压力振荡管内非平衡凝结特性研究

发布时间：2017-06-02 21:23

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【摘要】：气波制冷技术是利用压力振荡管内非定常流体的能量传递和热效应现象来实现气体膨胀波制冷的一种制冷技术,该技术具有运转速度低、制冷效率高等优点。但以往气波制冷技术的研究没有考虑相变,而在实际工作中,如利用压力振荡管进行天然气轻烃回收时,存在相变过程。管内气体在降温制冷发生相变时,会释放凝结潜热,改变压力振荡管内的波系,进而影响制冷性能。本文利用数值模拟和实验方法,对压力振荡管进行制冷时发生非平衡凝结的机理进行了探索,对非平衡凝结对压力振荡管内流场和制冷性能的影响进行了分析,搭建了透明可视压力振荡管平台和制冷平台。主要工作和相关结论如下：(1)利用C语言编写两种成核模型和液滴生长模型,借助CFD软件对压力振荡管内凝结参数的分布规律进行研究,并对计算结果进行对比,推荐一种适合压力振荡管内非定常流场的成核模型。研究表明,两种成核模型下压力振荡管内凝结参数的分布规律相同,过饱和度和成核率沿压力振荡管先增加后减小,过饱和度大于1后,开始成核,当成核率最大时,开始出现液滴。但随水蒸气含量的增加,两种成核率模型得到的成核率对数的差值逐渐增大,结果呈线性分布,线性拟合曲线表达式为y=1.40x+1.21,相关系数R2为0.93。推荐Frenkel模型为更适用于压力振荡管非定常流场内的成核模型。(2)通过对非平衡凝结对压力振荡管内波动和制冷性能的影响进行研究,确定了压力振荡管内发生非平衡凝结时高压入口和高温出口的夹角(简称偏角)大小的变化规律,获得了制冷效率随相对湿度的变化趋势,分析了管内凝结颗粒的运行轨迹,为相态分离提供依据。研究表明,非平衡凝结将释放凝结潜热,产生凝结激波,从而改变了压力振荡管的波系匹配关系,当相对湿度为0.8时,最优偏角与无水蒸气相比减小了7%。压力振荡管的制冷效率随着相对湿度的增加逐渐下降,相对湿度大于0.6后,制冷效率急剧下降,当相对湿度达到0.8时,制冷效率已经下降了5%左右。大部分凝结颗粒集中在低温出口,但残留在管内的凝结颗粒会在下一次入射气流的作用下发生二次蒸发。(3)搭建了透明可视压力振荡管平台,对内部颗粒形成和运动行为进行测试,初步获得了压力振荡管内非平衡凝结的影像资料。搭建了制冷平台,测试了两种换热形式下,制冷性能在不同相对湿度下的变化规律。研究表明,两种换热形式下,一方面,相对湿度由0.4增加到0.8时,制冷效率均下降约3%,分析二次蒸发是引起制冷性能发生变化的主要原因。另一方面,压振荡管制冷效率随射流频率变化趋势相同,但冷却水换热对应的极值射流频率点前移。
【关键词】：振荡管 制冷 凝结 非定常流动 相变
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TB61
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 引言10-11
• 1 文献综述11-28
• 1.1 制冷技术11-15
• 1.1.1 蒸汽压缩式制冷11-12
• 1.1.2 吸收式制冷12-13
• 1.1.3 气体涡流制冷13-14
• 1.1.4 气体膨胀波制冷14-15
• 1.2 气波制冷机的原理与发展15-20
• 1.2.1 气波制冷机工作原理15-17
• 1.2.2 压力振荡管结构形式的研究17-18
• 1.2.3 压力振荡管制冷性能影响因素研究18-20
• 1.3 气体非平衡凝结问题研究现状20-27
• 1.3.1 理论研究21-25
• 1.3.2 数值模拟研究25-26
• 1.3.3 实验研究26-27
• 1.4 研究内容27-28
• 2 压力振荡管内流动分析与实验平台搭建28-38
• 2.1 制冷机理分析28-31
• 2.1.1 压力振荡管内理想波图的绘制28-29
• 2.1.2 端口匹配理论计算29-31
• 2.2 非平衡凝结流动分析31-35
• 2.2.1 含非平衡凝结的制冷效率公式修正31-32
• 2.2.2 非平衡凝结对可压缩流动的影响32-35
• 2.3 实验平台的建立35-37
• 2.3.1 透明可视压力振荡管实验平台35-36
• 2.3.2 压力振荡管制冷实验平台36-37
• 2.4 本章小结37-38
• 3 压力振荡管内非平衡凝结流动数值分析38-50
• 3.1 压力振荡管凝结流动数值模型38-39
• 3.2 数值计算方法与模型验证39-44
• 3.2.1 控制方程组39-40
• 3.2.2 湍流模型40-41
• 3.2.3 控制方程的离散41-43
• 3.2.4 网格独立性分析43
• 3.2.5 数值模型的验证43-44
• 3.3 数值计算结果分析44-49
• 3.3.1 两种成核模型下凝结参数的分布44-46
• 3.3.2 压力振荡管接通状态对凝结参数的影响46
• 3.3.3 转速对凝结参数的影响46-47
• 3.3.4 非平衡凝结引起的振荡现象47-49
• 3.4 本章小结49-50
• 4 压力振荡管内非平衡凝结对性能的影响50-64
• 4.1 压力振荡管整机数值模型50-54
• 4.1.1 数值模型的建立50-51
• 4.1.2 控制方程51
• 4.1.3 数值模型的验证51-54
• 4.2 非平衡凝结对压力振荡管内流动的影响54-61
• 4.2.1 压力振荡管最优偏角的确定54-58
• 4.2.2 凝结流动对最优偏角的影响58-60
• 4.2.3 非平衡凝结对压力振荡管制冷性能的影响60-61
• 4.3 非平衡凝结液滴在压力振荡管内的运动分析61-62
• 4.3.1 压力振荡管内颗粒运动61-62
• 4.4 本章小结62-64
• 5 压力振荡管内非平衡凝结实验研究64-71
• 5.1 压力振荡管中凝结颗粒的形成64-67
• 5.1.1 实验装置的设计64-65
• 5.1.2 非平衡凝结现象65-67
• 5.2 非平衡凝结引起制冷性能变化的研究67-70
• 5.2.1 实验装置介绍67
• 5.2.2 相对湿度对制冷效率的影响67-70
• 5.3 本章小结70-71
• 结论71-73
• 参考文献73-77
• 附录A 主要符号说明77-79
• 附录B 凝结物性计算79-81
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况81-82
• 致谢82-83

【参考文献】

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1 黄志达,黄锺岳,方曜奇,杨大军,刘洪奎,郭俊昌,孙 逊,张润和;新型节能装置──透平式热分离机的研究[J];大连工学院学报;1983年03期

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