毕业设计任务书

1、附件一毕业设计（论文）任务书设计（论文）题目 分置式Stirling制冷机的热力学分析及回热器计算 学院名称 机械与汽车工程学院专 业 （班 级） 热能与动力工程 4 班 姓 名 （学 号） 指 导 教 师 系（教研室）负责人 7一、毕业设计（论文）的主要内容及要求（任务及背景、工具环境、成果形式、着重培养的能力）1 任务： 翻译文献< Multiphysics modeling of a micro-scale Stirling refrigeration system >； 进行斯特林制冷机的热力学分析及回热器计算。2 设计的主要内容1）查阅文献，了解分置式斯特林机的技术发展背

2、景及结构特点；2）建立分置式斯特林制冷机热力学分析模型。3）对分析模型进行数值求解，运行结果及分析。4）填料式回热器的设计5) 撰写毕业设计说明书。3 着重培养的能力1）培养学生严谨的科学态度，正确的设计思想，科学的研究方法，敢于创新的精神和良好的工作作风。2）培养学生独立思考及独立工作，独立检索资料、阅读文献、综合分析、理论计算、工程设计、实验研究、工程制图、模拟抽象、数字及文字处理等能力。通过毕业设计的教学过程使学生获得工程设计和科学研究的初步锻炼。3）培养学生掌握一定的基本技能及综合运用基础理论、基本知识，解决具有一定复杂程度的工程实际问题的能力。二、应收集的资料及主要参考文献制冷学报、

3、低温工程、低温与超导、工程热物理学报、Cryogenics等刊物有关文献。陈国邦，最新低温制冷技术，机械工业出版社；陈芝久，制冷系统热动力学，机械工业出版社边绍雄，低温制冷机，机械工业出版社；吴沛宜等，变质量系统热力学及其应用，高教出版社三、毕业设计（论文）进度计划起 迄 日 期工 作 内 容备 注2013/122014/3/102014/3/112014/4/102014/4/112014/4/302014/5/12014/5/202014/5/202014/6l 查阅并翻译文献，l 调研论证，拟订技术路线和总体设计方案。l 建立分置式斯特林制冷机热力学分析模型l 对分析模型进行数值求解，运

4、行结果及分析。l 填料式回热器的设计l 撰写毕业设计说明书。 开 题 报 告分置式Stirling制冷机的热力学分析及回热器计算近几十年来，由于航天技术、红外技术、超导技术等现代科学技术的迅速发展，对低温制冷机提出了越来越高的技术要求，表现在不仅需要较高的制冷效率和可靠性，在一些特殊应用场合对体积和质量的要求也更加苛刻。以斯特林制冷机为代表的小型低温制冷技术很好的解决了上述问题，在低温制冷领域逐渐得到广泛的应用。斯特林制冷机是逆向斯特林循环工作的制冷机，斯特林循环是由O.R.Stirling于1816年提出的由两个等温过程和两个等容过程组成的热力循环。其工作过程是通过不变质量的工质在不同的温度

5、水平下重复地压缩和膨胀来实现的，能产生热转变成功的效应，因而斯特林循环出现的初期主要用于热空气发动机。19世纪60年代A.Kirk利用逆向斯特林循环进行制冷，获得成功，但由于当时生产力水平低下，整套制冷设备的经济型比较差，斯特林制冷机未能得到推广，直到20世纪60年代它才得到大力发展。斯特林制冷机分整体式和分置式两种，其中整体式斯特林制冷机自1954年开发以来，已在军事上获得应用，它的结构紧凑，效率高，能耗低，但是由于结构上的缺陷，曲柄连杆驱动的压缩机振动使用户难以接受；而且由于驱动方式带来的侧向力，造成密封磨损，缩短了整机寿命。此外，曲柄连杆机构上的润滑油以及驱动电动机线圈绝缘的排气，都会造

6、成回热器冷端冻结，使回热性能恶化，也导致整机寿命的缩短。分置式斯特林制冷机是在整体式研究的基础上发展起来的，由于它的压缩机与冷头用一个分置管连接，可以避免或减少压缩机的振动对冷头的影响，使被冷却的器件远离振动源。作为斯特林制冷机的重要分支，以及其避免干扰的优点，我选择分置式斯特林制冷机作为本课题的主要研究对象。对斯特林制冷机的研究，目前重点是在整机的研制上。主要整机改进有：1. 用直线电机驱动代替旋转电机驱动曲柄连杆的传动早期的分置式斯特林制冷机是由旋转电机驱动、具有曲柄连杆机构的压缩机。为避免工质气体被油润滑污染，采用了密闭的球轴承或干磨擦材料轴承。但是，这种机器由回转运动引起的侧向分力会将

7、活塞推向气缸壁，引起磨擦和磨损，限制了机器的寿命。因此，由旋转电机驱动曲柄连杆的传动发展为直线电机驱动，进而采用双活塞对置直线驱动，使压缩机动子的动量得到了平衡。2. 非接触间隙密封代技术斯特林制冷机的振动和磨损不但来源于气缸与活塞，而且也来源于轴承，其对于制冷量较小的微型制冷系统影响较大。早起的接触轴承和滚动轴承都不能很好地解决这一问题，如今出现的非接触间隙密封技术使气缸与活塞无接触，不需润滑油润滑，可将磨损将至最低。最普遍的方法是采用挠性轴承（也称柔性轴承）来支承置于相应气缸中的活塞和排出器，从而消除任何接触。3. 微型化设计除了直线电机可精简斯特林制冷机结构外，在在分置式斯特林制冷机中，

8、排出器可以通过单独的直线电机驱动，同时采用复杂的电控系统来精确控制活塞和排出器之间运动的相位差。但是，为了简化结构，提高可靠性，一般都是采用气动型膨胀机。排出器由压机产生的周期性压力波所驱动，排出器及其支承弹簧组成一个受迫振动系统，产生的阻尼力能产生合适的相位差，使排出器的运动比压缩活塞运动总是超前一个相位角，从而产生有效的制冷效应。典型代表有牛津大学的Davy研制的牛津型斯特林制冷机。综上所述，近年来有关斯特林制冷机的关键技术主要有以下几项：无磨损支承技术、直线电机技术、减振降噪技术、防工质污染、泄漏控制技术、自适应控制技术。我国的斯特林制冷机研究，经历了长时间的仿制、原理样机研制和技术探索

9、，直至目前国内研制出的几种型号的产品已经达到国际先进水平。但总体说来，与部分发达国家相比，中国的实用化斯特林制冷技术还较落后，差距达510年。另外，理论研究是作为产品开发过程中的辅助手段，与整机改进相辅相成。其中，斯特林制冷机的工作过程、热力学的动态分析以及回热器设计是研究的重要内容。它对于斯特林制冷机的研制和优化具有举足轻重的作用。本设计题目是对分置式斯特林制冷机的热力学分析及回热器的计算。我们首先要对分置式斯特林制冷机的历史演变和现今研究进展进行了解，并从不同驱动方式的分置式斯特林制冷机中进行选型，选择一种既能符合当今社会对小型低温制冷机的发展要求，又能对分置式斯特林制冷机的热力学分析提供

10、良好的结构基础。其次，是根据所选择的结构进行物理模型简化以方便热力学分析。本课题为了将各参数之间的关系较好的展现，故选用分离计算法中的等温模型热力学分析，为得到各腔压力分布，质量分布和一次循环中的理论冷量Qco、理论功耗N的积分解，然后进行再损失分析，数值分析中根据所选机型的特点只分析其回热损失、流阻损失、泵气损失、冷头热漏损失、导热损失。最后在MATLAB/Simlink平台上搭建仿真模块，分析热力学过程中工作腔容积、压力在走起内的变化，以及分析理论冷量关于环境温度、充气压力和回热器孔隙率的变化规律。具体步骤如下：1. 对所选类型的分置式斯特林制冷机进行等温模型下的热力学分析，详细叙述各个参

11、数的计算方法。2. 对分置式斯特林制冷机进行参数设计以及热力学参数的数值计算和损失分析，对设计参数进行验证。3. 根据数学模型对分置式斯特林制冷机的热力过程在MATLAB/Simlink平台上建立仿真模型，得出压缩腔和膨胀腔的容积、压力随时间变化的曲线。选取制冷机运行的初始参数变量：环境温度、充气压力、回热器孔隙率，建立仿真模型探求三个变量对理论制冷量和 理论功耗的影响。并结合三个变量对制冷机运行性能的影响得出结论。4. 根据要求对回热器进行填料的选择、结构的设计，以及结构参数、物性参数、回热器流动特性和传热过程的计算。参考文献1 吴锋，陈林银等，斯特林机的有限时间热力学优化，化学工业出版社2 陈长琦，吴卓林，分置式斯特林制冷机的物理模型及动态特性分析3 陈国邦，最新低温制冷技术，机械工业出版社；4 陈芝久，制冷系统热动力学，机械工业出版社5 边绍雄，低温制冷机，机械工业出版社；6 吴沛宜等，变质量系统热力学及其应用，高教出版社7 陈国邦，颜鹏达，李金寿，斯特林低温制冷机的研究与发展，低温工程指导教师评语：（建议填写内容：对学生提出的方案给出评语，明确是否同意开题，提出学生完成上述任务的建议、注意事项等） 指导教师签名： 毕业设计过程记录表 （教师填写）序号检查时间检查内容指导教师阶段检查评语（要指出该阶段存在的问题及解决的方