气体分配器结构对压力波制冷机性能影响的研究

张功旺

(福建雪人股份有限公司 福建，长乐 350200)

压力波制冷机是一种利用振荡管内激波的运动来实现能量转换和传输的新型气体膨胀制冷机，自发明以来已在石油化工生产、空气冷却和一些低温工程领域中得到广泛应用[1-7]。作为压力波制冷机的一个重要部件，气体分配器相关参数的变化对压力波制冷机性能有着重要影响，国内外对气体分配器转速、充排气时间比变化影响的研究较多[8-11]，但对气体分配器结构变化影响的研究较少。目前气体分配器特征尺寸如喷管出口截面、喷管出口弧长及喷管安装方向等的变化对压力波制冷机制冷效率的影响已有了一些定性分析[12-14]，但这些结果仅针对多管式压力波制冷机且没有相关的实验数据报道，无法研究各单因素的影响，而关于单管机中气体分配器结构尺寸对压力波制冷机性能的影响则未见有报道，这些都是压力波制冷机设计中急需解决的问题。本文利用一台单管压力波实验制冷机，探讨了气体分配器喷射孔相对深度b/d、振荡管与喷射孔的间距δ和振荡管轴线与喷管中心线错位角度ψ等结构参数对压力波制冷机性能的影响。

1 实验装置与方法

实验是在单管压力波制冷实验机(图1)上进行的。压缩空气经收缩型喷管形成高速射流，振荡管为一端开口而另一端封闭的匀直管，在气体分配器的同一圆周上均布若干个喷射孔，喷管、喷射孔及振荡管三者中心轴线在同一条直线上。工作时，喷管和振荡管保持静止状态，电机驱使气体分配器高速旋转。当分配器中的某个喷射孔对准喷管时，从喷管出来的高速射流通过喷射孔射入振荡管，进入充气阶段；一定时间后，喷射孔转离喷管口，振荡管开口端与低压排气腔相连通并开始排气，从而完成一个充、排气循环。当下一个喷射孔对准喷管口时，便又开始一个新的充、排气循环。

1-高压气体 2-喷管 3-振荡管 4-喷射孔 5-电机 6-排气室 7-气体分配器

进气总压力p0用HM20-1-A1-F1-W1型压力变送器、排气背压pb用压力表(0.4级)分别在喷管前的缓冲罐及排气室中测量；温度用SW-I型数字温度仪测量，其中，进气滞止温度T0、排气温度T2的测量位置分别与p0、pb相同；f是通过测定气体分配器的转速n，然后由下式求出：

f=nN/60

(1)

式中，N为射气孔的个数。n用TM2011型光电测速仪测量。利用上述所测有关参数，由以下两式可分别求出膨胀比ε及制冷效率η：

ε=p0/pb

(2)

式中γ为气体比热容比。

实验中，振荡管采用Ø12x1mm、长径比L/d为473.5的紫铜管，膨胀比ε=2～6，射流激励频率f=10～240Hz，气体分配器喷射孔相对深度b/d=0.3～0.65，振荡管与喷射孔的间距δ=0～3.5mm，振荡管轴线与喷管中心线错位角度ψ=0°～4°，排气背压pb=0.1 MPa，振荡管内工作介质为空气。

2 实验结果与分析

2.1 气体分配器喷射孔相对深度b/d的影响

保持δ=0mm、ε=5.0、L/d=437.5和ψ=0°不变，研究了喷射孔相对深度b/d分别为0.3、0.45、0.5和0.65时，b/d的变化对η的影响，实验结果如图2所示。

图2 不同b/d下对η随f变化的实验结果(ε=5)

由图中可知：b/d从0.3增大到0.5的过程中，增大喷射孔相对深度压力波制冷机的η整体有明显的提升，最大制冷效率提高了将近15%。这是由于射流从喷管喷出时呈发散式且速度很快，喷射孔有一定厚度可以起到整流和缓冲作用，喷射孔相对深度太小就起不到减小射流发散的作用，会造成高速射流喷入振荡管前损失一部分流量，从而导致入射激波强度减弱。同时喷射孔相对深度越小则排气室与充气室的间隔也越小，充、排气掺混量会有所增加，这些因素使得制冷效率降低。然而喷射孔相对深度变长时，高速射流喷入振荡管前在喷射孔中的流动距离就会增加，使得射流的摩擦损失增大，由于一个充排气周期内射流的流量都很小，与喷射孔壁的摩擦会影响射流的流速，使得入射激波强度降低，从而降低了制冷机的制冷效率，因此当b/d继续增大到0.65时，η整体明显下降。由此可知，在设计压力波制冷机时必须选取适宜的喷射孔相对深度，在本文实验范围内，较为合理的推荐值为b/d=0.5。

从图中还可看出不同的b/d，η随f的变化趋势相同，在可调转速范围内制冷效率随转速变化出现多个峰值且峰值点频率和个数都相同，但是最佳频率fopt有所不同。

2.2 振荡管与气体分配器间隔距离δ的影响

保持b/d=0.5、ε=5.0、L/d=437.5和ψ=0°不变，研究了振荡管与喷射孔的间距δ分别为0mm、0.5mm、2mm和3.5mm时，δ的变化对η的影响，实验结果如图3所示。

图3 不同δ值下对η随f变化的实验结果(ε=5)

从图中可以看出，随着δ的增大不论是整体制冷效率还是最大制冷效率都明显在下降，δ增大到3.5mm时，最大制冷效率仅为28.39%，比δ=0mm时减少了将近18%；不同δ值，η随f的变化趋势也基本相同，但是随着δ的增大，fopt从第四峰值点变为第二峰值点，同时第三、四峰值点变得越来越不明显；f>125区间η下降幅度要大于f<125区间；δ增大到一定距离后，η下降幅度有所减小。

δ增大意味着振荡管开口端与气体分配器间的间隙增大，在充气阶段，从喷管喷出的高速射流会大量泄漏到排气室中，造成充、排气严重掺混，未被制冷的高温驱动气加热了处于从振荡管排出的低温驱动气，使得制冷机的制冷效率下降。当转速较低时，单位时间内充排气的次数在减少，充排气掺混的次数也相应减少，因此高频区的制冷效率下降幅度要高于低频区，同时气体分配器达到一定转速后，充排气掺混次数对制冷效率的影响不大，使得高频区的制冷效率变化幅度减小，其峰值频率变得不明显。综上所述，在压力波制冷机安装和运行过程中要尽量减小振荡管与喷射孔的间隙。

2.3 振荡管轴线与喷管中心线错位角度ψ的影响

保持b/d=0.5、ε=5.0、L/d=437.5和δ=0mm不变，研究了振荡管轴线与喷管中心线错位角度ψ分别为0°、1°、2°、3°和4°时，ψ的变化对η的影响，实验结果如图4所示。

图4 不同ψ值下对η随f变化的实验结果(ε=5)

从图中可以看出，随着ψ的增大η的变化趋势与δ增大时η的变化趋势基本相同，压力波制冷机的制冷性能在不断恶化。ψ增大到4°时，最大制冷效率仅为25.78%，比ψ为0°时减少了将近20%；ψ在1°～3°区间内，与ψ为0°的制冷效率曲线相比高频区制冷效率的下降幅度要高于低频区，而ψ=4°时高频区的降幅与低频区相当，因此ψ=4°时与其他曲线低频区制冷效率差距较大，而高频区则相差不大。

ψ值增大意味着振荡管轴线与喷管中心线错位角度增大，在充气阶段振荡管开口端与喷管重合面积减小，使得喷入振荡管的驱动气流量减小，且压力和流速由于流动面积扩大而有所下降，这些因素导致管内入射激波强度减低，振荡管冷效应减弱。同时未喷入振荡管的驱动气则直接与排气室中的低温气体混合，使排气温度上升，制冷机的制冷效率降低。因此在压力波制冷机安装时需减小ψ值，使振荡管轴线与喷管中心线保持在同一水平线上。

综上所述，在设计压力波制冷机时，气体分配器喷射孔相对深度需选取适宜的数值，才能获得较高的制冷效率，目前对该参数的相关研究和实验结果还很少，使得目前还没有通用的取值范围，这无形中大大限制了压力波制冷机的推广和应用，需加大对这方面内容的研究。δ和ψ值在设计时一般要求为零，在实际安装时很难做到，只能尽量地减小，然而在运行过程由于机械摩擦和材料耗损等原因，会导致这两个数值在不断增大，尤其是多管式压力波制冷机，因此还需开展减小δ和ψ值方法的研究。

3 结论

(1)压力波制冷机的制冷效率η随b/d的增加先增大后减小，存在一个合适的相对充气时间比范围，在本文的实验范围内，喷射孔相对深度b/d推荐值为0.5。

(2)不同的b/d，η随f的变化趋势相同，在可调转速范围内制冷效率随转速变化出现多个峰值且峰值点频率和个数都相同，但是最佳频率fopt有所不同。

(3)增大振荡管与喷射孔的距离δ与振荡管轴线与喷管中心线错位角度ψ均会导致η急剧下降，压力波制冷机实际运行中应尽量减小这两个值。

(4)得到的相关实验结果可为压力波制冷机的实验、优化设计和运行提供指导。

符号说明

b—喷射孔的深度，m

d—振荡管内径，m

f—射流激励频率，Hz

N—射气孔个数

n—气体分配器的转速，r/min

p0——进气总压，MPa

pb——排气背压，MPa

R—气体常数，J/(kg·K)

T0——进气滞止温度，K

T2——排气温度，K

γ—气体比热容比

δ—振荡管与喷射孔的距离，mm

ε—膨胀比

η—制冷效率，%

ψ—振荡管轴线与喷管中心线错位角度，°

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