说明书 处理量40万Nm3d静止式气波制冷机的结构设计及振荡特性分析

学号： 毕 业 设 计 说 明 书静止式气波制冷机的结构设计及振荡特性分析Structural design and vibration characteristics analysis of a static gas wave refrigerator学院 专业 班级 学生 指导教师（职称） 设计时间 年 月 日至 年 月 日承诺书I广东石油化工学院本科毕业设计（论文）诚信承诺保证书本人郑重承诺：处理量 40 万 Nm3/d 的静止式气波制冷机的结构设计及振荡特性分析毕业设计（论文）的内容真实、可靠，是本人在 指导教师的指导下，独立进行研究所完成。毕业设计（论文）中引用他人已经发表或未发表的成果、数据、观点等，均已明确注明出处，如果存在弄虚作假、抄袭、剽窃的情况，本人愿承担全部责任。学生签名：年 月 日广东石油化工学院本科毕业设计：处理量 40 万 Nm3/d 静止式气波制冷机的结构设计及振荡特性分析II摘要气波制冷机是一种新型的气体膨胀制冷装置，又名热分离机。在化工、石油、能源等领域中有广泛应用前景而备受关注。气波制冷机用于天然气加工处理，处理量 40 万 Nm3/d，设计环境温度 30。主要内容包括结构设计（喷嘴、附壁面、反馈管和射流原理、射流与切换、射流模型及计算）及振荡特性分析。喷嘴设计是气波机设计的重点，其余结构要根据喷嘴尺寸进行设计。预期效果是达到要求产量并高效运转。关键词：静止式气波制冷机 结构设计 振荡特性分析 SummaryIIISummaryGas Wave Refrigerator is a new type of gas expansion refrigeration apparatus, also called thermal separator. In the fields of chemical industry, petroleum, energy and so on, it has a broad application prospect.Gas wave refrigerator for natural gas processing, the amount of processing 400,000 Nm3 / d，design ambient temperature is 30.The main contents include structural design (nozzle, attached to the wall, feedback and jet pipe principle, switching jet, the jet model and calculation) and oscillation characteristics analysis. Nozzle design is the focus of the design of the gas wave machine, and the rest of the structure should be designed according to the size of the nozzle. The expected effect is to meet the requirements of production and efficient operation.Key words： Static Gas Wave Refrigerator Structural Design Oscillation characteristic analysis广东石油化工学院本科毕业设计：处理量 40 万 Nm3/d 静止式气波制冷机的结构设计及振荡特性分析IV目录广东石油化工学院本科毕业设计（论文）诚信承诺保证书 .I摘要 .IISummary.III引言 .1第一章 文献综述 .21.1 选题背景和意义 .21.2 气波制冷机的发展及应用 .31.1.1 气波制冷机的发展历史 .31.1.2 气波制冷机的应用 .41.3 气波制冷机的工作原理和结构形式 .61.3.1 气波制冷机结构形式 .61.3.2 气波制冷机制冷原理 .8第二章 结构设计 .112.1 喷嘴 .112.1.1 喷嘴设计要求 .112.1.2 附壁双稳射流元件几何参数的确定 .112.1.3 注射流喷嘴流速及流量计算 .122.2 附壁面 .172.2.1 附壁原理 .172.2. 2 附壁与切换 .192.2. 3 射流模型及计算 .202.3 反馈管 .232.3.1 振荡机理 .242.3.2 振荡形式 .262.4 分流劈 .28第三章 振荡特性分析 .313.1 振荡源结构及其振荡机理 .313.2 整机内 流场 .32部3.3 振荡特性分析 .323.3.1 控制 内振荡分析 .33管3.3.2 振荡管内波形分析.353.3.3 振荡特性 .37本文符号说明: .38致谢 .40参考文献 .41英文翻译 .42广东石油化工学院本科毕业设计：处理量 40 万 Nm3/d 静止式气波制冷机的结构设计及振荡特性分析1引言大学最后一个学期迎来了学业的最后一次大考毕业设计。本科学位毕业设计目的在于对学生四年学习成果的检验，要求学生运用所学技能并统筹资源完成设计。在此过程中，能够锻炼学生的各项能力，例如设计、计算、绘图、写作、排版、查询资料、软件应用等等。通过设计熟悉工程设计的一般步骤，相关标准。学期初拿到了设计的题目：处理量 40 万 Nm3/d 静止式气波制冷机的结构设计及振荡特性分析。主要内容包括： 文献综述（查阅资料，并进行整理，写出综述报告） ； 1结构设计（设计喷嘴、附壁面及反馈管结构） ； 附壁射流设计（包括附壁原理、附 2 3壁与切换、射流及模型计算等） ； 振荡特性分析。主要要求有： 英文资料翻译大约 4 15000 单词； 毕业设计说明书； 零号图纸 2.5 张。 2 3基础数据参数：操作介质为空气、产量为 50 万 Nm3/d、进气压力 7.5MPa、排气压力 2.5MPa、环境温度 30。具体到本课题，可以了解气波制冷机的发展现状和实际应用，掌握其工作原理和结构设计及震荡特性分析方法。气波制冷机本身在工业中具有广泛的应用价值，石油工业和天然气工业尤为突出。例如：天然气脱水及轻烃回收、化工工业尾气中回收有用组分、食品速冻保鲜等。虽然在此机械的研究领域取得了一定的成果，但仍有许多问题需要解决。如：振荡特性对制冷效率的影响；工作机理和流体流动分析；结构的优化和参数的匹配；更实际的附壁模型和数值模拟；开发新的应用领域等。希望通过此次毕业设计可以在完成任务的同时充分锻炼自己。我本人也会将此当做最后一课认证学习，给学校也给自己一份满意的答卷。此次设计在老师的指导下进行，在此对老师给予的帮助表示感谢！广东石油化工学院本科毕业设计：处理量 40 万 Nm3/d 静止式气波制冷机的结构设计及振荡特性分析2第一章 文献综述1.1 选题背景和意义 1 2能源是国民经济的命脉，随着可持续发展重要性的日益凸显，能源的有效利用备受关注。据预测 全球初级能源的最终消费中 天然气将成为消耗量增长最快的能源， ，在发电和分散用煤领域，发展潜力巨大，天然气代替煤炭乃大势所趋。这对于天然。气加工处理方面的研究人员而言 是机遇亦是挑战 蕴藏在地层深处的天然气 主要， 。 ，以高压气体形式存在，内含大量压力能可以利用。充分有效利用天然气加工处理工艺中天然气自身的压力能，在避免能源浪费的同时减少设备投资 有利于经济和社会的，可持续发展。膨胀制冷是天然气压力能的有效利用方法之一 脱水和脱氢烃等天然气加工过程。都需要冷量 已经证实通过天然气自身的膨胀制冷是获得这些冷量行之有效的方法。，膨胀机（透平） 、节流阀和气波制冷机是三种已经得到发展的膨胀制冷机械。目前，节流阀结合膨胀机的制冷工艺在天然气加工处理中采用较多。其原理是利用节流阀节流降压，使天然气压力降至允许工况范围内 而后膨胀机进行膨胀降压 此工艺由于， 。节流阀效率低 造成大量的天然气压力能浪费。另外，该工艺不够经济，工艺复杂投，资大。高效且适合高压工况的膨胀制冷设备才能满足天然气处理工艺的需要。于是研究人员将目光投向了这种新型膨胀制冷装置气波制冷机。气波制冷机（GWR）亦称压力波制冷机（）或热分离机（Thermal Separator） 。上世纪 70 年代发明，至今已有将近 50 年。说它新，是因为该机械的研究有待完善，仍有很多方面需要开发探讨。分为禁止式旋转式两种结构形式。制冷机理大概相同 都是靠激波作用使接受管产生高温 并向环境散热实现制冷 禁止式气波制冷机， ， 。需要震荡源产生周期性振荡射流并射入接受管，达到膨胀制冷效果。旋转式气波制冷机静止式气波制冷机复杂，需要转动部件。两型气波制冷机因结构不同，故特性不同，优略各异。旋转式气波制冷机的结构使得充、排气不易混合，故制冷效率较静止式高些。静止式气波制冷机虽制冷效率较低，但因没有转动部件，结构简单，只需要简单的静密封，操作维护的成本低。这些特性使得静止式气波制冷机不受高压工况的限制，携液工作的能力也更强。因此，高压天然气工艺处理更适合静止式气波制冷机。本设计基于禁止式气波制冷机。主要内容是（1）喷嘴、附壁面和反馈管结构设计；文献综述3（2）附壁原理、附壁与切换、射流及模型计算等附壁射流设计；（3）振荡特性分析。为简化设计过程将介质由天然气变为空气。基础数据及参数如下：产量为 40 万 NM3/d、进气压力 7.5MPa、排气压力 2.5MPa、环境温度 30、初始附壁时控制管道流量均为 0。=151.2 气波制冷机的发展及应用1.1.1 气波制冷机的发展历史 320 世纪初，一位名叫 Hartmann 的德国学者发现，一产生不完全膨胀超音速射流多喷嘴在一端封闭的匀直短管开口端沿轴向连续射入时，管内会产生强烈振荡。1954 年，Sprenger 放置一细尼龙线在管 E1，马赫数降到 0.52 时不仅产生强烈振荡，亦伴随着强烈的热效应。著名的 H-S 管就此诞生（HartmannSprenger 管） 。尽管气波振荡管与 H-S 管在结构上较为相似，但因驱动方式的不同，致使两者在管内流动特性及应用方面存在较大差异。气波振荡管产生冷热分离是由脉动射流驱动，主要用于提供冷量；而管产生强烈振动及热效应的 H-S 管，主要用于打火器。1969 年，E.Brochehe 和 N.Rott 等法国学者对 Hartmann 管的冷效应做了些许有益的动力及热力学研究，奠定了气波制冷机的理论基础。1972 年，用于回收火炬管线汽油的第一套气波制冷机由 ELF 及 Bertin 两公司发明并制造。1978 年，NAT(Nouvells Applications Te- chnologiques)公司由曾制造第一套气波制冷机的两个公司及法国石油研究所联合成立。之后制造了几十套世界各地油田用于回收火炬管线中夜烃或油田伴生气的气波制冷机。70 年代中期，三原制作引进 NAT 公司的专利，历经数年开发，将气波制冷机成功运用于化工尾气中有效成分的回收。同时期的的前苏联和美国也做了一些关于这种装置的研究与应用。80年代初，我国营口石油化工研究所、大连理工学院、浙江大学等有关单位也对这型制冷装置做了改进研究，并在天然气脱水等环节中得到了实际应用，更名为气波制冷机。对传统气波机管壁传热对制冷效应影响、膨胀比、管长及转速进行了研究。主要内容如下：1984 年，邵件等的研究认为在确定的操作压力和给定结构条件下，气波制冷机存在最佳转速；1987 年，方曜奇发现并提出在末端振荡管加突扩来抵消反射激波以消除反射激波对膨胀气体的的不利影响；1988 年，邵件等对制冷效应的影响因素做了研究广东石油化工学院本科毕业设计：处理量 40 万 Nm3/d 静止式气波制冷机的结构设计及振荡特性分析4实验，发现结构、工况、换热、转速等因素之间具有匹配的关系，并拟合出了一个最佳的匹配公式；1993 年，最佳管长的概念由朱雪琴提出，并给出了管长的计算式及相应的边界条件；1996 年，李学来做实验对振荡管管壁轴向导热进行了研究，总结出一定膨胀比和振荡频率下阻隔管壁轴向导热对振荡管管内流动和等熵效率的影响规律。振荡管被阻隔，冷热两端管壁轴向导热，会增大管内激波幅值，激波形成点会后移，明显提高效率，提供了一条可能提高热分离器及气波制冷机效率的新途径；1999 年，熊炜、徐烈等对气波制冷与脉管制冷的耦合进行了研究；2000 年，李学来研究了管外传热，认为管外传热的强化，不仅能显著降低最佳转速值，还可以大幅提高效率；2001 年，邹久朋为削弱反射激波能量在管末端加装细钢丝作为多孔填料，大幅度提高