-T制冷器的热交换性能进行研究分析，选用30MPa的氮气作为工质，截取温度对性能影响最大的部分，采用CFD软件FLUENT模拟研究其从启动到稳定工作时的温度的分部情况，寻找到提高热交换性能的方法，从换热的角度为后续改进制冷器的性能提供理论依据。

Abstract： The heat exchange performance of a micro spray J-T Cooler was studied. 30MPa nitrogen is chosen as the working fluid， and the part which is influenced most by temperature is cut out. Simulation study on the part from the start to the stable working temperature by using CFD software FLUENT is to find the ways to improve the performance of heat exchange. For this point， it is to provide a theoretical basis for the subsequent improvement of the refrigeration performance.

关键词： 喷射式微型J-T制冷器；性能；热交换

Key words： a Micro Spray J-T Cooler；performance；heat exchange

中图分类号：TB651 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2018）05-0123-03

0 引言

在红外技术中，红外探测器要求在特定的低温环境下才能获得最佳工作性能，因此研制体积小、重量轻、制冷效率高、启动快的制冷器在红外技术和国防工程中具有重要的作用。由于目前国内对喷射式微型J-T制冷器的研究还不够成熟，文章通过对该制冷器建模，分析其工况，截取温度对性能影响最大的部分，并采用ANSYS FLUENT模拟其从启动到稳定工作情况下的温度分部情况，分析该部分的温度分布情况，以提出提高其性能的方向。

1 喷射式J-T制冷器原理分析

J-T制冷器是利用实际气体的焦耳-汤姆逊效应（简称J-T效应）而制成的制冷器。对于J-T制冷器常用的制冷工质，常温下一次节流是不可能液化的，例如30MPa的氮气在其温度175K左右时，一次节流才会有液氮产生，因此需要对气体进行预冷。如图1所示，喷射式微型J-T制冷器实物图。

喷射式J-T制冷器内部管道图如图2所示，进气管中有预冷级工质管道和制冷级管道，预冷级管道节流后的冷气体回流冷却这五层管道后进入的气体；制冷级工质管道节流后的液氮直接用于冷却红外芯片。该制冷器采用分级节流的结构，采用分级节流最大的优点在于避免了由节流压差不稳定引起的节流后温度变化的影响，制冷级工质直接节流到大气压，节流温度稳定，节流后直接用于冷却红外芯片，保证了红外芯片性能的稳定。预冷级管道由于有回流气体流动阻力的影响（即存在背压），节流后的气压会存在较大的变化，节流后用于与这五层管道后进入的工质进行热交换，达到收集冷量的目的。节流孔示意图如图3所示，在四根预冷级毛细管的末端存在节流孔，其中四根预冷级毛细管外缠绕了肋片，增大了换热面积，提高热交换效率。

2 氮工质的热力学性能

气象分数为节流后气体所占的比例，气象分数为1表示节流全为气体，如图4所示，为30MPa的氮气一次节流到一个大气压下的气象分数与节流前的温度变化情况，可以发现节流前温度在178K左右时，30MPa氮气一次节流到一个大气压下会有液氮出现。随着节流前的温度降低，节流后的温度不发生变化，但气象分数变少，也就是说，节流前的温度越低，所产生的液氮分数就会越多，这样，根据气象分数就可以知道节流之后有多少气体变成了液体，因此，尾部的节流孔附近制冷级管道部分的温度变化情况直接影响到制冷器的性能，对该部分的换热情况进行模拟分析是至关重要的。对于这四层预冷级管道，由于存在回流阻力，节流后温度变化会有所不同。取蒸发压力稳定值0.8MPa[4]，如图5所示，为30MPa氮气一次节流到0.8MPa的温度变化情况。

3 FLUENT仿真分析

FLUENT软件是常用计算流体动力学（CFD）商用软件之一，也是目前功能最全面、适用性最广、国内使用最广泛的CFD软件之一。FLUENT软件提供了灵活的网格特性，可以让用户使用非结构网格，包括三角形、四边形、四面体、六面体网格来解决具有复杂外形的流动，甚至也可以使用混合型非结构网格；可用于二维平面、二位轴对称和三维流动分析；可完成多种参考系下流场模拟、定常与非定常流动分析、多相流分析、固体与流体耦合传热分析、多孔介质分析等。因此，文章采用FLUENT进行模拟分析。

从图2喷射式J-T制冷器内部管道图和图3节流孔示意图中可以看到，预冷级工质节流后高速喷出的冷气先冷却制冷级管道后续预冷段，再回流冷却五层后进入的管道工质，而这部分管道位于制冷级节流孔前端以及预冷级管道节流孔附近，因此这段管道的温度变化情况直接影响到节流后的温度和液氮份数。因此，对这一部分管道的换热情况进行仿真分析是至关重要的。截取五层管道的靠近节流孔部分，如图6所示。

在Workbench环境下，采用自动网格划分的方法对图6所示的管道部分进行网格划分，网格划分的情况如图7所示。

在workbench中启动fluent，根据图5所示的温度变化情况施加边界条件，然后模拟的温度的分部状态。如图8第一次节流温度分部状态所示可以看到各层管道的温度分布情况，通过第一次预冷后的制冷级管道所达到的最低温度为275K左右。

由于为了简化计算，前段管道的热交换情况被忽略考虑，预冷级管道的实际温度会更低。由于FLUENT的局限性，只能分段模拟气体节流后的热交换情况。如图9所示第二次节流后的温度分布状态。可以发现，温度分布状态与第一次节流的温度分布状态类似。

经过数次节流后，当制冷级节流前的温度达到178K左右时，节流后会出现液氮，此后随着制冷级管道温度继续降低，节流后的温度不再发生变化，保持为77.3K，此时达到红外芯片的工作温度，红外芯片以最佳性能开始工作，如图10所示红外芯片开始工作时的节流后的温度分布情况。

4 结论

从图8、9、10温度分布图可以看出提高预冷、制冷管道的热交换效率对提高制冷器的性能有很大的影响，可以采取以下几种措施：

①增加制冷级工作管道的后续螺旋段的圈数，同时对这部分管道进行镀镍，同时对预冷级管道后续几圈进行镀镍。②合理布置各层毛细管的缠绕方式，让回流阻力达到最佳值。③对预冷级管道节流孔的位置进行合理的分布，使节流后的气体能够充分冷却制冷级后部螺旋管道。

参考文献：

[1]孙义兰，张骏驰，石宝明.过程模拟实训-Aspen HYSYS[M].北京：中国石化出版社 2015，7.

[2]胡仁喜，康士廷，等.FLUENT 16.0流场分析从入门到精通[M].北京：机械工业出版社，2016，6.

[3]徐浩，刘忠惠，等.一种红外探测用微型制冷器特性的实验研究[J].低温与超导，1997（3）.

[4]杨家艾，刘刚，胡颖涛.喷射式 J - T制冷器的研制[J].激光与红外，2007，37（1）：53-55.

[5]李秀强，胡音，王三煜.一种喷射式快速启动制冷器的研制[J].低温与超导，2010（4）：22-24.

[6]曲乐，张宏飞，王三煜.快速直喷式J-T 制冷器性能优化研究[J].低温与超导，2014（3）：25-27.

[7]李家鵬，陈晓屏，陈军.微型节流制冷器启动时间的理论分析[J].激光与红外，2009（1）：27-30.

[8]马艳红.影响自调式 J - T 制冷器启动时间的因素[J].激光与红外 2013（3）：258-260.endprint