強(qiáng)化管外傳熱對(duì)壓力波制冷機(jī)制冷性能的影響

黃 成，鄭閩鋒，李學(xué)來(lái)

（1.福州大學(xué)石油化工學(xué)院，福建福州350002；

2.福建工程學(xué)院生態(tài)環(huán)境與城市建設(shè)學(xué)院，福建福州350002）

強(qiáng)化管外傳熱對(duì)壓力波制冷機(jī)制冷性能的影響

黃 成1，鄭閩鋒2，李學(xué)來(lái)1

（1.福州大學(xué)石油化工學(xué)院，福建福州350002；

2.福建工程學(xué)院生態(tài)環(huán)境與城市建設(shè)學(xué)院，福建福州350002）

采用理論與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法，研究了強(qiáng)化壓力波制冷機(jī)管外傳熱狀況對(duì)其制冷效率的影響。研究中采用定量方法對(duì)振蕩管外壁首次以風(fēng)冷方式強(qiáng)化傳熱，對(duì)比自然對(duì)流條件下研究制冷性能的變化。結(jié)果表明：提高管外內(nèi)溫度比α和增大排氣壓力管內(nèi)壓力比β都能使總制冷效率η變大；強(qiáng)化管外傳熱風(fēng)冷卻方法可使制冷效率提升8%～10%，效果明顯優(yōu)于原來(lái)的自然對(duì)流條件下制冷效率，且短管效果明顯好于長(zhǎng)管，但提升效果受管長(zhǎng)、介質(zhì)流量等諸多因素影響且效果有限；相比自然對(duì)流，強(qiáng)化管外傳熱能在極大程度上穩(wěn)定振蕩管制冷效率曲線，擴(kuò)大壓力波制冷機(jī)高制冷效率下平穩(wěn)運(yùn)行的射流頻率f范圍，促使最佳射流頻率f降低10～15Hz，并使制冷效率曲線峰值前移，從而以較低轉(zhuǎn)速達(dá)到最大制冷效率，有效降低系統(tǒng)總能耗并提高機(jī)器壽命。

壓力波制冷機(jī)；制冷效率；強(qiáng)化傳熱；風(fēng)冷卻；自然對(duì)流

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖

引言

壓力波制冷機(jī)作為利用帶壓氣體制冷的新型節(jié)能設(shè)備，其研發(fā)工作始于上世紀(jì)70年代，因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)在石油化工生產(chǎn)、工業(yè)制冷等領(lǐng)域［1-5］得到了較多推廣及應(yīng)用。振蕩管作為壓力波制冷機(jī)的重要結(jié)構(gòu)部件，深入研究其傳熱性能對(duì)于提高壓力波制冷機(jī)性能、優(yōu)化其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)都具有重要意義。在這方面胡大鵬、陳祖志等［6，7］曾針對(duì)機(jī)體結(jié)構(gòu)因素和機(jī)理對(duì)制冷機(jī)性能與熱效應(yīng)進(jìn)行過(guò)詳細(xì)研究，李學(xué)來(lái)、黃廷夫等［8-12］更曾深入研究振蕩管軸向及徑向?qū)崤c冷效率的關(guān)系，并探究過(guò)振蕩管外加散熱翹片、軸向水冷卻、徑向水噴淋方式強(qiáng)化傳熱對(duì)制冷機(jī)性能的影響，但對(duì)于更方便生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)使用與工業(yè)改造的風(fēng)冷卻強(qiáng)化傳熱對(duì)制冷性能影響的相關(guān)研究工作卻較少。本文首次研究使用定量軸向風(fēng)冷卻方法強(qiáng)化振蕩管管外傳熱，借助壓力波制冷機(jī)管內(nèi)簡(jiǎn)化流動(dòng)波圖對(duì)管外換熱狀況對(duì)制冷效率的影響進(jìn)行了理論分析，并在單管式壓力波制冷機(jī)上，對(duì)管外自然對(duì)流和軸向風(fēng)冷兩種換熱條件下的制冷性能進(jìn)行了對(duì)比性實(shí)驗(yàn)研究。

1 實(shí)驗(yàn)裝置與方法

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)流程圖如圖1所示，外圍設(shè)備主要包括LGD-3/7型螺桿壓縮機(jī)、高低壓儲(chǔ)氣罐、變頻調(diào)速機(jī)構(gòu)等。實(shí)驗(yàn)在一臺(tái)旋轉(zhuǎn)式單管壓力波制冷機(jī)上進(jìn)行，選取管長(zhǎng)0.5m、4m兩種振蕩管（φ12x1 mm）以流量計(jì)控制空氣的流量進(jìn)行強(qiáng)化管外傳熱研究。振蕩管為勻直長(zhǎng)管，一端開(kāi)口一端密封。強(qiáng)化管外傳熱使用如圖2所示的圓形套筒結(jié)構(gòu)，實(shí)驗(yàn)套筒由不銹鋼材料制成（φ25x1.6 mm）。

圖2 冷卻結(jié)構(gòu)示意圖

壓力波制冷機(jī)進(jìn)、排氣體溫度T0、TL分別采用K型熱電阻在噴嘴管前和氣體分配器排氣腔測(cè)量；風(fēng)冷流量使用流量計(jì)測(cè)量；氣體壓力則由系統(tǒng)內(nèi)壓力表測(cè)量。實(shí)驗(yàn)機(jī)主要性能參數(shù)計(jì)算如下：

總制冷效率η：

射流激勵(lì)頻率f：

式中，n為氣體分配器的轉(zhuǎn)速，即軸轉(zhuǎn)速，N為噴射孔的個(gè)數(shù)；

式中，PL為排氣壓力，因排氣室與大氣相通，故PL=0.1 MPa，P0為壓力波制冷機(jī)進(jìn)口壓力。

2 理論推導(dǎo)與分析

在俞鴻儒［13］的研究基礎(chǔ)上可知，總制冷效率η是由4區(qū)制冷效率η4與6區(qū)制冷效率η6兩部分按排氣質(zhì)量百分比加和計(jì)算得出。推導(dǎo)可得振蕩管內(nèi)4區(qū)、6區(qū)制冷效率公式分別如下：

并且入射激波馬赫數(shù)Ms與壓縮比ε存在如下函數(shù)關(guān)系：

故制冷效率η4、η6最終可化為只與壓縮比ε、管外內(nèi)溫度比α和排進(jìn)氣壓力比β相關(guān)的函數(shù)式，以定ε值作圖的方式得到以圖3～圖6等一系列結(jié)果。

從圖3、5中可知4區(qū)、6區(qū)制冷效率η4、η6隨α增大變化趨勢(shì)明顯相異：相同膨脹比ε時(shí)，η4隨α增大而逐漸降低，η6隨α增大而逐漸升高；不同膨脹比ε時(shí)，相同α條件下η4、η6都隨膨脹比ε增大提高增大而逐漸增大，滿足條件的α起始值也越大。

圖3 β=0.7、γ=1.4時(shí)η4與α關(guān)系圖

圖4 α=0.5、γ=1.4時(shí)η4與β關(guān)系圖

圖5 β=0.7、γ=1.4時(shí)η6與α關(guān)系圖

圖6 α=0.5、γ=1.4時(shí)η6與β關(guān)系圖

圖7 β=0.7、γ=1.4時(shí)η與α關(guān)系圖

結(jié)合氣體動(dòng)力學(xué)原理分析可知：相同膨脹比時(shí)，4區(qū)排氣速度隨α值的增大而增大，致使η4降低；而α值的增大在使6區(qū)排氣速度降低的同時(shí)也會(huì)使T1減小，激波強(qiáng)度增強(qiáng)，這都將促使η6上升。不同膨脹比，ε越大，管內(nèi)形成的入射激波強(qiáng)度越強(qiáng)，制冷效果就越好，η4、η6自然越大；同時(shí)膨脹比的增大會(huì)造成更大的排氣阻力，使得滿足u4<0、u6<0的α起始值更大。

從圖4、6中可知4區(qū)、6區(qū)制冷效率η4、η6隨β增大變化趨勢(shì)一致：相同膨脹比ε時(shí)，η4、η6隨α增大都逐漸升高；不同膨脹比ε時(shí)，相同β條件下η4、η6都隨膨脹比ε提高而增大，滿足條件的β起始值減小。

β值變大，環(huán)境參數(shù)穩(wěn)定則PL值一定，由β= PL/P1可知相同條件下管內(nèi)壓力P1降低，則相同膨脹比ε時(shí)管內(nèi)形成的入射激波強(qiáng)度越強(qiáng)，制冷效率η4、η6自然越高。不同膨脹比ε時(shí)，ε越大，排氣壓力與管內(nèi)氣體壓力差越大，越有利于排出氣體，故滿足條件的初始β值越小。

正因?yàn)棣?、η6隨α值變化趨勢(shì)并不相同，所以需要再研究總制冷效率η隨α、β值的變化規(guī)律。用管口橫截面積與排氣時(shí)間及密度的乘積來(lái)分別計(jì)算后求比加和可得兩區(qū)排氣質(zhì)量百分比，而總制冷效率η正為η4與η6按排氣質(zhì)量百分比加和求得，據(jù)此以定值作圖的方式得到以圖7、圖8等系列結(jié)果圖。

如圖7、8所示，總制冷效率η將隨膨脹比ε和氣流參數(shù)α、β的變大而升高。結(jié)合傳熱學(xué)知識(shí)，氣流參數(shù)α表征振蕩管管壁散熱狀況的好壞，而風(fēng)冷、水冷正是通過(guò)有效降低管內(nèi)氣體溫度T1，來(lái)增大α值進(jìn)而提升總制冷效率η。

圖8 α=0.5、γ=1.4時(shí)η與β關(guān)系圖

3 風(fēng)冷、自然冷卻方式對(duì)壓力波制冷機(jī)制冷性能的影響

實(shí)際應(yīng)用中壓力波制冷機(jī)膨脹比一般在5以下，因此文中僅對(duì)膨脹比范圍在1～5的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。為了對(duì)比不同振蕩管強(qiáng)化傳熱效果的區(qū)別，實(shí)驗(yàn)中選用了0.5m和4m兩種不同長(zhǎng)度的振蕩管完成研究。本文在風(fēng)冷流量0～25 m3/h范圍內(nèi)，研究同一膨脹比時(shí)強(qiáng)化管外傳熱介質(zhì)流量對(duì)壓力波制冷機(jī)制冷性能的影響。

圖9 l=0.5m不同冷卻條件下制冷效率隨射流頻率f的變化

圖10 l=4m不同冷卻條件下制冷效率隨射流頻率f的變化

圖9為l=0.5m、ε=5時(shí)，不同管外換熱狀況時(shí)振蕩管制冷效率隨射流激勵(lì)頻率變化的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。從圖9中可知，自然對(duì)流條件下，短管制冷效率 （η）曲線隨射流激勵(lì)頻率 （f）的增大出現(xiàn)多個(gè)峰值、呈現(xiàn)波動(dòng)上升，并且波動(dòng)較大；但通過(guò)強(qiáng)化其管外傳熱則能很好地穩(wěn)定其上升過(guò)程中的波動(dòng)幅度，縮減各峰值之差，擴(kuò)大壓力波制冷機(jī)高制冷效率下平穩(wěn)運(yùn)行的射流頻率范圍并使最佳射流頻率降低。不同流量的風(fēng)冷卻強(qiáng)化管外傳熱都能明顯提高壓力波制冷機(jī)制冷性能，當(dāng)流量范圍在0～15 m3/h之間時(shí)，振蕩管制冷效率的提升量與風(fēng)冷流量的增加量基本呈現(xiàn)線性關(guān)系，但當(dāng)流量超過(guò)15 m3/h，流量的增大對(duì)制冷效率的提升作用愈發(fā)削弱，特別是在20～25 m3/h范圍內(nèi)時(shí)，繼續(xù)加大流量對(duì)制冷效率基本無(wú)影響。風(fēng)冷流量q=25 m3/h時(shí)，對(duì)比自然對(duì)流條件振蕩管制冷效率η普遍提高8%，峰值處可達(dá)12%。

由傳熱學(xué)原理知，從普遍意義來(lái)講強(qiáng)化管外傳熱可以提高單位時(shí)間內(nèi)振蕩管向環(huán)境的散熱量，降低管內(nèi)氣體溫度，從而使由振蕩管開(kāi)口端排出的混合氣體 （主要為驅(qū)動(dòng)氣體部分摻混振蕩氣體）溫度降低，故會(huì)使制冷機(jī)的制冷效率提高。這也就解釋了短管條件下風(fēng)冷可以較大幅度提高制冷效率的現(xiàn)象。但單位時(shí)間內(nèi)振蕩管產(chǎn)生的熱量是一定的，一旦管外強(qiáng)化傳熱介質(zhì)達(dá)到將此熱量完全吸收后帶出的流量后，再加大流量也無(wú)法促進(jìn)管壁換熱，降低管內(nèi)氣體溫度，這也就解釋了實(shí)驗(yàn)中當(dāng)風(fēng)冷流量大于15 m3/h時(shí)，再增大強(qiáng)化管外介質(zhì)流量制冷效率也不會(huì)增加的現(xiàn)象。強(qiáng)化管外傳熱造成管內(nèi)氣體溫度降低，在驅(qū)動(dòng)氣體溫度不變的情況下，兩者比值α將增大，根據(jù)氣體動(dòng)力學(xué)原理，定膨脹比條件下，此時(shí)管內(nèi)產(chǎn)生的激波強(qiáng)度將增強(qiáng)，激波傳播速度將加快；同時(shí)由于管內(nèi)氣體溫度降低，會(huì)使對(duì)應(yīng)的當(dāng)?shù)匾羲倜黠@降低，這又會(huì)造成激波傳播速度的減慢。由于當(dāng)?shù)匾羲俚慕档蛯?duì)激波傳播速度的影響更大，故在以上兩種影響的共同作用下，激波傳播速度總體上將減慢，這也就解釋了利用風(fēng)冷卻或水冷卻強(qiáng)化傳熱都會(huì)使振蕩管的最佳射流頻率降低的現(xiàn)象。

圖10為4米振蕩管，膨脹比為5時(shí)，強(qiáng)化管外傳熱介質(zhì)不同流量時(shí)振蕩管制冷效率隨射流激勵(lì)頻率變化的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。對(duì)比圖9強(qiáng)化短振蕩管管外傳熱，強(qiáng)化中、長(zhǎng)振蕩管管外傳熱的圖10中，振蕩管制冷效率隨風(fēng)冷流量增加的變化趨勢(shì)明顯迥異，呈現(xiàn)出了實(shí)驗(yàn)測(cè)試的0～25 m3/h流量范圍內(nèi)，振蕩管制冷效率隨風(fēng)冷流量的增加不升反降、射流頻率越大下降越明顯的現(xiàn)象；雖然在風(fēng)冷的強(qiáng)化傳熱作用下最佳射流頻率也有減小，但其對(duì)于穩(wěn)定制冷效率曲線、減小峰值之間的波動(dòng)作用效果卻極有限。

對(duì)于強(qiáng)化傳熱后中、長(zhǎng)管制冷效率不升反降的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，黃廷夫［14］于2006年提出了一種用熱聲效應(yīng)予以解釋的假說(shuō)，假說(shuō)指出長(zhǎng)管、高膨脹比條件下振蕩管產(chǎn)生的熱制聲效應(yīng)較弱，振蕩管管壁熱量向聲波轉(zhuǎn)化較差，大量未轉(zhuǎn)化成聲波的熱量反過(guò)來(lái)將對(duì)排出氣體進(jìn)行加熱，造成排出氣體溫度升高故使制冷效率降低。

4 結(jié)論

（1）提高氣體參數(shù)α?xí)?區(qū)制冷效率降低，6區(qū)制冷效率升高，總制冷效率η變大；增大氣體參數(shù)β會(huì)使4區(qū)和6區(qū)的制冷效率都變大，總制冷效率η提高。

（2）強(qiáng)化管外傳熱風(fēng)冷卻方法可使制冷效率提升8%～10%，效果明顯優(yōu)于原來(lái)的自然對(duì)流條件下的制冷效率，且短管效果明顯好于長(zhǎng)管。

（3）與自然對(duì)流相比，強(qiáng)化管外傳熱能在極大程度上穩(wěn)定振蕩管制冷效率曲線，擴(kuò)大壓力波制冷機(jī)高制冷效率下平穩(wěn)運(yùn)行的射流頻率f范圍，促使最佳射流頻率f降低10～15Hz，并使制冷效率曲線峰值前移。

（4）強(qiáng)化管外傳熱對(duì)制冷效率的提升效果是有限的，當(dāng)振蕩管單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)管壁向外擴(kuò)散的熱量全被管外強(qiáng)化傳熱介質(zhì)所帶走后，進(jìn)一步強(qiáng)化管外傳熱對(duì)提升震蕩管制冷效率就不會(huì)有明顯效果了。

符號(hào)說(shuō)明

aH0氣流對(duì)應(yīng)的當(dāng)?shù)販挂羲?，m/s

f 射流激勵(lì)頻率，Hz

l 振蕩管管長(zhǎng)，m

n 氣體分配器轉(zhuǎn)速，r/min

u44區(qū)氣體流速，m/s

u66區(qū)氣體流速，m/s

M s 入射激波馬赫數(shù)

N 噴射孔的個(gè)數(shù)

P0、PL進(jìn)、排氣壓力，MPa

P1波圖［13］中1區(qū)氣體的壓力，MPa

T0、TL壓力波制冷機(jī)進(jìn)、排出氣體溫度，K

T1波圖［13］中1區(qū)氣體的溫度，K

TH0氣體的滯止溫度，K

α 進(jìn)氣滯止溫度與1區(qū)氣體溫度的比值

β 排氣壓力與1區(qū)氣體壓力的比值

γ 氣體的定壓比熱容，J/（kg·K）

ε 膨脹比

η 制冷效率，%

η4，η64區(qū)、6區(qū)的理想制冷效率，%

［1］Rennaz M C.New French gas cooler recovers 120bpd gasoline［J］.World Oil，1973，8：57-59

［2］Marchal P，Malek S，Viltard JC.Skid-mounted rotating thermal separator efficiently recovers NGL from associated gas［J］.Oil Gas J，1984，82（49）

［3］張喜雙.RFT2000_型熱分離機(jī)在天然氣液化分離中的應(yīng)用研究［J］.遼寧化工，1991，（1）：45-48

［4］朱徹，劉潤(rùn)杰，李洪安.氣波制冷技術(shù)在天然氣脫水凈化工程中的應(yīng)用［J］.制冷，1995，50（1）：10-15

［5］劉偉，胡大鵬.氣波制冷機(jī)的研究現(xiàn)狀及工業(yè)應(yīng)用［J］.遼陽(yáng)石油化工高等?？茖W(xué)校學(xué)報(bào)，2002，18（3）：18-23

［6］陳祖志.射流振蕩制冷機(jī)性能與機(jī)理研究 ［D］.大連：大連理工大學(xué)，2008

［7］胡大鵬.壓力振蕩管流動(dòng)和熱效應(yīng)的研究 ［D］.大連：大連理工大學(xué)，2009

［8］李學(xué)來(lái)，方曜奇，朱徹，等.氣波制冷機(jī)振蕩管外強(qiáng)化換熱的試驗(yàn)研究［J］.制冷，1996，57（4）：7-9

［9］李學(xué)來(lái)，方曜奇，朱徹.振蕩管管壁軸向?qū)岬脑囼?yàn)研究［J］.大連理工大學(xué)學(xué)報(bào)，1996，36（1）：37-40

［10］李學(xué)來(lái).軸向及徑向傳熱對(duì)氣波振蕩管冷效應(yīng)的影響［D］.大連：大連理工大學(xué)，1997

［11］李學(xué)來(lái)，郭榮偉，方曜奇，等.兩種管外傳熱型式對(duì)振蕩管性能的影響［J］.化工學(xué)報(bào)，2000，51（1）：12-16

［12］黃廷夫，李學(xué)來(lái)，黃齊飛.振蕩管冷效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)研究［J］.福州大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，34（4）：612-615

［13］俞鴻儒.熱分離器內(nèi)的流動(dòng) ［J］.大連理工大學(xué)學(xué)報(bào)，1984，23（4）：1-8

［14］黃廷夫.脈動(dòng)射流對(duì)壓力波制冷機(jī)性能的影響 ［D］.福州：福州大學(xué)，2006

The Intensifying Heat Transfer of Oscillating Tube on the Performance of Pressure Wave Refrigerator

HUANG Cheng1，ZHENG Minfeng2，LIXuelai1
（1.College of Chemistry and Chemical Engineering，F(xiàn)uzhou University，F(xiàn)uzhou，F(xiàn)ujian 350002，China；2.College of Ecological Environment and Urban Construction，F(xiàn)ujian University of Technology，F(xiàn)uzhou，350002，China）

The influence of the oscillating tube’s intensifying heat transfer on the performance of pressurewave refrigerator are analyzed theoretically and studied experimentally in this paper.In the investigation，the air cooling is choosed and controlled in quantitativemethod，comparingwith nature cooling.The result show that the total refrigeration efficiencyηwould increase when turning up the environmental parametersαandβ.The air cooling，as the method of intensifying heat transfer，would enhance refrigeration efficiencyη8%～10%much better than the nature cooling.Although the increasing effect on short tube would be obvious than the long tube，the promotion in refrigeration efficiency would still be limited by many structural factors，i.e.the length of tube，medium flow，and has the upper limit value.The intensifying heat transfer of oscillating tube would make the refrigeration efficiency curve stability，expand the range of the pulsing frequency f corresponding to the higher refrigeration efficiency，and drease the optimum frequency 10～15Hz，making the the optimum refrigeration efficiency can be reached in a low rotation speed，which has great significance in reducing energy consumption and machine life.

Pressure wave refrigerator；Refrigeration Efficiency；Heat Transfer；Air Cooling；Nature Cooling

TQ051.1［文獻(xiàn)標(biāo)示碼］A

10.3696/J.ISSN.1005-9180.2015.03.003

ISSN1005-9180（2015）03-013-07

2015-3-26

國(guó)家基礎(chǔ)科學(xué)人才培養(yǎng)基金項(xiàng)目（J1103303）

黃成（1991-），男，碩士研究生，研究方向：熱過(guò)程裝備與節(jié)能技術(shù)。Email：903576160@qq.com