一種噴射式微型J—T制冷器熱交換性能的分析

萬志強　李世蕓　蘇玉輝　黃子毅

摘要： 對一種噴射式微型J-T制冷器的熱交換性能進行研究分析，選用30MPa的氮氣作為工質，截取溫度對性能影響最大的部分，采用CFD軟件FLUENT模擬研究其從啟動到穩定工作時的溫度的分部情況，尋找到提高熱交換性能的方法，從換熱的角度為后續改進制冷器的性能提供理論依據。

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.

關鍵詞： 噴射式微型J-T制冷器；性能；熱交換

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

中圖分類號：TB651 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）05-0123-03

0 引言

在紅外技術中，紅外探測器要求在特定的低溫環境下才能獲得最佳工作性能，因此研制體積小、重量輕、制冷效率高、啟動快的制冷器在紅外技術和國防工程中具有重要的作用。由于目前國內對噴射式微型J-T制冷器的研究還不夠成熟，文章通過對該制冷器建模，分析其工況，截取溫度對性能影響最大的部分，并采用ANSYS FLUENT模擬其從啟動到穩定工作情況下的溫度分部情況，分析該部分的溫度分布情況，以提出提高其性能的方向。

1 噴射式J-T制冷器原理分析

J-T制冷器是利用實際氣體的焦耳-湯姆遜效應（簡稱J-T效應）而制成的制冷器。對于J-T制冷器常用的制冷工質，常溫下一次節流是不可能液化的，例如30MPa的氮氣在其溫度175K左右時，一次節流才會有液氮產生，因此需要對氣體進行預冷。如圖1所示，噴射式微型J-T制冷器實物圖。

噴射式J-T制冷器內部管道圖如圖2所示，進氣管中有預冷級工質管道和制冷級管道，預冷級管道節流后的冷氣體回流冷卻這五層管道后進入的氣體；制冷級工質管道節流后的液氮直接用于冷卻紅外芯片。該制冷器采用分級節流的結構，采用分級節流最大的優點在于避免了由節流壓差不穩定引起的節流后溫度變化的影響，制冷級工質直接節流到大氣壓，節流溫度穩定，節流后直接用于冷卻紅外芯片，保證了紅外芯片性能的穩定。預冷級管道由于有回流氣體流動阻力的影響（即存在背壓），節流后的氣壓會存在較大的變化，節流后用于與這五層管道后進入的工質進行熱交換，達到收集冷量的目的。節流孔示意圖如圖3所示，在四根預冷級毛細管的末端存在節流孔，其中四根預冷級毛細管外纏繞了肋片，增大了換熱面積，提高熱交換效率。

2 氮工質的熱力學性能

氣象分數為節流后氣體所占的比例，氣象分數為1表示節流全為氣體，如圖4所示，為30MPa的氮氣一次節流到一個大氣壓下的氣象分數與節流前的溫度變化情況，可以發現節流前溫度在178K左右時，30MPa氮氣一次節流到一個大氣壓下會有液氮出現。隨著節流前的溫度降低，節流后的溫度不發生變化，但氣象分數變少，也就是說，節流前的溫度越低，所產生的液氮分數就會越多，這樣，根據氣象分數就可以知道節流之后有多少氣體變成了液體，因此，尾部的節流孔附近制冷級管道部分的溫度變化情況直接影響到制冷器的性能，對該部分的換熱情況進行模擬分析是至關重要的。對于這四層預冷級管道，由于存在回流阻力，節流后溫度變化會有所不同。取蒸發壓力穩定值0.8MPa[4]，如圖5所示，為30MPa氮氣一次節流到0.8MPa的溫度變化情況。

3 FLUENT仿真分析

FLUENT軟件是常用計算流體動力學（CFD）商用軟件之一，也是目前功能最全面、適用性最廣、國內使用最廣泛的CFD軟件之一。FLUENT軟件提供了靈活的網格特性，可以讓用戶使用非結構網格，包括三角形、四邊形、四面體、六面體網格來解決具有復雜外形的流動，甚至也可以使用混合型非結構網格；可用于二維平面、二位軸對稱和三維流動分析；可完成多種參考系下流場模擬、定常與非定常流動分析、多相流分析、固體與流體耦合傳熱分析、多孔介質分析等。因此，文章采用FLUENT進行模擬分析。

從圖2噴射式J-T制冷器內部管道圖和圖3節流孔示意圖中可以看到，預冷級工質節流后高速噴出的冷氣先冷卻制冷級管道后續預冷段，再回流冷卻五層后進入的管道工質，而這部分管道位于制冷級節流孔前端以及預冷級管道節流孔附近，因此這段管道的溫度變化情況直接影響到節流后的溫度和液氮份數。因此，對這一部分管道的換熱情況進行仿真分析是至關重要的。截取五層管道的靠近節流孔部分，如圖6所示。

在Workbench環境下，采用自動網格劃分的方法對圖6所示的管道部分進行網格劃分，網格劃分的情況如圖7所示。

在workbench中啟動fluent，根據圖5所示的溫度變化情況施加邊界條件，然后模擬的溫度的分部狀態。如圖8第一次節流溫度分部狀態所示可以看到各層管道的溫度分布情況，通過第一次預冷后的制冷級管道所達到的最低溫度為275K左右。

由于為了簡化計算，前段管道的熱交換情況被忽略考慮，預冷級管道的實際溫度會更低。由于FLUENT的局限性，只能分段模擬氣體節流后的熱交換情況。如圖9所示第二次節流后的溫度分布狀態。可以發現，溫度分布狀態與第一次節流的溫度分布狀態類似。

經過數次節流后，當制冷級節流前的溫度達到178K左右時，節流后會出現液氮，此后隨著制冷級管道溫度繼續降低，節流后的溫度不再發生變化，保持為77.3K，此時達到紅外芯片的工作溫度，紅外芯片以最佳性能開始工作，如圖10所示紅外芯片開始工作時的節流后的溫度分布情況。

4 結論

從圖8、9、10溫度分布圖可以看出提高預冷、制冷管道的熱交換效率對提高制冷器的性能有很大的影響，可以采取以下幾種措施：

①增加制冷級工作管道的后續螺旋段的圈數，同時對這部分管道進行鍍鎳，同時對預冷級管道后續幾圈進行鍍鎳。②合理布置各層毛細管的纏繞方式，讓回流阻力達到最佳值。③對預冷級管道節流孔的位置進行合理的分布，使節流后的氣體能夠充分冷卻制冷級后部螺旋管道。

參考文獻：

[1]孫義蘭，張駿馳，石寶明.過程模擬實訓-Aspen HYSYS[M].北京：中國石化出版社 2015，7.

[2]胡仁喜，康士廷，等.FLUENT 16.0流場分析從入門到精通[M].北京：機械工業出版社，2016，6.

[3]徐浩，劉忠惠，等.一種紅外探測用微型制冷器特性的實驗研究[J].低溫與超導，1997（3）.

[4]楊家艾，劉剛，胡穎濤.噴射式 J - T制冷器的研制[J].激光與紅外，2007，37（1）：53-55.

[5]李秀強，胡音，王三煜.一種噴射式快速啟動制冷器的研制[J].低溫與超導，2010（4）：22-24.

[6]曲樂，張宏飛，王三煜.快速直噴式J-T 制冷器性能優化研究[J].低溫與超導，2014（3）：25-27.

[7]李家鵬，陳曉屏，陳軍.微型節流制冷器啟動時間的理論分析[J].激光與紅外，2009（1）：27-30.

[8]馬艷紅.影響自調式 J - T 制冷器啟動時間的因素[J].激光與紅外 2013（3）：258-260.endprint