氣體分配器結(jié)構(gòu)對(duì)壓力波制冷機(jī)性能影響的研究

張功旺

(福建雪人股份有限公司 福建，長樂 350200)

壓力波制冷機(jī)是一種利用振蕩管內(nèi)激波的運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換和傳輸?shù)男滦蜌怏w膨脹制冷機(jī)，自發(fā)明以來已在石油化工生產(chǎn)、空氣冷卻和一些低溫工程領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用[1-7]。作為壓力波制冷機(jī)的一個(gè)重要部件，氣體分配器相關(guān)參數(shù)的變化對(duì)壓力波制冷機(jī)性能有著重要影響，國內(nèi)外對(duì)氣體分配器轉(zhuǎn)速、充排氣時(shí)間比變化影響的研究較多[8-11]，但對(duì)氣體分配器結(jié)構(gòu)變化影響的研究較少。目前氣體分配器特征尺寸如噴管出口截面、噴管出口弧長及噴管安裝方向等的變化對(duì)壓力波制冷機(jī)制冷效率的影響已有了一些定性分析[12-14]，但這些結(jié)果僅針對(duì)多管式壓力波制冷機(jī)且沒有相關(guān)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)報(bào)道，無法研究各單因素的影響，而關(guān)于單管機(jī)中氣體分配器結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)壓力波制冷機(jī)性能的影響則未見有報(bào)道，這些都是壓力波制冷機(jī)設(shè)計(jì)中急需解決的問題。本文利用一臺(tái)單管壓力波實(shí)驗(yàn)制冷機(jī)，探討了氣體分配器噴射孔相對(duì)深度b/d、振蕩管與噴射孔的間距δ和振蕩管軸線與噴管中心線錯(cuò)位角度ψ等結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)壓力波制冷機(jī)性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)裝置與方法

實(shí)驗(yàn)是在單管壓力波制冷實(shí)驗(yàn)機(jī)(圖1)上進(jìn)行的。壓縮空氣經(jīng)收縮型噴管形成高速射流，振蕩管為一端開口而另一端封閉的勻直管，在氣體分配器的同一圓周上均布若干個(gè)噴射孔，噴管、噴射孔及振蕩管三者中心軸線在同一條直線上。工作時(shí)，噴管和振蕩管保持靜止?fàn)顟B(tài)，電機(jī)驅(qū)使氣體分配器高速旋轉(zhuǎn)。當(dāng)分配器中的某個(gè)噴射孔對(duì)準(zhǔn)噴管時(shí)，從噴管出來的高速射流通過噴射孔射入振蕩管，進(jìn)入充氣階段；一定時(shí)間后，噴射孔轉(zhuǎn)離噴管口，振蕩管開口端與低壓排氣腔相連通并開始排氣，從而完成一個(gè)充、排氣循環(huán)。當(dāng)下一個(gè)噴射孔對(duì)準(zhǔn)噴管口時(shí)，便又開始一個(gè)新的充、排氣循環(huán)。

1-高壓氣體 2-噴管 3-振蕩管 4-噴射孔 5-電機(jī) 6-排氣室 7-氣體分配器

進(jìn)氣總壓力p0用HM20-1-A1-F1-W1型壓力變送器、排氣背壓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，進(jìn)氣滯止溫度T0、排氣溫度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)

式中γ為氣體比熱容比。

實(shí)驗(yàn)中，振蕩管采用?12x1mm、長徑比L/d為473.5的紫銅管，膨脹比ε=2～6，射流激勵(lì)頻率f=10～240Hz，氣體分配器噴射孔相對(duì)深度b/d=0.3～0.65，振蕩管與噴射孔的間距δ=0～3.5mm，振蕩管軸線與噴管中心線錯(cuò)位角度ψ=0°～4°，排氣背壓pb=0.1 MPa，振蕩管內(nèi)工作介質(zhì)為空氣。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 氣體分配器噴射孔相對(duì)深度b/d的影響

保持δ=0mm、ε=5.0、L/d=437.5和ψ=0°不變，研究了噴射孔相對(duì)深度b/d分別為0.3、0.45、0.5和0.65時(shí)，b/d的變化對(duì)η的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同b/d下對(duì)η隨f變化的實(shí)驗(yàn)結(jié)果(ε=5)

由圖中可知：b/d從0.3增大到0.5的過程中，增大噴射孔相對(duì)深度壓力波制冷機(jī)的η整體有明顯的提升，最大制冷效率提高了將近15%。這是由于射流從噴管噴出時(shí)呈發(fā)散式且速度很快，噴射孔有一定厚度可以起到整流和緩沖作用，噴射孔相對(duì)深度太小就起不到減小射流發(fā)散的作用，會(huì)造成高速射流噴入振蕩管前損失一部分流量，從而導(dǎo)致入射激波強(qiáng)度減弱。同時(shí)噴射孔相對(duì)深度越小則排氣室與充氣室的間隔也越小，充、排氣摻混量會(huì)有所增加，這些因素使得制冷效率降低。然而噴射孔相對(duì)深度變長時(shí)，高速射流噴入振蕩管前在噴射孔中的流動(dòng)距離就會(huì)增加，使得射流的摩擦損失增大，由于一個(gè)充排氣周期內(nèi)射流的流量都很小，與噴射孔壁的摩擦?xí)绊懮淞鞯牧魉?，使得入射激波?qiáng)度降低，從而降低了制冷機(jī)的制冷效率，因此當(dāng)b/d繼續(xù)增大到0.65時(shí)，η整體明顯下降。由此可知，在設(shè)計(jì)壓力波制冷機(jī)時(shí)必須選取適宜的噴射孔相對(duì)深度，在本文實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)，較為合理的推薦值為b/d=0.5。

從圖中還可看出不同的b/d，η隨f的變化趨勢(shì)相同，在可調(diào)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)制冷效率隨轉(zhuǎn)速變化出現(xiàn)多個(gè)峰值且峰值點(diǎn)頻率和個(gè)數(shù)都相同，但是最佳頻率fopt有所不同。

2.2 振蕩管與氣體分配器間隔距離δ的影響

保持b/d=0.5、ε=5.0、L/d=437.5和ψ=0°不變，研究了振蕩管與噴射孔的間距δ分別為0mm、0.5mm、2mm和3.5mm時(shí)，δ的變化對(duì)η的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同δ值下對(duì)η隨f變化的實(shí)驗(yàn)結(jié)果(ε=5)

從圖中可以看出，隨著δ的增大不論是整體制冷效率還是最大制冷效率都明顯在下降，δ增大到3.5mm時(shí)，最大制冷效率僅為28.39%，比δ=0mm時(shí)減少了將近18%；不同δ值，η隨f的變化趨勢(shì)也基本相同，但是隨著δ的增大，fopt從第四峰值點(diǎn)變?yōu)榈诙逯迭c(diǎn)，同時(shí)第三、四峰值點(diǎn)變得越來越不明顯；f>125區(qū)間η下降幅度要大于f<125區(qū)間；δ增大到一定距離后，η下降幅度有所減小。

δ增大意味著振蕩管開口端與氣體分配器間的間隙增大，在充氣階段，從噴管噴出的高速射流會(huì)大量泄漏到排氣室中，造成充、排氣嚴(yán)重?fù)交欤幢恢评涞母邷仳?qū)動(dòng)氣加熱了處于從振蕩管排出的低溫驅(qū)動(dòng)氣，使得制冷機(jī)的制冷效率下降。當(dāng)轉(zhuǎn)速較低時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)充排氣的次數(shù)在減少，充排氣摻混的次數(shù)也相應(yīng)減少，因此高頻區(qū)的制冷效率下降幅度要高于低頻區(qū)，同時(shí)氣體分配器達(dá)到一定轉(zhuǎn)速后，充排氣摻混次數(shù)對(duì)制冷效率的影響不大，使得高頻區(qū)的制冷效率變化幅度減小，其峰值頻率變得不明顯。綜上所述，在壓力波制冷機(jī)安裝和運(yùn)行過程中要盡量減小振蕩管與噴射孔的間隙。

2.3 振蕩管軸線與噴管中心線錯(cuò)位角度ψ的影響

保持b/d=0.5、ε=5.0、L/d=437.5和δ=0mm不變，研究了振蕩管軸線與噴管中心線錯(cuò)位角度ψ分別為0°、1°、2°、3°和4°時(shí)，ψ的變化對(duì)η的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同ψ值下對(duì)η隨f變化的實(shí)驗(yàn)結(jié)果(ε=5)

從圖中可以看出，隨著ψ的增大η的變化趨勢(shì)與δ增大時(shí)η的變化趨勢(shì)基本相同，壓力波制冷機(jī)的制冷性能在不斷惡化。ψ增大到4°時(shí)，最大制冷效率僅為25.78%，比ψ為0°時(shí)減少了將近20%；ψ在1°～3°區(qū)間內(nèi)，與ψ為0°的制冷效率曲線相比高頻區(qū)制冷效率的下降幅度要高于低頻區(qū)，而ψ=4°時(shí)高頻區(qū)的降幅與低頻區(qū)相當(dāng)，因此ψ=4°時(shí)與其他曲線低頻區(qū)制冷效率差距較大，而高頻區(qū)則相差不大。

ψ值增大意味著振蕩管軸線與噴管中心線錯(cuò)位角度增大，在充氣階段振蕩管開口端與噴管重合面積減小，使得噴入振蕩管的驅(qū)動(dòng)氣流量減小，且壓力和流速由于流動(dòng)面積擴(kuò)大而有所下降，這些因素導(dǎo)致管內(nèi)入射激波強(qiáng)度減低，振蕩管冷效應(yīng)減弱。同時(shí)未噴入振蕩管的驅(qū)動(dòng)氣則直接與排氣室中的低溫氣體混合，使排氣溫度上升，制冷機(jī)的制冷效率降低。因此在壓力波制冷機(jī)安裝時(shí)需減小ψ值，使振蕩管軸線與噴管中心線保持在同一水平線上。

綜上所述，在設(shè)計(jì)壓力波制冷機(jī)時(shí)，氣體分配器噴射孔相對(duì)深度需選取適宜的數(shù)值，才能獲得較高的制冷效率，目前對(duì)該參數(shù)的相關(guān)研究和實(shí)驗(yàn)結(jié)果還很少，使得目前還沒有通用的取值范圍，這無形中大大限制了壓力波制冷機(jī)的推廣和應(yīng)用，需加大對(duì)這方面內(nèi)容的研究。δ和ψ值在設(shè)計(jì)時(shí)一般要求為零，在實(shí)際安裝時(shí)很難做到，只能盡量地減小，然而在運(yùn)行過程由于機(jī)械摩擦和材料耗損等原因，會(huì)導(dǎo)致這兩個(gè)數(shù)值在不斷增大，尤其是多管式壓力波制冷機(jī)，因此還需開展減小δ和ψ值方法的研究。

3 結(jié)論

(1)壓力波制冷機(jī)的制冷效率η隨b/d的增加先增大后減小，存在一個(gè)合適的相對(duì)充氣時(shí)間比范圍，在本文的實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)，噴射孔相對(duì)深度b/d推薦值為0.5。

(2)不同的b/d，η隨f的變化趨勢(shì)相同，在可調(diào)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)制冷效率隨轉(zhuǎn)速變化出現(xiàn)多個(gè)峰值且峰值點(diǎn)頻率和個(gè)數(shù)都相同，但是最佳頻率fopt有所不同。

(3)增大振蕩管與噴射孔的距離δ與振蕩管軸線與噴管中心線錯(cuò)位角度ψ均會(huì)導(dǎo)致η急劇下降，壓力波制冷機(jī)實(shí)際運(yùn)行中應(yīng)盡量減小這兩個(gè)值。

(4)得到的相關(guān)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可為壓力波制冷機(jī)的實(shí)驗(yàn)、優(yōu)化設(shè)計(jì)和運(yùn)行提供指導(dǎo)。

符號(hào)說明

b—噴射孔的深度，m

d—振蕩管內(nèi)徑，m

f—射流激勵(lì)頻率，Hz

N—射氣孔個(gè)數(shù)

n—?dú)怏w分配器的轉(zhuǎn)速，r/min

p0——進(jìn)氣總壓，MPa

pb——排氣背壓，MPa

R—?dú)怏w常數(shù)，J/(kg·K)

T0——進(jìn)氣滯止溫度，K

T2——排氣溫度，K

γ—?dú)怏w比熱容比

δ—振蕩管與噴射孔的距離，mm

ε—膨脹比

η—制冷效率，%

ψ—振蕩管軸線與噴管中心線錯(cuò)位角度，°

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