相变波转子增压特性及在制冷热泵系统中应用的研究

发布时间：2020-05-01 01:01

【摘要】：波转子是一种利用压力波来实现高低压流体间能量的直接传递的设备。相比喷射器,其基于非稳态流动气波增压原理的过程效率远高于喷射器的效率。相比于高速离心压缩机,波转子具有结构简单、增压过程温升小、带液操作等优势。目前,对波转子的研究主要集中在燃气轮机、气波增压器以及气波膨胀制冷领域。对波转子应用于以水为工质的制冷系统或者多效蒸发系统的研究,国外鲜有提及,国内尚属首次。本文以解决水作工质时的真空条件下水蒸汽压缩机开发难题、喷射器增压效率低为目的,对相变波转子进行理论和实验两方面的研究。本文完成相变波转子的设计程序,并对相变波转子内部的流动进行了详细的分析;基于相变波转子的增压、自冷却特性提出了相变波转子嵌入式蒸汽压缩制冷系统,并对该系统进行了细致的热力学分析;在多效蒸发平台中进行了相变波转子的应用可行性实验研究。主要结论和相关工作如下:(1)相变波转子的设计以及内部流动分析基于水蒸汽热力学模型、一维简单波理论以及VBA语言编写相变波转子设计程序,并依据理论结果建立物理模型进行计算流体力学模拟验证。通过对建立的多通道二维数值模型结果分析,得到激波、膨胀波以及接触面的运行规律。通过对单通道模型的数值分析,发现通道的渐开时间越长,激波的强度会更大程度的被削弱。通过降低通道宽度或提高转子转速,可在一定程度上削弱通道渐开的影响。真空条件下接触面扭曲非常严重,造成高低压流体剧烈掺混,严重影响波转子的增温增压性能。(2)相变波转子嵌入式蒸气压缩式制冷系统的热力学分析建立了三端口波转子和制冷系统的热力学模型,并利用HYSYS建立的三端口波转子的热力学模型对文中所编写的三端口热力学模型进行验证。波转子的预增压过程使得在给定冷凝压力和蒸发压力下的压缩机压比降低,其自冷却特性使得波转子增压过程中温升较小,这两点使得R718压缩机的开发难度降低。WR-C在以R718为制冷剂,蒸发温度越低,压缩机入口处过热度越高,在蒸发温度为10℃,冷凝温度为35℃时,过热度最高为4.1℃,体现了波转子的自冷却能力。改进后的系统在以R23/R134a混合制冷剂作为工作介质时,在蒸发温度T_e=-30℃,冷凝温度T_c=40℃,冷凝器出口气相质量分数x_4=0.45,冷凝蒸发器热股出口温度T_7=10℃,高压节流阀节流后压力P_5=0.5MPa时,R23的质量分数由0.2增大至0.7过程中,WR-ARC系统相比于E-ARC系统的压缩机压比降低了20.6%~6.5%,降低压缩机压比效果非常显著。(3)相变波转子在多效蒸发平台中的实验研究实验研究了相变波转子初始膨胀比对设备性能的影响。通过活套法兰改变高端口与中压端口的偏角,在驱动蒸汽为100kPa,变频器频率为55Hz,偏角为α+4°时的平均温升最高,其最高温升可达23.5℃,接近于高速水蒸汽离心压缩机的25-30℃,这和罗茨和普通离心蒸汽压缩机的低温升、高速离心蒸汽压缩机的高转速(9000rpm以上)相比,具有明显优势,证明了将相变波转子应用于多效蒸发系统的可行性。
【图文】：

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图 1.11 气波压力交换技术的历史展望Fig. 1.11 Research process of pressure exchanger6 年，Knauff[57]最早提出压力交换机，这种压力交换机并没有利用压力波交括一个在两个定子之间旋转的蜂窝转鼓，这两个定子包含许多端口，不同过这些端口进入和离开，从而交换压力，这种压力交换机被称为静态压力

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图 2.1 波转子设备示意图Fig. 2.1 The equipment diagram of wave rotor波转子是一种基于非定常流动过程的设备，其增压效率高于在相同增压比条件下基定常流动过程的设备。图 2.1 所示为波转子设备示意图，，其基本组成包括围绕转鼓的
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB65

【参考文献】