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外循环耗散型气波制冷机制冷特性与增压研究

张洋乐  
【摘要】: 外循环耗散型气波制冷机是一种新型的气波制冷设备。它以波转子为核心部件,采用两端开口的压力振荡管结构,利用振荡管中的激波和膨胀波实现能量的转化,达到制冷的目的。设备回流端外接换热回路,实现热量的集中回收。在天然气制冷、深冷工艺等领域具有广阔的应用前景。 外循环耗散型气波制冷机的研究在国家高技术研究发展计划(863计划)项目“天然气地层压力能综合利用新技术”的支持下展开,本文结合气体动力学非定常流动理论、HYSYS化工系统流程模拟实验、CFD数值模拟实验以及物理实验四种手段对最新一代外循环耗散型气波制冷机的制冷特性和增压应用进行了一些研究: (1)运用气体一维非定常理论分析波转子通道内部的波系运动及流场变化规律。从热力学角度利用敞开系统热力学第一定律宏观分析通道内部与外界的能量交换过程。 (2)利用化工系统流程模拟软件HYSYS计算制冷机的二次回流流量,详细分析了制冷机二次回流侧压力降与回流流量之间的关系。通过模拟计算等熵制冷效率与增压效率之间的关系,说明了制冷机增压应用的可行性,同时提出了一种利用制冷机增压作用实现二级制冷的方案。二级制冷循环得到的低温气体可对第一级高压入射气体进行预冷,制冷循环得到更高品位的冷量,实现设备性能的优化。 (3)建立了无通道数量减少的二维整机模型,运用CFD软件进行整机周期模拟计算,通过数值模拟实验研究,分析了通道内部波系的运动,主要研究了高温排气端口的波系反射问题,同时对设备内部流场存在的问题提出了优化方案。 (4)利用全新的实验系统对最新一代外循环耗散型气波制冷机进行实验研究,针对制冷机转子通道内波系匹配以及排气返流等问题安排实验,在增加高压入射喷嘴后段固壁长度的工况下,提高高温排气端口压力,制冷机的性能得到一定的提高。 本文通过系统流程模拟、数值实验和物理实验综合分析的方法,对外循环耗散型气波制冷机的制冷特性与增压应用进行了研究,详细分析了二级制冷压力能应用的可行性,同时在现有实验条件下,得到最新一代外循环耗散型气波制冷机的制冷效率最大值为61.2%。


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