-120℃小型逆布雷顿空气制冷机性能的试验研究

在改建的逆布雷顿空气制冷机多功能综合试验台上,分别对一台空气制冷机关键部件(膨胀机和紧凑式换热器)在设计工况下的效率、降温、流阻、热负荷和制冷效果等热力性能进行了全面的试验分析,并进行了各种超工况下的综合性能考核.试验结果表明:该空气制冷机的制冷范围为-73℃(制冷量为250 W)~-120℃(制冷量为50 W),膨胀机效率最大达60.5%,回热器效率最高达97.5%,系统降温最大达150℃,制冷机最低温度达-123℃,并能满足-120℃下50 W热负荷需求.通过试验分析得出了小型高速透平膨胀机和紧凑式换热器中各参数间的影响关系,以及制冷机中各参数的匹配关系.     

低温透平膨胀机内平衡凝结两相流动的数值模拟

采用Peng-Robinson方程及零压多项式拟合了低温空气二元混合物的物性,利用商业软件ANSYS CFX对设计工况下的单相流动及进口升压降温后平衡凝结两相流动进行了数值模拟,得到了全低压空气分离流程中的低温两相透平膨胀机喷嘴和工作轮的温度场、压力场、流线及带液量云图,同时推导了该工况下膨胀机的等熵效率.结果表明,工作轮流道内吸力面壁面处的涡流会延迟凝结相变发生,叶片后缘处的尾迹使得吸力面壁面处的带液量有所减小.最后,通过实验验证了模拟结果,表明利用平衡凝结相变模型能够模拟小带液量透平膨胀机流道内的两相流动.该结果可为低温两相膨胀机研究提供参考.     

高速透平膨胀机临界转速的计算与分析

为了保障高速透平膨胀机的稳定性,针对高速透平膨胀机转子临界转速的确定问题,分别讨论了Prohl递推法、Riccati传递矩阵法和有限元QZ(FEQZ)法在各向异性的弹性支承轴承转子系统阻尼临界转速计算中的优缺点.考虑到透平膨胀机实际的结构和应用情况,建议气体轴承支承高速透平膨胀机转子临界转速的计算方法采用FEQZ法,同时运用Matlab语言分模块设计了计算程序,大大简化了编程过程,提高了计算精度.在此基础上,通过在实际工况参数范围内的实例,分析了某透平膨胀机转子支承刚度和阻尼对转子系统阻尼临界转速的影响,并与工程实验数据进行了对照,从而验证了模型与分析计算的可靠性.     

利用化工过程余热的有机工质向心透平气动性能分析

针对化工蒸馏过程产生的余热(121~146℃),采用R600a工质,进行了150kW级的有机工质向心透平初步设计.在通过一维气动计算获得有机工质向心透平初步结构参数和性能参数的基础上,采用计算流体动力学(CFD)数值模拟研究了有机工质向心透平设计工况的气动特性,获得了总体性能及流场分布情况.研究结果表明,在透平入口温度110℃、透平入口压力1.6 MPa条件下,有机工质向心透平质量流量4.17kg/s、压比3.2、效率82.7%、输出功率150.5kW,在设计工况下流动顺畅,效率高,满足有机工质发电系统对膨胀机的要求.研究成果可以为化工过程余热利用的有机工质向心透平设计提供基础数据.     

Φ型与H型Darrieus垂直轴风力透平性能比较

采用单盘多流管模型作为Darrieus垂直轴风力透平的空气动力学性能预测模型,在相同密实度和相同高宽比的条件下,计算得到了Φ型与H型Darrieus垂直轴风力透平功率系数-尖速比曲线和功率-尖速比曲线.分析了Φ型与H型Darrieus垂直轴风力透平尖速比对功率系数及功率的影响,得到不同尖速比范围下两风力透平功率系数与功率的变化规律.     

高速透平机械全金属鼓泡箔片动压气体轴承稳定性研究

为了验证高速透平机械中鼓泡箔片轴承完全取代传统静压轴承的可行性,将全金属鼓泡箔片径向轴承和鼓泡箔片止推轴承同时应用在主轴直径为25mm、产量为150m3/h工业制氧机用的高速透平膨胀机上,进行了全动压鼓泡箔片轴承透平膨胀机的实验研究,实验用的鼓泡箔片径向轴承采用周向叉排,鼓泡箔片止推轴承采用径向叉排。实验结果表明:透平转子在全动压鼓泡箔片轴承透平膨胀机上能够稳定运行,表现出良好的动态性能和稳定性;由于良好的柔弹性结构、惯性小等特点,鼓泡箔片轴承能够迅速适应转子运动;随着转子转速的升高,转子轴心轨迹由不规则半圆环状逐渐变成规则的圆环状,在多次重复性实验中轨迹重复性较好;鼓泡箔片轴承可有效抑制转子涡动,转子能够在高转速下持续稳定运行。     

低温空气透平膨胀机的气体槽式动压轴承

本文描述了使用于低温空气透平膨胀机的径向及轴向气体槽式动压轴承。透平膨胀机的转子为横卧式,转速为10.7×10~4 r/min。在槽式动压轴承外使用了O形橡皮圈。与一般动压轴承相比,该轴承的间隙大,稳定性高。此外,为了避免轴承间隙内生成的热量传到透平冷端,采用了轴承内腔水冷却的结构。动压轴承低温空气透平膨胀机的运转试验及稳定性试验表明,该动压轴承的稳定性良好,可以使用于小型低温透平膨胀机上。     

波箔箔片动压气体轴承的实验研究

为满足透平机械高速可靠运转的需求,设计了一种波箔型箔片轴承,其基本结构由柔性平箔和支承平箔的弹性波箔组成。在气体轴承-高速低温透平膨胀机实验台上对波箔箔片动压气体轴承进行了实验,实验中采用压缩空气驱动透平转子,以功率75kW的阿特拉斯螺杆压缩机作为供气源,从而获得了0.1~1.15MPa、标准工况下最高流量为600m3/h的压缩空气。将波箔厚度为0.05mm及0.07mm的2种箔片动压气体径向轴承,应用于主轴Φ25mm的标准工况下150m3/h制氧机用高速透平膨胀机,研究了箔片支承高速透平转子的振动特性及稳定性。实验结果表明:波箔弹性元件的刚度是轴承性能的重要影响因素之一,0.05mm波箔刚度小,柔性变形裕度较大,可以抑制转子不稳定涡动,透平膨胀机转子最高转速达93 366r/min;0.07mm波箔刚度较大,柔性变形裕度相对较小,当最高转速达到93 161r/min时转子出现涡动。2种波箔厚度的轴承最高转速达到9.3万r/min时转子的最大振幅均小于20μm,波箔轴承表现出了良好的刚度和阻尼特性,可有效抑制Φ25mm的高速透平膨胀机转子的涡动。     

微型气浮轴承高速透平膨胀机的研制

为了发展微型气体轴承高速透平,在优化设计的基础上,研制了国内首台轴径为6 mm、叶轮直径为9 mm、设计转速为300 000 r/min的微型气体轴承透平膨胀机.对研制样机进行了全面介绍,阐述了该研制样机的结构设计特点,并对研制样机进行了初步的机械性能和热力性能考核.通过转子起浮试验,系统机械性能、热力性能的连续运转及超速试验考核,结果显示:所研制的样机振动小、运转平稳、效率高,最高转速超过342 000 r/min,满足超速15%的要求;在室温为23℃、无回热器的情况下,当进气压力从0升到0.27 MPa的45 min升速时间内,温降就达42℃,具有降温速度快,降温效果显著的特点.由于其机械及热力性能均达到预期要求,因此为今后进一步发展我国微型高速气体轴承透平机械奠定了坚实基础.     

正方形小通道内不同性质溶液-氮气两相流型

采用可视化手段研究了水力直径为2.5mm的正方形小通道内蔗糖-氮气、羧甲基纤维素钠(CMC)-氮气、水-氮气和水力直径为1.0mm的正方形小通道内蔗糖-氮气的垂直绝热上升流动,对其流型、压降进行了实验采集.实验中的典型流型有:弹状流、搅拌流和环状流.通过大量的数据得到了各个溶质的流型转变图和压降曲线,对各种流型的流动机理进行了分析,着重对黏弹性对于流动的影响进行了研究.通过水力直径为2.5mm的小通道内蔗糖-氮气、CMC-氮气和水-氮气流型的对比,总结了流体的黏弹性、流量对于流型转变的影响.对不同水力直径时的蔗糖-氮气流型进行对比研究,总结了流体水力直径、表面张力等因素对于流型转变的影响,同时在水力直径为1.0mm的小通道内发现了明显的二次流动现象.实验证实Chisholm方法对于非牛顿流体的压降处理已不再适用.     

空调实验室制冷系统的设计

为测试空调实验室风机盘管的性能，对制冷机间歇工作、冷热水掺混、变频工作等3种制冷系统进行对比分析，选择并设计了变频控制制冷系统（采用DDC控制系统），以满足空调实验室风机盘管对水温恒定的要求，进而满足测试风机盘管性能的实验条件。同时在实验室不工作的时间段，可给计算机房提供相应冷源。暑期通过实际测试验证了采用变频控制制冷系统的空调实验室可提供给风机盘管5～11℃的冷冻水，满足实验要求。     

压力补偿灌水器分步式CFD设计与实验研究

为提高压力补偿灌水器的设计精度和研发效率,提出了一种压力补偿灌水器分步式CFD模拟方法。基于CAD建模、CFD分析软件Fluent和有限元分析软件An-sys,该方法可实现灌水器设计模型水力性能的模拟。采用这种方法,设计了一款直径12mm的圆柱压力补偿灌水器,并对其水力性能进行了模拟,得到了灌水器的预测压力-流量曲线。利用光固化快速成型技术制作出了实验样品,进行了水力性能实验,得到了灌水器的实验压力-流量曲线。通过对分布式CFD模拟结果和水力性能实验结果的比较,发现模拟得到的预测压力-流量曲线与水力性能实验得到的实际压力-流量曲线在50～150kPa范围内吻合得较好,在150kPa以上范围内存在一些偏差。详细分析了产生这些偏差的原因,提出了改善分布式CFD模拟的方法。     

σ—Al2O3三种线膨胀系数研究

采用微机全自动高温热膨胀仪(RPZ-03P)研究了α-Al2O3烧结样品的热膨胀曲线,求得样品的平均线膨胀系数为(7.85±0.02)×10-6/℃;分析了样品动态线膨胀系数与温度的关系曲线,在150～1 050℃范围内,样品动态线膨胀系数随温度升高而增加,所有温度点动态线膨胀系数的平均值为样品的平均线膨胀系数;得到了样品瞬态线膨胀系数与温度关系曲线,发现随着温度升高,瞬态线膨胀系数不断减小.     

湿帘降温系统在陕西某温室的降温特性

为了研究陕西地区现代农业温室的降温特性,通过测试陕西省富平一栋采用湿帘-风机降温系统的温室室内温度、湿度,研究其湿帘降温效果、系统特性、温室的温度空间分布等．通过理论计算与实际测试对比,分析了循环水温对湿帘蒸发冷却效率的影响,验证了高温、低湿气候条件下湿帘-风机这一降温系统的实际降温效果．试验结果表明,温室1m高处平均降温6.7℃,最高降温9.2℃,湿帘蒸发冷却效率高达90.3％,当低于空气湿球温度的循环水时,能够提高湿帘的蒸发冷却效率．     

α-Al2O3三种线膨胀系数研究

采用微机全自动高温热膨胀仪(RPZ—03P)研究了α—Al2O3烧结样品的热膨胀曲线,求得样品的平均线膨胀系数为(7.85±0.02)×10-6/℃;分析了样品动态线膨胀系数与温度的关系曲线,在150~1 050℃范围内,样品动态线膨胀系数随温度升高而增加,所有温度点动态线膨胀系数的平均值为样品的平均线膨胀系数;得到了样品瞬态线膨胀系数与温度关系曲线,发现随着温度升高,瞬态线膨胀系数不断减小。     

双管式气波制冷机射流振荡和出口温降的数值模拟与实验研究

采用重整化群κ-ε模型,用数值模拟的方法计算了气波制冷机中射流的振荡和流动的形态.研究了不同控制管长,不同膨胀比的操作条件下振荡频率、温降的关系.计算和实验结果表明,控制管长与振荡频率为线性关系,相同控制管长条件下,膨胀比对振荡频率几乎无影响.但随着膨胀比的增大,出口气体温降越来越大.     

200K/40W自由活塞斯特林制冷机的实验研究

针对温度为200 K低温冰箱,研制了一台大冷量自由活塞斯特林制冷机.实验测试了充气压力和制冷温度对压缩机共振频率的影响;研究了膨胀机固有频率和运行频率对位移相位差的影响关系;采用多点热负荷静态复温法测试了制冷机的静态冷损,证明了氦气和丝网导热对静态冷损影响极小.该样机在200 K时最大制冷量可达40 W(250 W输入).     

探讨液体膨胀机在内压缩流程空分设备中的应用

由于空分系统运行时会出现各种问题,需要利用先进技术进行解决,本文对液体膨胀机在内压缩流程空分设备中的应用进行分析,根据其对主要机器参数及能耗的影响,得出使用液体膨胀机有利于空分设备产品提取率的提高,减少了增压透平膨胀机和空气增压机处理的气量,其具有很好的节能效果,并且可以优化工艺保证安全.     

200 K/40 W自由活塞斯特林制冷机的实验研究

针对温度为200 K低温冰箱,研制了一台大冷量自由活塞斯特林制冷机.实验测试了充气压力和制冷温度对压缩机共振频率的影响;研究了膨胀机固有频率和运行频率对位移相位差的影响关系;采用多点热负荷静态复温法测试了制冷机的静态冷损,证明了氦气和丝网导热对静态冷损影响极小.该样机在200 K时最大制冷量可达40 W(250 W输入).     

集流器结构对多翼离心风机气动性能的影响

针对多翼离心风机的集流器,采用计算流体力学(CFD)方法和实验测量方法研究了结构对吸油烟机用多翼离心风机气动性能的影响。首先,通过CFD方法对吸油烟机用多翼离心风机的原型机进行了多工况数值模拟,获得流量-压力性能曲线,并将数值模拟结果与实验测量结果进行比较,验证了本文模型的有效性。然后,通过改变集流器出口直径do与集流器到叶轮轴向间隙δ来确定集流器最佳结构参数,达到提高风机气动性能的目的。与原型风机相比,采用经过参数优化的集流器,风机的气动性能得到提升。优化前后多翼离心风机内部流场的分析结果表明:集流器结构参数的优化,使得多翼离心风机在整个工况范围内的气动性能都得到了提升;但是,随着集流器与叶轮之间轴向间隙的增大,风机气动性能的变化呈非线性;当do=206mm、δ=6mm时,风机的风量达到最大。实验测量结果表明:所用集流器的多翼离心风机的最大风量增加了1.0m3/min,最大静压提升了25Pa。数值和实验研究工作对多翼离心风机性能改进具有理论意义和实际应用价值。