【摘要】：隨著現(xiàn)代科學技術、天然氣液化技術、航空航天技術和超導技術的快速發(fā)展,對低溫制冷技術的需求日益迫切。近年來,由于液化天然氣具有潔凈、安全、體積小和運輸方便等優(yōu)點,我國液化天然氣在能源結構中的比例逐年迅速增加,低溫制冷技術在液化天然氣生產(chǎn)工藝中的地位變得越來越重要。螺旋壓縮膨脹制冷機是一種新型的制冷機,具有制冷效率高、體積小、單級壓比高、壓縮過程連續(xù)、工作過程簡單等優(yōu)點,可以替代其他制冷機應用于天然氣液化過程中,不僅可以加快LNG生產(chǎn)速度和液化效率,而且可以大大簡化LNG生產(chǎn)流程。開展螺旋壓縮膨脹制冷機沖壓壓縮過程的研究可對螺旋壓縮膨脹制冷機的開發(fā)和利用提供理論依據(jù),對這種新型制冷機應用于LNG液化工藝中具有重要的推動作用,對液化天然氣行業(yè)的發(fā)展具有重要意義。本文首先對螺旋壓縮膨脹制冷機壓縮段所采用的沖壓壓縮技術進行系統(tǒng)闡述,結合布雷頓制冷循環(huán)過程,提出了一種螺旋壓縮膨脹制冷機制冷循環(huán),并對這種制冷循環(huán)與傳統(tǒng)制冷循環(huán)進行性能計算比較分析。其次,建立三維變螺距螺旋壓縮葉輪物理及數(shù)學模型,通過數(shù)值模擬方法研究特定螺旋曲面內產(chǎn)生沖壓效應時的速度與對應壓力等流場參數(shù)的三維螺旋分布規(guī)律,然后研究變徑變螺距工況下不同螺旋空間流場參數(shù)的理論計算模型及特定轉速工況下螺旋曲面螺距發(fā)生變化時的三維沖壓效應理論模型,獲得產(chǎn)生沖壓效應時的最佳變螺距螺旋曲面物理模型,并通過曲線擬合方法研究不同參數(shù)工況下變螺距螺旋曲面沖壓壓縮性能參數(shù)分布規(guī)律。最后,以螺旋壓縮膨脹制冷機沖壓壓縮最佳模型為數(shù)值計算物理模型,改變螺旋葉輪轉速,在特定工況下對最佳模型進行數(shù)值理論計算,研究最佳模型螺旋葉輪沖壓壓縮性能參數(shù)隨轉速的變化規(guī)律,并改變螺旋葉輪出口背壓,研究背壓對螺旋葉輪沖壓壓縮過程性能的影響。研究表明,制冷量相同的情況下,螺旋壓縮膨脹制冷機制冷循環(huán)比布雷頓制冷循環(huán)節(jié)約13.4%的壓縮功,螺旋壓縮膨脹制冷機制冷循環(huán)較布雷頓循環(huán)更接近于等溫壓縮過程,制冷系數(shù)更大,能效比更高,更節(jié)能。通過數(shù)值模擬研究發(fā)現(xiàn),越靠近螺旋葉片外邊緣部分,激波越多,沖壓效應越明顯,激波的存在使得氣流的流場速度沿流動方向增大,流場動壓沿流動方向升高,軸徑為120 mm、螺旋加速度為-6.5 mm/s~2時的變螺距螺旋葉輪模型為沖壓壓縮最佳物理模型,氣流流動損失最小,動壓提高最快,沖壓壓縮效果明顯,流場分布穩(wěn)定。質量流量不變時,變螺距螺旋通道入口靜壓和出口動壓隨轉速的變化符合Exponential函數(shù)規(guī)律;轉速和流量一定時,入口靜壓和出口動壓隨軸徑的變化分別符合Parabola函數(shù)和ExpDec1函數(shù)曲線規(guī)律,螺旋通道內壓力隨螺旋加速度的變化遵循Exponential函數(shù)分布規(guī)律。在入口質量流量一定的情況下,葉輪最佳模型出口動壓隨轉速的增大呈Exponential函數(shù)規(guī)律減小,當轉速為15000 r/min時,入口來流條件越易達到要求,沖壓效果較明顯;隨著最佳模型出口背壓增大,沖壓壓縮來流條件越不易滿足,沖壓效果不明顯。
【學位授予單位】：蘭州交通大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TB651
【圖文】：

圖 1.2 2017 年天然氣世界人均消費量(百萬噸油當量)[3]年 6 月，中國國家能源局發(fā)布了“關于加快推進天然氣利用的意見氣作為中國的主體能源之一，并計劃到 2020 年使得天然氣在一10%，2030 年達到 15%。“天然氣十三五規(guī)劃”[8]也指出，保證到應量達到 3600 億立方米，年均保持 8.9%的增速。從 2008 年到 2口量年均增長率為 34.9%，天然氣生產(chǎn)量年均增長率為 6.97%，口量與消費量的增長水平[9]。705813895106913051463170518691932207823731000150020002500

圖 2.7 螺旋壓縮膨脹制冷機工作流程圖圖 2.8 中 1-2-3-4-1 表示布雷頓制冷循環(huán)過程，其中 1-2 為不可逆壓縮過程，冷卻過程，3-4 為不可逆膨脹過程，4-1 為等壓吸熱過程。1-5-5’-6-6’-7-7’-8螺旋壓縮膨脹制冷機制冷循環(huán)過程，1-5 是氣體在一級螺旋壓縮葉片中的壓縮一級壓縮冷卻過程，5’-6 是二級螺旋壓縮葉片壓縮過程，6-6’是二級壓縮冷卻是三級螺旋壓縮葉片壓縮過程，7-7’是三級壓縮冷卻過程，7’-8 是四級螺旋壓程，8-3 是四級壓縮冷卻過程，3-4 是不可逆膨脹過程，4-1 是等壓吸熱過程。TTcT03421P0Pc55'66'77'84'2'5"6"7"8'

圖 2.9 空氣溫熵圖制冷機工作時環(huán)境壓力 0.1MPaaP ，環(huán)境溫度 303 KaT ，Pa， 0.7MPakP ，工作溫度0T 243 K， 278 KkT ，壓縮機，膨脹機絕熱效率 0.75se 。圖 2.8 中狀態(tài)點 1 的溫度1 0T T 240.1 MPa；狀態(tài)點 2 的溫度2T 416 K，壓力2P 0.7 MPa；狀態(tài)點278 K，壓力3P 0.7 MPa；狀態(tài)點 4 的溫度4T 203 K，壓力4 1P P為定比熱容的理想氣體， k 1.4。圖 2.8 中其他各狀態(tài)點的溫度和壓求得[52]：155 11( )kkPT TP 1ii ii( )kkPT TP (i=5，6，7) 1ii (i-1)(i-1)( )kkPT TP (i=6，7，8)

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本文編號：2769094