高效氣波冷凝裝置流動及熱力學特性

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

（大連理工大學化工機械學院，遼寧大連 116023）

利用空氣動力學理論，建立高效氣波冷凝波圖，采用二維周期性邊界模型，以理想氣體為介質對高效氣波冷凝分離裝置流場、溫度場進行數值模擬，優化氣波冷凝波圖，預估裝置內部結構參數。建立冷凝系統熱力循環模型，對其熱力學特性進行分析。同時搭建實驗平臺，對影響系統的主要參數進行了研究。實驗結果表明：利用激波增壓回收高壓氣源壓力能，可以有效恢復脫濕干氣壓力能。通過回收脫濕干氣冷量，預冷下一循環高壓進氣，可以獲得更低冷凝溫度。該裝置制冷效率存在單值最優點，高效氣波冷凝實際內部膨脹效率約為63%，脫濕干氣壓力能最高恢復90%，且隨著制冷壓比增大而降低。

氣波冷凝；流體動力學；數值模擬；激波；熱力學過程；設計

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變為液相。利用這一原理，含濕氣體冷凝分離方法被提出并被廣泛應用于天然氣脫水、天然氣凝析液回收等領域。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勢。超音速旋流分離技術屬于膨脹制冷分離的一種，具有工藝簡單、結構緊湊和無轉動部件的顯著優勢，近年來發展迅速，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，葉片容易發生斷裂事故。尤其在天然氣行業，由于注醇防凍工藝加入，天然氣帶液現象更為嚴重，透平膨脹機應用受到制約，難以穩定運行；波轉子制冷是一種新型氣體膨脹制冷方法[2]，該方法利用波轉子通道內運動壓力波實現不同流體間能量交換，無須做功葉片[3-5]，波轉子制冷裝置運轉速度低，常見轉速在3000 r·min-1以內，在抑制氣液兩相侵蝕以及排除設備內部積液方面具有優勢。

自20世紀90年代波轉子這一概念被提出后[4]，波轉子技術被應用于各類增壓設備上[6-11]。Hu等在傳統旋轉氣波機工作的基礎上[12]，開發了外循環耗散氣波制冷機[13]，以及過膨脹氣波制冷機[14]。目前制冷系統內部實際膨脹效率最高約為70%，低于透平的膨脹效率，仍具有改進空間。無論波轉子應用于何領域，波轉子結構特征基本相同，見圖1。波轉子工作特性取決于其在各種工況下的波圖設計。各個噴嘴與波轉子通道的開閉時間需要精確的匹配，它不僅影響波轉子通道內波系非定常運動還影響冷熱交界面的形態[15]。數值計算方法廣泛用于波轉子性能分析中[16-21]。Eidelman[22]最先開發二維計算程序，計算了轉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子壓力測量平臺，測得了通道壁面上靜壓隨時間變化關系。

目前，傳統氣波制冷機存在熱力學缺陷，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，從而恢復了系統低溫排氣的壓力能。然而將其直接應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行，需要很大的換熱器，必然存在冷源損失，雖然系統壓比提高了，但小壓比下設備內部實際膨脹效率并沒有提高，系統制冷深度有限。另一方面，從能量資源利用角度而言，制冷系統內部實際膨脹產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基礎上，設計一種高效氣波冷凝分離流程，利用脫濕干氣冷量，在其壓力能恢復之前取出冷量，預冷下次入射的高壓氣體，然后將溫度恢復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脫濕干氣的壓力能。一方面回收了高壓氣體膨脹功，恢復脫濕干氣的壓力能，降低了系統的壓比；另一方面回收了脫濕氣體的冷量，降低了高壓進氣溫度，提高了系統制冷的深度。本文首先設計制冷波圖，建立二維波轉子周期計算模型，分析波轉子通道內波系的運動規律，優化各個端口的空間位置，建立了各個端口理想匹配關系；其次，建立高效氣波冷凝熱力學模型，分析了影響系統制冷效率與深度的主要因素，為系統實驗平臺搭建提供依據；最后建立了高效波轉子冷凝分離平臺，分析了主要的結構參數與操作參數對制冷效率的影響。

1 數值方法與模型驗證

1.1 數值方法

為了清晰描述波轉子內部壓力波的波動過程，建立了二維數值計算模型，計算波轉子通道內氣體非定常流動。基于模型最大計算壓力小于1 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，流動過程遵循質量守恒定律，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、分別為廣義擴散系數與廣義源項。

(2)

為熱傳導系數，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-引入表征流場旋轉速度參數，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Okamoto等[24]的三通道實驗平臺建立二維數值計算模型，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據，驗證數值模型的準確性。模型參數見表1、表2。

表1 實驗結構參數

表2 實驗操作參數

采用定點P10作為參考點，監測P10點壁面壓力隨時間變化（圖2），對比Okamoto等[24]的實驗結果可知，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；② 波轉子通道壁面使用絕熱邊界條件，不考慮管壁導熱作用；③ Realizable-湍流模型與管內實際流動存在一定誤差，故計算結果仍與實際測量結果有一定偏差。但是采用該模型仍可以優化制冷波圖，預估各個噴嘴與固壁尺寸，為實驗設計提供參考。

2 幾何模型以及數值計算結果

2.1 理想制冷波圖建立

制冷波圖決定波轉子內部波系匹配，決定各個噴嘴空間位置關系，揭示制冷機工作機理。依據空氣動力學基本理論，利用膨脹波、壓縮波、激波各自特性與相互關系，合理設計制冷機內部結構，合理構建高壓氣體膨脹波系，獲得制冷機理論極值制冷效率。本文建立波轉子冷凝波系見圖3。

第1道主激波S1到達高溫端口(HT port)時，高溫端口開啟，高溫端口產生反向壓縮波RC1時關閉高溫噴口；高壓端口（HP port）閉合時產生一系列膨脹波E1，該膨脹波是冷量的主要來源，這些膨脹波在波轉子通道內傳至高溫端口后產生反向壓縮波推動波轉子通道內氣體從低溫排氣口（LT port）排出。分界面在S1、E1、RS1、E2共同作用下運動距離達到極值點。極值位置距離高壓端口距離越遠，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生一系列膨脹波E2，E2在波轉子通道內向左傳遞時產生固壁反射，產生深度膨脹區E3，波轉子通道內制冷區冷源由E1、E2、E3三道膨脹波系構成，由于E3膨脹波向右傳遞，有利于波轉子內部低溫氣體從左側低溫出口排出。如果將E2左移至低溫開口，必然會在波轉子通道內產生額外的右行壓縮波，右行壓縮波使得波轉子通道內低溫氣體向右端移動，不利于低溫氣體排氣。

2.2 整機制冷模型

為了預估波轉子冷凝設備內部各個噴口開啟、閉合時間，建立二維數值計算模型。

波轉子以母線展開，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，圖中各個參數定義見表3與表4。

波轉子模型一共含有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構網格劃分，為了清楚顯示網格，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格技術，滑移網格邊界采用interface邊界條件，實現數據傳遞。高壓進口，高溫出口，低壓進口，低溫出口均采用壓力邊界條件。近壁面采用標準壁面函數進行處理[21]，壁面邊界網格劃分為：第1層網格節點落在充分發展湍流區內。計算模型采用非穩態隱式算法，模型計算Courant數為3，固定計算時間步長為10-6s，計算穩定性較好。

表3 計算模型邊界參數

Note:14，21.

網格無關性檢驗見圖6。任取一根通道，監測通道壓力隨時間變化，2 mm以上網格計算精度較差，捕捉不到低壓區域因分界面扭曲引起的壓力振蕩現象，旋渦特征被網格尺度抹平，且當網格小于1 mm時，計算數值趨于穩定。故采用1 mm四邊形結構化網格對整機模型進行網格劃分。

2.3 數值計算結果

依據空氣動力學波系關系，建立理想制冷波圖，建立二維波轉子制冷計算模型。

代入表3中邊界條件，利用波圖，監測低溫出口溫度。獲得波轉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時實驗機端口特征

圖7為壓比1.5時，波轉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子通道，低溫氣體排氣順利，波轉子內部冷氣殘留較少。由于波轉子通道漸開漸閉接通高溫端口，故產生微量的激波反射。各個端口空間位置與大小優化比較合理。圖8為優化后單個通道中線上各個節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生一定的壓縮波，會對制冷區域產生影響，但其傳遞至低溫端口后發生開口反射，產生膨脹波再次向波轉子通道右側傳遞，并且逐漸衰減。

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

3 熱力學模型及計算結果

3.1 波轉子冷凝系統熱力學模型建立

本文建立高效波轉子冷凝循環模型，如圖9，高效波轉子冷凝循環過程主要包含4個過程。① 膨脹冷凝過程：當轉子通道與高壓端口接通時，高壓的含濕氣體開始在轉子通道內膨脹，溫度、壓力開始下降。當高壓含濕氣體溫度降低到一定程度時，含濕組分由氣相轉變為液相。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子通道，當轉子通道與高壓端口接通時，利用在高壓含濕氣體膨脹產生的激波恢復干氣壓力能。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氣，從而預冷高壓進氣，提高制冷深度。

建立模型基于以下幾點假設：① 波轉子等效為同軸相連的壓縮機與膨脹機組合，對外沒有對外軸功輸出；② 外部風機，壓縮機效率都為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，因此假設冷卻溫度15～20℃；⑥ 不考慮波轉子中冷熱接觸面的熱傳導；⑦換熱器換熱無熱量損失。

3.2 熱力參數定義

激波增壓效率

壓力恢復系數

(7)

氣波機制冷系數

系統溫降Dsys

Dsys=inlet-cold air(9)

氣波機內部膨脹溫降Dexp

Dexp=hp-cold air(10)

氣波機內部制冷壓比

3.3 波轉子冷凝系統熱力學計算與分析

波轉子冷凝系統-圖見圖10。進入系統的氣體定壓降溫后進入氣波機內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，脫濕干氣進入換熱器，定壓升溫后重新進入氣波機，推動氣波機內部低溫氣體排出通道，待低溫氣體排凈后，脫濕干氣占據波轉子空間，最后被下一次入射的高壓氣體增壓，排出波轉子通道，實現脫濕干氣壓力能的恢復。

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

圖12為激波增壓效率與脫濕干氣壓力恢復系數關系。系統膨脹比不變條件下，激波增壓效率越高，脫濕干氣的壓力恢復能力越強。而系統膨脹壓比越小，激波強度越弱，激波的非等熵性越低，激波增壓效率越接近等熵壓縮效率，系統壓力恢復系數越大，脫濕干氣壓力恢復能力越強。

4 實驗研究

氣波制冷機是高效氣波冷凝分離系統的核心部件，波轉子以及各個端口的空間位置與大小是氣波制冷機的核心參數。為了研究核心參數對系統制冷性能的影響，本文在數值計算與熱力學計算的基礎上搭建了實驗平臺，主要研究了系統轉速與壓比對系統制冷性能的影響。

4.1 實驗流程

系統流程圖見圖13，采用低壓螺桿壓縮機提供氣源，經過分離組件后預冷，預冷后的高壓氣體進入氣波機內部膨脹降溫，低溫氣體從低溫排氣端排出，進入分離器中脫濕，脫濕后的干氣進入換熱器中交換冷量，脫濕干氣溫度升高后，重新進入氣波機內部，被下一階段高壓氣體壓縮，恢復脫濕干氣壓力能，排出系統。現場實驗樣機見圖14。

4.2 實驗結果及分析

本實驗制冷膨脹比設計值為1.74，利用數值優化方法，設計各個端口的空間位置與大小。當系統實際制冷壓比1.74運行時，改變氣波機轉速，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，氣波機進氣溫度不能維持恒定，會有稍許偏差，故導致最高效率點與最大溫降點存在偏差。當改變系統壓比時，系統效率明顯下降，且偏差越大，制冷效率下降越嚴重，原因是當第1道激波S1（圖3）從波轉子通道內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，則要求波轉子提高轉速。當高溫口閉合時，要求高溫氣體排凈，否則一部分未排凈高溫氣體會產生反向壓縮波，提高低溫區的溫度。從提高壓比后的溫降與效率曲線而言，系統仍存在對應的高效率點。

對比熱力學分析，當系統膨脹壓比提高時，脫濕干氣壓力恢復能力隨即降低，見圖17。系統膨脹比越大，激波強度越大，激波的非等熵性越突出，高壓氣體膨脹功損失越多，進而激波增壓效率降低，脫濕干氣壓力恢復能力越弱。

考慮冷凝現象對于氣波冷凝裝置性能的影響，調整壓縮機出口冷卻風機送風量，改變分離儲罐的進氣溫度，進而改變高壓進氣含濕量。高壓進氣口采集高壓氣體，利用色譜分析儀獲得組分。固定氣體膨脹壓比為1.74，調整不同高壓進氣含濕量，測得氣波機膨脹溫降，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對于氣波機端口設計影響不明顯。凝結激波強度相對于高壓入射激波強度偏弱。但是氣波機溫降隨著含濕量增加明顯降低，凝結潛熱對于高效氣波冷凝裝置存在一定影響。

5 結 論

本文設計了高效氣波冷凝裝置，有效克服傳統氣波制冷熱力學缺陷，利用激波增壓特性，回收高壓氣體壓力能用于恢復脫濕干氣壓力能；回收脫濕干氣冷量，預冷下一循環高壓進氣，獲得更低的脫濕溫度，進一步提高系統脫濕性能。本文利用空氣動力學理論，建立高效氣波冷凝裝置的波圖，設計波轉子內部波系運動關系；利用數值分析手段，預估與優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對制冷性能與脫濕干氣壓力恢復性能的影響，得到結論如下。

（1）本文建立的二維數值模型，可以有效反映波轉子內部波系的匹配關系，優化了各個端口的空間布局與尺度，為搭建實驗平臺提供結構基礎。

（2）通過整套裝置熱力學模型計算可得，回收脫濕干氣低溫資源，預冷下一循環高壓進氣，可以有效提高冷凝溫度，進一步提高系統冷凝性能。提高激波增壓效率可以提高脫濕干氣壓力恢復能力。

（3）實驗表明，脫濕干氣在系統內壓力可以得到恢復，實驗中最高壓力恢復系數為0.9，且隨著壓比增大，壓力恢復能力迅速降低。根本原因在于，壓比越大，激波越強，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效率高。

（4）高效氣波冷凝裝置依據內部結構參數，具有唯一最優設計點，壓比、轉速甚至背壓的偏離都會引起制冷效率降低，結構參數連續可變是解決變工況的運行的有效手段。

（5）凝結激波產生不會嚴重影響氣波機內部匹配，因為其強度遠遠小于高壓入射激波強度，氣波機最優匹配點仍不變。但是凝結潛熱會對氣波機制冷溫降有一定影響。

符 號 說 明

A——高壓噴嘴寬度一半，mm B——波轉子通道寬度，mm C——高溫口近端到基準線距離，mm cp——比熱容，J·(kg·K)-1 D——低溫口近端到基準線距離，mm d——含濕量，g·kg-1 E——回氣口近端到基準線距離，mm Dhisen,Dhshock——分別為等熵焓變、激波焓變，J L——波轉子通道長度，mm N——一周期噴嘴個數，個 n——波轉子轉速，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——分別為系統進氣壓力和激波壓縮出口壓力，Pa R——波轉子通道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、氣波機內膨脹溫降、高壓進口溫度、系統進口溫度和系統溫降，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 Γ——廣義擴散系數 γ——膨脹制冷效率 δ——各個端口與波轉子間隙，mm η——激波增壓效率 λ——熱傳導系數，W·(m·K)-1 π——氣波機膨脹壓比 σ——壓力恢復系數 F——通用變量

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教材是教師教學的幫手，也是規范教學和傳承教育內容的保證。禮儀課程的教材種類繁多，但很少有教材完全符合教學需求，只是部分對教學有價值，如何汲取有價值的部分，使其固化為適合本校學生的教材，這對所有禮儀教師都是挑戰。因此，性質相同、教學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，根據本校學生的實際情況，將理論與實踐內容以文字的形式展現，但必須遵循以下幾個原則：結合院校的性質，教材內容符合學生的可接受性；摒棄學科中心主義的思想，建立新的教材內容體系框架；反映時代特征，體現職業適用性價值；體現教材的教育性價值，使學生多方面獲益[9]。在此基礎上，規范、完善理論及形體實踐教學內容。

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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).