（化工过程机械专业论文）对冲型振荡管性能研究.pdf

人迮理工人学硕士学侮论文 摘要 振荡管是气波制冷机的主要元件之一，肩负着耗散管内气体能量的任务。因此，为 保证气波机制冷的需要，工业气波机振荡管长度一般较长，振荡管末端温度较低，系统 的振荡管壁温分布研究结果比较缺乏。同时，以往研究表明气波制冷机等熵制冷效率随 射流频率变化而大幅波动，影响了气波制冷机变工况工作的适应能力。针对以上两个问 题，本文采用了数值模拟和实验相结合的方法，对振荡管内流动进行深入分析，提出了 振荡管结构的改进方法，并对新型振荡管对冲型振荡管进行了系统的实验与数值分 析，为其实际应用奠定了基础。本论文的主要研究工作及所形成的主要结果与结论如下： ( 1 ) 建立了完善的气波机实验装置和测试系统，可较好地完成振荡管内瞬态压力、 振荡管外壁温度、机器制冷性能及其结构优化等实验工作，建立了多管、多周期气波振 荡管的数值分析模型，可对不同结构振荡管内流体流动过程进行模拟，为进一步揭示振 荡管制冷机理提供条件。 ( 2 ) 对一端封闭均直振荡管的擘温分布进行研究，结果表明：不同参数条件下，气 波机振荡管的壁温分布均为沿管长先迅速上升然后缓慢下降，振荡管的木端温度较低， 通过改变参数而提高壁温的幅度有限，即管长利用率较低，并且随着射流频率等参数的 变化振荡管管长利用率将变得更低，造成了管材的浪费。 ( 3 ) 对振荡管内压力波的相交透射过程进行的研究表明，激波的相交能引起此处振 荡管管壁温度上升，利于管内气体能量的外输耗散，据此提出了对冲型均直振荡管结构， 并对其进行了实验与数值分析。结果表明：对冲型均直振荡管实现了激波在两管连通处 的相交透射，提高了两振荡管连通处管壁的温度，即提高了振荡管的管长利用率。同时， 削弱了返回振荡管入口端激波的强度，振荡管的等熵制冷效率提高；与一端封闭均直管 相比，振荡管的等熵制冷效率提高可达5 左右，且等熵制冷效率的波动范围略有降低。 ( 4 ) 根据对冲型均直振荡管的结构特点，结合突扩结构激波吸收腔削弱反射激 波强度的机理，提出了对冲阻尼型振荡管结构，并对各参数对其制冷性能的影响进行了 系统实验和分析。结果表明= 对冲阻尼型振荡管能够将入射激波反射回膨胀波，消除了 反射激波对振荡管制冷性能的不利影响，与一端封闭均直管相比，振荡管的等熵制冷效 率提高可达15 左右，且等墒制冷效率曲线变得较平坦，能够提高气波机的变工况工作 的适应能力。同时，在保证较高等熵制冷效率的情况下，对冲阻尼型振荡管的管长大幅 减小，从而缩小了气波制冷机的体积。 关键词：对冲型振荡管；制冷性能；等熵制冷效率；激波 对冲型振荡管性能研究 s t u d y o nc a p a b i l i t yo fi n t e r s e c t i o no s c i l l a t i n gt u b e a b s t r a c t t h eo s c i l l a t i n gt u b ei sa m o n gt h ep r i m a r ye l e m e n to ft h eg a sw a v er e f r i g e r a t o r , i t s h o u l d e r st h et a s ko fe n e r g yd i s s i p a t i o n s o ，i no r d e rt oa s s u r et h en e e do ft h eg a sw a v e r e f r i g e r a t o r ，t h el e n g t ho ft h eo s c i l l a t i n gt u b ei sg e n e r a l l yl o n g e r , a n dt h et e m p e r a t u r eo ft h e o s c i l l a t i n gt u b ea tt h ee n di sl o w e r ，t h ei n v e s t i g a t i o nr e s u l to ft h ed i s t r i b u t i n go ft h eo s c i l l a t i n g t u b ew a l lt e m p e r a t u r ei sr e l a t i v el a k e a tt h es a n l et i m e ，t h ei n v e s t i g a t i o ni n d i c a t e dt h a tt h e i s e n t r o p i cr e f r i g e r a t i o ne f f i c i e n c yo ft h ea c t u a lg a sw a v er e f r i g e r a t o ru n d u l a t e sc o n s u m i n g l y f o l l o w i n gt h ec h a n g i n go ft h ej e tf l o w , f r e q u e n c y ，a n dt h a ta f f e c t e dt h ea d a p t i o na b i l i t yo ft h e g a sw a v er e f r i g e r a t o r a i m i n ga tt h o s et w om a t t e r s ，t h em e t h o do fc o m b i n a t i o no f e x p e r i m e n t a la n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o ni sa d o p t e db yt h i sp a p e rt oa n a l y s et h ef l u x i o ni nt h e o s c i l l a t i n gt u bd e e p l y t h ea m e l i o r a t i o nm e t h o do ft h eo s c i l l a t i n gt u b es t r u c t u r ei sp u tf o r w a r d a n dt h es y s t e m i ce x p e r i m e n ta n dt h en u m e r i c a lv a l u ea n a l y s ef o rt h en e w t y p eo s c i l l a t i n gt u b e ( t h ei n t e r s e c t i o no s c i l l a t i n gt u b e ) h a sb e e nd o n e ，t h a tl a y st h ef o u n d a t i o nf o rp r a c t i c e a p p l i c a t i o n i nt h i sp a p e r ，t h em a i nw o r ka n dt h em a i nc o n c l u s i o n sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) t h el o g i c a le x p e r i m e n tp l a t f o r ma n dt e s ts y s t e ma lee s t a b l i s h e dt oa c c o m p l i s ht h e m a n ye x p e r i m e n t a lw o r k so no s c i l l a t i n gt u b e ，s u c ha st h ei n n e rt r a n s i e n tp r e s s u r e ，t h eo u t e r w a l lt e m p e r a t u r e ，t h er e f r i g e r a t i o np e r f o r m a n c ea n dt h es t r u c t u r eo p t i m i z a t i o n an u m e r i c a l m o d e lo fg w ri ss e tu pw h i c hc a nc o m p l e t et h em u l t i p e r i o dc o m p u t a t i o n ，a n ds i m u l a t et h e f l o w a g et o p s y - t u r v y d o mi n s i d et h ed i f f e r e n to s c i l l a t i n gt u b es t r u c t u r e t h a tp r o v i d e st h e c o n d i t i o n sf o ro p e n i n go u tt h er e f r i g e r a t i o nm e c h a n i s m ( 2 ) b ys t u d y i n gt h et u b ew a l lt e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i n go ft h es t r a i g h to s c i l l a t i n gt u b e ， t h er e s u l t ss h o w e dt h a t ：u n d e rt h ec o n d i t i o n so fd i f f e r e n tp a r a m e t e r s ，t h et u b ew a l l t e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i n go ft h es t r a i g h to s c i l l a t i n gt u b ei sr a p i d l yr i s i n gf i r s ta n dt h e nd r o p s s l o w l ya l o n gt h et u b el e n g t h ，t h et e m p e r a t u r ea tt h ee n do ft h et u b ei sl o w e r ，a n dt h ee x t e n tt o h e i g h t e nt h et e m p e r a t u r eb yc h a n g i n gt h ep a r a m e t e r si sl i m i t e d ，i no t h e rw o r dt h eu t i l i z a t i o n r a t eo f t h eo s c i l l a t i n gt u b ei sl o w e ra n dt h ei tw i l lb e c o m em o r el o w e rw h e nt h e j e tf l o w f r e q u e n c yi sc h a n g e d ，t h a tr e s u l t i n gi naw a s t eo ft h ep i p em a t e r i a l ( 3 ) b ys t u d y i n gt h ei n t e r s e c t i n ga n dt r a n s m i s s i o np r o c e s so ft h ep r e s s u r ei n s i d et h e o s c i l l a t i n gt u b e ，t h er e s u l ts h o w st h a tt h ei n t e r s e c t i o no fs h o c kh e r ec a nc a u s eo s c i l l a t i o nt u b e w a l lt e m p e r a t u r er i s e ，a n di ti sg o o df o rd i s s i p a t i n gt h e e n e r g yd i s s i p a t i o n h e r e b y ，t h e i n t e r s e c t i o ns t r a i g h to s c i l l a t i n gt u b eh a sb e e nb r o u g h tf o r w a r da n dt h ee x p e r i m e n ta n dt h e 大连理 大学硕士学位论文 n u m e r i c a lv a l u ea n a l y s ef o ri th a sb e e nd o n e t h er e s u l ts h o w st h a tt h es h o c kw a v ec a n i n t e r s e c ta n dp e r m e a t ea r o u n dt h ec o n t e r m i n o u s ，a n dt h e nt h et e m p e r a t u r ea tt h ed e p a r t m e n t o ft h ec o n n e c t i o nh a sb e e nr a i s e d ，i no t h e rw o r d st h eu t i l i z a t i o nr a t eo ft h eo s c i l l a t i n gt u b ei s i n c r e a s e d s i m u l t a n e i t y ，t h ei n t e n s i o no ft h es h o c kw a v ew h i c hr e t u r nt ot h et u b ee n t r a n c eh a s b e e nw e a k e n e d ，a n dt h ei s e n t r o p i cr e f r i g e r a t i o ne f f i c i e n c yo ft h eo s c i l l a t i n gt u b ei si m p r o v e d ； c o m p a r i n gw i t ht h es t r a i g h to s c i l l a t i n gt u b e ，t h ei s e n t r o p i cr e f r i g e r a t i o ne f f i c i e n c yr a i s e su p t o a b o u t5 a n dt h ef l u c t u a t i o nr a n g eo fi s e n t r o p i cr e f r i g e r a t i o ne f f i c i e n c yb yt h ej e tf l o w f r e q u e n c yi ss l i g h t l yd e c r e a s e d ( 4 ) b a s i n go nt h es t r u c t u r ec h a r a c t e r i s t i co f t h ei n t e r s e c t i o ns t r a i g h to s c i l l a t i n gt u b e ， a n dc o m b i n i n gt h em e c h a n i s mo fw r e a k i n gt h ei n t e n s i o no ft h er e f l e c t e ds h o c kw a v e s ，t h e i n t e r s e c t i o nd a m p i n go s c i l l a t i n gt u b eh a sb e e np r o p o s e d ，a n dt h ee x p e r i m e n ta n dt h e n u m e r i c a lv a l u ea n a l y s ef o rt h ei n f l u e n c eo fr e f r i g e r a t i o nc a p a b i l i t yb yt h ed i v e r s i f i e d p a r a m e t e r sh a sb e e nd o n e t h er e s u l ts h o w st h a tt h er e f l e c t e dw a v ei se x p a n s i o nw a v e ，t h a t e l i m i n a t e st h ea d v e r s ei n f e c t i o no ft h er e f l e c t e ds h o c kw a v e s c o m p a r i n gw i t ht h es t r a i g h t o s c i l l a t i n gt u b e ，t h ei s e n t r o p i cr e f r i g e r a t i o ne f f i c i e n c yr a i s e su pt oa b o u t15 a n dt h ec u r v e o ft h ei s e n t r o p i cr e f r i g e r a t i o ne f f i c i e n c yb e c o m e sf l a t ，t h a tw i l li m p r o v et h ea d a p t i o na b i l i t yo f t h eg a sw a v er e f r i g e r a t o r s i m u l t a n e i t y ，i ne n s u r i n gah i g h e ri s e n t r o p i ce f f i c i e n c yo f r e f r i g e r a t i o n ，t h el e n g t ho ft h ei n t e r s e c t i o nd a m p i n go s c i l l a t i n gt u b eh a sr e d u c e d s i g n i f i c a n t l y ，t h e r e f o r e ，t h ev o l u m eo ft h eg a sw a v er e f r i g e r a t o ri sr e d u c e d k e yw o r d s ：i n t e r s e c t i o no s c i l l a t i n gt u b e ；r e f r i g e r a t i o nc a p a b i l i t y ；i s e n t r o p i c r e f r i g e r a t i o ne f f i c i e n c y ；s h o c kw a v e 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目：盘瘦型盘簦蛀啦 作者签名：已章互犟l 一日期：至盟年厶月三二日 大连理工大学硕士学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文题目： 作者签名： 导师签名： 大连理l ：人学硕士学位论文 1绪论 1 1 引言 随着全球经济的飞速发展，能源问题日益突出。2 l 世纪，能源结构发生重大调整， 在一次性能源中，天然气的需求量会以年2 6 的速度增长，到2 0 4 0 年，将达到总需求 量的5 1 ，从而超过石油和煤炭，成为第一能源，这一变化对天然气加工处理技术而言， 既是机遇，也是挑战。天然气蕴藏在地层深处，主要以压缩气体形态存在，其中含有丰 富的压力能。在天然气的加工处理工艺中，充分有效的利用其自身所含的压力能，一方 面可避免能源的浪费，另一方面还可减少设备投资、降低装置能耗、提高系统性能，同 时也是经济和社会可持续发展的要求。 目前，我国的节能工作主要集中在废、余热的综合利用、缩小换热器温差、提高设 备的热效率、采用新技术对就设备进行改造以及节约水电等方面。而气体压力能的回收 利用尚未引起人们足够的重视。如在化工生产和油气开发中，常常就有许多含有有用组 分且具有一定压力的尾气和油田伴生气未经处理就被白白地放空烧掉。既造成了能源的 浪费，而且还污染了环境。利用这些气体的压力能来分离回收所需组分，既能利用压力 能，又能增加产量，且有益于保护环境，压力能的回收与综合利用，具有重要的经济效 益和社会效益。因此是具有重要意义的课题。 由热力学基本原理知，使带压气体膨胀可以将压力能转换为机械能、热能、冷能等 能量形式，因此，气体膨胀可以降低其焓值，从而使气温降低，实现制冷。膨胀制冷的 方法可以分为两类，不作外功的膨胀和作外功的膨胀。前一种方法只需在连续流动的管 路上装入一个简单的节流阀，这种方法简单易行，操作维护方便，但其本质只是气体的 等焓膨胀，制冷效率较低，因而一般在工程上几乎没什么应用价值，后一种方法是通过 膨胀机对外作功。 伴随着技术的发展和进步，人们根据制冷行业以及压力能回收的需要，又陆续研究 开发了许多其它气体膨胀制冷设备，其中气波制冷机【l 】1 2 l ( g a sw a v er e f r i g e r a t o r ) ( 以 前也叫热分离机) 是二十世纪六十年代末至七十年代初新兴的一种制冷装备，它将气体 的压力能转化为动能，并作压缩功，通过激波和膨胀波的运动，实现冷热分离，从而达 到降温制冷的目的。 根据结构的不同，气波制冷机可分为静止式和旋转式两大类。从其制冷机理上来说 大致相同，都是利用气体的可压缩性产生激波和膨胀波束对气体制冷制热，但具体到机 器结构和射流过程来说，静止式和旋转式气波制冷机又有很大的不同，同时两者也具有 对冲型振荡管性能研究 各自的优缺点。旋转式气波制冷机的特点：l 、效率高( 旋转式气波制冷机效率约为静 止式气波制冷机效率的两倍) ；2 、运行周期长；3 、适应性强；4 、操作维修简便( 唯 一的易损件滚动轴承更换方便，机器运行时不需特别管理) 等等。 1 2 气波制冷丰几发展概况 1 ，2 1 发展状况 2 0 世纪初，德国学者h a r t m a n n 发现，对一端封闭的匀直短管，在其丌口端有一喷 嘴产生的不完全膨胀超音速射流连续沿轴向射入时，管内产生强烈的振荡。1 9 5 4 年， h p r e n g e r 在管口放置一细尼龙线条件下，在马赫数低到o 5 2 时除产生强烈振荡外，还伴 随着强烈的热效应。这就是著名的h a r t m a n n s p r e n g e r 管( 简称h s 管) 1 3 l 。h s 管与气波 振荡管尽管在结构上极为柄似，僵出于其驱动方式的不同，使得它们在管内流动过程、 流动特性及应用等方面存在较大差别，h s 管显著特征是管壁产生强烈的热效应及管内 强烈振荡，主要用于点火器；而气波振荡管是脉动的射流驱动，产生冷热分离，主要 用于提供冷量。但h s 管的发展对气波振荡管的研究提供了极大的借鉴。 2 0 世纪7 0 年代初法国e l f 公司和b e r t i n 公司发明了种新型制冷机热分 离机。1 9 7 2 年，e l f 及b e r t i n 两公司在加蓬为e l f s p a c e 公司建造了第套用热分 离机从火炬管线上回收汽油的装置。法国n a t 公司先后在欧、亚、非洲的些油田建 造了十凡套煞分离枕，用于回收油礤气或火炬管线中韵轻烃产品l i j l 2 j 1 4 】f 5 j 。 r 本三菱公司三原制作所于7 0 年代中期引进法国n a t 公司专利，经过数年的研究 开发后，将热分离机广泛应用于化工厂各种尾气中液体产品的回收【6 l 【7 1 。美国、前苏联 也报道了有关方面的专利和研究1 8 i i 9 1 。 我国从8 0 年代初期开始，一些单位先后丌始了这方面的研究，如浙江大学、大连 理工大学、上海交通大学、营口石化研究所及华北勘测设计院等单位先后丌展了对气波 制冷机的研究，这些研究主要包括：结构及工况条件对机器性能的影响、机器内部流动 分析及数值模拟、振动_ 稻噪声的控制和工业化应蠲等l m 。9 1 。浙江大学研制的枧器率先在 辽河油田投产运行用于回收油田伴生气中的轻烃，大连理工大学从上个世纪8 0 年代开 始从事气波制冷机的研发，随后一宜致力于改进机器结构、提高机器效率，于9 3 年在 大庆油田完成工业化试验后，组建气波制冷技术研究推广中心，使气波制冷机在轻烃回 收、天然气脱水净化以及国防科研领域中得到了大量应用，目d ，j t 在“西气东输”国家工 程，哈萨克斯坦等国外项目和科研装备中已成功应用几十套。 大连理j i ：大学硕十学位论文 1 2 2 制冷技术的研究 制冷技术是为适应人们对低温条件的需要而产生和发展起来的。制冷作为- - f 科学 是指用人工的方法在一定时间和一定空间内将某物体或流体冷却，使其温度降到环境温 度以下，并保持这个低温。这里所说的”冷”是相对于环境而言的。灼热的铁放在空气中， 通过辐射和对流向环境传热，逐渐冷却到环境温度。它是自发的传热降温，属于自然冷 却，不是制冷。制冷就是从物体或流体中取出热量，并将热量排放到环境介质中去，以 产生低于环境温度的过程。机械制冷中所需机器和设备的总合称为制冷机。制冷机中使 用的工作介质称为制冷剂。制冷剂在制冷机中循环流动，同时与外界发生能量交换，即 不断地从被冷却对象中吸取热量，向环境排放热量。制冷剂一系列状态变化过程的综合 为制冷循环。为了实现制冷循环，必须消耗能量。所消耗能量的形式可以是机械能、电 能、热能、太阳能或其它形式的能量。制冷技术的研究内容可以概括为以下三方面： ( 1 ) 研究获得低温的方法和有关的机理以及与此相应的制冷循环，并对制冷循环进 行热力学的分析和计算。 ( 2 ) 研究制冷剂的性质，从而为制冷机提供性能满意的工作介质。机械制冷要通过 制冷剂热力状态的变化才能实现。所以，制冷剂的热物理性质是进行循环分析和计算的 基础数据。此外，为了使制冷剂能实际应用，还必须掌握它们的一般物理化学性质。 ( 3 ) 研究实现制冷循环所必须的各种机械和设备，包括它们的工作原理、性能分析、 结构设计，以及制冷装置的流程组织、系统配套设计。此外，还有热绝热问题，制冷装 置的自动化问题等等。 1 2 3 气波制冷机的应用 2 0 世纪7 0 年代，n a t 公司先后在欧、亚、非洲的一些油田制造了几十台热分离机用 来回收油田伴生气或火炬管线中轻烃产品。7 0 年代中，日本三菱重工业公司制作所引进 n a t 公司专利，经数年的开发研究后，将热分离机广泛的应用于化工厂各种尾气中的有 用组分的回收，我国从8 0 年代开始研究气波制冷机，并已经投入工业一运行，其应用如： 1 ) 天然气脱水净化1 2 0 】；2 ) 石油天然气中的轻烃回收1 2 6 2 4 l ；3 ) 低温粉碎p z 6 1 ； 4 ) 低温风洞f 2 7 2 s j ；5 ) 化工工业尾气中回收有用组分1 2 9 1 ；6 ) 其他应用( 如：食 品速冻保鲜等) 。 对冲l ! 振荡管性能研究 1 3 气波制冷机制冷机理 1 3 1气波制冷机的分类 传统气波制冷机按结构可以分为两大类： 静止式和旋转式( 见图1 1 ) 。这两种气波 机除结构区别外，制冷机理上主要是形成振荡管间歇射气方式不同。按照使用压力的不 同还可分为：高压气波机、中压气波机和低压气波机。按振荡管数量的不同可分为：单 管式气波机、双管式气波机和多管式气波机。 ( a ) 静i ：式 ( b ) 旋转式 图1 1气波制冷机的基本类型 f i g 1 ，l b a s i ct y p e so fg a sw a v er e f r i g e r a t o r 静止式气波制冷机( s t s ) 主要由射流喷嘴、振荡管、排气管及喷嘴两侧的共鸣腔组 成，是一种适合于处理高压气体的制冷机型( 见图1 1 a ) 。这种结构的气波制冷机的最大 优点是无转动部件，因而结构简单，操作维护相当容易，其缺点是充排气混合比较严重， 制冷效率低，不到4 5 。 旋转式气波制冷机( r t s ) f l ：i - - 个内装喷管的气体分配器、消波装置( 即激波吸收腔) 以及呈放射状均布在其周围的振荡管束等所组成( 见图1 1 b ) 。工作时，压缩气体经空心 轴进入气体分配器并在喷嘴中膨胀加速，从喷嘴出来的高速射流籍气体分配器的转动而 连续的改变方向1 3 0 3 引，并依次蒯隔的射入四周呈放射状的振荡管中。每根振荡管在两次 射气间隔期闷排气。这种结构形式的机器使充、排气不易混合，故制冷效率较高，国内 为6 0 7 0 ，而国； i - n 达到8 0 9 0 。 大连理t 人学硕：十= 学1 奇：论文 从上所述可以看出，静止式气波机与旋转式气波机相比无论从适用场合和工况范围 到结构形式都有很大的不同。从制冷原理来看都是利用波制冷理论，更多的方面是相同 的。但就制冷效率而言，后者是前者的2 倍左右。 尽管上述两类气波制冷机的结构及脉动射流方式不同，但振荡管的气体流动过程和 制冷原理是一样的。旋转式气波制冷机是由静止式气波制冷机经过改进后设计出来的， 喷嘴为旋转式的，入射气体通过一根空心的轴进入到不断旋转的入射喷嘴，然后沿周向 依次射入振荡管内，排出的冷气经排气端口排出，其中进气与排气各行其道，静止式气 波机出现的混合问题得到了很大的改善，但是旋转式气波机的结构还是存在一些弊端， 例如：喷嘴和振荡管端面之间的问距随机器运行时间的增加会越来越大，从而由于从间 隙漏出气体产生的影响也越来越大，势必导致机器的效率逐渐降低。 1 3 2 气波制冷机的工作原理 气波制冷机工作时，带有压力的来料气体通过喷嘴膨胀加速，由喷嘴高速喷出，依 次射入沿喷嘴圆周排布的各振荡振荡管中，见图1 1 ( b ) 。 ( a ) 1 、接触面2 、激波3 、右行膨胀波 ( b )1 、接触面2 、激波3 、右行膨胀波 ( c ) 1 、接触面 2 、激波3 、右行膨胀波 图1 2 管内波系的运行 f i 9 1 2t h e c o u r s eo fw a v ei n s i d et h et u b e 剖析管束中的任一单管内的气体流动状态，即可分析其工作过程和机理1 3 4 1 。现详细 描述如下：喷嘴对着振荡管射气的瞬间，射入的气体与管内原有气体之间形成一个接触 面，该接触面可以看作是一个无质量的“活塞”。由于接触面两边气体的速度和压力都 对冲刑振荡管性篚研究 不相等，为了满足接触面的相容性条件( 即接触面两边气体的速度压力相等) ，该活 塞”向前运动，在“活塞”的前方将出现同方向运动的激波，如图1 2 ( a ) ，激波扫过之 处，该处气体受到压缩，温度和压力提高，振荡管从此形成热腔。与激波产生的同时， 又一束膨胀波产生，作用于接触面后的气体，使该部分气体通过膨胀获得高速，静温下 降，形成冷腔。 喷射停止后关闭振荡管歼口端，如图l 。2 ( b ) ，由于接触面与管口之阊的气体随“活 塞”向前运动，突然关闭管口，管口气流速度骤然降至零，因此从管口产生一束右行膨 胀波，使管口与接触面间气体进一步膨胀，静温下降，而激波进一步压缩管内气体，此 时激波对气体做功的能量由管口与接触面之间的气体供给，又使得该部分气体总温下 降。 当振荡管管口与低压排气管接通时，进入排气阶段。由于振荡管内外压不平衡，内 部压力高于外部压力，同时又有一束右行膨胀波传至管内，使管口与接触面间气体静温 再度下降，变成冷气排出管羚，如图1 2 & ) ，冷气排尽时，接触亟到达管口。运动到振 荡管封闭端的激波被激波吸收腔吸收，以免产生反射激波，影响降温效果。排气终止后 结束一个工作循环，被激波加热的气体通过管壁向外界散热。振荡管周期性的充排气， 管内完整工作循环的流动波图，如图1 3 。 一 一 ， 一， 勺 矿 瞪t 3振荡管管内流动波示意隧 f i g 1 3 t h ew a v ed i a g r a mo f t h ef l o wi nr e c e i v i n gt u b e 气波制冷机的结构虽然简单，但其制冷机理与内部气体的流动过程却相当复杂。自 从气波制冷机的前身一热分离机问世以来，广大学者便丌始探索其制冷机理，研究内部 6 人连理i ：人学硕士学位论文 气体的流动过程。对此先后提出了许多理论，主要有气体活塞理论【1 7 1 ，紊流理论【3 6 l ，表 面泵热理论【3 7 1 ，激波理论【3 8 1 和焓流调相理谢3 9 1 。目前还没有形成统一完善的理论，但 对于气波制冷机普遍认同的是激波理论。 气波制冷机振荡管内部的非定常流动由于伴随着非定常传热与摩擦，同时，又有部 分充排气及质量掺混的存在使管入口段内呈现复杂的三维效应。因此，要解析的描述管 内的真实过程十分困难。目前，国内绝大多数的研究为实验研究，只有俞鸿儒网于1 9 8 4 年，在一定简化假定的基础上，首次阐述了管内非定常流动，并根据流动波图计算出管 内各区流动参数。入射激波马赫数可由下式给出： ： 三丝i 二叟二! ! ( 1 1 ) 啊1 - 耕( 峥寺2 】寿 式中a = 乃仍；b = p i p i 。 、两区( 图1 5 ) 排气的理想制冷效应分别为： ”l 一掣虹譬 ( 1 2 ) l 一占， 驴l 一掣型学 ( 1 3 ) l s ， 式中，7 7 。、r l 。分别是 、两区的理想制冷效率；1 , 1 4 、u 6 分别是 、 两区排气速 度；c l o 为进气的滞止音速。而实际应用中在工作气体是理想气体的假定下，常用等熵制 冷效率： 7 7 = r h ，一t k ( 1 4 ) 兀( 1 一s ，) u 通过式( 1 2 ) ，( 1 3 ) 定性地分析里有关因素对制冷效率的影响，并讨论了提高 制冷效率的途径。 上述工作虽然作了大量假定，但基本能够反映管内非定常流动的主要物理过程，因 此，对有关的实验现象及规律的理论分析仍具有重要的指导作用。 1 3 3 各参数对气波制冷机等熵制冷效率影响 等熵制冷效率是制冷机械最重要的性能参数，研究者们主要研究了以下因素对气波 制冷机效率的影响，且多是针对旋转式气波制冷机丌展的。由于理论研究困难，国内对 机器结构、性能的研究以实验为主。下面对主要的实验研究成果作一介绍。 对冲强! 振荡管性能研究 ( 1 ) 转速( ，2 ) 的影响。1 9 8 4 年，邵件、包裕弟对转动喷嘴膨胀机进行了实验职究， 认为在定机组、一定操作压力等条件下，制冷效率随气体分配器转速的变化而大幅波 动，出现多个峰值和低谷，峰值点和低谷点的制冷效率可相差1 0 以上，即在一定工况 下，存在一个最佳转划g ( n o p , ) ，使振荡管最佳振荡频率降低，也就是说可以使气体分配 器最佳转速减小，这对机器的可靠性和寿命都是有利的。 ( 2 ) 刀、l 及占最佳匹配。1 9 8 8 年，邵件，沈永年【2 3 j 对转速、膨胀比、管长对冷效应 的影响进行了实验研究，发现在工况、结构、转速、换热等因素之间有一个匹配关系， 当各条件匹配时，制冷效率最高，并根据试验结果拟合出一个最佳匹配关系式： ；叫：+ 口乏 ( 1 5 ) 3 c 2 ( 川) + l 与实验结果吻合较好，但并未给出膨胀比、管长的适用范围，以及管壁传热的影响。 另外，该式仅为第一效率峰值所对应的最佳匹配关系，而当膨胀比、管长变化时第一效 率峰值不一定对应最高效率，在一定条件下，最高效率可能出现在第二、第三峰值点上。 因此。该式有一定的局限性。1 9 9 6 年，李学来研究发现影响f o p t 大小的因素不只是占、 三，管外换热状况对f o p t 存在重大影晌：强化管外传热可以使行，显著降低。因此，深入 研究峰值振荡机理对制冷效率的提高及变工况性能的改善有重要意义。 ( 3 ) 占的影响。s 的影响。温降随增大而增大；而制冷效率随的变化规律，不同 研究者获得的结论各不相同：1 9 8 3 年，黄志达【h l 研究得出结论，随增大，制冷效率变 化不大。1 9 8 4 年，邵件i l 刀发现，随占增大，制冷效率略肯降低。这可能是不同研究者所 采用的实验装置结构不同及内部密封效果不同所导致的。2 0 0 1 年，李学来【4 0 1 在尽量减 小充排气混合情况下获得的结论是：占 4 0 时， 制冷效率增幅趋缓。 ( 4 ) 管长的影响。方曜刮4 、朱雪犁4 羽、李学来【4 0 11 4 3 】、李兆型4 4 1 等均做了大 量的实验研究。朱雪琴在考虑了振荡管内反射激波影响的前提下，提出了最佳管长的概 念。振荡管为匀直管时，其理想边界条件为：反射激波与接触面同时到达管口。此时振 荡管长设计公式为 l ：塑厂。) ( 1 6 ) 其中 m s ) = 咎矧 7 ， 人连理工人学硕士学位论文 对振荡管为封闭端带突扩段的直管，其理想边界条件为：膨胀波与接触面同时到达 管1 ：3 时恰好进行下一周期的射流。此时振荡管长设计公式为 三= 粤g 似，) ( 1 8 ) 其中 删= 古案罄亳烩一 最佳管长的公式只考虑了给定转速下机器本身结构特性的影响，而转速对制冷效果 的影响以及与之匹配的操作工况( 气体进出口参数) 之问的关系还有待于进行研究。1 9 9 6 年，李学来就管长对制冷效率的影响进行了研究，认为在占= 2 6 范围内，当l 2 o m 时， r 。随l 减小而急剧降低；当2 0 l 4 o m 后，继续增 大l 则7 7 。不再有明显提高，有时甚至略有降低。 ( 5 ) 振荡管换热 振荡管换热包括振荡管管壁轴向的导热及振荡管和环境之间的热量传递。振荡管内 气体通过气体波的运动实现了冷热分离，封闭端温度较高，为热端，管口端为冷端，冷 热端的温度差可高达数百摄氏度，因此在管壁内部存在强烈的轴向导热，从而将热端的 一部分热量又传回冷端，导致制冷效率下降，冷、热端温度梯度越大，轴向导热越强烈， 对制冷的负面影响越大。另外，振荡管和环境之间存在热量交换，一般热端温度较高， 会向环境中散热，而冷端温度较低，会从环境吸热，热端的散热效果和冷端的吸热量均 对制冷有重要影响。 李学来对振荡管换热对制冷效率的影响作了系统的研究【4 5 规】。文献 4 5 4 6 j 匝过在 管壁上设置隔热点的方法实验研究了管壁轴向导热对制冷效率及管内流动的影响，提出 了最佳隔热位置( 使制冷效率最大时的隔热位置) 的概念，并研究了最佳隔热位置的影响 因素及预测方法，首先通过定性分析得出最佳隔热位置应设在接触面运动最大运动位置 处的结论，然后在一定假设基础之上分析得出了接触面最大运动距离的理论计算式： k 。= 去1 删2 0 南 1 + 2 c ( 1 + y ) 2 a - 2 c 2 2 ( 1 1 0 ) 由于该式是在大量假设基础上建立起来的，因此不便于用来预测最佳隔热位置的精 确位置，但可以用来定性分析有关因素对最佳隔热位置的影响，这些因素包括：膨胀比、 喷嘴个数、充排气时间及分配器转速，另外分析得出：最佳隔热位置与最大壁温梯度点 对冲犁振荡管性能研究 所在的位置相对应，据此提出了通过测管壁轴向温度分布并计算最大温度梯度点的方法 来预测最佳隔热位置。 文献 4 7 1 通过加装如图1 4 所示的翅片来强化振荡管热端的散热，比较强化换热前 后制冷机的工作性能得知：在2 、3 、4 、5 、6 五个膨胀比下，强化换热均使振荡管的最 佳振荡频率降低，且降低的幅度随膨胀比的增大而提高，并且，各阶最佳振荡频率频带 变窄，一、二阶振荡频率下的制冷温降及等熵制冷效率均显著升高。文献 5 0 1 对在振荡 管外加强制对流水套时的制冷作了实验研究，得到了和翅片管强化类似的结果，还对强 化振荡管外换热增强制冷效应的机制进行了理论分析，归结为：强化管外换热使振荡管 排气速度降低，管壁轴向导热减弱。文献 5 1 1 对管外强制对流换热对最佳射流激励频率 的“钳制效应”( 使最佳射流激励频率变小) 进行了专门的研究，强化振荡管外的传热， 不但能使振荡管的制冷效率明显提高，而且还可以降低其最佳射流激励频率，并且能使 最佳振荡频率在很大膨胀比范围内几乎不受膨胀比的影响。 图1 4 振荡管末端翅片结构i 6 7 i f 嘻1 4c o n f i g u r a t i o no f f i nt u b ea tt h ec l o s e de n do f r e c e i v i n gt u b e 1 6 7 1 ( 6 ) 消波技术的研究 入射激波与反射激波都使气体升温，但入射激波只对循环气产生作用，而反射激波 将沿整个管长发生作用，最后在管口膨胀。气体通过膨胀波是等熵过程，而通过激波是 突跃绝热过程，即气体先后受此两种波作用后，对其总温下降不利。因此，消除反射激 波或尽量消弱反射激波能量对制冷效率是极为有利的。现研究的消波技术如下： a 、振荡管尾部结构。气波制冷机振荡管末端激波的行为对制冷有很大的影响，激 波遇固壁反射而产生的反射激波能加热新鲜气，对制冷不利，反射激波强度越大，其对 制冷的副作用越大。研究者们探索出了很多方法来削弱或者消除反射激波，这些方