申江 邊煜竣 郭欣煒

（天津商業(yè)大學天津市制冷技術重點實驗室 天津 300134）

冷端孔徑對渦流管性能影響的實驗研究

申江 邊煜竣 郭欣煒

（天津商業(yè)大學天津市制冷技術重點實驗室 天津 300134）

本文搭建了渦流管性能實驗臺，研究了不同冷端孔口直徑的渦流管實驗樣機的性能。當進口壓力為0．3～0．5 MPa時，分析了冷端孔徑對冷端溫降特性、制冷量特性、等熵溫度效率特性及COP特性的影響。結(jié)果表明：冷端孔口直徑對渦流管性能有很大影響，存在一個使渦流管冷端溫降及制冷量均達到最大值的最佳冷端孔口直徑，在本文設計的渦流管幾何尺寸條件下，最佳冷端孔口直徑為5 mm，最佳冷端孔口直徑與熱端直徑比為0．5。

渦流管；進口壓力；冷端孔口直徑

渦流管是一種結(jié)構簡單的能量分離裝置，主要由進氣室、噴嘴、渦流室、冷端孔口和熱端調(diào)節(jié)閥及熱端孔組組成，結(jié)構如圖1所示。根據(jù)冷熱氣流從渦流管的同一端或不同端排出，渦流管可分為順流式和逆流式。由于逆流式渦流管能量分離效率遠高于順流式，因此目前使用的大多為逆流式渦流管。

由于渦流管結(jié)構簡單，無任何運動部件，因此具有重量輕、體積小、工作可靠，且?guī)缀醪恍枰S護工作，一直受到各國科學家和工程應用方面的重視。世界上許多國家的大學、科研機構和公司對渦流管的理論和應用進行了大量的理論和實驗研究，并在多種工業(yè)領域得到了應用［1］。主要包括：1）制冷技術領域，根據(jù)冷卻對象的不同，渦流管冷端可獲得－70℃的低溫，主要應用于一些有特殊要求的場合，如電子設備傳感器及儀器的冷卻、切削加工冷卻、生物制品冷凍等。特別適用于冷卻（加熱）對象形狀不規(guī)則，或?qū)w積、重量有嚴格要求的場合，或采用常規(guī)制冷不方便的場合。2）小空間環(huán)境控制系統(tǒng)，如航天器、水下潛器載人艙、坦克等小空間要求對溫度、濕度調(diào)節(jié)控制，同時要求對循環(huán)氣體進行凈化、分離；渦流管特有的冷熱分離效應可以很好地滿足這種要求，并且具有很高的可靠性。3）個人防護空調(diào)設備，在某些特殊場合，如高溫、低溫、煙塵等環(huán)境下工作的人員，利用渦流管冷卻、加熱供氣的個體防護空調(diào)服，可提供人體適宜的微環(huán)境，達到個體防護的目的［2－4］。

雖然自渦流管發(fā)明以來進行了大量的理論和實驗研究，但長期以來制約其發(fā)展的主要因素依然是效率低下的問題。為此，國內(nèi)外學者從渦流管幾何參數(shù)和工質(zhì)熱物性及工作參數(shù)，兩個大方向?qū)τ绊憸u流管性能的因素進行了大量分析和研究。

渦流管的幾何參數(shù)直接影響內(nèi)部流動結(jié)構，進而影響內(nèi)部流場、壓力場等氣動參數(shù)，且是影響渦流管能量分離效率的重要因素之一。計玉幫等［5］實驗研究了渦流管長、管徑、冷端孔徑對渦流管的冷、熱分離性能的影響。馬慶芬等［6］分析了渦流管長徑比L/D、壓比ε和冷流比FC對溫度效率ηT、絕熱效率η和制冷性能系數(shù)COP的影響。何曙等［7］在進口壓力、溫度不變的條件下，測量了長徑比為L/D＝16.9～32.5的三種管長渦流管的冷效應、熱效應?冷流比特性。王朋濤等［8］對進氣流道數(shù)分別為 2、4、6、8，流道形式分別為直流型、漸縮型和漸擴型，渦流室內(nèi)徑分別為10、12、14、16 mm的渦流管性能進行了實驗研究。王志遠等［9］進行了相似的研究工作，對采用4流道K線型、4流道直線型及3、4、5、6流道阿基米德線型噴嘴的渦流管內(nèi)的溫度分布及能量分離特性進行了實驗研究。

圖1 渦流管結(jié)構Fig．1 Structure of the vortex tube

M．Farzaneh?Gord 等［10］用天然氣作為工質(zhì)研究了冷端孔口直徑及擴張角、噴嘴面積對渦流管性能的影響。 N．Agrawal等［11］用空氣、氮氣和 CO2作為工作介質(zhì)，研究了渦流管長徑比L/D、進口壓力pin、冷端孔口直徑dc對性能的影響。S．E．Rafiee等［12］用數(shù)值模擬的方法比較了噴嘴面積收縮比、進口壓力和噴嘴數(shù)對冷端溫降的影響，S．Mohammadi等［13］研究了渦流管的最佳噴嘴數(shù)和直徑及進口壓力、冷端孔口距離和冷流比對性能的影響。S．U．Nimbalkar等［14］實驗研究了不同冷端孔口直徑的渦流管在不同工況下的冷卻效率，U．Behera等［15］用數(shù)值模擬的方法計算渦流管內(nèi)流場，分析比較了不同噴嘴型線及噴嘴數(shù)的影響，并對冷端孔口直徑比dc/D、長徑比L/D等幾何參數(shù)分別以最大冷端溫降和最大熱端溫升為目標進行了優(yōu)化。M．H．Saidi等［16］研究了渦流管長徑比L/D、噴嘴形狀和數(shù)量、進口壓力、冷流比對冷端溫降的影響。結(jié)果表明：渦流管長徑比、噴嘴數(shù)和進口壓力越大，冷端溫降越大，但當pin＝0.2 MPa時，渦流管效率達到最大值。而對于冷端孔口直徑則存在一個最佳值使冷端溫降最大。

本文搭建了實驗臺，對自制的不同冷端孔徑的渦流管實驗樣機進行實驗，研究了渦流管冷端孔口直徑對性能的影響。

1 實驗系統(tǒng)

1.1 實驗裝置

渦流管性能測試裝置是在空氣循環(huán)低溫速凍制冷系統(tǒng)實驗臺的基礎上改建而成，主要由氣源系統(tǒng)、被試渦流管及數(shù)據(jù)采集測試系統(tǒng)組成，如圖2所示。

為了實驗測量渦流管在不同工況條件下的性能，首先需要向其提供壓力穩(wěn)定的潔凈壓縮空氣，壓力可調(diào)節(jié)。同時為了確定冷流比，實驗臺需提供冷熱流體的流量測量裝置。實驗渦流管流量較小，冷熱流體流量測量儀表精度要求較高，否則會帶來較大的相對誤差。氣源系統(tǒng)的主要功能是向渦流管系統(tǒng)提供潔凈、壓力穩(wěn)定的高壓空氣，主要包括微油螺桿空氣壓縮機、凍干機、無熱再生式吸附式干燥器、穩(wěn)壓罐、粗效過濾器、高效精密過濾器、內(nèi)部先導式絕對壓力調(diào)節(jié)閥、截止閥等?？諝鈮嚎s機組提供的壓縮空氣首先經(jīng)自帶的凍干機冷卻除水，然后進入穩(wěn)壓罐內(nèi)，經(jīng)由無熱再生吸附式干燥器除濕后，再由中、高效過濾器進行凈化，由絕對壓力調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)壓力后進入渦流管。

空氣壓縮機是氣源系統(tǒng)的主要設備，它為實驗臺提供一定的壓力和流量的壓縮空氣。本實驗臺采用英格索蘭SSR55型風冷式微油螺桿壓縮機，排氣壓力0.65～0.75 MPa可調(diào)。由于工質(zhì)采用的是環(huán)境空氣，壓縮機吸入空氣中不可避免的混有粉塵、水分等，經(jīng)壓縮過程后又會混入機械磨損的顆粒和潤滑油蒸氣等，這些雜質(zhì)會對渦流管的工作及能量分離性能產(chǎn)生影響，因此必須對空氣進行凈化和過濾處理。本實驗臺采用的螺桿壓縮機自帶凍干機和油分離裝置，其中大部分的液態(tài)水被分離并排出系統(tǒng)，分離出的潤滑油則返回壓縮機。此外，實驗臺氣源系統(tǒng)還采用全自動微電腦控制的吸附式無熱再生干燥器對壓縮空氣進一步干燥處理。吸附式無熱再生，干燥器采用可再生鋁膠吸附劑干燥空氣，壓縮空氣的露點溫度在－20～40℃。干燥凈化過程采用雙塔循環(huán)、自動切換的工作方式，可持續(xù)為渦流管系統(tǒng)提供干燥的、潔凈的空氣工質(zhì)。經(jīng)過處理后的空氣工質(zhì)，進入穩(wěn)壓罐，保證實驗系統(tǒng)的壓力穩(wěn)定，方便了系統(tǒng)壓力的控制。

測控系統(tǒng)由溫度、壓力、流量傳感器、采集控制系統(tǒng)和上位機組成。溫度、壓力、流量傳感器實現(xiàn)系統(tǒng)各測量點溫度、壓力、流量的測量，測點布置如圖2所示。實驗系統(tǒng)中各點溫度選用PT100鉑電阻溫度傳感器測量，量程范圍為－100～450℃，測量精度為±0.1℃；各點的壓力采用陶瓷應變片式壓力傳感器測量，量程為0 ～0.1 MPa，精度為0.1%FS；進入渦流管的總質(zhì)量流量和從熱端排出的熱空氣質(zhì)量流量采用科里奧利（Coriolis）質(zhì)量流量計測量，精度為0.8%FS，所有壓力傳感器及溫度傳感器在測量前均經(jīng)過標定。采集控制系統(tǒng)實現(xiàn)各測量參數(shù)的采集和各控制信號的輸出；上位機實現(xiàn)數(shù)據(jù)的顯示和控制信號的調(diào)整；各傳感器通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與計算機連接，每隔1 s采集數(shù)據(jù)一次。

圖2 渦流管性能實驗裝置Fig．2 Experimental device for the performance of the vortex tube

為了精確調(diào)節(jié)氣源系統(tǒng)壓力，實驗系統(tǒng)中采用SMC內(nèi)部先導式絕對壓力調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)進入渦流管的壓縮空氣壓力為設定值，保證渦流管的穩(wěn)定工作。渦流管試件幾何尺寸如表1所示。

表1 渦流管試件幾何尺寸Tab．1 Geometry size of vortex tube

1.2 數(shù)據(jù)處理

制冷用渦流管的性能可采用以下幾個參數(shù)進行評價：

冷端溫降：

冷流比：

等熵溫度效率ηs：

渦流管性能系數(shù)COP：

式中：min為進口出口質(zhì)量流量，kg/s；mc為冷端出口質(zhì)量流量，kg/s；Tin為渦流管進口溫度，K；Ts為渦流管進口氣流按等熵條件所能達到的最低溫度，K；Tc為冷氣流溫度，K；pa為冷氣流壓力，MPa；pin為入口氣流絕對壓力，MPa；γ為空氣的絕熱指數(shù)。

2 實驗結(jié)果

2.1 冷端孔徑對渦流管冷端溫降的影響

圖3所示為冷端孔口直徑分別為4、5、6 mm三個渦流管試件在不同進氣壓力條件下的冷端溫降?冷流比曲線，以全面比較冷端孔口直徑對渦流管冷端溫降的影響。

由圖3可知，三個冷端孔口直徑不同的渦流管試件在不同的進氣壓力工況下工作時的冷端溫降?冷流比曲線具有相同的趨勢，即冷端溫降先隨著冷流比的增加而增大，達到最大值后迅速減小，最佳冷流比約為 0.5。

圖3 不同壓力工況下冷端孔徑對冷端溫降特性的影響Fig．3 Influence of cold end pore size on temperature drop under different pressure conditions

在進氣壓力范圍內(nèi)（0.3 ～ 0.5 MPa），不論進氣壓力的高低，冷端孔口直徑為5 mm的渦流管冷端溫降?冷流比曲線均在其他兩個試件的冷端溫降?冷流比曲線之上，說明冷端孔口直徑為5 mm的渦流管溫降性能整體上高于其他兩個渦流管；當進氣壓力為0.5 MPa時，冷端孔徑為5 mm的渦流管冷端最大溫降分別比冷端孔口直徑為4 mm和6 mm的渦流管大約4 ℃和1.8 ℃，分別高了20.2%和8.2%，在其他進氣壓力條件具有相同的趨勢。

應注意的是，不同冷端孔口直徑的渦流管最佳冷流比不同，將反映在渦流管制冷量性能上。因此，對于應用于制冷的渦流管而言，從達到最低出口氣流溫度的角度考慮，當其他幾何參數(shù)不變時，冷端孔口直徑為5 mm的渦流管設計是最優(yōu)方案。

2.2 冷端孔徑對渦流管制冷量的影響

圖4所示為冷端孔口直徑分別為4、5、6 mm的三個渦流管試件在不同進氣壓力條件下的制冷量?冷流比曲線，比較冷端孔口直徑對渦流管制冷量的影響。

圖4 不同壓力工況下冷端孔徑對制冷量的影響Fig．4 Influence of cold end pore size on refrigeration capacity under different pressure conditions

由圖4可知，所有實驗渦流管隨著冷流比的增加，制冷量先增加，達到最大值后減小或趨于平緩；與冷端溫降隨冷流比的變化趨勢的不同之處在于對應于最大制冷量的最佳冷流比在0.6～0.7，比最大冷端溫降對應的最佳冷流比大，即渦流管作為制冷設備工作時，取得最低溫度和最大制冷量不可兼得。同時，在小冷流比區(qū)間（達到最佳冷流比前），冷端孔徑的改變對制冷量的影響幅度較小，而在冷流比較大的工況條件下，冷端孔徑的改變對制冷量的影響幅度迅速增大。這主要是因為制冷量本身集合了渦流管流量、冷流比和冷端溫降三個因素的影響。由圖5可知，當進口壓力保持0．5 MPa不變，冷端孔徑為5 mm時，改變冷流比對通過渦流管的質(zhì)量流量影響不大。因此，當冷流比小于最佳冷流比時，即在小冷流比區(qū)間，冷端溫降對渦流管制冷量的影響減弱，而在大冷流比區(qū)間冷端溫降對制冷量的影響增強。

圖5 冷流比對渦流管流量的影響Fig．5 Influence of cold flow ratio on the flow of vortex tube

對比所有進氣壓力工況條件下三個試件的制冷量曲線可以看出，當進氣壓力為 0.3 ～0.5 MPa，冷端孔口直徑為5 mm時，渦流管制冷量?冷流比曲線均在其他兩個試件的制冷量?冷流比曲線之上，說明冷端孔口直徑為5 mm的渦流管制冷量性能整體上高于其他兩個渦流管；在進氣壓力為0.5 MPa工況下，最大制冷量分別比冷端孔口直徑為4 mm和6 mm的渦流管大約23.2 W 和 17.1 W，分別提高了 26.9% 和18.5%，在其他進氣壓力條件具有相同的趨勢。因此，從達到最大制冷量的角度考慮，冷端孔口直徑為5 mm的渦流管設計也是最優(yōu)方案。

2.3 冷端孔徑對渦流管等熵溫度效率的影響

圖6所示為冷端孔口直徑分別為4、5、6 mm的三個渦流管試件在不同進氣壓力條件下的等熵溫度效率?冷流比曲線，比較冷端孔口直徑對等熵溫度效率的影響。

圖6 不同壓力工況下冷端孔徑對等熵溫度效率特性的影響Fig．6 Influence of cold end pore size on equal entropy temperature efficiency under different pressure conditions

由圖6可知，等熵溫度效率?冷流比曲線呈現(xiàn)與冷端溫降?冷流比曲線相似的趨勢，隨著冷流比的增加，等熵溫度效率先緩慢增加，達到最大值后迅速減小，最佳冷流比與對應冷端溫降的最佳冷流比基本重合，在0.4～0.6。 事實上，等熵溫度效率的物理意義為渦流管冷端溫降與理論最大溫降之比，即渦流管降溫特性與冷流比沒有關系。因此，等熵溫度效率?冷流比曲線表現(xiàn)出與渦流管溫降特性曲線相似的特征。

本文設計的渦流管最高等熵溫度效率不足24%，與其他資料中給出的數(shù)據(jù)相當，可見渦流管作為降溫設備效率是比較低的。當進氣壓力為0.3～0.5 MPa，冷端孔口直徑為5 mm時，渦流管等熵溫度效率?冷流比曲線均在其他兩個試件的等熵溫度效率?冷流比曲線之上，說明冷端孔口直徑為5 mm的渦流管等熵溫度效率性能整體上高于其他兩個渦流管；在進氣壓力為0.5 MPa工況下，最大等熵溫度效率分別比冷端孔口直徑為4 mm和6 mm的渦流管分別高了20.6%和7.4%，在其他進氣壓力條件具有相同的趨勢。從達到最大等熵溫度效率的角度考慮，冷端孔口直徑為5 mm的渦流管設計也是最優(yōu)方案。

2.4 冷端孔徑對渦流管的性能系數(shù)（COP）的影響

COP是衡量制冷裝置性能的重要參數(shù)，它真實的反映了制冷設備中得到的實際制冷量與功耗的比例，因此常用來作為渦流管的經(jīng)濟性能指標。圖7所示為冷端孔口直徑分別為4、5、6 mm的三個渦流管試件在不同進氣壓力條件下的COP?冷流比曲線，用以比較冷端孔口直徑對渦流管COP特性的影響。

圖7 不同壓力工況下冷端孔徑對COP的影響Fig．7 influence of cold end pore size on COP under different pressure conditions

由圖7可知，所有試件的COP?冷流比曲線與制冷量?冷流比曲線呈現(xiàn)相似的趨勢，COP先隨著冷流比的增加而增加，達到最大值后隨著冷流比的增大而緩慢降低。最大COP對應的最佳冷流比基本與制冷量對應的最佳冷流比重合，在0.6～0.7。在小流量區(qū)間，冷端孔徑的改變對COP的影響幅度較小，而在冷流比較大的工況條件下，冷端孔徑的改變對COP的影響幅度迅速增大，其原因與制冷量的影響因素是相同的。

本文設計的渦流管最高COP不足10%，與其他資料中給出的數(shù)據(jù)相當，可見渦流管作為制冷設備的效率較低，這也是其長期得不到大規(guī)模應用的主要原因。當進氣壓力為0.3～0.5 MPa，冷端孔口直徑為5 mm時，渦流管COP?冷流比曲線均在其他兩個試件的COP?冷流比曲線之上，說明冷端孔口直徑為5 mm的渦流管COP性能整體上高于其他兩個渦流管；在進氣壓力為0.5 MPa工況下，最大COP分別比冷端孔口直徑為4 mm和6 mm的渦流管分別高了37.3%和16.7%，在其他進氣壓力條件具有相同的趨勢。原因在于當冷端孔口直徑較小時，冷氣不能及時排出，一定程度上會被熱氣加熱，導致能量分離效應變差；當冷端孔口直徑較大時，部分熱氣會與冷氣混合從冷端排出，此時能量分析效果也會變差，故冷端孔口直徑存在最優(yōu)值，本實驗條件下此值為5 mm。從達到最大COP的角度考慮，冷端孔口直徑為5 mm的渦流管設計也是最優(yōu)方案。

3 結(jié)論

本文搭建了渦流管性能實驗臺，對自制的不同冷端孔口直徑的渦流管實驗樣機的性能進行了實驗，當進口壓力為0.3～0.5 MPa時，分析了冷端孔徑對冷端溫降特性、制冷量特性、等熵溫度效率特性及COP特性的影響，得出如下結(jié)論：冷端孔口直徑對渦流管性能有很大影響，存在一個使得渦流管冷端溫降及制冷量均達到最大值的最佳冷端孔口直徑。在本文設計的渦流管幾何尺寸條件下，最佳冷端孔口直徑為5 mm，最佳冷端孔口直徑/熱端直徑比為0.5。當進口壓力為0.5 MPa，冷端孔口直徑為5 mm時，渦流管最大冷端溫降比冷端孔口直徑為4 mm和6 mm的渦流管分別高4℃和1.8℃，制冷量分別高26.9%和18.4%。對于不同的進口壓力，渦流管均在冷端孔口直徑為5 mm時達到最佳性能。

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Experimental Study on the Effect of Cold?end Aperture on the Performance of Vortex Tube

Shen Jiang Bian Yujun Guo Xinwei
（Refrigeration Key Laboratory of Tianjin，Tianjin University of Commerce，Tianjin，300134，China）

The influence of different cold end orifice diameter on the performance of vortex tube was studied using the test bench．In the 0．3?0．5 MPa range of inlet pressure，the effect of cold end pore size on the temperature drop，the characteristics of refrigeration capacity，the efficiency of the temperature and the COP characteristics were analyzed．The experimental results showed that the cold end orifice di?ameter on the vortex tube has a great impact on performance，and there exists a cold end orifice diameter of a vortex tube which makes the cold end temperature drop and refrigeration capacity reach the maximum．Under the current conditions of the vortex tube，the optimal di?ameter of the cold end orifice is 5 mm，and the ratio between the best cold end orifice diameter and the best hot end diameter is 0．5．

vortex tube；inlet pressure；the diameter of the cold end orifice

Bian Yujun，male，master degree candidate，Tianjin University of Commerce，＋86 13682126797，E?mail： 424381844＠ qq．com．Research fields：energy saving and optimization of refrigeration system．

TB61＋9．1；TQ051．5

A

0253－4339（2017）06－0087－07

10.3969 /j.issn.0253 － 4339.2017.06.087

2016年11月8日

邊煜竣，男，碩士研究生，天津商業(yè)大學，13682126797，E?mail：424381844＠qq．com。研究方向：制冷系統(tǒng)節(jié)能及優(yōu)化。