激波吸收器結構對消波效果及壓力波制冷機性能影響的實驗研究

鄭閩鋒，吳敏強，劉 峰，劉 曦，李學來

( 1.福建工程學院生態環境與城市建設學院，福建 福州 350118；2.福州大學石油化工學院，福建 福州 350116 )

激波吸收器結構對消波效果及壓力波制冷機性能影響的實驗研究

鄭閩鋒1，吳敏強1，劉 峰1，劉 曦2，李學來2

( 1.福建工程學院生態環境與城市建設學院，福建 福州 350118；2.福州大學石油化工學院，福建 福州 350116 )

利用一臺單管式壓力波制冷機，通過實驗研究了激波吸收器結構對消波效果及壓力波制冷機性能的影響。結果表明：在安裝激波吸收器后，制冷效率明顯大幅提升，當射流激勵頻率f=25～125Hz時，L/d=137.5振蕩管的制冷效率η提高了將近20%，L/d=507時η提高的幅度比L/d=137.5時??；增大吸收器的長度La其消波效果沒有明顯增強，但會減小峰值激勵頻率，在本文的實驗條件下，激波吸收器的管長不宜超過300mm；增大激波吸收器內徑da則最大制冷效率提高了1.5%，但會增大吸收器的體積，所得結果對壓力波制冷機的優化設計有一定參考價值。

熱力學；壓力波制冷機；實驗研究；激波吸收器；反射激波

引言

壓力波制冷機是利用振蕩管內形成的壓力波運動來實現管內流體能量傳遞和轉換的一種新型氣體膨脹制冷機，目前已在天然氣處理、石油化工生產、氣體冷卻和科研冷源[1-4]等場合得到應用。振蕩管是壓力波制冷機的主要制冷部件，管中能量的傳輸和轉換都是通過激波的運動來實現。振蕩管工作時，入射激波運動到振蕩管封閉端時發生固壁反射形成反射激波。當反射激波運動到振蕩管開口端時可能會加熱正在排出的低溫驅動氣或者剛噴入的驅動氣，從而減弱振蕩管的冷效應，因此可以在振蕩管封閉端加裝激波吸收器來減弱或消除反射激波，從而降低或避免反射激波的不利影響。

NAT公司[5]生產的熱分離器最早采用類似結構，將一臺設備中數十根振蕩管封閉端用一個直徑為振蕩管內徑10～20倍的封閉環形腔連接起來，但制冷效率反而下降，其原因是封閉腔使振蕩管內的氣流受到了嚴重干擾。方曜奇[6]在此基礎上進行了改進，即在每根振蕩管的封閉端均加裝一個截面突擴短管，實驗結果表明反射激波強度明顯減弱，設備的制冷效率得到提高。李學來[7]在ε=2～6，L/d=107～730和f=30～200Hz的范圍內研究了激波吸收器對壓力波制冷機性能的影響，實驗結果表明在L/d<400的范圍內激波吸收器可有效減弱反射激波，提高制冷效率，并降低最佳射流頻率的數值，改善設備的變工況性能，而L/d>400時可以完全消除反射激波。于偉[8][9]利用單組多級孔板裝置來削弱入射激波強度。李學來[10]采用了多級多孔板的結構并首次提出了復合阻尼陷波的概念，并利用該裝置進行了消波實驗，結果表明該裝置很好地削弱了反射激波，制冷效率提高了4%～10%。目前對振蕩管封閉端反射激波的消除方法及其效果進行了一些探索性實驗研究或工業試驗，但關于激波吸收器結構對消波效果及其對壓力波制冷機性能的影響還有待深入研究，本文對這方面的問題進行了探討。

1 實驗裝置與方法

實驗使用一臺旋轉式單管壓力波制冷機(圖1)，對管長分別為0.5、1～6m的7種不同振蕩管(?12×1mm勻直長管)進行實驗研究，振蕩管一端開口一端密封，實驗采用卡套式管接頭達成在管封閉端自由加裝不同型號激波吸收器的目的。實驗開始時，保持收縮噴管和振蕩管靜止，氣體分配器繞著中心軸做高速轉動。當氣體分配器上某一個噴射孔與噴管口正好相對時，從收縮噴管出口噴出的高速氣流便通過振蕩管開口端進入到振蕩管中，充氣階段開始。當噴射孔旋轉離開噴管口時，氣體分配器便隔離了噴管與振蕩管口，充氣階段結束。氣體分配器不斷旋轉，當下一個噴射孔與噴管口再一次相通時，一個新的充、排氣循環便重新開始。

圖1 實驗裝置示意圖 1-高壓氣體 2-噴管 3-振蕩管 4-激波吸收器 5-噴射孔 6-電機 7-排氣室 8-氣體分配器

實驗中在振蕩管封閉端加裝了激波吸收器。它由無縫鋼管制成，兩端封閉，其中一端加焊一小段紫銅管并利用管接頭與振蕩管封閉端相連(即用激波吸收器代替原先的封閉端)。在實驗中共使用了5種不同尺寸的激波吸收器，具體的參數見表1。

表1 激波吸收器尺寸

編號長度/mm管徑/mm113060222060330060447060547042

圖2 實驗系統示意圖 1-空氣過濾器 2-螺桿壓縮機 3-高壓儲氣罐 4-壓力變送器 5-低壓緩沖罐 6-測溫儀 7-調壓閥 8-流量計 9-實驗機 10-驅動電機 11-變頻器 12-電源 13-壓力表 14-振蕩管 15-激波吸收器

實驗系統如圖2所示。LGD-3/7型螺桿壓縮機一臺、高低壓儲氣罐各一個、壓力波制冷機、變頻調速機構、數據采集系統及其他儀器零部件等。

工作流程：環境空氣經過濾后通過螺桿壓縮機加壓成高壓氣體，進入高低壓儲氣罐，由調壓閥調壓后，沖入壓力波制冷機收縮型噴嘴內，在壓力波制冷機內完成制冷過程變成低溫氣流后由排氣管路排出到外界環境中去。儲氣裝置采用高低壓雙罐設計，目的在于緩沖由于高壓儲氣罐的氣體直接進入壓力波制冷機時導致進口壓力不穩定的現象。

實驗運行時，利用調節調壓閥的開度改變進氣壓力大小對膨脹比進行控制，而射流激勵頻率的調節則是通過改變驅動電機交流電頻率從而改變氣體分配器轉速來完成的。

實驗需測量壓力波制冷機的制冷效率，包括測量進氣總壓力p0與排氣背壓pb；進氣滯止溫度T0和排氣溫度T2；射流激勵頻率f；振蕩管軸向壁溫分布；環境溫度等參數。其中，p0用HM20-1-A1-F1-W1型壓力變送器、pb用壓力表(0.4級)分別在噴管前的緩沖罐及排氣室中測量；溫度用SW-I型數字溫度儀測量，其中，T0、T2的測量位置分別與p0、pb相同；f是通過測定氣體分配器的轉速n，然后由下式求出

f=nN/60

(1)

式中，N為射氣孔的個數。n用TM2011型光電測速儀測量。利用上述所測有關參數，由以下兩式可分別求出膨脹比ε及制冷效率η：

ε=p0/pb

(2)

(3)

式中γ為氣體比熱容比。

實驗中，振蕩管采用?12mm的紫銅管。膨脹比ε=2～6，射流激勵頻率f=10～240Hz，排氣背壓pb=0.1MPa。振蕩管內工作介質為空氣。

2 消除反射激波對壓力波制冷機性能的影響

圖3 不同管長下，安裝激波吸收器對η 隨f變化影響的實驗結果(ε=3)

由于反射激波強度被削弱，當反射激波運動到振蕩管開口端時其對驅動氣的氣動加熱作用也將減少，壓力波制冷機的制冷效率將會提高。圖3給出了ε=3，兩種不同管長下安裝2號激波吸收器前后制冷效率隨射流激勵頻率變化的實驗結果，其他運行參數及型號激波吸收器的實驗結果類似。從圖中可以看出：在安裝激波吸收器后，制冷效率明顯大幅提升，當L/d=137.5時，在25～125Hz頻區內其制冷效率提高了將近20%。這是由于未安裝激波吸收器前在該射流頻率下反射激波會逆行運動到開口端對驅動氣進行加熱，通過激波吸收器的消波作用，大大削弱了反射激波的強度，使其對驅動氣的氣動加熱量減少，導致制冷效率大幅提高。L/d=507時η提高的幅度比L/d=137.5時小，這是由于管長增加，反射激波的強度本身就會減弱，此時安裝激波吸收器來提高制冷效率的效果較不明顯。

3 激波吸收器結構對消波效果及壓力波制冷機性能的影響

3.1 激波吸收器長度的影響

圖4 不同長度的激波吸收器對fopt和ηmax 變化影響的實驗結果(L/d=137.5，ε=3)

圖5 不同直徑的激波吸收器對η變化 影響的實驗結果(L/d=137.5，ε=3)

由于短管的消波效果更為明顯，因此以L/d=137.5的振蕩管為研究對象進行相關實驗。圖4給出了不同長度的激波吸收器對制冷效率及最佳頻率的影響，從圖中可以看出，隨著吸收器長度的增加，ηmax的變化幅度很小，這說明此時反射激波的削弱效果沒有明顯增強。吸收器主要是利用振蕩管與吸收器進口間截面突然擴大時產生氣流渦旋來達到削弱入射激波強度的作用，由于吸收器的長度相比振蕩管要小很多，且管徑要大，激波在吸收器內由于氣體粘性所導致的衰減幅度很小，吸收器內產生的反射激波強度被削弱的程度很小。而fopt卻隨著管長的增加而有所下降，這是由于入射激波在吸收器內反射后才形成反射激波，無形中延緩了激波反射的時間，相當于增加了振蕩管的管長，這將使壓力波制冷機的峰值激勵頻率減小，對降低氣體分配器轉速，延長設備的使用壽命是有利的。但是當吸收器長度La增大到450mm時，fopt基本不再變化，此時再增大La值就沒有任何意義。從本文的實驗結果可知，激波吸收器的管長不宜超過300mm。

3.2 激波吸收器直徑的影響

圖5給出了激波吸收器內徑da分別為60mm和42mm時制冷效率變化的實驗結果。實驗結果表明隨著管徑增大，制冷效率有所提高，ηmax增大了1.5%。同時在150～250Hz的頻區內，制冷效率提高了1.7%～4.5%，提升的幅度要比50～150Hz的頻區明顯。這是由于激波吸收器內徑越大，截面突擴效應增強，入射激波的強度減弱，其產生的反射激波強度也相應減弱，則制冷效率會有所提高，而隨著入射激波頻率的增加，但同時增大激波吸收器的管徑會增大其體積，在實際設計時需對這兩方面進行綜合考慮。

4 結論

(1)由于消波作用，在安裝激波吸收器后制冷效率提高，隨著管長增加制冷效率提高的幅度在減小，消波效果減弱，而膨脹比增大，消波效果則有所增強。

(2)消除反射激波后，峰值振蕩現象依然存在。

(3)增大吸收器的長度La其消波效果沒有明顯增強，但會減小峰值激勵頻率，這對提高設備的使用壽命是有利的。但是當吸收器長度La增大到450mm時，fopt基本不再變化，此時再增大La值就沒有任何意義。從本文的實驗結果可知，激波吸收器的管長不宜超過300mm。

(4)增大激波吸收器內徑da能提高制冷效率，ηmax增大了1.5%，但會增大吸收器的體積，在實際設計時需進行綜合考慮。

符號說明

d— 振蕩管內徑，mm

da— 激波吸收器內徑，mm

f— 射流激勵頻率，Hz

La— 激波吸收器長度，mm

N— 射氣孔個數

n— 氣體分配器的轉速，r/min

p0— 進氣總壓，MPa

pb— 排氣背壓，MPa

T0— 進氣滯止溫度，K

T2— 排氣溫度，K

γ— 氣體比熱容比

ε— 膨脹比

η— 制冷效率，%

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TheStructureofGasDistributionontheReflectedShockWaveAbsorbingEffectandthePerformanceofPressureWaveRefrigerator

ZHENG Minfeng1，WU Minqiang1，LIU Feng1，LIU Xi2，LI Xuelai2

(1.College of Ecological Environment and Urban Construction，Fujian University of Technology，Fuzhou，Fujian 350118； 2.China College of Chemical Engineering，Fuzhou University，Fuzhou，Fujian 350116，China)

The influence of the shock wave absorber structure on the reflected shock wave absorbing effect and the performance of pressure wave refrigerator was studied experimentally by means of a single-tube set-up.The results show that the refrigeration efficiency is increased significantly when the absorber is mounted at the closed end of the tube.When the exciting frequency is from 25 to 125 Hz，the refrigeration efficiency of the tubeηis increased by nearly 20% asL/d=137.5，but the increasing gradient is smaller asL/d=507.The absorbing effect isn′t enhanced significantly when the length of absorberLais increased，but the exciting frequency is eliminated.Under the experimental condition in this paper，the appropriate length of absorber is no more than 300mm.The maximum refrigeration efficiency is increased by 1.5% when the inner diameter of shock wave absorber is increased，but the volumn of absorber is increased.

Thermodynamics；Pressure wave refrigerator；Experimental study；Shock wave absorber；Reflected shock wave

2017-10-11

福建省中青年教師教育科研項目(JA15340)；2016年國家級大學生創新創業訓練計劃項目(201610388022)

鄭閩鋒，男(1985-)，博士，研究方向：熱過程裝備與節能技術，工業制冷技術與設備。E-mail：zmfgogo@163.com

ISSN1005-9180(2017)04-007-05

TQ051.1

A

10.3969/J.ISSN.1005-9180.2017.04.002