激波吸收器结构对消波效果及压力波制冷机性能影响的实验研究

郑闽锋，吴敏强，刘 峰，刘 曦，李学来

( 1.福建工程学院生态环境与城市建设学院，福建 福州 350118；2.福州大学石油化工学院，福建 福州 350116 )

激波吸收器结构对消波效果及压力波制冷机性能影响的实验研究

郑闽锋1，吴敏强1，刘 峰1，刘 曦2，李学来2

( 1.福建工程学院生态环境与城市建设学院，福建 福州 350118；2.福州大学石油化工学院，福建 福州 350116 )

利用一台单管式压力波制冷机，通过实验研究了激波吸收器结构对消波效果及压力波制冷机性能的影响。结果表明：在安装激波吸收器后，制冷效率明显大幅提升，当射流激励频率f=25～125Hz时，L/d=137.5振荡管的制冷效率η提高了将近20%，L/d=507时η提高的幅度比L/d=137.5时小；增大吸收器的长度La其消波效果没有明显增强，但会减小峰值激励频率，在本文的实验条件下，激波吸收器的管长不宜超过300mm；增大激波吸收器内径da则最大制冷效率提高了1.5%，但会增大吸收器的体积，所得结果对压力波制冷机的优化设计有一定参考价值。

热力学；压力波制冷机；实验研究；激波吸收器；反射激波

引言

压力波制冷机是利用振荡管内形成的压力波运动来实现管内流体能量传递和转换的一种新型气体膨胀制冷机，目前已在天然气处理、石油化工生产、气体冷却和科研冷源[1-4]等场合得到应用。振荡管是压力波制冷机的主要制冷部件，管中能量的传输和转换都是通过激波的运动来实现。振荡管工作时，入射激波运动到振荡管封闭端时发生固壁反射形成反射激波。当反射激波运动到振荡管开口端时可能会加热正在排出的低温驱动气或者刚喷入的驱动气，从而减弱振荡管的冷效应，因此可以在振荡管封闭端加装激波吸收器来减弱或消除反射激波，从而降低或避免反射激波的不利影响。

NAT公司[5]生产的热分离器最早采用类似结构，将一台设备中数十根振荡管封闭端用一个直径为振荡管内径10～20倍的封闭环形腔连接起来，但制冷效率反而下降，其原因是封闭腔使振荡管内的气流受到了严重干扰。方曜奇[6]在此基础上进行了改进，即在每根振荡管的封闭端均加装一个截面突扩短管，实验结果表明反射激波强度明显减弱，设备的制冷效率得到提高。李学来[7]在ε=2～6，L/d=107～730和f=30～200Hz的范围内研究了激波吸收器对压力波制冷机性能的影响，实验结果表明在L/d<400的范围内激波吸收器可有效减弱反射激波，提高制冷效率，并降低最佳射流频率的数值，改善设备的变工况性能，而L/d>400时可以完全消除反射激波。于伟[8][9]利用单组多级孔板装置来削弱入射激波强度。李学来[10]采用了多级多孔板的结构并首次提出了复合阻尼陷波的概念，并利用该装置进行了消波实验，结果表明该装置很好地削弱了反射激波，制冷效率提高了4%～10%。目前对振荡管封闭端反射激波的消除方法及其效果进行了一些探索性实验研究或工业试验，但关于激波吸收器结构对消波效果及其对压力波制冷机性能的影响还有待深入研究，本文对这方面的问题进行了探讨。

1 实验装置与方法

实验使用一台旋转式单管压力波制冷机(图1)，对管长分别为0.5、1～6m的7种不同振荡管(Ø12×1mm匀直长管)进行实验研究，振荡管一端开口一端密封，实验采用卡套式管接头达成在管封闭端自由加装不同型号激波吸收器的目的。实验开始时，保持收缩喷管和振荡管静止，气体分配器绕着中心轴做高速转动。当气体分配器上某一个喷射孔与喷管口正好相对时，从收缩喷管出口喷出的高速气流便通过振荡管开口端进入到振荡管中，充气阶段开始。当喷射孔旋转离开喷管口时，气体分配器便隔离了喷管与振荡管口，充气阶段结束。气体分配器不断旋转，当下一个喷射孔与喷管口再一次相通时，一个新的充、排气循环便重新开始。

图1 实验装置示意图 1-高压气体 2-喷管 3-振荡管 4-激波吸收器 5-喷射孔 6-电机 7-排气室 8-气体分配器

实验中在振荡管封闭端加装了激波吸收器。它由无缝钢管制成，两端封闭，其中一端加焊一小段紫铜管并利用管接头与振荡管封闭端相连(即用激波吸收器代替原先的封闭端)。在实验中共使用了5种不同尺寸的激波吸收器，具体的参数见表1。

表1 激波吸收器尺寸

编号长度/mm管径/mm113060222060330060447060547042

图2 实验系统示意图 1-空气过滤器 2-螺杆压缩机 3-高压储气罐 4-压力变送器 5-低压缓冲罐 6-测温仪 7-调压阀 8-流量计 9-实验机 10-驱动电机 11-变频器 12-电源 13-压力表 14-振荡管 15-激波吸收器

实验系统如图2所示。LGD-3/7型螺杆压缩机一台、高低压储气罐各一个、压力波制冷机、变频调速机构、数据采集系统及其他仪器零部件等。

工作流程：环境空气经过滤后通过螺杆压缩机加压成高压气体，进入高低压储气罐，由调压阀调压后，冲入压力波制冷机收缩型喷嘴内，在压力波制冷机内完成制冷过程变成低温气流后由排气管路排出到外界环境中去。储气装置采用高低压双罐设计，目的在于缓冲由于高压储气罐的气体直接进入压力波制冷机时导致进口压力不稳定的现象。

实验运行时，利用调节调压阀的开度改变进气压力大小对膨胀比进行控制，而射流激励频率的调节则是通过改变驱动电机交流电频率从而改变气体分配器转速来完成的。

实验需测量压力波制冷机的制冷效率，包括测量进气总压力p0与排气背压pb；进气滞止温度T0和排气温度T2；射流激励频率f；振荡管轴向壁温分布；环境温度等参数。其中，p0用HM20-1-A1-F1-W1型压力变送器、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，T0、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)

(3)

式中γ为气体比热容比。

实验中，振荡管采用Ø12mm的紫铜管。膨胀比ε=2～6，射流激励频率f=10～240Hz，排气背压pb=0.1MPa。振荡管内工作介质为空气。

2 消除反射激波对压力波制冷机性能的影响

图3 不同管长下，安装激波吸收器对η 随f变化影响的实验结果(ε=3)

由于反射激波强度被削弱，当反射激波运动到振荡管开口端时其对驱动气的气动加热作用也将减少，压力波制冷机的制冷效率将会提高。图3给出了ε=3，两种不同管长下安装2号激波吸收器前后制冷效率随射流激励频率变化的实验结果，其他运行参数及型号激波吸收器的实验结果类似。从图中可以看出：在安装激波吸收器后，制冷效率明显大幅提升，当L/d=137.5时，在25～125Hz频区内其制冷效率提高了将近20%。这是由于未安装激波吸收器前在该射流频率下反射激波会逆行运动到开口端对驱动气进行加热，通过激波吸收器的消波作用，大大削弱了反射激波的强度，使其对驱动气的气动加热量减少，导致制冷效率大幅提高。L/d=507时η提高的幅度比L/d=137.5时小，这是由于管长增加，反射激波的强度本身就会减弱，此时安装激波吸收器来提高制冷效率的效果较不明显。

3 激波吸收器结构对消波效果及压力波制冷机性能的影响

3.1 激波吸收器长度的影响

图4 不同长度的激波吸收器对fopt和ηmax 变化影响的实验结果(L/d=137.5，ε=3)

图5 不同直径的激波吸收器对η变化 影响的实验结果(L/d=137.5，ε=3)

由于短管的消波效果更为明显，因此以L/d=137.5的振荡管为研究对象进行相关实验。图4给出了不同长度的激波吸收器对制冷效率及最佳频率的影响，从图中可以看出，随着吸收器长度的增加，ηmax的变化幅度很小，这说明此时反射激波的削弱效果没有明显增强。吸收器主要是利用振荡管与吸收器进口间截面突然扩大时产生气流涡旋来达到削弱入射激波强度的作用，由于吸收器的长度相比振荡管要小很多，且管径要大，激波在吸收器内由于气体粘性所导致的衰减幅度很小，吸收器内产生的反射激波强度被削弱的程度很小。而fopt却随着管长的增加而有所下降，这是由于入射激波在吸收器内反射后才形成反射激波，无形中延缓了激波反射的时间，相当于增加了振荡管的管长，这将使压力波制冷机的峰值激励频率减小，对降低气体分配器转速，延长设备的使用寿命是有利的。但是当吸收器长度La增大到450mm时，fopt基本不再变化，此时再增大La值就没有任何意义。从本文的实验结果可知，激波吸收器的管长不宜超过300mm。

3.2 激波吸收器直径的影响

图5给出了激波吸收器内径da分别为60mm和42mm时制冷效率变化的实验结果。实验结果表明随着管径增大，制冷效率有所提高，ηmax增大了1.5%。同时在150～250Hz的频区内，制冷效率提高了1.7%～4.5%，提升的幅度要比50～150Hz的频区明显。这是由于激波吸收器内径越大，截面突扩效应增强，入射激波的强度减弱，其产生的反射激波强度也相应减弱，则制冷效率会有所提高，而随着入射激波频率的增加，但同时增大激波吸收器的管径会增大其体积，在实际设计时需对这两方面进行综合考虑。

4 结论

(1)由于消波作用，在安装激波吸收器后制冷效率提高，随着管长增加制冷效率提高的幅度在减小，消波效果减弱，而膨胀比增大，消波效果则有所增强。

(2)消除反射激波后，峰值振荡现象依然存在。

(3)增大吸收器的长度La其消波效果没有明显增强，但会减小峰值激励频率，这对提高设备的使用寿命是有利的。但是当吸收器长度La增大到450mm时，fopt基本不再变化，此时再增大La值就没有任何意义。从本文的实验结果可知，激波吸收器的管长不宜超过300mm。

(4)增大激波吸收器内径da能提高制冷效率，ηmax增大了1.5%，但会增大吸收器的体积，在实际设计时需进行综合考虑。

符号说明

d— 振荡管内径，mm

da— 激波吸收器内径，mm

f— 射流激励频率，Hz

La— 激波吸收器长度，mm

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

T0— 进气滞止温度，K

T2— 排气温度，K

γ— 气体比热容比

ε— 膨胀比

η— 制冷效率，%

[1] 朱彻，刘润杰，李洪安．气波制冷技术在天然气脱水净化工程中的应用[J].制冷，1995，50(1)：10-15

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[9] Yu Wei.Study on the factors effect on refrigeration efficiency of thermal separator[D].Beijing：Institute of Mechanics，Chinese Academy of Sciences，1988

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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

福建省中青年教师教育科研项目(JA15340)；2016年国家级大学生创新创业训练计划项目(201610388022)

郑闽锋，男(1985-)，博士，研究方向：热过程装备与节能技术，工业制冷技术与设备。E-mail：zmfgogo@163.com

ISSN1005-9180(2017)04-007-05

TQ051.1

A

10.3969/J.ISSN.1005-9180.2017.04.002