振荡管内激波增压特性强化气波制冷性能研究

【摘要】：气波制冷机是一种利用振荡管内运动压力波来实现冷热分离的气体膨胀制冷装置,与透平膨胀机制冷相比,具有结构简单、运转转速低、带液能力强等优点。进一步研究压力振荡管内的波动特性,强化气波制冷机制冷性能,对于丰富和完善气波机械理论,促进气波机械的工程推广应用具有理论意义和实用价值。 传统气波制冷机制冷过程中高压气膨胀产生的膨胀功作为热量进行了耗散,这相当于是一种能量的浪费。本文基于气波增压的思想,提出了一种新型带有增压过程的气波制冷方法,对这一膨胀功进行回收,以强化小膨胀压比条件下的气波制冷性能。该方法利用气体膨胀时形成的压缩波压缩自身膨胀后形成的低压气体,将气体膨胀后所产生的膨胀功以压力能的形式回收,使实际的膨胀压比(即进入系统高压气体的压力与膨胀后低压气体压力之比)要远大于系统制冷压比(即进入系统高压气体的压力与离开系统的中压气体压力之比),因此该方法又名为过膨胀气波制冷方法,适用于提高小压比制冷情形时的制冷温降。 当气体含湿时,气体在振荡管内膨胀制冷过程中会出现凝结现象。凝结潜热的释放与振荡管内非定常流场耦合而相互作用,会对振荡管内制冷波图带来影响。特别是凝结释放潜热量达到热壅塞条件时,在振荡管内可以产生较强的凝结激波,使气波机端口匹配偏离理论设计。本文基于经典成核理论,建立了非定常凝结流动数值模型,研究了激波管中非定常膨胀波引起的凝结现象,并对凝结潜热释放所引起的热壅塞现象进行了理论和数值分析。最后,研究了不同初始含湿量情形下,凝结对振荡管内制冷波图的影响。 本文的主要工作和结论如下： (1)基于振荡管内压力波波动特性与能量传递原理,确定了过膨胀气波制冷的最优工作波图,并据此研制了一套过膨胀气波制冷系统。在实验压比(压比1.1-1.5)下,系统过膨胀度可达1.7,即约40%的压力能得到了回收。 (2)将振荡管内复杂波系简化为2道激波和3道膨胀波,基于一维非定常流动理论,建立了过膨胀气波制冷机振荡管内各波系的定量匹配关系,实现了气波机端口匹配设计的快速预测,奠定了过膨胀气波制冷机端口匹配设计的理论基础。此外,对振荡内激波增压特性随通道与端口接通时间τ及膨胀压比的关系进行了数值分析。计算结果表明,振荡管内激波增压特性随通道接通时间τ的减小而增加,随膨胀压比的增大而减小。 (3)考虑凝结发生区域前后气体质量流量的改变,建立了非定常凝结加热流动的临界加热量公式,实现了热壅塞发生条件的理论预测。计算结果表明,在相同的来流马赫数下,临界加热量随加热区前后气体质量流率变化的增加而增加；理论证明了凝结激波传播速度要大于凝结加热区域移动速度,与文献实验观察现象相吻合。 (4)基于建立的非定常凝结流动数值模型,对振荡管内含湿气体非定常膨胀流动过程中的凝结现象进行了研究,揭示了凝结潜热释放与非定常流场耦合作用下,凝结加热对振荡管内波动过程影响的规律。凝结潜热的释放会引起振荡管内激波移动速度的提高,计算表明气体含湿量为0.44%时,激波移动速度提高了5%,在进行波转子端口匹配设计时,应考虑凝结对振荡管内波动过程的影响。 (5)在研究过膨胀气波制冷过程中能量传递与热分离原理的基础上,建立了过膨胀气波制冷热力分析模型。对过膨胀气波制冷系统性能进行了热力分析,获得了影响系统制冷效率的主要因素。分析结果表明,在制冷过程中引入增压过程后,对高压气体的膨胀功予以回收,可大幅降低制冷系统的整体制冷压力损失；过膨胀气波制冷系统制冷效率随制冷压比的增加而降低,当制冷压比大于3.0时,系统制冷效率随压比变化过程趋于稳定：相比压缩增压过程,系统中膨胀制冷过程效率的提高,更有利于提高系统制冷效率；当低温气体外循环流量比趋近于1时,系统制冷效率达到最高。 (6)设计加工了气波制冷整机,按工业规格建立了过膨胀气波制冷实验平台,研究了过膨胀气波制冷系统在不同结构参数与操作参数条件下的制冷性能。实验结果表明：在系统制冷压比为1.1～1.5时,过膨胀气波制冷系统温降可达26℃～38℃,要明显高于同压比条件下传统气波制冷的温降,验证了过膨胀气波制冷方法的有效性；掌握了制冷压比、端口大小及其偏角、低温气体的外循环流量比等参数对过膨胀气波制冷性能的影响规律,可为该技术的工业应用提供指导。