斜流式氣波制冷機制冷性能數值模擬研究

2023-10-12 02:28:54胡大鵬,白宇,劉鳳霞*

大連理工大學學報 2023年5期

胡大鵬, 白宇, 劉鳳霞*

(1.大連理工大學化工學院,遼寧大連 116024;2.大連理工大學精細化工國家重點實驗室智能材料化工前沿科學中心,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].針對上述需求,大連理工大學成功研發出氣波制冷機[4-5],通過振蕩管內非定常波系運動實現能量的交換,達到制冷目的,并針對不同操作和結構參數做了諸多研究[6-10].氣波制冷機可以充分利用天然氣層中的壓力能,其等熵效率高于節流閥,同時相比膨脹機轉速較低,且具有一定持液運行能力,十分適用于天然氣處理.

傳統的雙開口氣波制冷機為軸流式結構,調整波轉子通道與旋轉軸夾角,則可為氣體流動帶來一定的離心力,可以用于克服制冷循環過程中的流動阻力,并輸出具有更高壓力能的低溫氣體,提高等熵效率;若用于過膨脹循環方式,可以減小甚至代替外置循環設備,使得整體結構更加緊湊,減少空間占用,節約設備和配管成本.同時在給定轉速下調整合適錐角,可以改變大端旋轉線速度,有利于降低漸開漸閉損失和黏性損失.謝明明[11]、袁博[12]對徑流式波轉子進行了研究,其帶來循環壓差的同時軸功大幅上升,且制冷效果受到很大影響,同時其結構上的不穩定性制約了實驗和實際應用.

本文綜合軸流式和徑流式氣波制冷機的優點,提出一種斜流式氣波制冷機,構建錐形波轉子理想波圖,完成端口匹配,建立并簡化模型,進行數值計算,研究錐角、壓比、轉速對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加以對比.

1 斜流式氣波制冷機理論及模型建立

本文提出的斜流式氣波制冷機,其核心部件波轉子為錐形結構,振蕩管為等截面直通道,如圖1所示.進氣方式為返流式,低溫出口位于大端一側,低壓入口位于小端一側,從而能夠利用錐形結構產生的離心力.

圖1 直通道錐形波轉子三維結構示意圖

1.1 理想波圖構建及端口匹配

為實現氣波制冷,波轉子振蕩管內需合理控制運動波系[13-15].依據氣體動力學原理并借鑒軸流式氣波制冷機理想波圖(圖2),得到如圖3所示的斜流式氣波制冷機理想波圖.

圖2 軸流式氣波制冷機理想波圖

在一個周期內,制冷過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,當高壓入口與振蕩管接通,向通道內傳遞一個右行激波S1,氣體壓力增大、溫度升高.

當右行激波S1傳播到通道右側時,接通中壓出口,發生開口反射形成左行膨脹波E1.

波轉子繼續旋轉,高壓入口關閉產生右行膨脹波E2,中壓出口在E2到達振蕩管右端時閉合.

(2)低溫排氣階段

由于通道右側壓力低于中壓出口壓力,中壓氣體在波轉子通道內膨脹,在通道尾部形成激波S2.

本文根據Hu等的研究設計方法[16],按表1操作參數設計錐形波轉子結構參數,見表2.

表1 斜流式氣波制冷機典型工況操作參數

表2 錐形波轉子結構參數

1.2 計算模型及數值方法

依據已構建的理想波圖,為更直觀地展現斜流式氣波制冷機內部氣體流動狀態,綜合考慮準確性和計算量,將波轉子結構由三維向二維簡化[17-18],類比軸流式和徑流式氣波制冷機二維展開方式,按照圓臺展開方式展開:錐形波轉子兩條母線延長相交,得到新的圓心;選取內外弧長等于原錐形波轉子兩端周長,如圖4所示.

圖4 三維向二維轉換示意圖

利用Gambit軟件進行網格劃分,采用結構化網格,經過網格無關性驗證,全局網格尺寸為2 mm×2 mm,網格數共計87 970,通道兩側設為周期性邊界,得到如圖5所示網格模型.利用流體仿真軟件Ansys Fluent進行數值計算.介質選用理想空氣;計算類型為基于密度的瞬態計算;湍流模型設置為Realizablek-ε模型;離散格式設置為AUSM+二階迎風格式[19-21];時間步長設置為1×10-5s,迭代次數為20.

圖5 二維網格模型示意圖

如圖6所示,對比Okamoto等的實驗數據發現[22],雖然由于管壁非絕熱以及黏性損失等原因出現細微差距,但靜壓變化規律與實驗數據整體吻合,說明本文采用的計算模型可用于描述波轉子通道內部氣體流動狀態,誤差在可接受范圍內.

1.3 性能評價指標選取

(1)制冷效果

等熵效率(η)定義為氣波制冷機進出口的實際焓降與等熵焓降之比:

(1)

式中:ΔHpr為單位時間氣波制冷機進出口的實際焓降,J/s;ΔHid為單位時間理想焓降(等熵焓降),J/s.鑒于本文外循環氣波制冷機的工況,進口為高壓入口,出口為低溫出口,氣體經過斜流式氣波制冷機的熱力學焓的實際變化量

ΔHpr=mcp(Thp-Tlt)

(2)

式中:m為質量流量,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.

根據氣體等熵變化計算式,可得氣體膨脹的理想焓降為

(3)

則等熵效率計算式可以表示為

(4)

(2)增壓效果

本文定義循環壓差為低壓入口和低溫出口氣體總壓差,用來衡量斜流式氣波制冷機的氣體增壓效果.

2 數值模擬與分析

2.1 錐角對波轉子性能影響

為了對比在同樣操作參數下波轉子錐角對氣波制冷機制冷性能和增壓效果的影響,在表1所列工況下,保持波轉子小端中徑、振蕩管長不變,端口尺寸、固壁面尺寸、高中壓端口尺寸和相對位置均不變,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構波轉子.

錐形波轉子隨錐角增大,內外徑差值Δr增大,mω2Δr增大,產生更大的離心力,可以用來克服循環阻力,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,氣體在波轉子中膨脹輸出的低溫氣體壓力提高.

圖7 不同錐角下波轉子增壓性能

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

圖8 不同錐角下波轉子軸功和氣體流量

循環推動力的來源是錐形波轉子的離心力,其增大必然會帶來軸功消耗的增大,但同時流量下降一定程度上會減緩軸功上升.由圖8可以看出,錐角較小時,流量下降較快,軸功上升較慢,錐角為12°時,軸功僅增大1.26 kW;錐角較大時,流量下降趨緩,軸功上升迅速,至錐角為90°(徑流式)時,軸功上升至14.3 kW,此時所需電機功率增大,能耗提高,經濟性下降.

錐形波轉子兩側線速度不同,導致高壓入口進氣狀態發生改變.因為振蕩管有一定寬度,在旋轉至高壓端口時并不能瞬時接通和關閉,流動狀態和速度分布如圖9所示,軸流式波轉子漸開漸閉現象使得進氣初期,入射流股會在上下管壁間多次碰撞,帶來很大的流動損失;而隨錐角增大,波轉子高壓側線速度增大,12°時外圈線速度由43.1 m/s增大至64.9 m/s,振蕩管達到完全接通狀態的時間減少,漸開漸閉損失降低,入射流股反射碰撞程度降低,氣體流動損失下降,流速提高;當錐角進一步增大,60°時外圈線速度增大至133.0 m/s,徑流式增大至145.7 m/s.此時高壓進氣入射后快速流向壓力面并附壁,再緩慢向通道內擴散.入射流股在壓力面匯聚并壓縮,通道實際流通面積減小,產生節流損失.接觸面扭曲程度嚴重,黏性耗散、摻混等流動損失更為嚴重.

(a) 0°錐角(軸流式)

波轉子錐角改變反映在振蕩管內的溫度分布如圖10所示,與軸流式波轉子相比,以12°為代表的小角度錐形波轉子分界面運動距離增大,氣體膨脹深度提高,制冷溫降增大;而對于大角度錐形波轉子,進氣流量下降,流動損失增大,加之離心力對入射氣體做功抑制其膨脹,導致分界面運動距離減小,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,當錐角較小時,隨錐角增大,氣波制冷機制冷溫降(Thp-Tlt)增大,同時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;當錐角較大時,雖然低溫出口氣體壓力持續上升,但制冷溫降大幅下降,制冷效果快速惡化.錐形波轉子制冷效果隨錐角先增大后減小.為進一步得到精確最優值,在6°～12°及其附近,每隔2°設置一個計算點,如圖11(b)所示,在12°存在一個最優錐角.此時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 轉速對錐形波轉子性能影響

本節固定12°錐角,保持其余結構參數和工況不變,轉速由1 800 r/min逐漸增大至4 400 r/min.

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

圖12 不同轉速下波轉子增壓性能

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處達到最高.在轉速低于最優轉速時,激波到達振蕩管末端時,中壓出口尚未接通,激波發生固壁反射,重新加熱低溫氣體,導致制冷效果下降;而轉速高于最優轉速時,中壓出口提前接通,此時激波尚未到達,振蕩管末端氣體壓力較低,中壓出口會入射一道壓縮波,同樣會影響制冷效果.