激波吸收器結(jié)構(gòu)對(duì)消波效果及壓力波制冷機(jī)性能影響的實(shí)驗(yàn)研究

鄭閩鋒，吳敏強(qiáng)，劉 峰，劉 曦，李學(xué)來

( 1.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 350118；2.福州大學(xué)石油化工學(xué)院，福建 福州 350116 )

激波吸收器結(jié)構(gòu)對(duì)消波效果及壓力波制冷機(jī)性能影響的實(shí)驗(yàn)研究

鄭閩鋒1，吳敏強(qiáng)1，劉 峰1，劉 曦2，李學(xué)來2

( 1.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 350118；2.福州大學(xué)石油化工學(xué)院，福建 福州 350116 )

利用一臺(tái)單管式壓力波制冷機(jī)，通過實(shí)驗(yàn)研究了激波吸收器結(jié)構(gòu)對(duì)消波效果及壓力波制冷機(jī)性能的影響。結(jié)果表明：在安裝激波吸收器后，制冷效率明顯大幅提升，當(dāng)射流激勵(lì)頻率f=25～125Hz時(shí)，L/d=137.5振蕩管的制冷效率η提高了將近20%，L/d=507時(shí)η提高的幅度比L/d=137.5時(shí)小；增大吸收器的長(zhǎng)度La其消波效果沒有明顯增強(qiáng)，但會(huì)減小峰值激勵(lì)頻率，在本文的實(shí)驗(yàn)條件下，激波吸收器的管長(zhǎng)不宜超過300mm；增大激波吸收器內(nèi)徑da則最大制冷效率提高了1.5%，但會(huì)增大吸收器的體積，所得結(jié)果對(duì)壓力波制冷機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)有一定參考價(jià)值。

熱力學(xué)；壓力波制冷機(jī)；實(shí)驗(yàn)研究；激波吸收器；反射激波

引言

壓力波制冷機(jī)是利用振蕩管內(nèi)形成的壓力波運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)管內(nèi)流體能量傳遞和轉(zhuǎn)換的一種新型氣體膨脹制冷機(jī)，目前已在天然氣處理、石油化工生產(chǎn)、氣體冷卻和科研冷源[1-4]等場(chǎng)合得到應(yīng)用。振蕩管是壓力波制冷機(jī)的主要制冷部件，管中能量的傳輸和轉(zhuǎn)換都是通過激波的運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)。振蕩管工作時(shí)，入射激波運(yùn)動(dòng)到振蕩管封閉端時(shí)發(fā)生固壁反射形成反射激波。當(dāng)反射激波運(yùn)動(dòng)到振蕩管開口端時(shí)可能會(huì)加熱正在排出的低溫驅(qū)動(dòng)氣或者剛噴入的驅(qū)動(dòng)氣，從而減弱振蕩管的冷效應(yīng)，因此可以在振蕩管封閉端加裝激波吸收器來減弱或消除反射激波，從而降低或避免反射激波的不利影響。

NAT公司[5]生產(chǎn)的熱分離器最早采用類似結(jié)構(gòu)，將一臺(tái)設(shè)備中數(shù)十根振蕩管封閉端用一個(gè)直徑為振蕩管內(nèi)徑10～20倍的封閉環(huán)形腔連接起來，但制冷效率反而下降，其原因是封閉腔使振蕩管內(nèi)的氣流受到了嚴(yán)重干擾。方曜奇[6]在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，即在每根振蕩管的封閉端均加裝一個(gè)截面突擴(kuò)短管，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明反射激波強(qiáng)度明顯減弱，設(shè)備的制冷效率得到提高。李學(xué)來[7]在ε=2～6，L/d=107～730和f=30～200Hz的范圍內(nèi)研究了激波吸收器對(duì)壓力波制冷機(jī)性能的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明在L/d<400的范圍內(nèi)激波吸收器可有效減弱反射激波，提高制冷效率，并降低最佳射流頻率的數(shù)值，改善設(shè)備的變工況性能，而L/d>400時(shí)可以完全消除反射激波。于偉[8][9]利用單組多級(jí)孔板裝置來削弱入射激波強(qiáng)度。李學(xué)來[10]采用了多級(jí)多孔板的結(jié)構(gòu)并首次提出了復(fù)合阻尼陷波的概念，并利用該裝置進(jìn)行了消波實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明該裝置很好地削弱了反射激波，制冷效率提高了4%～10%。目前對(duì)振蕩管封閉端反射激波的消除方法及其效果進(jìn)行了一些探索性實(shí)驗(yàn)研究或工業(yè)試驗(yàn)，但關(guān)于激波吸收器結(jié)構(gòu)對(duì)消波效果及其對(duì)壓力波制冷機(jī)性能的影響還有待深入研究，本文對(duì)這方面的問題進(jìn)行了探討。

1 實(shí)驗(yàn)裝置與方法

實(shí)驗(yàn)使用一臺(tái)旋轉(zhuǎn)式單管壓力波制冷機(jī)(圖1)，對(duì)管長(zhǎng)分別為0.5、1～6m的7種不同振蕩管(?12×1mm勻直長(zhǎng)管)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，振蕩管一端開口一端密封，實(shí)驗(yàn)采用卡套式管接頭達(dá)成在管封閉端自由加裝不同型號(hào)激波吸收器的目的。實(shí)驗(yàn)開始時(shí)，保持收縮噴管和振蕩管靜止，氣體分配器繞著中心軸做高速轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)氣體分配器上某一個(gè)噴射孔與噴管口正好相對(duì)時(shí)，從收縮噴管出口噴出的高速氣流便通過振蕩管開口端進(jìn)入到振蕩管中，充氣階段開始。當(dāng)噴射孔旋轉(zhuǎn)離開噴管口時(shí)，氣體分配器便隔離了噴管與振蕩管口，充氣階段結(jié)束。氣體分配器不斷旋轉(zhuǎn)，當(dāng)下一個(gè)噴射孔與噴管口再一次相通時(shí)，一個(gè)新的充、排氣循環(huán)便重新開始。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖 1-高壓氣體 2-噴管 3-振蕩管 4-激波吸收器 5-噴射孔 6-電機(jī) 7-排氣室 8-氣體分配器

實(shí)驗(yàn)中在振蕩管封閉端加裝了激波吸收器。它由無縫鋼管制成，兩端封閉，其中一端加焊一小段紫銅管并利用管接頭與振蕩管封閉端相連(即用激波吸收器代替原先的封閉端)。在實(shí)驗(yàn)中共使用了5種不同尺寸的激波吸收器，具體的參數(shù)見表1。

表1 激波吸收器尺寸

編號(hào)長(zhǎng)度/mm管徑/mm113060222060330060447060547042

圖2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖 1-空氣過濾器 2-螺桿壓縮機(jī) 3-高壓儲(chǔ)氣罐 4-壓力變送器 5-低壓緩沖罐 6-測(cè)溫儀 7-調(diào)壓閥 8-流量計(jì) 9-實(shí)驗(yàn)機(jī) 10-驅(qū)動(dòng)電機(jī) 11-變頻器 12-電源 13-壓力表 14-振蕩管 15-激波吸收器

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖2所示。LGD-3/7型螺桿壓縮機(jī)一臺(tái)、高低壓儲(chǔ)氣罐各一個(gè)、壓力波制冷機(jī)、變頻調(diào)速機(jī)構(gòu)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及其他儀器零部件等。

工作流程：環(huán)境空氣經(jīng)過濾后通過螺桿壓縮機(jī)加壓成高壓氣體，進(jìn)入高低壓儲(chǔ)氣罐，由調(diào)壓閥調(diào)壓后，沖入壓力波制冷機(jī)收縮型噴嘴內(nèi)，在壓力波制冷機(jī)內(nèi)完成制冷過程變成低溫氣流后由排氣管路排出到外界環(huán)境中去。儲(chǔ)氣裝置采用高低壓雙罐設(shè)計(jì)，目的在于緩沖由于高壓儲(chǔ)氣罐的氣體直接進(jìn)入壓力波制冷機(jī)時(shí)導(dǎo)致進(jìn)口壓力不穩(wěn)定的現(xiàn)象。

實(shí)驗(yàn)運(yùn)行時(shí)，利用調(diào)節(jié)調(diào)壓閥的開度改變進(jìn)氣壓力大小對(duì)膨脹比進(jìn)行控制，而射流激勵(lì)頻率的調(diào)節(jié)則是通過改變驅(qū)動(dòng)電機(jī)交流電頻率從而改變氣體分配器轉(zhuǎn)速來完成的。

實(shí)驗(yàn)需測(cè)量壓力波制冷機(jī)的制冷效率，包括測(cè)量進(jìn)氣總壓力p0與排氣背壓pb；進(jìn)氣滯止溫度T0和排氣溫度T2；射流激勵(lì)頻率f；振蕩管軸向壁溫分布；環(huán)境溫度等參數(shù)。其中，p0用HM20-1-A1-F1-W1型壓力變送器、pb用壓力表(0.4級(jí))分別在噴管前的緩沖罐及排氣室中測(cè)量；溫度用SW-I型數(shù)字溫度儀測(cè)量，其中，T0、T2的測(cè)量位置分別與p0、pb相同；f是通過測(cè)定氣體分配器的轉(zhuǎn)速n，然后由下式求出

f=nN/60

(1)

式中，N為射氣孔的個(gè)數(shù)。n用TM2011型光電測(cè)速儀測(cè)量。利用上述所測(cè)有關(guān)參數(shù)，由以下兩式可分別求出膨脹比ε及制冷效率η：

ε=p0/pb

(2)

(3)

式中γ為氣體比熱容比。

實(shí)驗(yàn)中，振蕩管采用?12mm的紫銅管。膨脹比ε=2～6，射流激勵(lì)頻率f=10～240Hz，排氣背壓pb=0.1MPa。振蕩管內(nèi)工作介質(zhì)為空氣。

2 消除反射激波對(duì)壓力波制冷機(jī)性能的影響

圖3 不同管長(zhǎng)下，安裝激波吸收器對(duì)η 隨f變化影響的實(shí)驗(yàn)結(jié)果(ε=3)

由于反射激波強(qiáng)度被削弱，當(dāng)反射激波運(yùn)動(dòng)到振蕩管開口端時(shí)其對(duì)驅(qū)動(dòng)氣的氣動(dòng)加熱作用也將減少，壓力波制冷機(jī)的制冷效率將會(huì)提高。圖3給出了ε=3，兩種不同管長(zhǎng)下安裝2號(hào)激波吸收器前后制冷效率隨射流激勵(lì)頻率變化的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，其他運(yùn)行參數(shù)及型號(hào)激波吸收器的實(shí)驗(yàn)結(jié)果類似。從圖中可以看出：在安裝激波吸收器后，制冷效率明顯大幅提升，當(dāng)L/d=137.5時(shí)，在25～125Hz頻區(qū)內(nèi)其制冷效率提高了將近20%。這是由于未安裝激波吸收器前在該射流頻率下反射激波會(huì)逆行運(yùn)動(dòng)到開口端對(duì)驅(qū)動(dòng)氣進(jìn)行加熱，通過激波吸收器的消波作用，大大削弱了反射激波的強(qiáng)度，使其對(duì)驅(qū)動(dòng)氣的氣動(dòng)加熱量減少，導(dǎo)致制冷效率大幅提高。L/d=507時(shí)η提高的幅度比L/d=137.5時(shí)小，這是由于管長(zhǎng)增加，反射激波的強(qiáng)度本身就會(huì)減弱，此時(shí)安裝激波吸收器來提高制冷效率的效果較不明顯。

3 激波吸收器結(jié)構(gòu)對(duì)消波效果及壓力波制冷機(jī)性能的影響

3.1 激波吸收器長(zhǎng)度的影響

圖4 不同長(zhǎng)度的激波吸收器對(duì)fopt和ηmax 變化影響的實(shí)驗(yàn)結(jié)果(L/d=137.5，ε=3)

圖5 不同直徑的激波吸收器對(duì)η變化 影響的實(shí)驗(yàn)結(jié)果(L/d=137.5，ε=3)

由于短管的消波效果更為明顯，因此以L/d=137.5的振蕩管為研究對(duì)象進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)。圖4給出了不同長(zhǎng)度的激波吸收器對(duì)制冷效率及最佳頻率的影響，從圖中可以看出，隨著吸收器長(zhǎng)度的增加，ηmax的變化幅度很小，這說明此時(shí)反射激波的削弱效果沒有明顯增強(qiáng)。吸收器主要是利用振蕩管與吸收器進(jìn)口間截面突然擴(kuò)大時(shí)產(chǎn)生氣流渦旋來達(dá)到削弱入射激波強(qiáng)度的作用，由于吸收器的長(zhǎng)度相比振蕩管要小很多，且管徑要大，激波在吸收器內(nèi)由于氣體粘性所導(dǎo)致的衰減幅度很小，吸收器內(nèi)產(chǎn)生的反射激波強(qiáng)度被削弱的程度很小。而fopt卻隨著管長(zhǎng)的增加而有所下降，這是由于入射激波在吸收器內(nèi)反射后才形成反射激波，無形中延緩了激波反射的時(shí)間，相當(dāng)于增加了振蕩管的管長(zhǎng)，這將使壓力波制冷機(jī)的峰值激勵(lì)頻率減小，對(duì)降低氣體分配器轉(zhuǎn)速，延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命是有利的。但是當(dāng)吸收器長(zhǎng)度La增大到450mm時(shí)，fopt基本不再變化，此時(shí)再增大La值就沒有任何意義。從本文的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，激波吸收器的管長(zhǎng)不宜超過300mm。

3.2 激波吸收器直徑的影響

圖5給出了激波吸收器內(nèi)徑da分別為60mm和42mm時(shí)制冷效率變化的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明隨著管徑增大，制冷效率有所提高，ηmax增大了1.5%。同時(shí)在150～250Hz的頻區(qū)內(nèi)，制冷效率提高了1.7%～4.5%，提升的幅度要比50～150Hz的頻區(qū)明顯。這是由于激波吸收器內(nèi)徑越大，截面突擴(kuò)效應(yīng)增強(qiáng)，入射激波的強(qiáng)度減弱，其產(chǎn)生的反射激波強(qiáng)度也相應(yīng)減弱，則制冷效率會(huì)有所提高，而隨著入射激波頻率的增加，但同時(shí)增大激波吸收器的管徑會(huì)增大其體積，在實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)需對(duì)這兩方面進(jìn)行綜合考慮。

4 結(jié)論

(1)由于消波作用，在安裝激波吸收器后制冷效率提高，隨著管長(zhǎng)增加制冷效率提高的幅度在減小，消波效果減弱，而膨脹比增大，消波效果則有所增強(qiáng)。

(2)消除反射激波后，峰值振蕩現(xiàn)象依然存在。

(3)增大吸收器的長(zhǎng)度La其消波效果沒有明顯增強(qiáng)，但會(huì)減小峰值激勵(lì)頻率，這對(duì)提高設(shè)備的使用壽命是有利的。但是當(dāng)吸收器長(zhǎng)度La增大到450mm時(shí)，fopt基本不再變化，此時(shí)再增大La值就沒有任何意義。從本文的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，激波吸收器的管長(zhǎng)不宜超過300mm。

(4)增大激波吸收器內(nèi)徑da能提高制冷效率，ηmax增大了1.5%，但會(huì)增大吸收器的體積，在實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)需進(jìn)行綜合考慮。

符號(hào)說明

d— 振蕩管內(nèi)徑，mm

da— 激波吸收器內(nèi)徑，mm

f— 射流激勵(lì)頻率，Hz

La— 激波吸收器長(zhǎng)度，mm

N— 射氣孔個(gè)數(shù)

n— 氣體分配器的轉(zhuǎn)速，r/min

p0— 進(jìn)氣總壓，MPa

pb— 排氣背壓，MPa

T0— 進(jìn)氣滯止溫度，K

T2— 排氣溫度，K

γ— 氣體比熱容比

ε— 膨脹比

η— 制冷效率，%

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TheStructureofGasDistributionontheReflectedShockWaveAbsorbingEffectandthePerformanceofPressureWaveRefrigerator

ZHENG Minfeng1，WU Minqiang1，LIU Feng1，LIU Xi2，LI Xuelai2

(1.College of Ecological Environment and Urban Construction，F(xiàn)ujian University of Technology，F(xiàn)uzhou，F(xiàn)ujian 350118； 2.China College of Chemical Engineering，F(xiàn)uzhou University，F(xiàn)uzhou，F(xiàn)ujian 350116，China)

The influence of the shock wave absorber structure on the reflected shock wave absorbing effect and the performance of pressure wave refrigerator was studied experimentally by means of a single-tube set-up.The results show that the refrigeration efficiency is increased significantly when the absorber is mounted at the closed end of the tube.When the exciting frequency is from 25 to 125 Hz，the refrigeration efficiency of the tubeηis increased by nearly 20% asL/d=137.5，but the increasing gradient is smaller asL/d=507.The absorbing effect isn′t enhanced significantly when the length of absorberLais increased，but the exciting frequency is eliminated.Under the experimental condition in this paper，the appropriate length of absorber is no more than 300mm.The maximum refrigeration efficiency is increased by 1.5% when the inner diameter of shock wave absorber is increased，but the volumn of absorber is increased.

Thermodynamics；Pressure wave refrigerator；Experimental study；Shock wave absorber；Reflected shock wave

2017-10-11

福建省中青年教師教育科研項(xiàng)目(JA15340)；2016年國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(201610388022)

鄭閩鋒，男(1985-)，博士，研究方向：熱過程裝備與節(jié)能技術(shù)，工業(yè)制冷技術(shù)與設(shè)備。E-mail：zmfgogo@163.com

ISSN1005-9180(2017)04-007-05

TQ051.1

A

10.3969/J.ISSN.1005-9180.2017.04.002