高效氣波冷凝裝置流動及熱力學(xué)特性

于洋，劉培啟，王云磊，冷闖，趙一鳴，王靜嫻，胡大鵬

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高效氣波冷凝裝置流動及熱力學(xué)特性

于洋，劉培啟，王云磊，冷闖，趙一鳴，王靜嫻，胡大鵬

（大連理工大學(xué)化工機(jī)械學(xué)院，遼寧大連 116023）

利用空氣動力學(xué)理論，建立高效氣波冷凝波圖，采用二維周期性邊界模型，以理想氣體為介質(zhì)對高效氣波冷凝分離裝置流場、溫度場進(jìn)行數(shù)值模擬，優(yōu)化氣波冷凝波圖，預(yù)估裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)參數(shù)。建立冷凝系統(tǒng)熱力循環(huán)模型，對其熱力學(xué)特性進(jìn)行分析。同時搭建實驗平臺，對影響系統(tǒng)的主要參數(shù)進(jìn)行了研究。實驗結(jié)果表明：利用激波增壓回收高壓氣源壓力能，可以有效恢復(fù)脫濕干氣壓力能。通過回收脫濕干氣冷量，預(yù)冷下一循環(huán)高壓進(jìn)氣，可以獲得更低冷凝溫度。該裝置制冷效率存在單值最優(yōu)點，高效氣波冷凝實際內(nèi)部膨脹效率約為63%，脫濕干氣壓力能最高恢復(fù)90%，且隨著制冷壓比增大而降低。

氣波冷凝；流體動力學(xué)；數(shù)值模擬；激波；熱力學(xué)過程；設(shè)計

引 言

含濕氣體溫度低于其露點溫度時，含濕氣體中的濕組分就會從氣相轉(zhuǎn)變?yōu)橐合?。利用這一原理，含濕氣體冷凝分離方法被提出并被廣泛應(yīng)用于天然氣脫水、天然氣凝析液回收等領(lǐng)域。膨脹制冷分離可以直接利用天然氣的壓力能，所以在天然氣處理方面具備優(yōu)勢。超音速旋流分離技術(shù)屬于膨脹制冷分離的一種，具有工藝簡單、結(jié)構(gòu)緊湊和無轉(zhuǎn)動部件的顯著優(yōu)勢，近年來發(fā)展迅速，但是分離效率普遍較低，僅20%左右[1]。透平膨脹制冷與壓力振蕩管制冷是另外兩種不同的氣體膨脹制冷方法，透平膨脹制冷等熵膨脹效率很高，但是在處理含濕氣體時，葉片容易發(fā)生斷裂事故。尤其在天然氣行業(yè)，由于注醇防凍工藝加入，天然氣帶液現(xiàn)象更為嚴(yán)重，透平膨脹機(jī)應(yīng)用受到制約，難以穩(wěn)定運行；波轉(zhuǎn)子制冷是一種新型氣體膨脹制冷方法[2]，該方法利用波轉(zhuǎn)子通道內(nèi)運動壓力波實現(xiàn)不同流體間能量交換，無須做功葉片[3-5]，波轉(zhuǎn)子制冷裝置運轉(zhuǎn)速度低，常見轉(zhuǎn)速在3000 r·min-1以內(nèi)，在抑制氣液兩相侵蝕以及排除設(shè)備內(nèi)部積液方面具有優(yōu)勢。

自20世紀(jì)90年代波轉(zhuǎn)子這一概念被提出后[4]，波轉(zhuǎn)子技術(shù)被應(yīng)用于各類增壓設(shè)備上[6-11]。Hu等在傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)氣波機(jī)工作的基礎(chǔ)上[12]，開發(fā)了外循環(huán)耗散氣波制冷機(jī)[13]，以及過膨脹氣波制冷機(jī)[14]。目前制冷系統(tǒng)內(nèi)部實際膨脹效率最高約為70%，低于透平的膨脹效率，仍具有改進(jìn)空間。無論波轉(zhuǎn)子應(yīng)用于何領(lǐng)域，波轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)特征基本相同，見圖1。波轉(zhuǎn)子工作特性取決于其在各種工況下的波圖設(shè)計。各個噴嘴與波轉(zhuǎn)子通道的開閉時間需要精確的匹配，它不僅影響波轉(zhuǎn)子通道內(nèi)波系非定常運動還影響冷熱交界面的形態(tài)[15]。數(shù)值計算方法廣泛用于波轉(zhuǎn)子性能分析中[16-21]。Eidelman[22]最先開發(fā)二維計算程序，計算了轉(zhuǎn)子通道漸開漸閉的影響。Larosiliere[23]建立了三維計算模型，計算高壓氣體入射過程，得出冷熱分界面受旋轉(zhuǎn)速度以及通道開閉時間影響，呈三維扭曲狀。Okamoto等[24]建立三通道靜止波轉(zhuǎn)子壓力測量平臺，測得了通道壁面上靜壓隨時間變化關(guān)系。

目前，傳統(tǒng)氣波制冷機(jī)存在熱力學(xué)缺陷，即膨脹后的高壓氣體壓力能完全損失，不能回收。過膨脹氣波制冷機(jī)利用外部換熱器將低溫氣體冷量傳遞給高溫氣體，利用激波增壓提高高溫氣體壓力能，從而恢復(fù)了系統(tǒng)低溫排氣的壓力能。然而將其直接應(yīng)用于天然氣冷凝脫濕仍存在問題。一方面，脫濕干氣壓力能通過流股熱量交換方式進(jìn)行，需要很大的換熱器，必然存在冷源損失，雖然系統(tǒng)壓比提高了，但小壓比下設(shè)備內(nèi)部實際膨脹效率并沒有提高，系統(tǒng)制冷深度有限。另一方面，從能量資源利用角度而言，制冷系統(tǒng)內(nèi)部實際膨脹產(chǎn)生的冷量并沒有被充分利用，而是直接損耗，造成冷源浪費。

本文旨在過膨脹氣波制冷系統(tǒng)基礎(chǔ)上，設(shè)計一種高效氣波冷凝分離流程，利用脫濕干氣冷量，在其壓力能恢復(fù)之前取出冷量，預(yù)冷下次入射的高壓氣體，然后將溫度恢復(fù)的脫濕干氣再次引至高效氣波冷凝裝置中，利用激波增壓特性直接恢復(fù)脫濕干氣的壓力能。一方面回收了高壓氣體膨脹功，恢復(fù)脫濕干氣的壓力能，降低了系統(tǒng)的壓比；另一方面回收了脫濕氣體的冷量，降低了高壓進(jìn)氣溫度，提高了系統(tǒng)制冷的深度。本文首先設(shè)計制冷波圖，建立二維波轉(zhuǎn)子周期計算模型，分析波轉(zhuǎn)子通道內(nèi)波系的運動規(guī)律，優(yōu)化各個端口的空間位置，建立了各個端口理想匹配關(guān)系；其次，建立高效氣波冷凝熱力學(xué)模型，分析了影響系統(tǒng)制冷效率與深度的主要因素，為系統(tǒng)實驗平臺搭建提供依據(jù)；最后建立了高效波轉(zhuǎn)子冷凝分離平臺，分析了主要的結(jié)構(gòu)參數(shù)與操作參數(shù)對制冷效率的影響。

1 數(shù)值方法與模型驗證

1.1 數(shù)值方法

為了清晰描述波轉(zhuǎn)子內(nèi)部壓力波的波動過程，建立了二維數(shù)值計算模型，計算波轉(zhuǎn)子通道內(nèi)氣體非定常流動?；谀Ｐ妥畲笥嬎銐毫π∮? MPa，最低計算溫度大于258 K，模型計算方程采用理想空氣作為計算介質(zhì)，流動過程遵循質(zhì)量守恒定律，動量守恒定律，能量守恒定律。這些控制方程可以寫成如下通用形式[25]

其中為通用變量，可以代表,,,等求解變量，G、分別為廣義擴(kuò)散系數(shù)與廣義源項。

(2)

為熱傳導(dǎo)系數(shù)，c為比熱容，S、S以及S定義如下

(4)

(5)

上述方程包含5個未知量，需要補充氣體狀態(tài)方程，使得方程組封閉。為了捕捉激波，反映激波增壓特性，采用AUSM數(shù)值計算格式[26]，時間域上采用隱式積分算法。為了滿足工程計算需要，采用Realizable-湍流模型[27]，Realizable-引入表征流場旋轉(zhuǎn)速度參數(shù)，有效模擬平面混合流，均勻剪切流，平面射流等工況，適合本文高壓噴嘴射流工況計算。

1.2 模型驗證

本文依據(jù)Okamoto等[24]的三通道實驗平臺建立二維數(shù)值計算模型，利用了Okamoto等在雙開口三管實驗平臺上測得的通道壁面靜壓隨時間變化數(shù)據(jù)，驗證數(shù)值模型的準(zhǔn)確性。模型參數(shù)見表1、表2。

表1 實驗結(jié)構(gòu)參數(shù)

表2 實驗操作參數(shù)

采用定點P10作為參考點，監(jiān)測P10點壁面壓力隨時間變化（圖2），對比Okamoto等[24]的實驗結(jié)果可知，約200 μs時刻，第1道激波傳至檢測點P10，第1道激波增壓峰值二者相差不大；約1000 μs時刻，反射激波經(jīng)過檢測點P10，反射激波引起增壓效果二者近似。

計算表明，建立的二維模型可以很好捕捉激波的位置，且可以高精度反應(yīng)激波的增壓效果。圖中部分精度誤差主要原因為：① 計算模型采用理想氣體作為計算介質(zhì)；② 波轉(zhuǎn)子通道壁面使用絕熱邊界條件，不考慮管壁導(dǎo)熱作用；③ Realizable-湍流模型與管內(nèi)實際流動存在一定誤差，故計算結(jié)果仍與實際測量結(jié)果有一定偏差。但是采用該模型仍可以優(yōu)化制冷波圖，預(yù)估各個噴嘴與固壁尺寸，為實驗設(shè)計提供參考。

2 幾何模型以及數(shù)值計算結(jié)果

2.1 理想制冷波圖建立

制冷波圖決定波轉(zhuǎn)子內(nèi)部波系匹配，決定各個噴嘴空間位置關(guān)系，揭示制冷機(jī)工作機(jī)理。依據(jù)空氣動力學(xué)基本理論，利用膨脹波、壓縮波、激波各自特性與相互關(guān)系，合理設(shè)計制冷機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)，合理構(gòu)建高壓氣體膨脹波系，獲得制冷機(jī)理論極值制冷效率。本文建立波轉(zhuǎn)子冷凝波系見圖3。

第1道主激波S1到達(dá)高溫端口(HT port)時，高溫端口開啟，高溫端口產(chǎn)生反向壓縮波RC1時關(guān)閉高溫噴口；高壓端口（HP port）閉合時產(chǎn)生一系列膨脹波E1，該膨脹波是冷量的主要來源，這些膨脹波在波轉(zhuǎn)子通道內(nèi)傳至高溫端口后產(chǎn)生反向壓縮波推動波轉(zhuǎn)子通道內(nèi)氣體從低溫排氣口（LT port）排出。分界面在S1、E1、RS1、E2共同作用下運動距離達(dá)到極值點。極值位置距離高壓端口距離越遠(yuǎn)，高壓氣體膨脹越充分，膨脹制冷效率越高。

S1激波在高溫端口反射產(chǎn)生一系列膨脹波E2，E2在波轉(zhuǎn)子通道內(nèi)向左傳遞時產(chǎn)生固壁反射，產(chǎn)生深度膨脹區(qū)E3，波轉(zhuǎn)子通道內(nèi)制冷區(qū)冷源由E1、E2、E3三道膨脹波系構(gòu)成，由于E3膨脹波向右傳遞，有利于波轉(zhuǎn)子內(nèi)部低溫氣體從左側(cè)低溫出口排出。如果將E2左移至低溫開口，必然會在波轉(zhuǎn)子通道內(nèi)產(chǎn)生額外的右行壓縮波，右行壓縮波使得波轉(zhuǎn)子通道內(nèi)低溫氣體向右端移動，不利于低溫氣體排氣。

2.2 整機(jī)制冷模型

為了預(yù)估波轉(zhuǎn)子冷凝設(shè)備內(nèi)部各個噴口開啟、閉合時間，建立二維數(shù)值計算模型。

波轉(zhuǎn)子以母線展開，忽略高度尺度，建立二維雙周期振蕩管計算模型，模型見圖4，圖中各個參數(shù)定義見表3與表4。

波轉(zhuǎn)子模型一共含有72根通道，每一個通道都是相互獨立。整個模型采用四邊形結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分，為了清楚顯示網(wǎng)格，取3根通道來說明，見圖5。通道以固定速度向上移動，模型通道上下邊界采用周期邊界條件，移動通道與固定噴口采用滑移網(wǎng)格技術(shù)，滑移網(wǎng)格邊界采用interface邊界條件，實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳遞。高壓進(jìn)口，高溫出口，低壓進(jìn)口，低溫出口均采用壓力邊界條件。近壁面采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)進(jìn)行處理[21]，壁面邊界網(wǎng)格劃分為：第1層網(wǎng)格節(jié)點落在充分發(fā)展湍流區(qū)內(nèi)。計算模型采用非穩(wěn)態(tài)隱式算法，模型計算Courant數(shù)為3，固定計算時間步長為10-6s，計算穩(wěn)定性較好。

表3 計算模型邊界參數(shù)

Note:14，21.

網(wǎng)格無關(guān)性檢驗見圖6。任取一根通道，監(jiān)測通道壓力隨時間變化，2 mm以上網(wǎng)格計算精度較差，捕捉不到低壓區(qū)域因分界面扭曲引起的壓力振蕩現(xiàn)象，旋渦特征被網(wǎng)格尺度抹平，且當(dāng)網(wǎng)格小于1 mm時，計算數(shù)值趨于穩(wěn)定。故采用1 mm四邊形結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對整機(jī)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

2.3 數(shù)值計算結(jié)果

依據(jù)空氣動力學(xué)波系關(guān)系，建立理想制冷波圖，建立二維波轉(zhuǎn)子制冷計算模型。

代入表3中邊界條件，利用波圖，監(jiān)測低溫出口溫度。獲得波轉(zhuǎn)子冷凝裝置各個端口位置與大小，獲得端口特征見表4。

表4 壓比1.5時實驗機(jī)端口特征

圖7為壓比1.5時，波轉(zhuǎn)子各個通道以及各個端口溫度分布。低溫氣體在P3與P4壓力差作用下排出波轉(zhuǎn)子通道，低溫氣體排氣順利，波轉(zhuǎn)子內(nèi)部冷氣殘留較少。由于波轉(zhuǎn)子通道漸開漸閉接通高溫端口，故產(chǎn)生微量的激波反射。各個端口空間位置與大小優(yōu)化比較合理。圖8為優(yōu)化后單個通道中線上各個節(jié)點沿管長溫度隨時間變化。

由圖8可知，高溫端口末端仍會在閉合瞬間產(chǎn)生一定的壓縮波，會對制冷區(qū)域產(chǎn)生影響，但其傳遞至低溫端口后發(fā)生開口反射，產(chǎn)生膨脹波再次向波轉(zhuǎn)子通道右側(cè)傳遞，并且逐漸衰減。

氣波冷凝裝置制冷區(qū)冷源主要由圖3中E1、E2、E3三道膨脹波構(gòu)成，-圖中利用溫度等值線揭示的波系與波圖設(shè)計相符。計算結(jié)果為實驗平臺搭建提供依據(jù)。

3 熱力學(xué)模型及計算結(jié)果

3.1 波轉(zhuǎn)子冷凝系統(tǒng)熱力學(xué)模型建立

本文建立高效波轉(zhuǎn)子冷凝循環(huán)模型，如圖9，高效波轉(zhuǎn)子冷凝循環(huán)過程主要包含4個過程。① 膨脹冷凝過程：當(dāng)轉(zhuǎn)子通道與高壓端口接通時，高壓的含濕氣體開始在轉(zhuǎn)子通道內(nèi)膨脹，溫度、壓力開始下降。當(dāng)高壓含濕氣體溫度降低到一定程度時，含濕組分由氣相轉(zhuǎn)變?yōu)橐合?。②分離過程：帶有冷凝液的含濕氣體在通道兩端壓差的作用下排出波轉(zhuǎn)子通道，在外部分離裝置中脫濕。③增壓過程：脫濕后的干氣被引回波轉(zhuǎn)子通道，當(dāng)轉(zhuǎn)子通道與高壓端口接通時，利用在高壓含濕氣體膨脹產(chǎn)生的激波恢復(fù)干氣壓力能。④低溫冷量回收過程，利用換熱器，將脫濕低溫干氣冷量換給下次入射的高壓進(jìn)氣，從而預(yù)冷高壓進(jìn)氣，提高制冷深度。

建立模型基于以下幾點假設(shè)：① 波轉(zhuǎn)子等效為同軸相連的壓縮機(jī)與膨脹機(jī)組合，對外沒有對外軸功輸出；② 外部風(fēng)機(jī)，壓縮機(jī)效率都為0.75；③冷卻器壓降為零；④忽略管路壓力損失與熱量損失；⑤冷卻器采用水或者空氣冷卻，因此假設(shè)冷卻溫度15～20℃；⑥ 不考慮波轉(zhuǎn)子中冷熱接觸面的熱傳導(dǎo)；⑦換熱器換熱無熱量損失。

3.2 熱力參數(shù)定義

激波增壓效率

壓力恢復(fù)系數(shù)

(7)

氣波機(jī)制冷系數(shù)

系統(tǒng)溫降Dsys

Dsys=inlet-cold air(9)

氣波機(jī)內(nèi)部膨脹溫降Dexp

Dexp=hp-cold air(10)

氣波機(jī)內(nèi)部制冷壓比

3.3 波轉(zhuǎn)子冷凝系統(tǒng)熱力學(xué)計算與分析

波轉(zhuǎn)子冷凝系統(tǒng)-圖見圖10。進(jìn)入系統(tǒng)的氣體定壓降溫后進(jìn)入氣波機(jī)內(nèi)膨脹獲得最終冷凝分離的溫度（cold air），冷凝液在過濾器中分離，脫濕干氣進(jìn)入換熱器，定壓升溫后重新進(jìn)入氣波機(jī)，推動氣波機(jī)內(nèi)部低溫氣體排出通道，待低溫氣體排凈后，脫濕干氣占據(jù)波轉(zhuǎn)子空間，最后被下一次入射的高壓氣體增壓，排出波轉(zhuǎn)子通道，實現(xiàn)脫濕干氣壓力能的恢復(fù)。

系統(tǒng)膨脹壓比為1.55時，隨著氣波機(jī)入口溫度降低，系統(tǒng)的冷凝溫降大為提升（圖11），但是由于系統(tǒng)制冷效率由設(shè)備本身因素決定，故依據(jù)式（8），氣波機(jī)制冷溫降降低。

圖12為激波增壓效率與脫濕干氣壓力恢復(fù)系數(shù)關(guān)系。系統(tǒng)膨脹比不變條件下，激波增壓效率越高，脫濕干氣的壓力恢復(fù)能力越強(qiáng)。而系統(tǒng)膨脹壓比越小，激波強(qiáng)度越弱，激波的非等熵性越低，激波增壓效率越接近等熵壓縮效率，系統(tǒng)壓力恢復(fù)系數(shù)越大，脫濕干氣壓力恢復(fù)能力越強(qiáng)。

4 實驗研究

氣波制冷機(jī)是高效氣波冷凝分離系統(tǒng)的核心部件，波轉(zhuǎn)子以及各個端口的空間位置與大小是氣波制冷機(jī)的核心參數(shù)。為了研究核心參數(shù)對系統(tǒng)制冷性能的影響，本文在數(shù)值計算與熱力學(xué)計算的基礎(chǔ)上搭建了實驗平臺，主要研究了系統(tǒng)轉(zhuǎn)速與壓比對系統(tǒng)制冷性能的影響。

4.1 實驗流程

系統(tǒng)流程圖見圖13，采用低壓螺桿壓縮機(jī)提供氣源，經(jīng)過分離組件后預(yù)冷，預(yù)冷后的高壓氣體進(jìn)入氣波機(jī)內(nèi)部膨脹降溫，低溫氣體從低溫排氣端排出，進(jìn)入分離器中脫濕，脫濕后的干氣進(jìn)入換熱器中交換冷量，脫濕干氣溫度升高后，重新進(jìn)入氣波機(jī)內(nèi)部，被下一階段高壓氣體壓縮，恢復(fù)脫濕干氣壓力能，排出系統(tǒng)。現(xiàn)場實驗樣機(jī)見圖14。

4.2 實驗結(jié)果及分析

本實驗制冷膨脹比設(shè)計值為1.74，利用數(shù)值優(yōu)化方法，設(shè)計各個端口的空間位置與大小。當(dāng)系統(tǒng)實際制冷壓比1.74運行時，改變氣波機(jī)轉(zhuǎn)速，最高制冷效率為63%，最大制冷溫降為35 K，見圖15、圖16。但由于實驗過程中，氣波機(jī)進(jìn)氣溫度不能維持恒定，會有稍許偏差，故導(dǎo)致最高效率點與最大溫降點存在偏差。當(dāng)改變系統(tǒng)壓比時，系統(tǒng)效率明顯下降，且偏差越大，制冷效率下降越嚴(yán)重，原因是當(dāng)?shù)?道激波S1（圖3）從波轉(zhuǎn)子通道內(nèi)部移動至通道右端時，高溫端口開啟，如果壓比變大，激波S1運動速度提高，則要求波轉(zhuǎn)子提高轉(zhuǎn)速。當(dāng)高溫口閉合時，要求高溫氣體排凈，否則一部分未排凈高溫氣體會產(chǎn)生反向壓縮波，提高低溫區(qū)的溫度。從提高壓比后的溫降與效率曲線而言，系統(tǒng)仍存在對應(yīng)的高效率點。

對比熱力學(xué)分析，當(dāng)系統(tǒng)膨脹壓比提高時，脫濕干氣壓力恢復(fù)能力隨即降低，見圖17。系統(tǒng)膨脹比越大，激波強(qiáng)度越大，激波的非等熵性越突出，高壓氣體膨脹功損失越多，進(jìn)而激波增壓效率降低，脫濕干氣壓力恢復(fù)能力越弱。

考慮冷凝現(xiàn)象對于氣波冷凝裝置性能的影響，調(diào)整壓縮機(jī)出口冷卻風(fēng)機(jī)送風(fēng)量，改變分離儲罐的進(jìn)氣溫度，進(jìn)而改變高壓進(jìn)氣含濕量。高壓進(jìn)氣口采集高壓氣體，利用色譜分析儀獲得組分。固定氣體膨脹壓比為1.74，調(diào)整不同高壓進(jìn)氣含濕量，測得氣波機(jī)膨脹溫降，見圖18。

膨脹壓比1.74時，不同含濕量條件下，最大溫降點仍約為41 Hz，說明在此條件下凝結(jié)對于氣波機(jī)端口設(shè)計影響不明顯。凝結(jié)激波強(qiáng)度相對于高壓入射激波強(qiáng)度偏弱。但是氣波機(jī)溫降隨著含濕量增加明顯降低，凝結(jié)潛熱對于高效氣波冷凝裝置存在一定影響。

5 結(jié) 論

本文設(shè)計了高效氣波冷凝裝置，有效克服傳統(tǒng)氣波制冷熱力學(xué)缺陷，利用激波增壓特性，回收高壓氣體壓力能用于恢復(fù)脫濕干氣壓力能；回收脫濕干氣冷量，預(yù)冷下一循環(huán)高壓進(jìn)氣，獲得更低的脫濕溫度，進(jìn)一步提高系統(tǒng)脫濕性能。本文利用空氣動力學(xué)理論，建立高效氣波冷凝裝置的波圖，設(shè)計波轉(zhuǎn)子內(nèi)部波系運動關(guān)系；利用數(shù)值分析手段，預(yù)估與優(yōu)化了各個噴嘴的尺寸；建立了高效氣波冷凝整套裝置的熱力學(xué)模型，分析了整套冷凝裝置的熱力過程；最后通過實驗獲得了主要參數(shù)對制冷性能與脫濕干氣壓力恢復(fù)性能的影響，得到結(jié)論如下。

（1）本文建立的二維數(shù)值模型，可以有效反映波轉(zhuǎn)子內(nèi)部波系的匹配關(guān)系，優(yōu)化了各個端口的空間布局與尺度，為搭建實驗平臺提供結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。

（2）通過整套裝置熱力學(xué)模型計算可得，回收脫濕干氣低溫資源，預(yù)冷下一循環(huán)高壓進(jìn)氣，可以有效提高冷凝溫度，進(jìn)一步提高系統(tǒng)冷凝性能。提高激波增壓效率可以提高脫濕干氣壓力恢復(fù)能力。

（3）實驗表明，脫濕干氣在系統(tǒng)內(nèi)壓力可以得到恢復(fù)，實驗中最高壓力恢復(fù)系數(shù)為0.9，且隨著壓比增大，壓力恢復(fù)能力迅速降低。根本原因在于，壓比越大，激波越強(qiáng)，激波壓縮越偏離等熵壓縮，壓力能損失越大。故小制冷壓比下干氣壓力能恢復(fù)效率高。

（4）高效氣波冷凝裝置依據(jù)內(nèi)部結(jié)構(gòu)參數(shù)，具有唯一最優(yōu)設(shè)計點，壓比、轉(zhuǎn)速甚至背壓的偏離都會引起制冷效率降低，結(jié)構(gòu)參數(shù)連續(xù)可變是解決變工況的運行的有效手段。

（5）凝結(jié)激波產(chǎn)生不會嚴(yán)重影響氣波機(jī)內(nèi)部匹配，因為其強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于高壓入射激波強(qiáng)度，氣波機(jī)最優(yōu)匹配點仍不變。但是凝結(jié)潛熱會對氣波機(jī)制冷溫降有一定影響。

符 號 說 明

A——高壓噴嘴寬度一半，mm B——波轉(zhuǎn)子通道寬度，mm C——高溫口近端到基準(zhǔn)線距離，mm cp——比熱容，J·(kg·K)-1 D——低溫口近端到基準(zhǔn)線距離，mm d——含濕量，g·kg-1 E——回氣口近端到基準(zhǔn)線距離，mm Dhisen,Dhshock——分別為等熵焓變、激波焓變，J L——波轉(zhuǎn)子通道長度，mm N——一周期噴嘴個數(shù)，個 n——波轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，r·min-1 P——絕對壓力，Pa P1, P2, P3, P4——分別為高壓端、高溫端、回氣端和低溫端壓力，Pa Pcold air, Php, PmiddleP, Poutletisen——分別為冷氣出口壓力、高壓進(jìn)口壓力、中壓端口壓力和等熵壓縮出口壓力，Pa Pinlet, Poutlet——分別為系統(tǒng)進(jìn)氣壓力和激波壓縮出口壓力，Pa R——波轉(zhuǎn)子通道1/2中徑，mm Su, Sv, ST, SΦ——分別為動量方程x、y方向的廣義源項，能量方程廣義源項和廣義源項 T——靜溫，K Tcold air,?Texp,Thp,Tinlet,?Tsys——分別為冷氣溫度、氣波機(jī)內(nèi)膨脹溫降、高壓進(jìn)口溫度、系統(tǒng)進(jìn)口溫度和系統(tǒng)溫降，K T1, T2, T3, T4——分別為高壓端、高溫端、回氣端和低溫端溫度，K u, v, w——速度分解3個方向，m·s-1 ?！獜V義擴(kuò)散系數(shù) γ——膨脹制冷效率 δ——各個端口與波轉(zhuǎn)子間隙，mm η——激波增壓效率 λ——熱傳導(dǎo)系數(shù)，W·(m·K)-1 π——氣波機(jī)膨脹壓比 σ——壓力恢復(fù)系數(shù) F——通用變量

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教材是教師教學(xué)的幫手，也是規(guī)范教學(xué)和傳承教育內(nèi)容的保證。禮儀課程的教材種類繁多，但很少有教材完全符合教學(xué)需求，只是部分對教學(xué)有價值，如何汲取有價值的部分，使其固化為適合本校學(xué)生的教材，這對所有禮儀教師都是挑戰(zhàn)。因此，性質(zhì)相同、教學(xué)體系相似的院校的旅游禮儀教師可合作共同編制禮儀教材，根據(jù)本校學(xué)生的實際情況，將理論與實踐內(nèi)容以文字的形式展現(xiàn)，但必須遵循以下幾個原則：結(jié)合院校的性質(zhì)，教材內(nèi)容符合學(xué)生的可接受性；摒棄學(xué)科中心主義的思想，建立新的教材內(nèi)容體系框架；反映時代特征，體現(xiàn)職業(yè)適用性價值；體現(xiàn)教材的教育性價值，使學(xué)生多方面獲益[9]。在此基礎(chǔ)上，規(guī)范、完善理論及形體實踐教學(xué)內(nèi)容。

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Flow and thermodynamic properties of efficient gas wave refrigeration plant

YU Yang, LIU Peiqi, WANG Yunlei, LENG Chuang, ZHAO Yiming, WANG Jingxian, HU Dapeng

(School of Chemical Machinery, Dalian University of Technology, Dalian 116023, Liaoning, China)

With the theory of aerodynamics, the efficient gas wave condensation graph was established. To optimize the gas wave condensation graph and estimate the internal structure parameters of the device, the two-dimensional periodic boundary model was adapted and the ideal gas as the medium was used to numerical simulate the flow and temperature field of the efficient gas wave condensation separator. The thermodynamic model of condensing system was established and its thermodynamic properties were analyzed. At the same time, the experimental platform was built, and the main parameters of the device were studied. The experimental results shows: by using the shock wave to recycle the pressure energy of the high pressure admission, the pressure energy of the drying gas can be highly recovered. By recycling the cooling capacity of the drying gas and pre-cooling the next high pressure admission circulation, the lower condensation temperature can be obtained. The refrigeration efficiency of this device exists the single-valued optimal point. The internal expansion efficiency of efficient gas wave condensation is about 63% and the maximum of the drying gas pressure can be recovered to 90%, which decreases with the increase of the pressure ratio.

gas wave condensation; fluid dynamics; numerical simulation; shock wave; thermodynamic process; design

10.11949/j.issn.0438-1157.20170267

TQ 051.1

A

0438—1157（2017）08—3039—10

胡大鵬。第一作者：于洋（1985—），男，博士研究生。

國家自然科學(xué)基金項目（21476036）；中國國家科技重大專項（2016ZX0566005-002）。

2017-03-21收到初稿，2017-06-01收到修改稿。

2017-03-21.

Prof.HU Dapeng, hudp@dlut.edu.cn

supported by the National Natural Science Foundation of China (21476036) and the Major Special Project (2016ZX0566005-002).