共容腔压力振荡管内波动特性及其热效应研究

Natural gas are characterized by high pressure, large fluid volume and wide fluctuation range. These characteristics present a significant challenge to high refrigeration efficiency and operation stability. This project proposes a new refrigeration method based on the oscillating tube with co-absorption chamber（CCOT） to develop the pressure energy from natural gas and the advantages of the oscillating tube,such as anti-erison of two-phase flow and quick reaction. On one side, CCOT is connected with the moving nozzle; On the other side, it is connected with the sudden-expansion chamber which is coupled with the heat transfer structure.By approaching the hot and cold gas separation through internal wave motion and intersect dissipation, we can achieve a stable and efficient cooling purpose. The main work is as follows:(1)Analysis the unsteady flow field of CCOT, establish the quantitative relationship among shock wave, expansion wave and the contacted interface, quantitatively descript the energy conversion process caused by waves;(2) Research the energy dissipation of the inflows and determine the influence law of jet boundary on the thermal effect of the oscillating tube;(3) Investigate the influence of cryocondensation and real gas effect, explore the cooling mechanism with phase transformation;(4) Study the effect of structure and operation parameters on the pressure waves and refrigeration performance, optimize the running conditions of the refrigerator. Our scientific achivement has a significant advantage in the expansion refrigeration field of the wet gas with high pressure and liquid.

天然气具有压力高、带液量大、工况波动范围宽等特点，实现其稳定、高效制冷是一个具有挑战性的课题。本项目拟利用天然气自身压力能，发挥压力振荡管反应快、抗两相流侵蚀等优势，研发一种共容腔压力振荡管制冷方法。该方法是将振荡管一侧与运动的射流喷嘴连接，另一侧与耦合了换热结构的突扩腔体连接，通过内部波系运动和相交耗散实现压力气体冷热分离，达到稳定、高效制冷目的。主要工作：1.研究压力振荡管内波动流场，建立激波、膨胀波和分界面等流动行为之间的定量关系，对波系相互作用引起的能量转化过程进行定量描述；2.研究间歇射流引起振荡管入口侧的能量耗散行为，确定射流边界对振荡管热效应的影响规律；3.研究气体低温冷凝和真实气体效应对管内波动和热效应的影响，探索含有相变的气体波动制冷机理；4.研究结构和操作参数对管内波动和热效应的影响，优化振荡管制冷的运行条件。项目成果在高压、高带液含湿气体膨胀制冷领域具有优越性。

压力振荡管制冷是一种较新的气体膨胀制冷方法。由于制冷装置转速仅在3000r/min左右，使其在抵抗气液两相侵蚀方面具备较好条件，已成功应用于天然气轻烃回收、天然气脱水等领域。然而，压力振荡管内部制冷机理仍无定论，科学研究落后于工业生产。传统的一端封闭型均直压力振荡管制冷机，存在制冷效率低，热量难以回收，振荡管长度较大，高频振动容易诱发断管事故等问题。据此，本项目提出了共容腔压力振荡管。具体研究内容和结果如下：.1.建立了一端封闭均直压力振荡管试验装置，测试了管壁温度分布，以及管外换热形式对其冷效率的影响。结果表明：振荡管高温段所占比例较小，管长利用率较低。冷却水换热较空气换热制冷效率提高约3%。.2.为了提高振荡管管长利用率，集中回收热能，建立了封闭型共容腔压力振荡管。同时，建立了多管、多周期的数值分析模型，获得了管内激波、膨胀波和分界面等定量流场信息。结果表明：激波是能量传递的主要载体，激波和膨胀波的运动匹配决定着振荡管制冷性能；封闭的共容腔能够吸收入射波的能量，从而消除了反射激波对振荡管制冷性能的不利影响；但随着射流频率和压力的提高，腔内气体压力振荡幅度逐渐增大，不利于制冷。.3.为了消除封闭共容腔内压力波动的不利影响，将其与压力振荡管分开，据此，建立了流通型共容腔压力振荡管试验平台，并对其内部流动和制冷性能进行研究，结果如下：获得了压力振荡管理想流动波图；共容腔从封闭状态改为流通状态，进入共容腔的波系不再返回振荡管内，利于制冷，目前实验室制冷效率达65%。同时，流通型共容腔压力振荡管具有管长短、体积小的特点，体积缩小至原来的1/5。.4.对压力振荡管内非平衡凝结行为进行研究，结果表明：振荡管内发生非平衡凝结时，释放凝结潜热，引起压力振荡管内过饱和度、压力和温度的阻尼振荡，过饱和度与温度和压力之间相位差为90°。由于压力振荡管内发生非平衡凝结时，会使低温气体温度升高，进而对制冷效率产生影响。压力振荡管的制冷效率随着相对湿度的增加逐渐下降，当相对湿度达到0.8时，制冷效率下降约5%，分析二次蒸发是引起制冷效率降低主要原因。.5.建立了透明可视压力振荡管试验装置，并配置了饱和空气发生装置，利用相位多普勒粒子分析仪PDPA和高速照相机对压力振荡管内非平衡凝结现象进行测试，获得了管内的非平衡凝结图像。.项目研发的共容腔压力振荡管可用于含湿气体高效膨胀制冷。