气波管末端边界条件对制冷效率的影响研究

    1 引言

    20世纪70年代以来,随着热分离器应用技术的不断发展,对气波管末端的研究已取得了显著的成果,气波制冷机的效率已有了很大的提高。但对接受管中反射激波能量削弱方面的研究仍不理想,限制了制冷机效率的继续提高,基于此点,我们研制了一套反冲膨胀式波制冷实验机,在此机上考察削弱激波能量的方法,对比制冷机效率的变化情况。

    反冲膨胀式波制冷实验机操作简单、维护方便、零部件更换容易,所有实验均在此实验机上进行。其结构特点为:在气体分配器上加工了两种不同类型的喷嘴流道,一种喷嘴产生径向射流,不作涡轮功,模拟热分离器工作;另一种喷嘴产生偏心射流,作一定的涡轮功,模拟反冲膨胀式波制冷机工作。由于偏心射流时效率比热分离器高,我们仅以热分离器为例进行定性验证。

    2 气波管末端边界条件对反射激波的影响

    2.1 反射激波对制冷效率的影响

    气波制冷主要是依赖于管内气波的运动来实现的。当气流射向接受管时,在分界面前方形成的激波向管的封闭端运动,碰到管端将反射,反射激波向管的开口端运行。入射激波和反射激波都使气体升温,但入射激波只对循环气产生作用,而反射激波将沿整个管长发生作用,最后在管口膨胀。若在一定的射流频率下,管长选择合适,可以使反射激波只对循环气产生作用,而不对新鲜气起作用,那么反射激波对气体的影响将不大,反射激波与接触面同时到达管口,这是理想的边界条件。但是,实现这一条件很困难,甚至可以说是不可能的,因这一条件受管长与射流频率(转速)、喷嘴数目及管内气体音速的影响,还与入射激波马赫数有关。在实际的生产中,气波制冷机总是处于非理想的边界条件状态下,因此,反射激波的存在必然会使制冷气体升温,从而降低制冷效果。

    2.2 改变气波管的边界条件.

    类似于通过改变气波机末端边界条件的方法来削弱激波能量的实验前人也做了一些,但气波制冷机效率提高幅度不大,效果不太理想。在充分考察前人实验的基础上,我们避开了在接受管端部结构上改动的常规方法,从接受管的内部着手,在较细的接受管中加入一些特制的制冷填料(这种填料专为削弱激波的能量而制作,投资少、加工简单)。填料呈中空圆柱形,分长、中、短三种类型,可根据接受管的长度进行合适的选择。填料的加入位置一般是从接受管的端部开始,也可参照气波机的工作条件而适当改变。这种方式不用改变原气波机的基本结构,只要在已有设备的接受管的端部加入填料、并对其进行封堵即可。由于此时已经改变了接受管的边界条件,因此接受管中激波的运动状态也随之也发生了变化。