斜流式氣波制冷機制冷性能數(shù)值模擬研究

胡 大 鵬, 白 宇, 劉 鳳 霞*

(1.大連理工大學 化工學院,遼寧 大連 116024;2.大連理工大學 精細化工國家重點實驗室 智能材料化工前沿科學中心,遼寧 大連 116024 )

0 引 言

天然氣作為一種清潔高效的能源[1],其加工處理工藝中需要降溫使天然氣中的水汽冷凝分離,并回收其中的輕烴等有效成分[2-3].針對上述需求,大連理工大學成功研發(fā)出氣波制冷機[4-5],通過振蕩管內非定常波系運動實現(xiàn)能量的交換,達到制冷目的,并針對不同操作和結構參數(shù)做了諸多研究[6-10].氣波制冷機可以充分利用天然氣層中的壓力能,其等熵效率高于節(jié)流閥,同時相比膨脹機轉速較低,且具有一定持液運行能力,十分適用于天然氣處理.

傳統(tǒng)的雙開口氣波制冷機為軸流式結構,調整波轉子通道與旋轉軸夾角,則可為氣體流動帶來一定的離心力,可以用于克服制冷循環(huán)過程中的流動阻力,并輸出具有更高壓力能的低溫氣體,提高等熵效率;若用于過膨脹循環(huán)方式,可以減小甚至代替外置循環(huán)設備,使得整體結構更加緊湊,減少空間占用,節(jié)約設備和配管成本.同時在給定轉速下調整合適錐角,可以改變大端旋轉線速度,有利于降低漸開漸閉損失和黏性損失.謝明明[11]、袁博[12]對徑流式波轉子進行了研究,其帶來循環(huán)壓差的同時軸功大幅上升,且制冷效果受到很大影響,同時其結構上的不穩(wěn)定性制約了實驗和實際應用.

本文綜合軸流式和徑流式氣波制冷機的優(yōu)點,提出一種斜流式氣波制冷機,構建錐形波轉子理想波圖,完成端口匹配,建立并簡化模型,進行數(shù)值計算,研究錐角、壓比、轉速對于制冷和增壓效果的影響,并與軸流式和徑流式氣波制冷機加以對比.

1 斜流式氣波制冷機理論及模型建立

本文提出的斜流式氣波制冷機,其核心部件波轉子為錐形結構,振蕩管為等截面直通道,如圖1所示.進氣方式為返流式,低溫出口位于大端一側,低壓入口位于小端一側,從而能夠利用錐形結構產生的離心力.

圖1 直通道錐形波轉子三維結構示意圖

1.1 理想波圖構建及端口匹配

為實現(xiàn)氣波制冷,波轉子振蕩管內需合理控制運動波系[13-15].依據(jù)氣體動力學原理并借鑒軸流式氣波制冷機理想波圖(圖2),得到如圖3所示的斜流式氣波制冷機理想波圖.

圖2 軸流式氣波制冷機理想波圖

在一個周期內,制冷過程大致可分為高壓排氣階段和低溫排氣階段.

(1)高壓排氣階段

振蕩管勻速旋轉,當高壓入口與振蕩管接通,向通道內傳遞一個右行激波S1,氣體壓力增大、溫度升高.

當右行激波S1傳播到通道右側時,接通中壓出口,發(fā)生開口反射形成左行膨脹波E1.

波轉子繼續(xù)旋轉,高壓入口關閉產生右行膨脹波E2,中壓出口在E2到達振蕩管右端時閉合.

(2)低溫排氣階段

由于通道右側壓力低于中壓出口壓力,中壓氣體在波轉子通道內膨脹,在通道尾部形成激波S2.

本文根據(jù)Hu等的研究設計方法[16],按表1操作參數(shù)設計錐形波轉子結構參數(shù),見表2.

表1 斜流式氣波制冷機典型工況操作參數(shù)

表2 錐形波轉子結構參數(shù)

1.2 計算模型及數(shù)值方法

依據(jù)已構建的理想波圖,為更直觀地展現(xiàn)斜流式氣波制冷機內部氣體流動狀態(tài),綜合考慮準確性和計算量,將波轉子結構由三維向二維簡化[17-18],類比軸流式和徑流式氣波制冷機二維展開方式,按照圓臺展開方式展開:錐形波轉子兩條母線延長相交,得到新的圓心;選取內外弧長等于原錐形波轉子兩端周長,如圖4所示.

圖4 三維向二維轉換示意圖

利用Gambit軟件進行網格劃分,采用結構化網格,經過網格無關性驗證,全局網格尺寸為2 mm×2 mm,網格數(shù)共計87 970,通道兩側設為周期性邊界,得到如圖5所示網格模型.利用流體仿真軟件Ansys Fluent進行數(shù)值計算.介質選用理想空氣;計算類型為基于密度的瞬態(tài)計算;湍流模型設置為Realizablek-ε模型;離散格式設置為AUSM+二階迎風格式[19-21];時間步長設置為1×10-5s,迭代次數(shù)為20.

圖5 二維網格模型示意圖

如圖6所示,對比Okamoto等的實驗數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)[22],雖然由于管壁非絕熱以及黏性損失等原因出現(xiàn)細微差距,但靜壓變化規(guī)律與實驗數(shù)據(jù)整體吻合,說明本文采用的計算模型可用于描述波轉子通道內部氣體流動狀態(tài),誤差在可接受范圍內.

1.3 性能評價指標選取

(1)制冷效果

等熵效率(η)定義為氣波制冷機進出口的實際焓降與等熵焓降之比:

(1)

式中:ΔHpr為單位時間氣波制冷機進出口的實際焓降,J/s;ΔHid為單位時間理想焓降(等熵焓降),J/s.鑒于本文外循環(huán)氣波制冷機的工況,進口為高壓入口,出口為低溫出口,氣體經過斜流式氣波制冷機的熱力學焓的實際變化量

ΔHpr=mcp(Thp-Tlt)

(2)

式中:m為質量流量,kg/s;cp為比定壓熱容,J/(kg·K);Thp為高壓入口溫度,K;Tlt為低溫出口溫度,K.

根據(jù)氣體等熵變化計算式,可得氣體膨脹的理想焓降為

(3)

則等熵效率計算式可以表示為

(4)

(2)增壓效果

本文定義循環(huán)壓差為低壓入口和低溫出口氣體總壓差,用來衡量斜流式氣波制冷機的氣體增壓效果.

2 數(shù)值模擬與分析

2.1 錐角對波轉子性能影響

為了對比在同樣操作參數(shù)下波轉子錐角對氣波制冷機制冷性能和增壓效果的影響,在表1所列工況下,保持波轉子小端中徑、振蕩管長不變,端口尺寸、固壁面尺寸、高中壓端口尺寸和相對位置均不變,分別建立錐角α為0°(軸流式)、6°、12°、20°、30°、45°、60°、90°(徑流式)的單周期等截面直通道結構波轉子.

錐形波轉子隨錐角增大,內外徑差值Δr增大,mω2Δr增大,產生更大的離心力,可以用來克服循環(huán)阻力,并輸出具有更高壓力能的低溫氣體.由圖7可得出,低壓入口進氣壓力下降,回氣所需壓力降低;低溫出口出氣壓力上升,氣體在波轉子中膨脹輸出的低溫氣體壓力提高.

圖7 不同錐角下波轉子增壓性能

由于所建立模型在改變波轉子錐角時保證各端口所占角度不變,且角速度不變,原則上振蕩管與端口接通時間相同,但實際由圖8可看出,錐角增大氣波制冷機氣體流量明顯減小,相對于錐角0°(軸流式)波轉子,12°錐形波轉子高壓入口進氣流量下降約15%,至90°(徑流式)時,流量降低近30%.這是由于高壓入口位于大端,高壓氣運行方向與離心力相逆,隨錐角增大,離心力使進氣阻力增大.

圖8 不同錐角下波轉子軸功和氣體流量

循環(huán)推動力的來源是錐形波轉子的離心力,其增大必然會帶來軸功消耗的增大,但同時流量下降一定程度上會減緩軸功上升.由圖8可以看出,錐角較小時,流量下降較快,軸功上升較慢,錐角為12°時,軸功僅增大1.26 kW;錐角較大時,流量下降趨緩,軸功上升迅速,至錐角為90°(徑流式)時,軸功上升至14.3 kW,此時所需電機功率增大,能耗提高,經濟性下降.

錐形波轉子兩側線速度不同,導致高壓入口進氣狀態(tài)發(fā)生改變.因為振蕩管有一定寬度,在旋轉至高壓端口時并不能瞬時接通和關閉,流動狀態(tài)和速度分布如圖9所示,軸流式波轉子漸開漸閉現(xiàn)象使得進氣初期,入射流股會在上下管壁間多次碰撞,帶來很大的流動損失;而隨錐角增大,波轉子高壓側線速度增大,12°時外圈線速度由43.1 m/s增大至64.9 m/s,振蕩管達到完全接通狀態(tài)的時間減少,漸開漸閉損失降低,入射流股反射碰撞程度降低,氣體流動損失下降,流速提高;當錐角進一步增大,60°時外圈線速度增大至133.0 m/s,徑流式增大至145.7 m/s.此時高壓進氣入射后快速流向壓力面并附壁,再緩慢向通道內擴散.入射流股在壓力面匯聚并壓縮,通道實際流通面積減小,產生節(jié)流損失.接觸面扭曲程度嚴重,黏性耗散、摻混等流動損失更為嚴重.

(a) 0°錐角(軸流式)

波轉子錐角改變反映在振蕩管內的溫度分布如圖10所示,與軸流式波轉子相比,以12°為代表的小角度錐形波轉子分界面運動距離增大,氣體膨脹深度提高,制冷溫降增大;而對于大角度錐形波轉子,進氣流量下降,流動損失增大,加之離心力對入射氣體做功抑制其膨脹,導致分界面運動距離減小,膨脹深度降低,制冷溫降減小.

(a) 0°錐角(軸流式)

由圖11(a)可以看出,當錐角較小時,隨錐角增大,氣波制冷機制冷溫降(Thp-Tlt)增大,同時低溫出口氣體壓力增大,由式(4)可得等熵效率η提升,氣體膨脹制冷效果提高;當錐角較大時,雖然低溫出口氣體壓力持續(xù)上升,但制冷溫降大幅下降,制冷效果快速惡化.錐形波轉子制冷效果隨錐角先增大后減小.為進一步得到精確最優(yōu)值,在6°～12°及其附近,每隔2°設置一個計算點,如圖11(b)所示,在12°存在一個最優(yōu)錐角.此時制冷溫降和等熵效率相較軸流式分別高9.59 ℃和13.8%,相較徑流式分別高20.48 ℃和30.9%.

(a) 0°～90°錐角

2.2 轉速對錐形波轉子性能影響

本節(jié)固定12°錐角,保持其余結構參數(shù)和工況不變,轉速由1 800 r/min逐漸增大至4 400 r/min.

提高轉速是在內外徑差值Δr不變的情況下,通過增大角速度ω,產生更大的離心力.由圖12可得,隨轉速由1 800 r/min增大至4 400 r/min,離心效果增強,軸功增大;循環(huán)壓差總體上呈上升趨勢,其在轉速低于2 500 r/min時較低,由于激波在固壁面發(fā)生反射,使得管內整體壓力提升,低壓回氣阻力提升.

圖12 不同轉速下波轉子增壓性能

如圖13所示,制冷溫降和等熵效率先上升后下降,在2 500 r/min處達到最高.在轉速低于最優(yōu)轉速時,激波到達振蕩管末端時,中壓出口尚未接通,激波發(fā)生固壁反射,重新加熱低溫氣體,導致制冷效果下降;而轉速高于最優(yōu)轉速時,中壓出口提前接通,此時激波尚未到達,振蕩管末端氣體壓力較低,中壓出口會入射一道壓縮波,同樣會影響制冷效果.

圖13 不同轉速下波轉子制冷性能

2.3 壓比對錐形波轉子性能影響

本節(jié)仍取錐角12°,固定低溫出口氣體壓力193 kPa,從300 kPa至700 kPa調整高壓入口氣體壓力,對應壓比從1.5至3.5變化.

如圖14所示,隨著壓比增大,高壓入口進氣流量增大,相匹配的低溫出口出氣流量也隨之增大,推動氣體排出所需的回氣壓力隨之增大,循環(huán)壓差降低.由于錐形波轉子運行帶來離心力,軸功相應更大,循環(huán)壓差相比軸流式波轉子平均高4.5 kPa,流量較低時,錐形波轉子的循環(huán)壓差會大幅降低,但仍高于軸流式波轉子.

圖14 不同壓比下波轉子增壓性能

如圖15所示,壓比提高帶來的進氣流量增大,使得接觸面移動距離變長,氣體膨脹深度增大,制冷溫降增大,流動損失所占比例降低,等熵效率提高.由圖15可以看出,相比軸流式波轉子,錐形波轉子等熵效率提升15%以上,同時制冷溫降提高約30%.

圖15 不同壓比下波轉子制冷性能

3 結 論

(1)在固定工況的情況下,斜流式氣波制冷機增壓性能介于軸流式和徑流式之間,同時制冷效果優(yōu)于二者.隨錐角增大,循環(huán)壓差和軸功一直增大,制冷溫降和等熵效率先增大后降低,在錐角12°左右達到最大.因而適當錐角的斜流式氣波制冷機增壓效果優(yōu)于軸流式,且軸功小于徑流式,同時制冷效果均大幅優(yōu)于二者.

(2)轉速的提高會直接增大離心效果,帶來循環(huán)壓差和軸功消耗的增大;但制冷溫降和等熵效率會先上升后下降,轉速在2 500 r/min時達到制冷效果的峰值.

(3)壓比的增大會帶來氣波制冷機氣體流量的增大,軸功消耗會上升,循環(huán)壓差降低.同時壓比增大,流動損失占比下降,制冷效果有所提升.在同等工況下,斜流式氣波制冷機循環(huán)壓差平均高于軸流式4.5 kPa,制冷溫降提高約30%,等熵效率提升15%以上.