激波传递能量强化双开口振荡管制冷性能研究

摘要

气波制冷是一种利用波系在振荡管内运动实现气体间能量传递与转化的制冷技术，具有膨胀效率较高、持液量大、易维护等特点。目前已成功应用于气体膨胀制冷领域，如中小型低温风洞及天然气低温处理系统。深入研究双开口振荡管管内气体流动特性与能量传递特性，寻求提高气波制冷性能的方法，有利于完善气波制冷理论，扩展气波制冷技术应用范围，促进气波制冷技术发展。
　　研究发现，双开口振荡管具有较高的增压性能，这种增压现象源自于管内运动激波的动力学特性。利用这一增压方法强化气波制冷机性能是气波制冷技术发展的新方向。本文基于压力能回收思想，提出在气体膨胀制冷前利用激波构造一个增压过程，回收气体膨胀功，提升压缩机入口压力，降低压缩机增压比，大幅降低外部压缩机功耗。由于气体膨胀制冷前经历两次增压，一次利用激波增压，一次利用压缩机增压，因此该方法称为二次增压气波制冷方法，适用于提高带有外部增压的气波制冷系统性能。
　　本文建立了实验平台并结合理论与数值技术对带有激波增压过程的气波制冷方法展开研究，研究内容与结论总结如下:
　　(1)研究双开口振荡管管内气体波动过程。基于一维非定常流动理论，建立双开口振荡管气体流动波图，揭示双开口振荡管内气体流动与能量传递规律。分析了管内激波传递能量效率，得到了膨胀制冷压比与激波增压效率曲线。建立了双开口振荡管气波制冷机结构设计方法，该方法可以用于优化气波制冷机结构参数。
　　(2)研究了双开口振荡管内冷热气体分界面形态，及其对带有增压过程的气波制冷性能的影响。提出两种揭示冷热分界面形态的图形表述方法。研究表明，冷热分界面宽度反映了双开口振荡管内冷热气体质量交换与能量交换程度。冷热分界面最远移动距离Lmax与低温排气宽度WLT对二次增压气波制冷性能影响较大，冷热分界面尾端排气掺混是影响制冷效率的重要因素。激波增压效率越高，冷热分界面形态由“宽”向“窄”变化，揭示了激波增压与低温排气腔宽度的匹配关系。控制冷热气体掺混区在振荡管内的位置可以提高气波制冷机性能。
　　(3)研究了双开口振荡管内低温排气方向对制冷机性能的影响。依据低温排气方向不同，双开口振荡管可以分为通流型与返流型，通过数值与实验方法对比分析这两类双开口振荡管管内气体流动以及能量传递规律。研究表明，二者管内流动波图差异较大，但二者管内激波增压性能完全相同。由于通流型振荡管内部增加了一次低温气体与常温气体掺混过程，其管内波系匹配的精度要求更高。实验对比发现，气体泄漏及换热对通流型气波制冷机性能影响较大，返流型双开口振荡管更适合应用于制冷工况。
　　(4)研究了利用激波传递能量的二次增压气波制冷方法。建立了带有外部增压与热量耗散过程流动模型，考虑了外部压缩机增压与冷凝器热量耗散作用，分析了整个制冷过程的能量传递与转换过程，数值计算结果与实验结果吻合度较高;建立了制冷系统热力学模型，分析了系统主要参数对制冷性能的影响，发现提高膨胀端效率是提升系统制冷性能的关键。开展实验分析，研究了操作参数与结构参数对二次增压气波制冷性能影响规律。研究表明，以制冷膨胀压比1.5为例，二次增压气波制冷性能是外循环耗散型气波制冷性能的2.3倍，高压气体约53％的膨胀功在双开口振荡管内通过激波得到回收，制冷性能获得大幅提升。
　　(5)研究了带有增压过程的气波制冷脱湿方法。针对天然气降温脱湿的需求，利用激波传递能量恢复脱湿干气压力能，降低系统制冷过程膨胀比，提高制冷效率;回收干气冷量预冷下一个制冷周期的高压进气，增加制冷深度。由于含湿气膨胀过程与干气增压过程同时在双开口振荡管内进行，必然存在干湿气掺混段。本文提出了双开口振荡管内干湿气体掺混段的控制方法;建立了制冷脱湿过程的热力学模型，分析主要参数对系统性能的影响;最后进行了实验研究。研究表明带有增压过程的气波制冷脱湿方法在系统膨胀压比1.1条件下，获得了内部约35℃的制冷温降，脱湿干气压力恢复系数达到0.9，大幅提高了制冷深度与制冷效率。虽然该制冷脱湿方法不对外输出冷量，但是可用于气体脱湿净化过程。实验结果可以为工业应用提供指导。

目录

声明

摘要

主要符号表

引言

1文献综述

1．1气体膨胀制冷

1．1．1气体膨胀制冷常见方式

1．1．2逆布雷顿制冷循环

1．2气波制冷技术发展

1．2．1单开口振荡管气波制冷机

1．2．2双开口振荡管气波制冷机

1．3双开口振荡管研究进展

1．3．1 双开口振荡管起源与设计方法

1．3．2双开口振荡管数值研究

1．3．3．双开口振荡管热力学与实验研究

1．3．4．双开口振荡管新应用研究

1．4二次增压气波制冷

1．5本文研究思路与技术路线

1．5．1研究思路

1．5．2技术路线

1．6本章小结

2气波制冷实验平台建立

2．1总体设计思路

2．2实验平台搭建

2．2．1气波制冷机结构

2．2．2实验流程

2．3配套实验系统

2．3．1气源供给系统

2．3．2测量系统

2．4本章小结

3 双开口振荡管内能量传递特性

3．1双开口振荡管内能量传递过程

3．1．1波的形成

3．1．2非定常一维等熵流动

3．1．3一维非定常波的反射与干扰规律

3．2激波的增压效率分析

3．3双开口振荡管气波机参数优化

3．3．1 双开口振荡管管内气体流动波图建立

3．3．2 结构设计与优化

3．3．3 端口设计方法验证

3．4本章小结

4双开口振荡管管内流动分析

4．1数值模型

4．1．1物理模型

4．1．2控制方程组

4．1．3湍流模型

4．1．4壁面函数法

4．1．5数值方程的离散

4．1．6数值模型验证

4．2双开口振荡管内激波强度分析

4．3分界面的定义与分界面影响因素

4．3．1分界面的定义

4．3．2操作参数对分界面影响

4．3．3结构参数对分界面影响

4．4低温排气方向对气波制冷性能影响

4．4．1通流型与返流型双开口振荡管管内流动分析

4．4．2通流型气波制冷机实验研究

4．5本章小结

5二次增压气波制冷

5．1气波二次增压制冷方法原理

5．2二次增压气波制冷能量传递过程

5．3系统热力学分析

5．4实验分析

5．4．1二次增压气波制冷实验影响因素

5．4．2重复性检验

5．4．3内置风机性能分析

5．4．4操作参数对制冷机性能的影响

5．4．5结构参数对制冷机性能影响

5．5本章小结

6带有增压过程的气波脱湿方法

6．1带有增压过程的气波脱湿原理

6．2干湿掺混控制方法

6．3气波脱湿系统热力学分析

6．3．1热力参数定义

6．3．2系统热力学分析

6．4气波脱湿实验研究

6．5本章小结

7结论与展望

7．1结论

7．2创新点

7．3展望

参考文献

附录

作者简介

攻读博士学位期间科研项目及科研成果

致谢