一种大带液敞开式波转子气波制冷机

一种大带液敞开式波转子气波制冷机，属于气体膨胀制冷。

背景技术：

1、天然气是世界公认的最清洁的化石能源，在经济发展以及低碳节能驱动下将会被进一步发展利用。其中，直接膨胀制冷是大型天然气处理常用工艺，能够合理利用地层压力能，并降低直接换热降温引起的㶲损失。但天然气管输时气体会携带一定液体，包括为防冻而注入液态醇、运行期间由于工况波动和前置分离设备性能变化产生的液体，且天然气膨胀降温也会产生大量气体液化，这使得膨胀制冷设备必须能够带液使用。同时，天然气衰竭式开采，随着时间推移，气相中重烃和水含量均会增大，对膨胀制冷设备的带液要求进一步提高。因此，大带液气体膨胀制冷具有重要的实用价值和理论意义。

2、除此之外，常见混合气体制冷系统中，气体膨胀至两相区可以提供更多冷量，进而提高系统的经济性，因此制冷行业也需要大带液高效制冷技术。

3、目前主要的膨胀制冷设备有j-t节流阀、透平膨胀机及气波制冷机。其中，j-t节流阀属于静止设备，结构简单维修方便易操作，使用较多。但节流阀应用中会造成极大的压力能损失，经济性较低。因此人们提出使用具有等熵膨胀性质的透平膨胀机替换j-t节流阀，有学者发现此方法可以降低20%的电量消耗，减少9%左右的换热量。但是高转速的特点使得透平膨胀机在天然气膨胀制冷时容易受到液滴的侵蚀，造成设备故障，增加设备投入的成本。相比于透平膨胀机，气波制冷机同样具有较好的等熵膨胀性质，能够进行气体压力能的回收利用；并且工作转速相对较低（2000~3000 rpm），受液滴侵蚀影响较小，非常适合用于替代j-t节流阀实现气体膨胀制冷。

4、气波制冷机设有四个端口，包括高压射气端口、高温排气端口、低压端口和低温排气端口。主要工作过程如下：高压气体经由高压射气喷嘴进入波转子内，形成激波压缩管内原有气体，将高压气体的能量传递给管内原有气体，自身膨胀至低温低压状态；接受能量的管内原有气体变成高温高压气体，从高温排气端口排出；其中，管内原有气体由低压端口进入振荡管，可以来自于装置内高温排气端口也可以是工艺系统其他流股。至此，高压气体膨胀功转化为膨胀功、低压气体压力能和热能，达到输出能量目的。

5、当气体制冷装置工作时，气波制冷机内来流气携带液滴及膨胀凝结液滴团聚形成的液体，由于离心力的作用会在外轮毂的内壁面上积聚，积聚的液体在高压进气周期性射流的推动下，会在波转子的壁面来回流动。液体的积聚会造成如下几个问题：

6、1）液体的流动扰乱气体波动规律，导致波转子内波系与各个端口的匹配关系严重偏离设计点，设备运行状态不稳定；

7、2）入射激波形成时的阻力增大，激波强度降低，造成气体间能量传输的效率降低；

8、3）积聚液体在激波的作用下二次蒸发，造成两相工质膨胀后液体含量降低，影响设备的制冷性能。

9、因此，如何有效及时的排出波转子通道内的积液，成为推动气波制冷机在气体膨胀制冷领域应用拓展的关键技术。

技术实现思路

1、为了解决上述问题，本发明提出一种大带液敞开式波转子气波制冷机，以敞开式波转子、两相喷嘴为核心部件，能够进行制冷机进气液滴预分离，并及时将波转子内的来流携带液滴及膨胀凝结液滴团聚形成的液体排出，从而提高制冷机制冷性能。

2、本发明采用的技术方案是：

3、一种大带液敞开式波转子气波制冷机，能够在两相区稳定运行，它由膨胀端端盖、外壳体和压缩端端盖构成气波制冷机壳体，壳体内敞开式波转子与主轴固定连接，由电机带动旋转；所述敞开式波转子是由内轮毂、叶片和外轮毂构成的一个整体，其中内轮毂与主轴固定连接，外轮毂未完全覆盖波转子，形成敞开式结构；若干个叶片环向均布形成流道，有外轮毂覆盖的形成相互独立的封闭流道，没有外轮毂的敞开流道与集液环形成间隙配合，用于收集并排出波转子内来流气携带液滴及膨胀凝结液滴团聚形成的液体；所述膨胀端端盖上设置高压射气喷嘴和低温排气端口，压缩端端盖上设置高温排气端口和中压回流端口。

4、所述高压射气喷嘴为一种两相喷嘴，呈三维渐缩流线形，采用折弯形、圆弧弯形、u形或蛇形，截面形状为圆形、矩形、椭圆形或梯形，并设置排液孔，排液孔为1个或多个。

5、所述敞开式波转子为轴向波转子或锥形波转子；所述叶片为均直叶片、弯曲叶片或变截面叶片，即本发明适用于均直流道波转子、弯曲流道波转子以及变截面流道波转子等。

6、所述敞开式波转子为膨胀端敞开式、压缩端敞开式、中间段敞开式或全敞开式；即外轮毂覆盖波转子部分通道，其他部分设置为敞开式，敞开区域可为膨胀端、压缩端、中间段（通道中间部位）或整个通道。

7、所述集液环与敞开式波转子的叶顶间隙范围为0.05mm ~ 0.5mm；轴向间隙范围为0.1mm ~ 1mm。

8、所述集液环上设置排液槽、排液孔或叶顶间隙封严结构，所述排液槽为直槽或曲线槽。为了不影响流道内的气波进行能量传递，排液槽的设计应避开高压射气喷嘴和高温排气端口之间的位置。

9、所述集液环中液体被单独收集排出或者汇入低温排气中排出。

10、一种大带液敞开式波转子气波制冷机的工作方法：

11、电机驱动敞开式波转子旋转，在旋转过程中敞开式波转子周期性的与两端的各个喷嘴及端口接通、闭合；在转子通道与高压射气喷嘴接通时，高压进气射入波转子通道内并形成激波s1；然后转子通道错开高压射气喷嘴关闭，激波s1将能量传递给管内气体，高压进气在膨胀后失去能量转化为低温低压状态；当转子通道与低温排气端口接通时，低温排气由低温排气端口排出；在高压进气时，管内气体状态由中压回流气体被压缩至高温排气，波转子在与高温排气端口接通时，高温排气通过高温排气端口排出波转子；

12、在高压进气膨胀至低温排气的过程中，气体状态跨过饱和曲线进入两相区，来流气携带液滴及膨胀凝结液滴团聚形成的液体，液体被单独收集或者汇入气温排气中。

13、本发明的有益效果是：

14、气波制冷机是高压气体通过压缩低压气体做功实现等熵膨胀制冷的，不需要很高转速就能实现能量的转换和回收。波转子作为气波制冷机的核心部件，目前全部是外轮毂覆盖波转子整个通道长度，这导致在制冷过程中进气携带液滴及膨胀凝结液滴团聚形成的液体无法完全排出，积聚在波转子内。积液问题还会导致波转子内波动过程紊乱、能量转换效率降低、设备运转不稳定等问题。

15、波转子敞开式设计使得波转子内积液及时排出，产生的益处包括：

16、1）波转子内积液的及时排出降低了气体波动行为的紊乱程度，避免了由于波系与端口匹配关系偏离设计点造成的设备运行问题；

17、2）入射激波强度不再由于积液的阻力而降低，提升了波转子内高压气体能量的外输效率；

18、3）及时排出积液，防止液体在激波作用下二次蒸发，提升了波转子内两相工质膨胀后液体含量，提高了气波制冷机乃至整个系统的制冷性能。

19、本发明使得气波制冷机具有大带液、高效运行的能力。

技术特征：

1.一种大带液敞开式波转子气波制冷机，其特征在于：它由膨胀端端盖（5）、外壳体（6）和压缩端端盖（11）构成气波制冷机壳体，壳体内敞开式波转子（7）与主轴（9）固定连接，由电机（15）带动旋转；所述敞开式波转子（7）是由内轮毂（7-1）、叶片（7-2）和外轮毂（7-3）构成的一个整体，其中内轮毂（7-1）与主轴（9）固定连接，外轮毂（7-3）未完全覆盖波转子，形成敞开式结构；若干个叶片（7-2）环向均布形成流道，有外轮毂（7-3）覆盖的形成相互独立的封闭流道，没有外轮毂（7-3）的敞开流道与集液环（8）形成间隙配合，用于收集并排出波转子内来流气携带液滴及膨胀凝结液滴团聚形成的液体；所述膨胀端端盖（5）上设置高压射气喷嘴（4）和低温排气端口（1），压缩端端盖（11）上设置高温排气端口（16）和中压回流端口（10）。

2.根据权利要求1所述的一种大带液敞开式波转子气波制冷机，其特征在于：所述高压射气喷嘴（4）为一种两相喷嘴，采用折弯形、圆弧弯形、u形或蛇形，截面为圆形、矩形、椭圆形或梯形，并设置排液孔。

3.根据权利要求1所述的一种大带液敞开式波转子气波制冷机，其特征在于：所述敞开式波转子（7）为轴向波转子或锥形波转子；所述叶片（7-2）为均直叶片、弯曲叶片或变截面叶片。

4.根据权利要求1所述的一种大带液敞开式波转子气波制冷机，其特征在于：所述敞开式波转子（7）为膨胀端敞开式、压缩端敞开式、中间段敞开式或全敞开式。

5. 根据权利要求1所述的一种大带液敞开式波转子气波制冷机，其特征在于：所述集液环（8）与敞开式波转子（7）的叶顶间隙范围为0.05mm ~ 0.5mm；轴向间隙范围为0.1mm ~1mm。

6.根据权利要求5所述的一种大带液敞开式波转子气波制冷机，其特征在于：所述集液环（8）上设置排液槽或排液孔，所述排液槽为直槽或曲线槽，槽道个数根据液化量进行选择。

7.根据权利要求5所述的一种大带液敞开式波转子气波制冷机，其特征在于：所述集液环（8）中液体被单独收集排出或者汇入低温排气中排出。

8.根据权利要求1-7所述的一种大带液敞开式波转子气波制冷机的工作方法，其特征在于：

技术总结一种大带液敞开式波转子气波制冷机，属于气体膨胀制冷技术领域。该制冷机主要由核心部件波转子、两相喷嘴和外壳等组件构成。其中，两相喷嘴采用带有排液功能的三维渐缩流线形设计，利用惯性力实现气液两相的预分离；波转子采用敞开式结构设计，将波转子通道部分顶圆面设置为开放形式，与设有排液结构的集液环相配合，将管内积液及时排出波转子，从而减小积液对管内波系运动的不利影响，提升气波制冷机的带液运行能力和制冷性能，从而实现大带液工况下高效气波膨胀制冷。技术研发人员：刘培启,胡大鹏,胡兴盛,王海涛,于洋,赵一鸣,王泽武,阎琨,范海贵受保护的技术使用者：大连理工大学技术研发日：技术公布日：2024/6/18