微型机械制冷机污染传输机理的研究

1、微型机械制冷机污染传输机理的研究杨宝玉 府华 吴亦农摘要：污染是 影响 微型机械制冷机运行寿命的一个关键因素，为实现污染控制技术的系统化、标准化需要深入 研究 污染气体在机械制冷机内的传输机理。采用直接模拟蒙特卡罗(DSMC) 方法 对制冷机内污染气体的传质过程进行 理论 仿真，设计编写软件程序 计算 了分子流状态下污染气体分子通过制冷机内复杂管路的传输几率，计算得到关键管道的传输几率小于3%，最后设计、搭建污染传输实验台,结合具体的实验数据对传输几率的理论计算值进行了验证。 关键词：机械制冷机 污染 传质 蒙特卡罗方法 传输几率1 前言 近年来斯特林、脉管等机械制冷技术 发展 迅速，已成功

2、应用 于空间、军事、通信等各个领域1,2。长寿命技术是微型机械制冷机 目前 急需解决的一项关键技术，而在长寿命技术中，气体污染是一个重要因素。污染气体在制冷机内产生后，沿着复杂的管路进行传输分布，最后缓慢的吸附凝聚在蓄冷器从而影响制冷性能。研究机械制冷机污染气体传质过程的意义在于可以从机理上了解污染对制冷机影响的途径、趋势，并对污染控制措施的改进和标准化提出建议。对污染传输过程的研究采用理论计算和实验验证两种方法相结合。大量的 分析 结果表明，机械制冷机内的污染气体主要是水蒸气、酒精、丙酮3。在制冷机的装配、运行中有两种情况涉及到污染传输：一个是装配后的高温烘烤除气；另一个就是长期运行中的污染

3、传输。一台制冷机装配后要进行烘烤除气，相关部件缓慢释放的污染气体经由微小间隙、圆管等通道被真空泵抽走。在制冷机的长期运行过程中，污染的主要来源是直线电机、蓄冷器等关键部件的放气，直线电机绕组的放气通过间隙密封缓慢的扩散到压缩腔、中间连管、膨胀腔，然后在蓄冷器被吸附冷凝，蓄冷器本身的放气也逐渐在冷端凝结，达到一定程度后制冷机性能会显著下降。机械制冷机的基本结构和污染传输路径如图1所示。图1 机械制冷机构造与污染传输过程简图2 制冷机污染传输机理的理论研究2.1 制冷机传输过程的分析对制冷机进行烘烤除气时，很容易就可以抽到比较高的真空，此时气体处于分子流状态。制冷机正常运行时污染分子传输的主要障碍

4、是宽度只有几丝（10-5m）的间隙密封和内径只有几毫米的中间连管，其余部分对传输的影响可以忽略。污染气体在氦气工质中的分压很小，而且水蒸气分子在间隙密封的环形通道里克努曾数（Kn）远大于10，也可以用分子流理论来进行仿真建模，计算传输特性。2.2 采用直接模拟蒙特卡罗（DSMC）方法对污染传输过程进行理论建模对于分子流范畴下气体的求解，有分析方法和数值方法两大类4。分析方法计算比较困难，而且对于环状管路很难得出精确解析解。采用直接模拟蒙特卡罗(DSMC)方法是比较合适的，它是一种基于概率统计的数值方法，通过计算机来追踪每个粒子的运动。由于DSMC物理模拟的本质，相比其他方法可以引入更真实更复杂

5、的物理模型，特别是对间隙密封等复杂管道内气体传输特性的计算。引入传输几率无 规律 的进入导管入口的分子通过出口的几率5，只与管道的几何结构有关。分子流状态下传输几率与管道的分子流率有下面的关系式：(1)式中： 入口处的分子流率；入口处气体分子密度；分子热运动的平均速度；­ 入口孔的面积。用DSMC方法来计算的基本步骤为构造贝努利模型、定义随机变量、通过模拟获得子样、统计计算。图2是圆管中DSMC计算的基本流程。如图所示，首先在计算机中产生一系列随机数生成有效粒子，然后跟踪每个粒子与管壁的碰撞情况，通过比较粒子到碰撞壁面的距离、直接返回入口的距离、通过出口的距离的大小来决定是否继续跟踪。通过对大量粒子的跟踪进行统计计算，得到传输几率。环形管路由于涉及到更复杂的几何结构，粒子的反射、碰撞公式、计算流程要更复杂。2.3 传输几率的计算用DSMC方法编程计算了制冷机内一些关键管路的传输几率，表1是半径1.2mm、长100mm的中间连管传输几率的计算值；