胡 大 鵬, 白 宇, 劉 鳳 霞*

(1.大連理工大學(xué) 化工學(xué)院,遼寧 大連 116024;2.大連理工大學(xué) 精細(xì)化工國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 智能材料化工前沿科學(xué)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(duì)上述需求,大連理工大學(xué)成功研發(fā)出氣波制冷機(jī)[4-5],通過(guò)振蕩管內(nèi)非定常波系運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)能量的交換,達(dá)到制冷目的,并針對(duì)不同操作和結(jié)構(gòu)參數(shù)做了諸多研究[6-10].氣波制冷機(jī)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(shí)相比膨脹機(jī)轉(zhuǎn)速較低,且具有一定持液運(yùn)行能力,十分適用于天然氣處理.

傳統(tǒng)的雙開(kāi)口氣波制冷機(jī)為軸流式結(jié)構(gòu),調(diào)整波轉(zhuǎn)子通道與旋轉(zhuǎn)軸夾角,則可為氣體流動(dòng)帶來(lái)一定的離心力,可以用于克服制冷循環(huán)過(guò)程中的流動(dòng)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(guò)膨脹循環(huán)方式,可以減小甚至代替外置循環(huán)設(shè)備,使得整體結(jié)構(gòu)更加緊湊,減少空間占用,節(jié)約設(shè)備和配管成本.同時(shí)在給定轉(zhuǎn)速下調(diào)整合適錐角,可以改變大端旋轉(zhuǎn)線速度,有利于降低漸開(kāi)漸閉損失和黏性損失.謝明明[11]、袁博[12]對(duì)徑流式波轉(zhuǎn)子進(jìn)行了研究,其帶來(lái)循環(huán)壓差的同時(shí)軸功大幅上升,且制冷效果受到很大影響,同時(shí)其結(jié)構(gòu)上的不穩(wěn)定性制約了實(shí)驗(yàn)和實(shí)際應(yīng)用.

本文綜合軸流式和徑流式氣波制冷機(jī)的優(yōu)點(diǎn),提出一種斜流式氣波制冷機(jī),構(gòu)建錐形波轉(zhuǎn)子理想波圖,完成端口匹配,建立并簡(jiǎn)化模型,進(jìn)行數(shù)值計(jì)算,研究錐角、壓比、轉(zhuǎn)速對(duì)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(jī)加以對(duì)比.

1 斜流式氣波制冷機(jī)理論及模型建立

本文提出的斜流式氣波制冷機(jī),其核心部件波轉(zhuǎn)子為錐形結(jié)構(gòu),振蕩管為等截面直通道,如圖1所示.進(jìn)氣方式為返流式,低溫出口位于大端一側(cè),低壓入口位于小端一側(cè),從而能夠利用錐形結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的離心力.

圖1 直通道錐形波轉(zhuǎn)子三維結(jié)構(gòu)示意圖

1.1 理想波圖構(gòu)建及端口匹配

為實(shí)現(xiàn)氣波制冷,波轉(zhuǎn)子振蕩管內(nèi)需合理控制運(yùn)動(dòng)波系[13-15].依據(jù)氣體動(dòng)力學(xué)原理并借鑒軸流式氣波制冷機(jī)理想波圖(圖2),得到如圖3所示的斜流式氣波制冷機(jī)理想波圖.

圖2 軸流式氣波制冷機(jī)理想波圖

在一個(gè)周期內(nèi),制冷過(guò)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(zhuǎn),當(dāng)高壓入口與振蕩管接通,向通道內(nèi)傳遞一個(gè)右行激波S1,氣體壓力增大、溫度升高.

當(dāng)右行激波S1傳播到通道右側(cè)時(shí),接通中壓出口,發(fā)生開(kāi)口反射形成左行膨脹波E1.

波轉(zhuǎn)子繼續(xù)旋轉(zhuǎn),高壓入口關(guān)閉產(chǎn)生右行膨脹波E2,中壓出口在E2到達(dá)振蕩管右端時(shí)閉合.

(2)低溫排氣階段

由于通道右側(cè)壓力低于中壓出口壓力,中壓氣體在波轉(zhuǎn)子通道內(nèi)膨脹,在通道尾部形成激波S2.

本文根據(jù)Hu等的研究設(shè)計(jì)方法[16],按表1操作參數(shù)設(shè)計(jì)錐形波轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)參數(shù),見(jiàn)表2.

表1 斜流式氣波制冷機(jī)典型工況操作參數(shù)

表2 錐形波轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)參數(shù)

1.2 計(jì)算模型及數(shù)值方法

依據(jù)已構(gòu)建的理想波圖,為更直觀地展現(xiàn)斜流式氣波制冷機(jī)內(nèi)部氣體流動(dòng)狀態(tài),綜合考慮準(zhǔn)確性和計(jì)算量,將波轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)由三維向二維簡(jiǎn)化[17-18],類比軸流式和徑流式氣波制冷機(jī)二維展開(kāi)方式,按照?qǐng)A臺(tái)展開(kāi)方式展開(kāi):錐形波轉(zhuǎn)子兩條母線延長(zhǎng)相交,得到新的圓心;選取內(nèi)外弧長(zhǎng)等于原錐形波轉(zhuǎn)子兩端周長(zhǎng),如圖4所示.

圖4 三維向二維轉(zhuǎn)換示意圖

利用Gambit軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分,采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格,經(jīng)過(guò)網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證,全局網(wǎng)格尺寸為2 mm×2 mm,網(wǎng)格數(shù)共計(jì)87 970,通道兩側(cè)設(shè)為周期性邊界,得到如圖5所示網(wǎng)格模型.利用流體仿真軟件Ansys Fluent進(jìn)行數(shù)值計(jì)算.介質(zhì)選用理想空氣;計(jì)算類型為基于密度的瞬態(tài)計(jì)算;湍流模型設(shè)置為Realizablek-ε模型;離散格式設(shè)置為AUSM+二階迎風(fēng)格式[19-21];時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)置為1×10-5s,迭代次數(shù)為20.

圖5 二維網(wǎng)格模型示意圖

如圖6所示,對(duì)比Okamoto等的實(shí)驗(yàn)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(xì)微差距,但靜壓變化規(guī)律與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)整體吻合,說(shuō)明本文采用的計(jì)算模型可用于描述波轉(zhuǎn)子通道內(nèi)部氣體流動(dòng)狀態(tài),誤差在可接受范圍內(nèi).

1.3 性能評(píng)價(jià)指標(biāo)選取

(1)制冷效果

等熵效率(η)定義為氣波制冷機(jī)進(jìn)出口的實(shí)際焓降與等熵焓降之比:

(1)

式中:ΔHpr為單位時(shí)間氣波制冷機(jī)進(jìn)出口的實(shí)際焓降,J/s;ΔHid為單位時(shí)間理想焓降(等熵焓降),J/s.鑒于本文外循環(huán)氣波制冷機(jī)的工況,進(jìn)口為高壓入口,出口為低溫出口,氣體經(jīng)過(guò)斜流式氣波制冷機(jī)的熱力學(xué)焓的實(shí)際變化量

ΔHpr=mcp(Thp-Tlt)

(2)

式中:m為質(zhì)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(jì)算式,可得氣體膨脹的理想焓降為

(3)

則等熵效率計(jì)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(lái)衡量斜流式氣波制冷機(jī)的氣體增壓效果.

2 數(shù)值模擬與分析

2.1 錐角對(duì)波轉(zhuǎn)子性能影響

為了對(duì)比在同樣操作參數(shù)下波轉(zhuǎn)子錐角對(duì)氣波制冷機(jī)制冷性能和增壓效果的影響,在表1所列工況下,保持波轉(zhuǎn)子小端中徑、振蕩管長(zhǎng)不變,端口尺寸、固壁面尺寸、高中壓端口尺寸和相對(duì)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(jié)構(gòu)波轉(zhuǎn)子.

錐形波轉(zhuǎn)子隨錐角增大,內(nèi)外徑差值Δr增大,mω2Δr增大,產(chǎn)生更大的離心力,可以用來(lái)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(jìn)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(zhuǎn)子中膨脹輸出的低溫氣體壓力提高.

圖7 不同錐角下波轉(zhuǎn)子增壓性能

由于所建立模型在改變波轉(zhuǎn)子錐角時(shí)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(shí)間相同,但實(shí)際由圖8可看出,錐角增大氣波制冷機(jī)氣體流量明顯減小,相對(duì)于錐角0°(軸流式)波轉(zhuǎn)子,12°錐形波轉(zhuǎn)子高壓入口進(jìn)氣流量下降約15%,至90°(徑流式)時(shí),流量降低近30%.這是由于高壓入口位于大端,高壓氣運(yùn)行方向與離心力相逆,隨錐角增大,離心力使進(jìn)氣阻力增大.

圖8 不同錐角下波轉(zhuǎn)子軸功和氣體流量

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

錐形波轉(zhuǎn)子兩側(cè)線速度不同,導(dǎo)致高壓入口進(jìn)氣狀態(tài)發(fā)生改變.因?yàn)檎袷幑苡幸欢▽挾?在旋轉(zhuǎn)至高壓端口時(shí)并不能瞬時(shí)接通和關(guān)閉,流動(dòng)狀態(tài)和速度分布如圖9所示,軸流式波轉(zhuǎn)子漸開(kāi)漸閉現(xiàn)象使得進(jìn)氣初期,入射流股會(huì)在上下管壁間多次碰撞,帶來(lái)很大的流動(dòng)損失;而隨錐角增大,波轉(zhuǎn)子高壓側(cè)線速度增大,12°時(shí)外圈線速度由43.1 m/s增大至64.9 m/s,振蕩管達(dá)到完全接通狀態(tài)的時(shí)間減少,漸開(kāi)漸閉損失降低,入射流股反射碰撞程度降低,氣體流動(dòng)損失下降,流速提高;當(dāng)錐角進(jìn)一步增大,60°時(shí)外圈線速度增大至133.0 m/s,徑流式增大至145.7 m/s.此時(shí)高壓進(jìn)氣入射后快速流向壓力面并附壁,再緩慢向通道內(nèi)擴(kuò)散.入射流股在壓力面匯聚并壓縮,通道實(shí)際流通面積減小,產(chǎn)生節(jié)流損失.接觸面扭曲程度嚴(yán)重,黏性耗散、摻混等流動(dòng)損失更為嚴(yán)重.

(a) 0°錐角(軸流式)

波轉(zhuǎn)子錐角改變反映在振蕩管內(nèi)的溫度分布如圖10所示,與軸流式波轉(zhuǎn)子相比,以12°為代表的小角度錐形波轉(zhuǎn)子分界面運(yùn)動(dòng)距離增大,氣體膨脹深度提高,制冷溫降增大;而對(duì)于大角度錐形波轉(zhuǎn)子,進(jìn)氣流量下降,流動(dòng)損失增大,加之離心力對(duì)入射氣體做功抑制其膨脹,導(dǎo)致分界面運(yùn)動(dòng)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(dāng)錐角較小時(shí),隨錐角增大,氣波制冷機(jī)制冷溫降(Thp-Tlt)增大,同時(shí)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(dāng)錐角較大時(shí),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(zhuǎn)子制冷效果隨錐角先增大后減小.為進(jìn)一步得到精確最優(yōu)值,在6°～12°及其附近,每隔2°設(shè)置一個(gè)計(jì)算點(diǎn),如圖11(b)所示,在12°存在一個(gè)最優(yōu)錐角.此時(shí)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(zhuǎn)速對(duì)錐形波轉(zhuǎn)子性能影響

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

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

圖12 不同轉(zhuǎn)速下波轉(zhuǎn)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(dá)到最高.在轉(zhuǎn)速低于最優(yōu)轉(zhuǎn)速時(shí),激波到達(dá)振蕩管末端時(shí),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(dǎo)致制冷效果下降;而轉(zhuǎn)速高于最優(yōu)轉(zhuǎn)速時(shí),中壓出口提前接通,此時(shí)激波尚未到達(dá),振蕩管末端氣體壓力較低,中壓出口會(huì)入射一道壓縮波,同樣會(huì)影響制冷效果.

圖13 不同轉(zhuǎn)速下波轉(zhuǎn)子制冷性能

2.3 壓比對(duì)錐形波轉(zhuǎn)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(diào)整高壓入口氣體壓力,對(duì)應(yīng)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(jìn)氣流量增大,相匹配的低溫出口出氣流量也隨之增大,推動(dòng)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(zhuǎn)子運(yùn)行帶來(lái)離心力,軸功相應(yīng)更大,循環(huán)壓差相比軸流式波轉(zhuǎn)子平均高4.5 kPa,流量較低時(shí),錐形波轉(zhuǎn)子的循環(huán)壓差會(huì)大幅降低,但仍高于軸流式波轉(zhuǎn)子.

圖14 不同壓比下波轉(zhuǎn)子增壓性能

如圖15所示,壓比提高帶來(lái)的進(jìn)氣流量增大,使得接觸面移動(dòng)距離變長(zhǎng),氣體膨脹深度增大,制冷溫降增大,流動(dòng)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(zhuǎn)子,錐形波轉(zhuǎn)子等熵效率提升15%以上,同時(shí)制冷溫降提高約30%.

圖15 不同壓比下波轉(zhuǎn)子制冷性能

3 結(jié) 論

(1)在固定工況的情況下,斜流式氣波制冷機(jī)增壓性能介于軸流式和徑流式之間,同時(shí)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(dá)到最大.因而適當(dāng)錐角的斜流式氣波制冷機(jī)增壓效果優(yōu)于軸流式,且軸功小于徑流式,同時(shí)制冷效果均大幅優(yōu)于二者.

(2)轉(zhuǎn)速的提高會(huì)直接增大離心效果,帶來(lái)循環(huán)壓差和軸功消耗的增大;但制冷溫降和等熵效率會(huì)先上升后下降,轉(zhuǎn)速在2 500 r/min時(shí)達(dá)到制冷效果的峰值.

(3)壓比的增大會(huì)帶來(lái)氣波制冷機(jī)氣體流量的增大,軸功消耗會(huì)上升,循環(huán)壓差降低.同時(shí)壓比增大,流動(dòng)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(jī)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.