葉碧翠 解 輝 王 征 黎 念

(1 浙江理工大學(xué) 杭州 310018)

(2 航天氫能科技有限公司 北京 100074)

(3 浙江大學(xué)寧波研究院 寧波 315100)

1 引言

渦流管(Ranque-Hilsch 管)是一種結(jié)構(gòu)簡單、操作方便的能量分離裝置,由噴嘴、渦流室、熱端管、熱端調(diào)節(jié)閥、冷端管和冷端孔板組成。工作時,高壓氣體進入噴嘴,在噴嘴內(nèi)膨脹,減壓降溫并加速,隨后沿切線方向進入渦流室并在渦流室內(nèi)形成高速渦流。由于冷熱兩端的壓力差,渦流管中心區(qū)域形成回流。由此流體在渦流管內(nèi)分成兩股:內(nèi)側(cè)的氣體溫度降低,稱為冷氣流,從冷端孔板流出;外側(cè)的氣體溫度升高,稱為熱氣流,經(jīng)熱端調(diào)節(jié)閥從熱端管流出。

渦流管結(jié)構(gòu)簡單,然而其內(nèi)部三維流動卻非常復(fù)雜。研究學(xué)者陸續(xù)提出多種理論嘗試解釋渦流管的能量分離機理,如壓力梯度理論[1],換熱器理論[2],動量傳遞理論[3],二次流理論[4],聲流理論[5]、渦破碎理論[6]等。然而由于所采用的假設(shè)或適用的渦流管結(jié)構(gòu)的局限性,上述理論模型在預(yù)測渦流管的分離性能時仍存在較大分歧?，F(xiàn)有模型均存在考慮因素過于單一,對渦流管溫度分離現(xiàn)象難以全面描述等問題。因此,迄今為止對渦流管內(nèi)部的能量分離機理仍缺乏清晰的認(rèn)識[7]。另一方面,操作參數(shù)對渦流管的性能有顯著影響,為了實現(xiàn)渦流管的最佳工作狀況,研究者開展了大量針對渦流管操作參數(shù)的研究。Kaya 等[8]使用田口法,開展了不同入口壓力(150、300 和450 kPa)、噴嘴數(shù)量(3、4、5)、噴嘴材料(黃銅、聚酰胺)、和不同工作流體(空氣,氧氣和二氧化碳)的實驗研究,并以百分比形式表征了上述操作參數(shù)對渦流管分離性能的影響。實驗結(jié)果表明工作壓力對其分離性能的影響最大(79.50%)。王舒等[9]探索了進出口壓比對渦流管特性的影響,指出當(dāng)進出口壓比小于5.5 時,渦流管的制冷、制熱能力與進出口壓比成正比;當(dāng)壓比大于5.5 時,制冷制熱能力出現(xiàn)明顯的降低;同時制冷量與壓比呈正相關(guān)且增長比率隨壓比增加而減小。Hu 等[10]總結(jié)了影響渦流管性能的控制因素并指出最佳L/D(渦流管長度與直徑之比)是幾何和操作參數(shù)的函數(shù),該結(jié)果表明渦流管具有臨界長度。通常,直徑較小的渦流管具有更好的能量分離。Nimbalkar 和Muller[11]通過實驗發(fā)現(xiàn),存在一個最佳冷流比使能量分離達到最大且不受冷孔板孔徑和進口壓力的影響;當(dāng)冷質(zhì)量分?jǐn)?shù)達到0.3 左右時可實現(xiàn)最大冷卻效果,當(dāng)冷質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為0.7 時可獲得最大制熱效應(yīng)。Li 等[12]也針對不同冷流比(0.2、0.4、0.6、0.8)對渦流管內(nèi)部流場進行了實驗研究以探索不同工況下溫度分離效應(yīng)的差異及原因,分析認(rèn)為制冷效應(yīng)主要由不同工況下噴嘴膨脹度的差異引起,而溫度分離是動量、熱量、功量傳遞以及能量轉(zhuǎn)換相互耦合的結(jié)果。Agrawal[13]等發(fā)現(xiàn)在給定的L/D下,冷端制冷效應(yīng)隨氣體入口壓力增加而增加,但最佳冷流比的值保持不變,由此得出,進氣壓力和冷流比是影響渦流管性能的關(guān)鍵因素。綜上所述,操作參數(shù)的改變造成了流場的改變,而后者是渦流管性能改變的根本原因。

本研究對渦流管在不同操作參數(shù)下的邊界條件(管壁溫度、兩個出口處的溫度和壓力)進行了分析。相比于測量內(nèi)部流場,測量邊界條件對流場帶來的擾動要小得多,有利于提高探究內(nèi)部流場的可靠性。在之前的工作中[14],本研究已針對進氣壓力在1 MPa時不同冷流比工況下渦流管的溫度分離特性以及同一冷流比不同進氣壓力下渦流管的溫度分離現(xiàn)象進行了研究。在本研究中進一步拓展了數(shù)據(jù)范圍(進口壓力pin的變化范圍為0.3—1.1 MPa,冷流比μc的變化范圍為0.05—0.92)開展了實驗研究,以進一步探索溫度滯止點與溫度分離點隨進口壓力及冷流比的變化規(guī)律及其內(nèi)在機理。

2 實驗系統(tǒng)介紹

2.1 實驗裝置介紹

搭建的“渦流管能量分離特性”的開式系統(tǒng)實驗臺如圖1 所示[13]。

圖1 系統(tǒng)流程與測量裝置圖Fig.1 System flow and measuring device diagram

實驗系統(tǒng)主要由壓縮機、穩(wěn)壓器、減壓閥、過濾器、換熱器、渦流管等裝置構(gòu)成。其中實驗采用的渦流管工作示意圖如圖2 所示。

圖2 逆流型渦流管結(jié)構(gòu)及工作過程示意圖Fig.2 Structure and working process diagram of counter-current vortex tube

實驗以空氣為工質(zhì)。實驗流程如下:空壓機壓縮的空氣先在穩(wěn)壓罐中穩(wěn)壓,后流經(jīng)減壓閥以獲得所需進氣壓力。隨后氣體流經(jīng)三級過濾器以除去油分、水分和其它雜質(zhì)。再依次流過換熱器和質(zhì)量流量計。之后氣體沿切線方向噴入渦流管,在渦流管內(nèi)分離成冷熱兩股流體。冷流體從冷端出口流出,并依次通過橡膠管、質(zhì)量流量計2 或質(zhì)量流量計3(當(dāng)冷流比較小時)通入大氣。從熱端調(diào)節(jié)閥逸出的熱流體流經(jīng)橡膠管后通入大氣。整個實驗系統(tǒng)的連接銅管都包有保溫材料,盡量減少外界熱量對實驗的干擾。

2.2 測量裝置介紹

實驗中所采用的測量裝置包括流量計、熱電偶、壓力傳感器等,實驗數(shù)據(jù)由安捷倫數(shù)據(jù)采集儀采集并儲存,測量元件的型號和精度如表1 所示。

表1 測量元件的型號與精度Table 1 Type and accuracy of measuring devices

如圖1 所示,渦流管進口,冷端和熱端出口均設(shè)置有壓力傳感器和熱電偶。進口質(zhì)量流量由質(zhì)量流量計1 測量,冷端出口流量由質(zhì)量流量計2(小冷流比工況)和氣體流量計3 測量。采用3 個不同測量范圍的流量計可提高測量數(shù)據(jù)的可靠性。熱電偶插入渦流管進口和冷熱端出口進行溫度測量。由于渦流管內(nèi)部插入熱電偶,會對渦流管內(nèi)部流場產(chǎn)生干擾而影響能量分離特性,故為了提高測量精確度,采用在渦流管壁面上沿軸向每間隔8 mm 依次布置熱電偶的方式對其壁面溫度進行測量。壓力與溫度數(shù)據(jù)進行采集后輸入計算機。

3 實驗結(jié)果與分析

3.1 不同冷流比對能量分離特性的影響

本實驗探索了進氣壓力pin在0.3—1.1 MPa 范圍內(nèi)不同冷流比對渦流管溫度分離特性的影響規(guī)律。實驗中維持進氣壓力穩(wěn)定,通過調(diào)節(jié)熱端調(diào)節(jié)閥來改變冷流比。

如圖3、圖4 所示,隨冷流比的增大,制冷效應(yīng)ΔTc和制熱效應(yīng)ΔTh均隨之增強,達到一個極值后又逐步減弱。在冷流比為0.37 左右,達到最佳制冷效應(yīng);當(dāng)冷流比為0.65 左右,達到最佳制熱效應(yīng)。該實驗現(xiàn)象與很多學(xué)者的結(jié)論相一致。經(jīng)分析認(rèn)為最佳制冷效應(yīng)和最佳制熱效應(yīng)是由外側(cè)向中心區(qū)域流體的動量傳遞過程和中心區(qū)域流體向外側(cè)流體熱量傳遞的綜合作用的結(jié)果。此外,制冷效應(yīng)的最佳冷流比基本不隨進氣壓力變化,而制熱效應(yīng)的最大值在冷流比為0.5—0.7 范圍內(nèi)取得,最佳冷流比隨進氣壓力的增加而增大。

圖3 不同進氣壓力下制冷效應(yīng)隨冷流比變化Fig.3 Variation of cooling effects with cold mass fraction under different inlet pressures

圖4 不同進氣壓力下制熱效應(yīng)隨冷流比變化Fig.4 Variations of heating effects with cold mass fraction under different inlet pressures

3.2 不同進氣壓力對能量分離特性的影響

實驗在熱端調(diào)節(jié)閥開度維持不變的情況下,通過調(diào)節(jié)減壓閥控制進口壓力變化。不同進氣壓力對渦流管能量分離特性的影響如圖3、4 所示。

在不同冷流比下增大進口壓力,冷熱端出口溫度的變化趨勢一致:隨進氣壓力的增大,制冷效應(yīng)ΔTc和制熱效應(yīng)ΔTh隨之增大,但增大的幅度逐漸減小,變化趨勢趨于平緩。筆者分析認(rèn)為提高渦流管的進氣壓力會使氣體在噴嘴內(nèi)的膨脹過程更加充分,進入渦流室內(nèi)的氣流速度增加,在渦流室內(nèi)產(chǎn)生的渦旋加劇,渦流管內(nèi)部的動量以及熱量傳遞過程強化,從而使冷端出口溫度降低,熱端出口溫度上升,渦流管的能量分離性能有所提高。然而如圖所示,當(dāng)進氣壓力由0.3 MPa 提高至1.0 MPa 后,相鄰曲線間的間距逐漸變小,即進氣壓力增加到一定程度后,渦流管分離性能提升就不那么顯著了。造成該現(xiàn)象的原因是當(dāng)進氣壓力增加到一定程度后受噴嘴臨界壓力比的限制,速度提高受限,從而表現(xiàn)出渦流管性能效果提高不顯著。

此外,從圖3 可以看出,在冷流比小于0.6 時,隨進氣壓力的增加,制冷效應(yīng)增加的幅度較大;在高冷流比工況下制冷效應(yīng)隨進口壓力增加的幅度減小。而制熱效應(yīng)則與之相反,在高冷流比工況下(μc>0.5),進口壓力的增加更有利于提升制熱效應(yīng)。另外,在冷流比μc降低至0.05 時,渦流管退化為節(jié)流元件,在不同進口壓力下的制熱效應(yīng)均為負(fù)值。

3.3 不同冷流比對壁面溫度分布的影響

如2.2 節(jié)所述,沿渦流管壁面每隔8 mm 共布置了7 個溫度測點(Twh,Tw4,Tw3,Tw2,Tw1,Tw0和Twc)。為方便起見,測點Twh定義為位置0,測點Twc定義為位置1。據(jù)此,測點Tw4,Tw3,Tw2,Tw1,Tw0分別定義為位置0.167,0.33,0.5,0.667,0.83。圖5a—5d 分別顯示了進氣壓力pin為0.3 MPa、0.5 MPa、0.7 MPa、1.0 MPa 時渦流管壁面溫度在不同冷流比工況下的分布狀況。

如圖5a—5d 所示,隨冷流比的增加,熱端壁面溫度先隨之增大,在一定冷流比時出口溫度達到最大值后隨冷流比(μc>0.75)的增大而減小;冷端壁面溫度先隨冷流比的增大而減小,在一定冷流比時出口溫度達到最小值(μc≈0.37)后再逐漸增大。此外,由圖可以看出,在小冷流比工況下,渦流管內(nèi)的整體溫度較低,而在冷流比較大的工況下,渦流管內(nèi)的整體溫度較高。壁面溫度達到溫度極值的點稱為溫度滯止點。隨著進氣壓力增大,熱端出現(xiàn)滯止點的冷流比增大,冷端出現(xiàn)滯止點的冷流比減小。

圖5 不同進氣壓力下渦流管壁面溫度隨冷流比分布Fig.5 Variations of wall temperature of vortex tube with cold mass fraction under different inlet pressures

本研究分析認(rèn)為隨進口壓力的增大,渦流管內(nèi)流體流動的動能增大,渦流管內(nèi)由強制渦轉(zhuǎn)變?yōu)樽杂蓽u的位置向熱端移動,摩擦產(chǎn)生熱量增多,熱端壁面溫度升高,而內(nèi)部回流引起動量由外向內(nèi)的傳遞過程削弱了渦流管的制熱效應(yīng),但在冷端出口附近由內(nèi)向外的熱量傳遞過程又增強了渦流管制熱效應(yīng)而減緩了其制冷效應(yīng)。在幾個因素綜合作用的影響下,熱端出現(xiàn)溫度滯止現(xiàn)象,且出現(xiàn)該現(xiàn)象的冷流比隨進口壓力的增大而增大。

3.4 不同進氣壓力對壁面溫度分布的影響

圖6a—6h 顯示了不同冷流比工況下渦流管壁面溫度隨不同進氣壓力的分布狀況。如各圖所示,隨進氣壓力的升高,渦流管熱端壁面溫度隨之增大,冷端壁面溫度隨之減小。此外,在冷流比較小時,制冷效應(yīng)增加的幅度較顯著,而在冷流比較大的工況下,制熱效應(yīng)增加的幅度較為顯著。這與3.2 節(jié)中所討論的結(jié)論是一致的。

由圖6h 所示,在進氣壓力pin=0.4 MPa 時,滯止點出現(xiàn)在壁面位置0.42 處;而當(dāng)進氣壓力pin=1.0 MPa 時,滯止點出現(xiàn)在壁面位置為0.37 左右,即隨著進氣壓力的增大,滯止點向熱端移動。

此外,對比圖6a—6h,可以看到隨冷流比的增大,渦流管內(nèi)的溫度分離點(與進口溫度相同的點)向冷端移動。對此做出如下解釋:高壓流體通過噴嘴進入渦流管后經(jīng)歷了一個膨脹過程,流體減壓增速降溫。一部分低溫流體直接從冷端出口流出,同時另一部分低溫流體向熱端出口方向流動。在此過程中,由于流體與壁面的摩擦以及流體內(nèi)部的摩擦作用導(dǎo)致流體溫度上升。而當(dāng)冷流比較大時,渦流管內(nèi)整體壓力較高,在此工況下,氣體在噴嘴和渦流管內(nèi)的膨脹過程并不充分,導(dǎo)致渦流管的噴嘴出口溫度相對較高。流體在向熱端流動的過程中經(jīng)過較短的距離升溫至進口溫度;反之亦然。

圖6 不同冷流比渦流管壁面溫度隨進氣壓力分布Fig.6 Variations of wall temperature of vortex tube with inlet pressures under different cold mass fractions

4 結(jié)論

通過實驗研究探索了進口壓力在pin=0.3—1.1 MPa,冷流比在μc=0.05—0.92 范圍內(nèi)變化時空氣在渦流管中的能量分離特性的變化規(guī)律:

(1)在同一進氣壓力下,隨著冷流比的增大,渦流管的制冷效應(yīng)和制熱效應(yīng)均呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢。在μc=0.37 左右時獲得最佳制冷效應(yīng),在μc=0.65 時獲得最佳制熱效應(yīng)。

(2)在同一冷流比下,制冷、制熱效應(yīng)隨著進氣壓力的增大而增大,其增幅隨著進氣壓力的提高而減緩。此外,在冷流比小于0.6 時,隨著進氣壓力的增加,制冷效應(yīng)增加的幅度較為顯著,而在高冷流比工況下制熱效應(yīng)隨進口壓力的增加增大的幅度較大。

(3)當(dāng)冷流比增大到某一值時,渦流管內(nèi)出現(xiàn)溫度滯止點。隨著進口壓力的增大,熱端溫度滯止點向熱端方向移動且出現(xiàn)該現(xiàn)象的冷流比增大;當(dāng)冷流比減小到一定值,冷端壁面出現(xiàn)溫度滯止點,隨著進氣壓力的增大出現(xiàn)溫度滯止點的冷流比減小。

(4)隨著冷流比的增大,渦流管內(nèi)的溫度分離點向冷端移動。