旋转式热分离机接受管内热力过程的理论分析

[ 字号: ] [ 关闭 ] 2008-12-4 23:11:22 来自网络 作者:admin 浏览次数: 发表评论

关键词:旋转式热分离机接受管内热力过程的理论分析

P0、V0、T0——定质量气体在喷嘴入口工况下的压力、容积、开尔文温度

P、V、T——定质量气体在标准状态下的压力、容积、开尔文温度

QVO——喷嘴人口工况下的体积流量

QV标——在标准状态下的体积流量

ζ——漏气系数

C0——进入喷嘴入口的气流速度

T1——气流在喷嘴出口的温度

P——喷管出口处背压

P——排气压力

Ccr——临界状态速度

C1——喷嘴出口处气流速度

K——空气的比热比

T*——进口气体滞止温度

R——空气气体常数

Cp——空气定压比热容

Pcr——临界压力 ·

P2、T2——喷人新鲜气体前,接受管内气体的压力、热力学温度

tin——充气时间

P3、V3、T3——充入新鲜气体后,混合气体还未与管壁换热的压力、容积、热力学温度

P4、T4——排气前封闭气体的压力、热力学温度

V——接受管的容积

△m——充入气体的质量

α——喷嘴出口旁的弧长

d——气体分配器直径

tf——封闭时间

t——气体分配器旋转周期

m——封闭气体的总质量

Q——封闭过程的散热量

T——排气热力学温度

Ma——喷嘴出口气流马赫数

V1——喷嘴出口气流速度

Vcr——临界速度

τ——时间

λ——导热系数

ρ——密度

c——比热容

r——半径

L——接受管管长

Q定容——定容积放热量

Cv——空气定容比热容

    旋转式热分离机(以下简称热分离机)是一种利用气体压力进行制冷的设备,因此亦称气波制冷机,具有结构简单、节能、造价低、适应性强和操作维护方便等特点,自20世纪70年代问世以来,得到了人们的重视,并在石油化工领域有了实际应用。但由于工质(工作介质)在热分离机内实现能量转移和移出过程的复杂性,尤其是工质在接受管内的热力过程,所以至今对其制冷机理的理论研究尚未达到令人满意的程度。

1 喷管与接受管热力过程数学模型的建立与计算

    本节分为两部分,第一部分是喷嘴内气流参数的热力计算,第二部分是接受管分别根据气塞理论和气波理论两种方法进行研究计算。建模和计算过程中采用浙江大学制冷与低温研究所的实验数据。

    热分离机气体体积流量QV标=20000m3/d

喷嘴人口气体参数 P0=0.6MPa,T0=288K

喷嘴人口直径d1=12mm

喷嘴出口直径d2=6mm

气体分配器参数 直径d3=72mm,转速n=3000r/min

喷嘴出口旁边的弧长 α=12mm

接受管参数 管长L=1.5m,内径di=6mm,外径d0=8.5mm

接受管数目 m=36根

膨胀比 ε=3

排气压力 P=0.2MPa

1. 1 喷管的气体热力计算

1. 1. 1 通过喷嘴的气体体积流量

设气流在喷嘴入口处的压力为P0、温度为T0、体积流量为QV0、由P0V0/T0=PV/T、QV0/V0=QV标/V,将标准状态的体积流量换算成喷嘴入口工况下体积流量。

   

    由于有部分高压气体不通过喷嘴而直接漏入冷腔,故实际通过喷嘴的流量Q'V0应比QV0小。取漏气系数ζ=0.017,则此时Q'V0:QV0(1—ζ)=0.04m3/s。

1.1.2 进入喷嘴入口的气流速度C0

    气体分配器上分布有两个对称的喷嘴,故

   

    实际上喷嘴随着气体分配器的转动,与接受管不断接通与断开,管内气体流速也随之作周期性变化。为了简化模型,此时的C0是按定常流动的情况下计算出来的,是平均值。

1.1.3 喷嘴出口气体流动参数计算

    设气流的出口温度为T1。喷管出口处背压P<P,所以喷嘴气流进出口压力比

   

    故渐缩喷管出口截面气体达到临界状态。

1. 2 接受管内部气体热力过程分析

接受管内部气体热力流动可分为充气、封闭和排气三个阶段。下面分别对三个阶段进行数学建模和计算。

为了简化实验及便于分析,特作如下假设:

(1) 将工作介质(空气)看作理想气体,其比热比K即为双原子气体对应的常数1.4;

(2) 充气开始时,工作管内的气体静止且温度均匀;

(3) 工作管足够长,右行波不会遇到封闭端而反射。

1. 2. 1 充气过程

1. 2. 1. 1 根据气塞理论建立的数学模型和计算

喷入新鲜气体前,管内压力P2=0.2MPa,温度为T2。由于管径很小,管内空气温度受管壁影响很大,根据实验值取T2=330K,略低于壁温。

根据图1所示,近似计算充气时间:

   

    运用气塞理论研究充气过程,其是变质量的热力过程,在充气时间内,由于充入的新鲜气体(驱动气)与管内的气体(被驱动气)在短时间进行质量与能量的交换,与外界的热交换忽略不计。充入新鲜气体后,混合气体还未与管壁换热前的状态设为:温度T3、压力P3、接受管的容积V。

    运用变质量热力学充气理论得:

   

    1. 2. 1. 2 根据气波理论建立的数学模型和计算

为了描述方便,把喷嘴对接受管的充气过程以喷嘴正对接受管口为界分为前、把喷嘴对接受管的充气过程以喷入较多的新鲜气体。随着气体分配器的旋转、喷入气量的增加,接受管内气压力很低,容易喷入较多的新鲜气体。随着气体分配器的旋转、喷入气量的增加,接受管内气压逐渐升高,因而充气阶段充入的新鲜气体很少,也就是说喷入的新鲜气体主要是在前充气阶段完成的。因而有必要把非正对前充气阶段作为研究对象,其位置状态如图1所示。

    由图1看出,喷嘴内的气流方向与接受管中心轴线成一定角度θ。此时,喷嘴只有一半对着接受管口充气,即出口气流也应该处于临界状态:Ma=1,V1=Vcr。气体流出喷嘴后进入低压的接受管继续膨胀,而且气流方向要转过一角度θ,符合普朗特——迈耶流的特征——流体绕外钝角流动。因此在接受管口产生的膨胀波束,经此膨胀波束,气体马赫数变为Ma1>1,温度变为T'1。由图1几何关系知:θ角是喷嘴轴线的偏心角度θ1与喷嘴口及接受管口非正对度的加合。由实验数据取θ=30°。查表Ma1=2.13。

    因为流动过程是绝热等熵过程,即气流总压、总温为常数,由T*/T'1=1+(K-1)Ma2/2得:T'1=159K。驱动气与被驱动气之间形成的接触面(分界面)可以看作是一个无质量的活塞,由于分界面上不满足速度相等和压力相等条件,因此分界面两端的气流要发生动量和能量的交换。为了简化计算,用算术平均温度T"1=(T'1+T2)/2=245K表示热量交换后气波的温度。活塞压缩被驱动气在被驱动气中产生激波,激波压缩驱动气使气体升温、升压。

    由激波前后的对比公式:

   

1.2.2 封闭过程

    充气过程结束后,接受管口完全被气体分配器封闭,封闭时间tf由分配器的几何尺寸和旋转速度决定。

   

    对于封闭过程,由于封闭气体与管外空气存在温度差,导致管内外气体通过管壁换热,引起封闭气体的温度降低,故其管内壁温度随时间而改变。管壁换热过程看作非稳态的一维导热问题,其导热平衡式在圆柱坐标中的表达式为:

   

    鉴于封闭时间tf很短,故其Q很小,根据数量级近似计算,取Q=1.0J。设排气前封闭气体的压力为P4,温度为T4

   

1.2.3 排气过程

    排气阶段是变质量的热力过程,由于放气过程进行得很快,可以看作是绝热放气,故根据变质量热力过程的绝热放气理论有:

   

   

    放热过程以后,残留在接受管内的气体由于受接受管内壁的影响,其温度仍然维持一个较高的温度T2

2 气塞理论与气波理论的比较及其与实验数据的对比

    在上面研究接受管的内部热力过程中,分别利用气塞理论和气波理论建立了充气过程的数学模型。气塞理论始终把管内气体作均匀化处理,并没有考虑管内气体振荡和各管段温度不同等细节情况,理想化程度较高。而气波理论考虑到了在接受管口段产生膨胀波束,使温度降低,而管内更深处出现激波,温度迅速升高。这与实验测得的接受管表面温度分布相符,如图2所示。

   

3 改进措施

3.1 延长喷嘴出口旁的弧长

    接受管的封闭时间tf与喷嘴出口旁边的弧长a有很大关系,增长a可以延长封闭时间,而延长封闭时间可以使接受管与外界充分换热,使热分离机达到更好的制冷效果。封闭时间还与气体分配器的转速和直径有关,但改变这两个值会影响到流量等参数,而延长a对其它参数影响不大。

3.2 加装肋片

    前已述及,强化接受管末端散热对热分离机效率提高有较大影响。众所周知:接受管在制冷过程中所起的主要作用是将气体的压力能转化为管内寂静区气体的内能,然后通过管壁以热量的形式向外传出。因而,接受管的散热条件直接影响热分离机的制冷效果,冷端绝热和热端强化换热是接受管向外释放热量的最佳传热方式。

3.3 加装气库及节流装置

    根据脉管内气体的运动规律可知:在最佳工况下,当反射压缩波抵达脉冲管始端、正好落在分配器前缘,但工况变化或者转速改变时,即频长积不等于(fL)out时,反射波将与入射波相互干扰,使入射气流熵增加。为此,在脉冲管末端增设气库用于消弱反射气流的强度。根据以上机理,当采用小孔气库时,由于气流在气库壁上发生反射和散射,彼此之间互相抵消一部分,减弱了反射气流的强度。偏离最佳工况下,采用气库则比不采用时的效率高。因此,对于热分离机这种众多情况下是在变工况下工作的制冷机械,采用气库有明显的优势。

3.4 选择适当的管长

    高速气流进入接受管后,与冷气流接触并一起运动,接触面最大运动距离可通过激波前后参数算得,Lmax=1.55m。由此可见:气体在接受管中还未到达最大接触面,即还未完全膨胀,后续波就开始冲击前面的波。因此,选择适当的管长,将有利于气体完全膨胀,并提高制冷效率,降低出口温度。

4 主要结论

    (1)旋转式热分离机的制冷机理用气塞理论可解释如下:来自喷嘴出口截面的气体喷出后,满足反压条件,产生高速低压气流,在接受管与静止气体的接触面上,符合压力相容条件而不符合速度相容条件,这两部分气体发生动量交换,由于对流效应,从而产生激波,使接触面达到速度相容的条件。

    (2)旋转式热分离机的制冷机理用气波理论可解释如下:由喷嘴产生的低温高速气流的动能,进入接受管的气体,由于激波效应的产生,被管内寂静区气体所接收,所吸收的能量通过管壁以热量的形式向外传出;同时在散热阶段,由于反射膨胀波的产生,使进入接受管的气体继续膨胀,进一步降低焓值和温度,以达到制冷目的。

    (3)所建立的气塞理论与气波理论相比较,由于气波理论比较接近实际气体的流动过程,所以与实验结果吻合得较好,能较好地计算管内各区流动过程,清晰地反映出管内波的反射与相交过程。

    (4)强化热端换热与冷端绝热是接受管内向外释放热量的最好传热方式,采取如冷端绝热、热端加肋等措施,可有效改善换热条件,提高效率。

    (5)延长封闭时间有利于接受管向外充热。可以采用尽量延长喷嘴口旁边弧长a的措延长封闭时间。

    (6)在变工况下,增设小孔气库可抵消气流在气库壁的反射与散射,减弱反射气流的强度,有效提高等熵效率。

    (7)热分离机有一个最佳管长使制冷效率达到最大值,利用相应公式在给定参数下可求Lmax



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