首页 【论文底稿可编辑】逆布雷顿空气制冷机动态降温特性数值

【论文底稿可编辑】逆布雷顿空气制冷机动态降温特性数值

举报
开通vip

【论文底稿可编辑】逆布雷顿空气制冷机动态降温特性数值【论文底稿可编辑】逆布雷顿空气制冷机动态降温特性数值 免费查阅标准与论文地址: 逆布雷顿空气制冷机动态降温特性数值 研究 121 刘炅辉,赵祥雄,侯予 5 (1. 西安交通大学制冷与低温工程研究所,西安 710049; 2. 河南农业大学机电工程学院,郑州 450002) 摘要:建立了逆布雷顿空气制冷机系统时间 相关数学模型,对系统动态降温过程进行了数值 分析。详细阐述了系统主要部件板翅式换热 器及透平膨胀机动态回热及降温数学模型。以该 模型为基础,分析了逆布雷顿空气制冷系 统不同入口压力、温度、流量及不同换热面...

【论文底稿可编辑】逆布雷顿空气制冷机动态降温特性数值
【论文底稿可编辑】逆布雷顿空气制冷机动态降温特性数值 免费查阅标准与论文地址: 逆布雷顿空气制冷机动态降温特性数值 研究 121 刘炅辉,赵祥雄,侯予 5 (1. 西安交通大学制冷与低温 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 研究所,西安 710049; 2. 河南农业大学机电工程学院,郑州 450002) 摘要:建立了逆布雷顿空气制冷机系统时间 相关数学模型,对系统动态降温过程进行了数值 分析。详细阐述了系统主要部件板翅式换热 器及透平膨胀机动态回热及降温数学模型。以该 模型为基础,分析了逆布雷顿空气制冷系 统不同入口压力、温度、流量及不同换热面积和膨 10 胀机效率下的动态温降特性曲线,讨论了部分参数对系统动态降温性能的影响。结果表明: 对于确定的入口流量,提高系统入口压力可以加快系统降温速度和最大温降;此外,系统设 计时采用较大的回热换热器面积和提高膨胀机效率也是实现更大温降的有效手段。 关键词:空气制冷机;透平膨胀机;逆布雷顿循环;动态降温特性 中图分类号:TK05 15 Numerical Study on Dynamic Cooling Performance of Reverse Brayton Cycle Air Cryocooler121LIU Jionghui, ZHAO Xiangxiong, HOU Yu (1. Institute of Refrigeration and Cryogenics Engineering, Xi'an Jiaotong University, 20 Xi'an 710049; 2. College of Mechanical and Electrical Engineering, Henan Agricultural University, ZhengZhou 450002) Abstract: In order to investigate the dynamic cooling process performance of a reverse Brayton cycle air cryocooler, a system time-dependent numerical model including the dynamic thermal 25 performance model of a plate-fin heat exchanger and the dynamic thermal performance model of a turboexpander was set up and described in detail. The dynamic cooling process of the air cryocooler under different system inlet parameters including pressure, temperature, volume flowrate, different heat exchange area and different turboexpander efficiency was discussed. The theoretical results shown that the higher the system inlet pressure the faster the system temperature 30 decrease in case of low system inlet temperature and small system inlet flowrate. And the increase of heat exchange area and turboexpander thermal efficiency could promote the system cooling performance. Keywords: air cryocooler; turboexpander; reverse Brayton cycle; cooling performance 35 0 引言 随着上世纪四十年代航空技术的迅猛发展,使用高速透平膨胀机和紧凑式换热器的空气 制冷机,以其重量轻、维护简单、可靠性高和无污染等优点,在航空航天,食品加工、轨道 [1-2]交通、石油化工、低温超导等领域迅速得到广泛的应用。空气制冷机以空气作为循环工 质,采用逆布雷顿循环,极易获取低温,并且在很宽的工况范围内具有优良的性能。逆布雷 40 顿制冷理想循环由 2 个等熵过程和 2 个等压过程组成。主要部件包括空气压缩机、两个换热 器以及膨胀机,其中高压换热器作为冷凝器,经过膨胀机降温后,进入低压换热器,为用冷 基金项目:高等学校博士学科点专项科研基金项目(20090201110006) 作者简介:刘炅辉,(1987-),在读博士研究生。 通信联系人:侯予,(1973-),男,教授 博士生导师,主要研究方向:1、制冷与低温系统、机械、设备 的工作过程;2、新型制冷技术、空间制冷机、低温换热器;3、高速透平机械及气体润滑技术。E-mail: yuhou@mail.xjtu.edu.cn - 1 - 免费查阅标准与论文地址: [3]单位提供冷量。 随着逆布雷顿循环空气制冷机研究的不断深入,为了适应空气制冷机新的 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 要求以及 工程实际应用的需要,只对其进行稳态性能的研究已经不能满足需要。针对小型空气制冷机 45 非稳态降温的动态过程的研究对于系统启停过程中的可靠性至关重要。侯予等人将箔片气体 [4]轴承应用到高速透平膨胀机中,实现了高速透平膨胀机高转速下的稳定运行。王可等人对 逆布雷顿空气制冷机进行了性能分析,建立了理论模型并进行了求解,对于各部件之间的匹 [5-6]配具有重要的意义。夏葵等采用控制容积法和非稳态导热 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 建立了三维非稳态导热的 低温室内热负荷模型和回冷空气制冷机的非稳态数学模型,然而,透平膨胀机数学模型和板 [7]50 翅式回热器均采用稳态模型。Jones 和 Nellis 等人在换热器模型中考虑了轴向导热、换热 [8-9]器热容和组分物性变化对低温换热器的影响,进一步完善了换热器模型。赵红利等人通 过改变制冷机进口气量的方式调节透平转速,从而实现制冷机的快速降温,并深入研究了飞 [10-12]?。 机环控系统在起飞过程中的动态特性,最低温度达到-120 本文利用模块化方法建立了逆布雷顿空气制冷机动态降温过程的数学模型:对板翅式回 55 热器进行了网格划分,利用能量守恒方程建立了控制方程;推导出了膨胀机五大主要损失的 计算方程,进而得到了其等熵效率计算公式。本文利用数学模型计算出了不同入口压力、入 口温度、入口流量、换热器面积和膨胀机效率下逆布雷顿空气制冷系统的动态特性曲线,分 析了部分参数对系统降温性能的影响。 1 制冷机动态温降模型 60 1.1 换热器 对于逆布雷顿空气制冷机系统来说,由于制冷温度较低,制冷量相对较小,换热器热容、 隔板轴向导热等因素对制冷量的影响不容忽视。因此本文基于能量守恒,采用网格划分进行 数值求解,求解基于以下假设: 1)空气在换热器各层通道中均匀分配。 65 2)空气的速度和温度在换热器的横向相同。 3)换热器质量沿空气流动方向分布均匀。 4)空气在每层通道内的流动充分发展。 5)忽略换热器向外界的漏热损失。 1.2 控制方程 70 换热器采用逆流方式布置,在进行数值计算时需对换热器在空间和时间上进行离散,从 而建立冷、热流体和换热器隔板的控制体,利用能量守恒定律对每个控制体建立控制方程, 在建立控制方程时需做如下假设: 1)某一时间单位,同一单元格内温度相同; 2)某一单元格中,某时间单位中该单元格视为稳态; 75 3)忽略掉气体的位能和动能变化。 热流体的控制网格如图 1 所示。图中给出了 i 时刻和 i+1 时刻控制体中的能量流动情况。 在时间 Δτ 内流入控制体的能量为空气进入控制体的能量;流出控制体的能量包括:空气流 出控制体的能量和控制体中空气通过对流换热传递给翅片的能量。 控制方程: - 2 - 免费查阅标准与论文地址: i i i i i ρ uΔτ ac T? T? hΔxaT? T () () (1)80 h xh p h ,n?1 h,n h ,n n h h, n p ,n Δτ i +1 i = ρ aΔx c T ? T ()xh n p h,n h,n 其中,a 为换热器每层通道自由流通截面积,h 为对流换热系数,下标 h 代表热流体。 冷流体的控制方程同热流体类似,根据能量守恒建立控制方程如下: i i i i i ρ u Δτ a c T ? T ? h Δx a T ? T Δτ() () c xc p c n ? c n c n n c c n p n (2) , 1 , , , , i +1 i = ρ a Δx c T ? T ()xh n p c,n c ,n 其中,下标 c 代表冷流体。 85 图 1 热流体控制网格中能量流动情况 Fig. 1 high temperature fluid control volume 隔板内部控制体能量交换如图 2 所示,在时间间隔 Δτ 内流入控制体的能量包括隔板高 90 温段通过导热传递来的能量和热气流通过对流换热传递过来的能量,流出控制体的能量包括 控制体通过导热传递给隔板低温段的能量和隔板通过对流换热传递给冷气流的能量。 图 2 隔板内部控制体能量流动情况 Fig. 2 control volume of the wall 95 i i λ a T ? T Δτ() xp p n , 1 ? , p n i i h x a T T + Δ? Δτ ?()i h ,n n h h ,n p ,n Δx n (3)i i λ aT? TΔτ() xp p ,n p ,n +1 i i i ?Δ( ) ? Δ Δ hxaTTτ c n n c p n c n x , , , n ii +1 ρ a Δx CT ? T = () p xp n p ,m p ,n p ,n 其中,λ 为隔板导热系数,下标 p 代表隔板。 1.3 透平膨胀机 基于一元流动理论, 假定透平膨胀机内部流动为稳定、绝热流动。根据透平膨胀机结构 尺寸及相关方程,以板翅式换热器计算得到的瞬态出口参数作为透平膨胀机的瞬态入口参 100 数,对透平膨胀机运行过程的各项损失进行计算,推导出透平膨胀机在该瞬时下的等熵效率, 进而求出其出口参数。 影响透平膨胀机等熵效率的主要损失有五个:喷嘴损失、工作轮损失、余速损失、轮背 摩擦鼓风损失以及内泄漏损失。 气体在喷嘴中流动损失系数为: q105 N ξ = N ′ hs (4) 气体在工作轮中的流动损失系数为: - 3 - 免费查阅标准与论文地址: q rξ = r ′h s (5) 气体在扩压器中的流动损失系数为: q kξ = k ′h (6) s 110 轮背摩擦损失系数为: q Bξ = B ′h (8) s 内泄漏损失系数为: δ ξ= 1.3 (η? ξ)l u B l(7) m 等熵效率为: 115 ′ η= 1 ? (ξ + ξ+ ξ + ξ + ξ) 空气在透平膨胀机中sN r K B l (8) 的实际降温过程如图 3 所示。已知膨胀机进、出口压力,以及膨胀 机进口温度,由 p-h 图可以查出膨胀前空气的比焓 h和等熵膨胀后的比焓 h,结合膨胀机 1 2s 等熵效率便可计算出膨胀机出口空气比焓,进而通过 p-h 图得到膨胀机出口的实际温度值。 确定瞬态入口条件下膨胀机各点的瞬态参数。 120 ' h= h?η(h? h)(9) 2 1 s 1 2 s 图 3 空气在膨胀机中的膨胀过程 Fig. 3 air expansion in turboexpander 125 至此,本文分别建立了回热器和透平膨胀机的数值计算模型。回热器计算时,时间长度 为 τ ,空间长度为x ,其初始温度为环境温度,热端进口温度为定值,冷端进口温ΔΔ 度为 透平膨胀机的出口温度,由 τ ?1 时刻换热器的温度,计算出该控制体 τ 时刻的温度, 通过 对换热器每个空间点的计算得到 τ 时刻整个换热器的温度分布。膨胀机 τ 时刻进口温度 为换 热器热通道的出口温度,结合膨胀机的等熵效率便可计算出膨胀机 τ 时刻的出口温度。130 逆布 雷顿循环空气制冷机瞬态性能数值计算程序结构如图 4 所示。 - 4 - 免费查阅标准与论文地址: 图 4 逆布雷顿循环空气制冷机计算框图 Fig. 4 Program chart of performance evaluation for reverse Brayton cycle air Cryocooler system 135 2 空气制冷机动态温降特性分析 影响逆布雷顿循环空气制冷机降温特性的因素很多,利用建立的数学模型计算出系统不 同入口参数、不同换热器尺寸和不同膨胀机效率对应的系统瞬态降温特性。得到了相应的膨 胀机进、出口降温曲线。 2.1 系统进口压力对温降特性的影响 140 图 5 和图 6 分别是透平膨胀机出口温度和空气在透平中的温降随时间变化的曲线图。 3-1 计算采用空气体积流量为 80Nm?h,入口温度为 285K,入口压力分别为0.3 、0.5、0.7MPa。 由图可知:同一入口压力下,起始阶段膨胀机出口温度下降较快,进出口温差较大,80 分 钟时温降趋于平稳;入口压力越大膨胀机出口温度降低越快,工质在膨胀机中温降越大,最 终温度越低。当系统入口压力较大时膨胀机膨胀比增大,其进出口焓降增大,降温速度及温 差增大,最终得到了更低的膨胀机出口温度-151?。 145 图 5 不同入口压力下膨胀机出口温度变化 Fig. 5 turboexpander outlet temperatures under different system inlet pressure - 5 - 免费查阅标准与论文地址: 150 图 6 不同入口压力下膨胀机进出口温降 Fig. 6 temperature drops in the turboexpander under different system inlet temperature 2.2 系统进口温度对温降特性的影响 图 7 和图 8 显示了不同系统进口温度下,膨胀机出口温度和空气在膨胀机中的温降。计 155 3-1算采用空气流量为 80 Nm?h,入口压力为 0.5MPa,入口温度分别为275 K ,285 K 和 295K。 由图可知,对于不同膨胀机入口温度,起始阶段温度降低较快,进出口温差较大,降温进行 到将近 80 分钟时趋于平稳。较低的系统入口温度带来了较低的膨胀机出口温度和较大的膨 胀机进出口温降。这是因为当系统入口温度较低时换热器热端进口温度低,在其他条件相同 时其热端出口温度也较低,因而空气膨胀后温度也比较低,系统稳定时膨胀机出口的最终稳 定温度也比较低,其最低出口温度为-141?。 160 图 7 不同入口温度下膨胀机出口温度变化 Fig. 7 turboexpander outlet temperatures under different system inlet temperature 图 8 不同入口温度下膨胀机进出口温降 Fig. 8 temperature drops in the turboexpander under different system inlet temperature 165 - 6 - 免费查阅标准与论文地址: 2.3 进口流量对温降特性的影响 3-1 图 9 和图 10 分别是入口压力 0.5MPa,入口温度 285K,流量分别为 60 Nm?h、80 3-13-1 Nm?h、100 Nm?h时透平膨胀机出口温度及换热器效率的变化。对应不同的入口流量, 170 在 40 分钟之前,膨胀机出口温度及换热器效率几乎保持一致,随后较小的系统流量温降较 大,此时的换热器效率也较高。较小的系统流量对应的膨胀机后最终温度也较低。这是因为 不同入口流量下换热器的热容相同,在降温的前期冷量主要用于冷却换热器,虽然入口流量 较小的循环换热性能好,但是由于其流量小,影响到总的制冷量,因此在降温的前期各条曲 线基本重合。到了降温的后期换热器已经被冷却下来,流量较小的循环单位质量流量空气所 对应的换热器面积较大,换热更加充分,换热器效率较高,因而膨胀机最终出口温度较低, 175 3-1 在 60 Nm?h流量下达到-141?。 图 9 不同入口流量下膨胀机出口温度变化 Fig. 9 turboexpander outlet temperatures under different system volume flow rate 180 图 10 不同入口流量下换热器效率图 Fig. 10 heat exchanger efficiency under different system inlet flow rate 2.4 换热面积对系统温降特性的影响 图 11 和图 12 换热器面积对膨胀机出口温度的影响和换热器效率的变化。计算的系统入 185 3-1口压力为 0.5MPa,入口温度为 285K,体积流量为 80 Nm?h。换热面积分别为设计值的80% 、 100%和 120%。同样由于开始阶段的冷量用于冷却系统,不同换热器面积下的膨胀机出口温 度差异不大,换热效率较小且保持一致。随着系统的运转,采用较大换热面积的系统的降温 性能优势显示出来了,可以明显看出,较大的换热面积凑成了较大的换热器效率,因而使得 膨胀机后的系统最低温度也较低,膨胀机后最终温度较低,在 120%设计换热面积下系统最 低温度达到-147?。 190 - 7 - 免费查阅标准与论文地址: 2.5 膨胀机效率对系统降温特性的影响 透平膨胀机是空气制冷机的核心部件,高效的膨胀机可以增加制冷机的降温速度,实现 更低的制冷温度。图 13 和图 14 显示了膨胀机效率对其出口温度及进出口温差的影响。计算 195 3-1采用系统入口压力为 0.5MPa,入口温度为 285K,体积流量为 80 Nm?h。从图中可以看出, 膨胀机效率对逆布雷顿空气制冷机系统的动态温降过程有着较为明显的影响。较高的膨胀机 效率凑成了较快的系统降温和较大的膨胀机前后温差。 图 11 不同换热器面积下膨胀机出口温降图 Fig. 11 turboexpander outlet temperatures under different heat transfer area 200 图 12 不同换热器面积时换热器效率 Fig. 12 heat exchanger efficiency under different heat transfer area 图 13 不同膨胀机效率时膨胀机出口温降图 205 Fig. 13 turboexpander outlet temperature under different turboexpander designed efficiencies - 8 - 免费查阅标准与论文地址: 图 14 不同膨胀机效率时膨胀机进出口温差图 Fig. 14 temperature drop of turboexpander in the condition of different turboexpander efficiencies 210 3 结论 本文建立了逆布雷顿循环空气制冷机动态降温过程数学模型,求解了该系统动态降温特 性,并讨论了部分因素对系统降温特性的影响: 1)换热器是制冷机的重要部件,它对降温特性有重要的影响,适当增加换热器面积可 以优化空气制冷机的降温特性。 2)透平膨胀机是空气制冷机的核心部件,高效的膨胀机可以增加制冷机的降温速度, 215 实现更低的制冷温度。 3)入口压力对与降温特性有重要的影响,增加入口压力可以增加制冷机的降温速度, 实现更低的制冷温度。 220 [参考文献] (References) [1] 任金禄,空气制冷机[J](制冷与空调(北京)(2008,8(006):006. [2] Swift W L, Zagarola M V, Nellis G F, McCormick J A, Sixsmith H, Gibbon J A.Developments in Turbo Brayton technology for low temperature[J]. Cryogenics 1999 39(12):989-995 225 [3] Zhou S, Chen L, Sun F, et al. Cooling-load density optimization for a regenerated air refrigerator[J]. Applied Energy, 2004, 78(3): 315-328. [4] Hou Y,Zhu Z H,Chen C Z.Comparative test on two kinds of new compliant foil bearing for small cryogenic turbo-expander[J].Cryogenics,2004,44(1):69-72 [5] 王可,侯予,杨金焕,陈纯正. 透平-逆布雷顿循环空气制冷机性能分析(一)--数学模型[J],流体机械, 230 2003,12:39-42. [6] 王可,侯予,杨金焕,姚艳霞,陈纯正. 透平-逆布雷顿循环空气制冷机性能分析(二)--模型的求解.流体 机械,2004,01:55-58. [7] 夏葵,姚艳霞,杨金焕等(空气制冷机非稳态降温特性研究[J](低温工程,2003,(004):25-32( [8] Jones G F. Axial conduction in a thick-wall matrix heat exchanger[J].Cryogenics, 1995, 35(9):581-588. 235 [9] Nellis G F.A heat exchanger model that includes axial conduction, parasitic heat loads, and property variations[J]. Cryogenics, 2003, 43(9):523-538. [10] Zhao H L,Hou Y,Chen L. Experimental study on a small Brayton air refrigerator under -120 ?[J].Applied Thermal Engineering,2009,29:1702-1706. [11] Zhao H L, Hou Y, Zhu Y F, Chen L, Chen S T.Experimental study on the performance of an aircraft 240 environmental control system[J].Applied Thermal Engineering,2009,29(16):3284-3288. [12] 赵红利,侯予,陈汝刚,陈纯正.-120?小型逆布雷顿空气制冷机性能的试验研究西安交通大学学报[J], 2007,08:986-990 - 9 -
本文档为【【论文底稿可编辑】逆布雷顿空气制冷机动态降温特性数值】,请使用软件OFFICE或WPS软件打开。作品中的文字与图均可以修改和编辑, 图片更改请在作品中右键图片并更换,文字修改请直接点击文字进行修改,也可以新增和删除文档中的内容。
该文档来自用户分享,如有侵权行为请发邮件ishare@vip.sina.com联系网站客服,我们会及时删除。
[版权声明] 本站所有资料为用户分享产生,若发现您的权利被侵害,请联系客服邮件isharekefu@iask.cn,我们尽快处理。
本作品所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用。
网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽..)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
下载需要: 免费 已有0 人下载
最新资料
资料动态
专题动态
is_841159
暂无简介~
格式:doc
大小:193KB
软件:Word
页数:19
分类:管理学
上传时间:2017-12-20
浏览量:17