气波制冷机的研究与应用!

［6］ 年获得国家专利，并根据机器的工作特点及制冷原理，定名为气波制冷机 。
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上海市科委科技攻关项目。李兆慈，男，#" 岁，博士生。 本文于 !""- 年 9 月 $ 日收到。
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气波制冷机的研究与应用
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制冷机理与内部流动过程的研究 气波制冷机的分类 根据结构，气波制冷机可以分为两大类：静止式和旋转式（见图 # 所示） 。 静止式气波制冷机主要
［*， ［-， ［&.， %， +， && , &*］ &- , &+］ &! , "/］ 内大连理工大学 、浙江大学 、上海交通大学 等单位对气体分配器的转
速、膨胀比、射流激励频率、管壁传热等因素对气波制冷机性能的影响进行了大量的实验研究， 对气波制冷机的结构、性能的改进及制造工艺的完善提供了依据。 /$& 气体分配器转速的实验研究 气体分配器的转速对制冷效率有着特殊影响：制冷效率随转速的变化而大幅波动，并出现多 个峰值。也就是说，在一定结构和工况下，存在一个最佳转速，当机器的转速等于最佳转速时其 制冷效率最高。在不设激波吸收腔时，实验曲线上峰值点与波谷点的等熵效率值可相差 &.0 以 上。 /$" 振荡管传热状况的实验研究 气波振荡管不但具有较强的冷效应，而且还具有可观的热效应。目前对热分离器工作管热效 应的研究主要是通过测量管壁表面温度分布而进行的。有关热效应的主要研究结论有： （&）热效 应主要出现在靠封闭端一侧的管段上； （"）热效应随气体膨胀比的增大而增强，随振荡管长的增 大而减弱； （#）管壁最高温度点的位置随工作管结构及运行工况的不同而异。 振荡管管壁沿轴向存在很大的温度梯度，在这样大的温度梯度的推动下，管壁必然产生强烈
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库速冻、蔬菜水果保鲜及其它深冷加工方面均有广泛的应用前景。 ! 结论
气波制冷机技术的研究虽然取得了一定的成果，但还存在许多亟待解决的问题，如：制冷机 理与管内非定常流动过程的分析、振荡管传热及能量转换机理、更接近实际的流动模型与数值模 拟、结构参数的优化匹配、应用领域的拓宽等。这些问题的解决，将对气波制冷机制冷效率等性 能的改善有重要意义。 参
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气波制冷机的研究与应用
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［!!］ 的轴向导热。李学来 博士对振荡管轴向及径向传热情况进行了理论和实验研究，表明这种轴
向导热对冷效应影响较大，通过阻隔振荡管管壁轴向传热，可以有效地提高制冷效率。 "#$ 气体膨胀比的实验研究 气体膨胀比对冷效应的影响的实验研究表明，膨胀比越大，则气体温降越大，但制冷效率并 不一定提高。不同研究者所得结果有所差异，这可能与所采用的内部动密封的结构形式不同有 关。 研究者还发现，膨胀比对最佳转速也存在很大的影响，最佳转速随膨胀比的增大而明显升 高。由此可见，转速、管长、膨胀比之间存在一个最佳匹配问题。邵件等根据实验结果拟合出一
［-］ — —热分离器 。 !" 世纪 $" 年代初，法国 %&’ 公司和 (%)*+, 公司发明了一种新型制冷机—
-.$! 年，%&’ 及 (%)*+, 两公司在加蓬为 %&’/0123% 公司建造了第一套用热分离器从火炬管线 上回收汽油的装置。法国 ,2* 公司先后在欧、亚、非洲的一些油田建造了十几套热分离器，用 于回收油田气或火炬管线中的轻烃产品。 日本三菱公司三原制作所于 $" 年代中期引进法国 ,2* 公司专利，经过数年的研究开发后，
其中为学者们普遍认同的为激波理论。 激波理论首次从气体动力学角度阐述了振荡管内的非定常流动过程，揭示了管内气体间能量 传输与转换的物理机制，展示了这种装置的制冷机理。其核心为：压缩气体经喷管膨胀，流速增 加而压力降低。这种高速气流随气体分配器的转动而间歇地射入各振荡管内，与管内原有气体形 成一接触面，并在接触面的前方出现一道与射流同方向运动的激波。激波扫过之处，该处的气体 被压缩，温度升高，高温气体通过管壁向环境散热。在充气阶段，激波对管内气体作功所需的能 量主要由高压气源提供，此时接触面后的气体只是经过等熵膨胀获得高速，静温虽亦降低，但因 未对外作功，如果膨胀过程为定常过程，则对理想气体而言，气体总温不变。射气停止后，工作 管开口截面与低温排气管相连通并开始排气膨胀。在排气阶段，激波继续对气体作功所需的能量 由进入管内的射流提供，气体对外作功，总温下降，从而实现制冷。 上海交通大学的徐烈教授等人结合脉管制冷机理，以焓流调相理论结合激波理论来解释气波 制冷机理，弥补了激波理论的一些缺陷，对等熵效率随气体分配器转速变化而波动等试验现象进 行了很好的解释。 气波制冷机实质上是一种波机器，冷效应主要是依赖于气波在振荡管内的运动来实现。激波 对气体产生致热作用，而膨胀波则对气体产生致冷作用。各种波在气波振荡管内互相作用，使振
图! 振荡管内气体流动波图
振荡管内流动的一维模拟较为成功，任何工况都能很快收敛并得到准周期性解，计算获得的制冷
［%， &&］ 效率随有关因素的变化规律也和试验结果一致，但数值偏高 。一维模拟结果有助于人们了解
振荡管内的非定常流动过程及制冷机制，但由于工作过程中入口端为变截面和运动边界，入口段 呈现典型三维流动特征，若要进一步描述管内尤其是入口段内流场的细节，则一维模拟难以胜 任。因此必须进行二维、三维模拟，但三维模拟在边界条件给定、格式 ’() 条件及格式精度等 方面存在很大困难。 " 气波制冷机的实验研究 相对于理论研究而言，研究者们对气波制冷进行了大量的实验研究，并取得了一些重要成 果。实验研究主要有两方面：&）通过强化管外传热、阻隔振荡管轴向传热等方法来改善振荡管 的散热情况，尽量降低管内气体的焓值；"）通过调节分配器转速、改变振荡管长度、封闭端截 面突扩以及耦合脉管制冷结构等手段来改变振荡管内的流动状况，尽量消除反射激波的影响。国
［!%］ 个最佳匹配关系式 。
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反射激波消除的实验研究 当工作管为匀直管时，管长越小则制冷效应越弱，这是由于反射激波对排气加热而造成的。
如果接受管足够长，入射激波最终可以衰减为马赫波，但振荡管很长。为了使振荡管不太长，又 不让管中气体流出，大连理工大学的研究人员设计了一种封闭端截面突扩的结构，运动激波在截 面突扩处反射为膨胀波，因此大大消除了反射激波的影响。这不但使机器的尺寸大大缩小，而且 使机器的性能得到改善。另外，利用多孔板阻尼也可有效消除反射激波的影响，提高气波制冷机 的制冷效率。 "#& 与脉管制冷耦合性的实验研究 上海交通大学的研究人员在分析脉管制冷与气波制冷机理基础上，对气波制冷与脉管制冷结 构的耦合性进行了实验研究。实验结果表明，在气波制冷的振荡管上耦合脉管制冷机的小孔及气 库结构后，制冷机的温降增加了（" ’ &） ()，等熵效率提高 &* 左右。因此提出了脉管式气波制 冷机的新概念，并已申请了发明专利。 ! 气波制冷机的应用 气波制冷机已成功地投入工业应用，目前主要应用于提供冷源或气体的分离回收，文献 ［+&］给出了这两种用途的典型流程。 &#! 天然气脱水及轻烃回收 天然气在运输过程中，当温度下降时，由于本身所带的水分，可凝固为冰，并与烃类形成水 化物，造成管道冻堵。目前多数采用的三甘醇或其它方法脱水，流程复杂，设备多，操作费用 高，而气波制冷天然气脱水装置是利用天然气本身的压力能使气体降温至所需的最低冰点温度， 分离掉水分后运输。而且气波制冷脱水允许工况范围大、工况条件变化频繁，适用的膨胀比范围 广，流程简单，操作简便。利用气波制冷机亦可进行轻烃回收，尤其适用于偏远、分散、小产量 的油田气源。 &#+ 化工工业尾气中回收有用组分 合成氨厂驰放气中含有部分氨，气波制冷机液氨回收装置利用驰放气本身的压力，使驰放气 降温而回收液氨，从而提高 ,-$ 产量、降低成本，并有益于环境保护。石油化工厂生产尾气中 含有许多有用组分，气波制冷机尾气回收装置利用尾气自身所带的压力能使尾气制冷、凝析并分 离出所需组分，既增产节能，又减少环境污染。 &#$ 食品速冻保鲜 食品常规冷冻一般用氨或氟利昂制冷机在 . !% () ’ . $/ () 之间制冷，气波制冷技术以空气 为冷源，可以提供食品冷冻所需的冷源。气波制冷技术与装置应用于食品速冻保鲜行业，大型冷
［!， #］ 将热分离器广泛应用于化工厂各种尾气中液体产品的回收 。美国、前苏联也报道了有关方面 ［4］ 的专利和研究 。
我国从 5" 年代初期开始，一些单位先后开始气波制冷机的研究，如浙江大学、大连理工大 学、上海交通大学、营口石化研究所及华北勘测设计院等单位，并对热分离器的结构及性能进行 了大量的实验研究。大连理工大学方曜奇教授等人在大量实验研究及理论分析的基础上，采用激 波吸收技术，成功地消除了反射激波的影响，从而使机器的体积减小，制冷效率提高，于 -.5.
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气波制冷机的研究与应用
李兆慈 徐 烈
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（上海交通大学制冷与低温工程研究所
摘
要
气波制冷机是利用气体的压力能制冷的一种制冷设备。文中主要介绍
了气波制冷机的研究历史、制冷机理及实验研究的国内外现状，阐述了气波制冷机 的主要应用领域。 主题词 气波制冷机 激波理论 研究 应用
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引
言
气波制冷机是利用气体的压力能产生激波和膨胀波使气体制冷的一种制冷设备，又称压力波 制冷机或热分离机（器） 。气波制冷机具有效率高、运行周期长、节能、工况适应性强等优点， 因此引起国内外众多研究者的注意。研究人员对气波制冷机的制冷机理、制冷效率的影响因素、 制冷机的结构等方面进行了理论和试验研究，并取得较大进展。目前，气波制冷机已在石油化 工、天然气工业中得到广泛的应用。 " 气波制冷机发展史
由喷管、喷管两侧的共鸣腔 及振荡管、排气管组成。工 作 时， 高 压 气 体 经 喷 管 膨 胀，压力降低速度增高，形 成高速射流，借助表面附壁 效应及喷管两侧共鸣腔的压 力脉动来改变射流方向，使 之依次间隔地射入各振荡管 中，管内气体在两次射气间 合严重，制冷效率低（大约 !$% 左右） 。 旋转式气波制冷机主要由喷管、气体分配器及振荡管组成。工作时，高压气体进入气体分配 器，经喷管膨胀加速形成高速射流，高速射流借助气体分配器的旋转改变方向，依次间隔地射入 呈放射状圆周分布的各振荡管中，管内气体在两次射气间隔期间排出。这种结构形式的热分离器 由于充、排气不易混合，因此制冷效率较高。目前工业应用的多为旋转式气波制冷机。 !"& 气波制冷机制冷机理及管内气体流动过程 气波制冷机虽然结构简单，但其制冷机理与内部气体的流动过程相当复杂。自从气波制冷机 的前身— — —热分离机问世以来，广大学者便开始探索其制冷机理，研究内部气体的流动过程。对
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荡管产生冷、热效应，并直接决定了气波
［!］ 制冷机的制冷效果。俞鸿儒院士 在一定
假设的基础上描绘了管内流动波图（见图 ，并根据流动波图计算出一个冲排 " 所示） 气周期内管内各区的流动参数和气波制冷 机实际工作范围内的理想制冷效率。激波 理论虽然作了大量简化假定，但它反映了 管内非定常流动的主要物理过程，因而， 在有关的实验现象及规律的理论分析中仍 起着重要的作用。 #$# 气波制冷机内部流动的数值模拟 随着计算机及数值方法的发展，用数 值模拟的方法来描述振荡管内的复杂流动 成为一种经济而快捷的研究手段。目前，
［’］ ［(］ 气波制冷机制冷机理研究先后出现了许多理论： （#）气体活塞理论 ， （&）紊流理论 ， （!）表 ［)］ ［+］ ［#$］ 面泵热理论 ， （*）激波理论 ， （,）焓流调相理论 ，但目前还未形成统一的、完善的理论。
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气波制冷机基本类型示意图
隔期间排气。这种结构形式的气波制冷机结构简单、无旋转部件、操作维护方便，但充、排气混
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考
文
献
刘丽译 " 气体冷却设备及其用途 " 法国专利公报，专利号：!，#$$，%&’，!()* 日特公开 " 昭 #&+,’,)! 间宫林荣 " ガズ冷却分离装置の化学工业の利用 " 化学装置，!()$，%*：#% - #’ ./0123 41512’6 7512/1，892:;5< 6275:51=:6 2;7<=>0/? 5 ;=@5A<2 3061:0AB12 C D5> !)，!($&， E= C ’&$&’%& 方曜奇 等 " 一种新型的制冷技术—气波制冷机 " 辽宁化工，!((*， （#） ：#! - #& 邵件，包裕弟，沈永年等 " 转动喷嘴膨胀机的试验研究 " 浙江大学学报，!($’，!$（&） ：%# - &’ 李力 " 气波制冷机接受管内不定常流数值模拟 " ［硕士学位论文］ " 大连：大连理工大学 " !((’ 胡志敏，方曜奇 等 " 刚直管在脉动压力作用下表面泵热的实验研究 " 全国化工机械专业教育指导委员会成立大会及第二届 校际学术交流会