对港口偏移效应对径向气体波制冷机性能影响的实验研究与数值模拟

《Chemical Engineering and Processing - Process Intensification》：Experimental investigation and numerical simulation of port offset effects on radial gas wave refrigerator performance

　　胡大鹏|冯青|刘凤霞|于洋
中国大连理工大学先进材料前沿科学中心精细化学品国家重点实验室，大连116024

**摘要**
端口配置控制着径向波转子内部的压力波产生与反射。本研究定量分析了各个端口结构参数的变化对性能的影响。搭建了一个径向气体波制冷测试平台以生成性能曲线。高保真度的三维瞬态数值模型揭示了内部压力场和流线分布，阐明了性能变化的本质机制。主要结果如下：
- 媒质压力端口（whm）和低压端口（wmp）的参数通过调节压力交换过程中的压力波动来影响性能；
- 角度偏差必须控制在±2.5°以内以维持稳定的制冷效果，将温降变化限制在<6%；
- 功率消耗对whm的敏感性最高，负偏差可使功率消耗增加多达23.8%，应避免这种情况；
- 中压端口的修改对自增压能力的影响有限；
- 端口几何形状wml、whl和wlp通过改变排气过程中的热力学状态来影响性能；
- 在实验范围内，这些位置偏差对制冷特性（<8%变化）和功率消耗（<10%变化）的影响最小。
- 关键的是，排气端口的调整显著改变了循环压力差，从而能够调节自增压能力。本研究为固定运行参数下径向气体波制冷机的性能调优提供了实用的指导。

**引言**
作为更清洁的化石燃料，天然气的利用在全球范围内持续扩大。有效利用其内在的压力能量具有重要意义。天然气主要通过制冷进行脱水，以防止管道腐蚀和水合物堵塞。气体波制冷技术是一种创新方法，其等熵效率高达75.2%[1]；此外，在资本投入、液体耐受性和允许的吸入压力范围方面，它优于涡轮膨胀机[2]。
波转子气体波制冷机代表了最先进的技术。其散热依赖于外部循环气流和集中强制热交换，而非壁面热传递。这种解耦使得核心尺寸更加紧凑。自2000年以来，研究人员通过优化运行参数[3,4]、结构优化[5,6,7,8]以及改进液体输送过程[9,10,11]提高了性能。累积的进步使得其冷却性能与上一代系统相当[12,13]。赵等人于2013年引入的压力回收制冷循环[14]显著提高了效率，在压力比接近1.1时效率提升了三倍[15]。尽管以往的研究主要集中在轴向波转子上（因为设计理论和制造技术较为成熟），但径向波转子在气体排出强化[16,17]和激波增强[18]方面具有明显优势。先前的实验结果表明，径向结构允许在低温气体排气过程中以较低的功率输入产生正压差[19]，这是轴向配置所不具备的。这使得制冷和加压功能集成在一起，降低了压力回收循环中的维护成本和泄漏风险。鉴于这些优势以及实验数据的缺乏，径向气体波制冷机成为本研究的重点。

**气体波设备中的能量传输**
气体波设备中的能量传输从根本上依赖于压力波的形成和反射。图1展示了不同波转子配置运行时波转子内部压力波的演化过程。研究表明，通过配置不同的端口可以实现多种传播模式，从而将其应用范围扩展到包括燃烧器[20]、重整器[21]、涡轮机[22]、喷射器[23]、流量分配器[24]和制冷系统[25]在内的广泛系统。通过调节压力波的产生和反射可以实现对性能的调控。以往的研究主要通过改变运行压力比[3,4,26,27]和转速[28,29,30]来调整性能，这两者都会显著影响制冷波转子中的压力波传播。也有研究表明，调节中压端口的结构参数可以显著改善制冷性能[25]。然而，这些性能控制策略几乎都是为轴向波转子开发的，并且仅关注制冷性能的调节。对于径向气体波制冷机，现有工作主要集中在自增压行为[17]和通过通道参数优化[19,31]来提升性能，关于调节机制的系统研究仍然较少。因此，本研究提出了一种通过端口偏移调整来实现径向波转子设备性能调节的方法。

**基于先前的研究**
本研究在结构优化、制造过程和径向波转子实验验证的基础上，详细探讨了单个端口偏移对性能的影响，涵盖了所有相关的端口参数。除了制冷性能外，还系统地考察了其对功率消耗和自增压特性的调节效果。为了补充实验结果，还使用了高保真度的数值模拟来可视化内部压力波和流动结构的动态演变，揭示了驱动性能变化的核心机制。所获得的结果为径向气体波制冷机的快速性能调优提供了宝贵的技术指导，特别是在石化行业中的应用。

**方法论**
本节提出了一个全面且可复现的方法论框架，整合了实验和数值方法。第2.1节描述了实验设置、制冷机制、关键性能指标和不确定性分析；第2.2节介绍了三维瞬态数值模型，以及网格独立性和模型验证。

**whm对性能的影响**
通过修改端口块实现了端口间距的变化，如图2(d)所示。图7展示了中压端口whm开口位置变化对设备性能的影响。实验结果表明，当位置偏离基准值时，制冷性能会下降；在±2.5°的端口偏移范围内，设备保持了热力学上的稳定性能，最大制冷能力下降了3.3%。

**结论**
本研究全面评估了各个端口结构参数对径向气体波制冷机的制冷效果、功率特性和自增压能力的影响。一个具有可调端口配置的实验平台量化了性能与基准模型的偏差。高保真度的CFD模型通过瞬态流动诊断分析确定了根本机制。基于单参数变化分析，揭示了端口控制的机制……

**术语表**
希腊字母：
α——入口角度 [°]
β——出口角度 [°]
εm——网格系数
cos?——功率因数
η——效率

**缩写**：
HP——高压端口
LPC——循环气体端口
LTL——低温端口
MP——中压端口

**拉丁字母**：
DD——直径 [mm]
HP——通道高度 [mm]
IC——电流 [A]
N——通道数量
no——运行转速 [rpm]
PP——压力 [kPa]
ΔPc——循环压力差 [kPa]
δR——不确定性（间接测量变量）
r——子午面半径 [mm]
SS——灵敏度系数
TT——温度 [K]
ΔT——温降 [K]
UV——电压 [V]
u——通道宽度 [mm]

**作者贡献声明**
胡大鹏：资源、项目管理、方法论、资金获取。
冯青：撰写初稿、软件开发、方法论、研究、数据分析、概念构思。
刘凤霞：撰写与编辑、验证、研究。
于洋：验证。