工業(yè)機(jī)柜渦流管制冷裝置性能試驗(yàn)研究

代 乾,涂淑平,陳 鈞

(1.天津城市建設(shè)學(xué)院能源與安全工程學(xué)院,天津300384;2.上海海事大學(xué)商船學(xué)院,上海200135)

1 前 言

渦流管,又稱Ranque-Hilsch管,是一種能量分離裝置,工作時(shí)可將壓縮氣體分離為高溫和低溫兩股氣流,具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、可靠性高、制造容易、成本低、操作維護(hù)方便、壽命長(zhǎng)、適應(yīng)性強(qiáng)、可進(jìn)行連續(xù)操作和間歇操作、不用氟利昂制冷劑等優(yōu)點(diǎn)。目前利用渦流管的能量分離效應(yīng)已經(jīng)在很多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用,制成各種型式或具有各種不同功能的渦旋裝置以解決各種工程實(shí)際應(yīng)用問題[1-6]。工業(yè)機(jī)柜在各行業(yè)得到廣泛應(yīng)用,其冷卻方式普遍采用風(fēng)機(jī)直接冷卻或自然對(duì)流冷卻方式,近年出現(xiàn)了采用壓縮式機(jī)柜空調(diào)機(jī)進(jìn)行冷卻。但在高濕度和油霧等環(huán)境下,這些冷卻方式會(huì)對(duì)電子元件的工作壽命、可靠性等產(chǎn)生不利影響,甚至影響到正常工作。相比較這些裝置,渦流管制冷器具有很好的發(fā)展前途,對(duì)于有廉價(jià)壓縮空氣或天然氣源可以利用,或者使用空間較小而又不經(jīng)常出現(xiàn)需求的場(chǎng)合,渦流管制冷具有明顯優(yōu)勢(shì)。工業(yè)機(jī)柜渦流管制冷器的關(guān)鍵是其結(jié)構(gòu)和性能的優(yōu)化,因此開展工業(yè)機(jī)柜渦流管制冷器的性能試驗(yàn)研究具有十分重要的理論意義及工程實(shí)用價(jià)值。

2 工業(yè)機(jī)柜渦流管制冷實(shí)驗(yàn)裝置

本實(shí)驗(yàn)臺(tái) (圖1)包括:渦流管管路系統(tǒng)、電路系統(tǒng)和測(cè)試系統(tǒng)。圖2是本實(shí)驗(yàn)臺(tái)使用的工業(yè)機(jī)柜渦流管實(shí)物照片。

圖1 工業(yè)機(jī)柜渦流管制冷裝置性能實(shí)驗(yàn)臺(tái)

圖2 渦流管

本實(shí)驗(yàn)裝置用來測(cè)試渦流管的制冷性能以及在工業(yè)機(jī)柜上的應(yīng)用效果,衡量渦流管的制冷性能的指標(biāo)可以表示如下:

渦流管制冷效應(yīng):

渦流管制熱效應(yīng):

渦流管冷熱分離效應(yīng):

其中Ti,Th,Tc分別表示入口總溫,熱氣流總溫,冷氣流總溫。

整個(gè)的實(shí)驗(yàn)過程中工業(yè)機(jī)柜無熱負(fù)荷,對(duì)渦流管性能進(jìn)行測(cè)試實(shí)驗(yàn)。本文提到的渦流管熱閥開度是指渦流管熱端調(diào)節(jié)閥的開度,熱閥開度最大時(shí)熱端調(diào)節(jié)閥的螺母旋開開度最大,熱氣流的流量最大;熱閥開度最小指的是調(diào)節(jié)閥開度最小,保持很小的熱氣流流量時(shí)調(diào)節(jié)閥的開度。

3 結(jié)果及分析

3.1 渦流管性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)

由空氣壓縮機(jī)排出的高壓空氣經(jīng)過溫度不變的水槽,然后進(jìn)入渦流管進(jìn)氣端,研究渦流管的入口溫度對(duì)渦流管性能的影響規(guī)律。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為渦流管熱閥開度最大,環(huán)境溫度為8.9℃時(shí)所測(cè),如圖3、圖4和圖5所示。

(1)圖3所示為高壓空氣的入口溫度對(duì)渦流管制冷效應(yīng)的影響。

圖3 入口溫度對(duì)渦流管制冷效應(yīng)的影響

在入口壓力不變的情況下,隨著高壓空氣入口溫度的增加,渦流管的制冷效應(yīng)降低,且壓力越高,制冷效應(yīng)下降的程度更大。如圖3所示,當(dāng)入口溫度 Ti由14.7℃上升到21.6℃,入口壓力為0.2MPa時(shí),渦流管的制冷效應(yīng) △Tc從15.9℃降低到11.6℃,降低了4.3℃;入口壓力為0.1MPa時(shí),渦流管的制冷效應(yīng) △Tc從11.5℃降低到8.8℃,降低了2.7℃。說明渦流管的制冷效應(yīng)在高壓空氣入口溫度升幅相同的情況下,入口壓力較大時(shí)受到的影響更大。

(2)圖4表明的是高壓空氣的入口溫度對(duì)渦流管制熱效應(yīng)的影響。在入口壓力不變的情況下,增加高壓空氣的入口溫度時(shí),渦流管的制熱效應(yīng)變好,在不同壓力條件下,制熱效應(yīng)升高的程度基本相同。

圖4 入口溫度對(duì)渦流管制熱效應(yīng)的影響

(3)圖5所示的是高壓空氣的入口溫度對(duì)渦流管分離效應(yīng)的影響。圖中表明在入口壓力不變下,渦流管的分離效應(yīng)與入口溫度關(guān)系不大。

圖5 入口溫度對(duì)渦流管分離效應(yīng)的影響

3.2 高壓空氣入口壓力對(duì)渦流管性能的影響

進(jìn)入渦流管的高壓空氣壓力范圍為0～0.2MPa,此時(shí)空氣壓縮機(jī)的排氣壓力范圍為0～0.4MPa,不同壓力下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可通過調(diào)節(jié)空壓機(jī)出口的流量調(diào)節(jié)閥就可以得到。實(shí)驗(yàn)是在環(huán)境溫度為8.5℃的條件下進(jìn)行的,渦流管熱端的開度為從最大到最小一圈。

(1)高壓空氣的入口壓力對(duì)渦流管制冷效應(yīng)的影響見圖6。在入口溫度分別為13℃、15.8℃和20.1℃的情況下,當(dāng)高壓空氣的入口壓力從0.06MPa升高到0.20MPa時(shí),渦流管的制冷效應(yīng)分別從6.5℃上升到16.5℃、從6.2℃上升到16℃和從6.4℃上升到18℃,渦流管的制冷效應(yīng)升高的幅度相當(dāng)明顯。

圖6 入口壓力對(duì)渦流管制冷效應(yīng)的影響

(2)高壓空氣的入口壓力對(duì)渦流管制熱效應(yīng)的影響見圖7。在入口溫度分別為13℃、15.8℃和20.1℃的情況下,當(dāng)高壓空氣的入口壓力從0.06MPa升高到0.20MPa時(shí),渦流管的制熱效應(yīng)都急速升高,如圖中所示在當(dāng)入口溫度為13℃、15.8℃和20.1℃時(shí),渦流管的制熱效應(yīng)分別升高了11.5℃、18℃和14.2℃。

圖7 入口壓力對(duì)渦流管制熱效應(yīng)的影響

(3)圖8所示的是高壓空氣的入口壓力對(duì)渦流管分離效應(yīng)的影響。

圖中表明在相同的入口溫度下,渦流管的分離效應(yīng)隨著入口壓力的增加而增加,從 (1)和 (2)可見,當(dāng)入口壓力增加時(shí),渦流管的制冷效應(yīng)和制熱效應(yīng)都明顯增加,因此渦流管的分離效應(yīng)也隨之增加。

圖8 入口壓力對(duì)渦流管分離效應(yīng)的影響

3.3 渦流管熱閥開度對(duì)渦流管性能的影響

在實(shí)驗(yàn)中,我們作如下約定:熱閥從開度最大到最小可以擰3圈,用K表示熱閥從最大到最小的開度。

在實(shí)驗(yàn)條件:P0=0.2MPa時(shí),我們測(cè)試了K=3,2,1,0.1四種情況下,渦流管的不同特性。

(1)圖9是熱閥開度對(duì)渦流管制冷效應(yīng)的影響示意圖,圖中顯示,隨著熱閥開度的增加,渦流管的制冷效應(yīng)總體趨勢(shì)變小,而在K=1時(shí)有最好的制冷效應(yīng)。

圖9 熱閥開度對(duì)渦流管制冷效應(yīng)的影響

(2)圖10是熱閥開度對(duì)渦流管制熱效應(yīng)的影響示意圖,從圖中可以看出,隨著熱閥開度的增加,渦流管的制熱效應(yīng)總的趨勢(shì)是增加的,在K=2附近制熱效應(yīng)達(dá)到最大,隨后K=3的時(shí)候制熱效應(yīng)又有所下降。

圖10 熱閥開度對(duì)渦流管制熱效應(yīng)的影響

(3)圖11是熱閥開度對(duì)渦流管分離效應(yīng)的影響示意圖,從曲線可以看出:當(dāng)熱閥開度K=1或2時(shí),渦流管都有較好的分離效應(yīng)。造成這樣的原因是,K=1時(shí)渦流管的冷氣流溫度較低,熱氣流溫度相對(duì)K=2也較低;同時(shí)K=2時(shí)渦流管的冷氣流溫度較高,熱氣流溫度相對(duì)K=1時(shí)也較高,以至于渦流管的分離效應(yīng)相近。

圖11 熱閥開度對(duì)渦流管分離效應(yīng)的影響

4 結(jié)論

渦流管為工業(yè)機(jī)柜渦流管制冷裝置性能實(shí)驗(yàn)臺(tái)的主要研究對(duì)象,通過實(shí)驗(yàn)可以得出以下結(jié)論:

(1)渦流管的入口溫度越低,渦流管表現(xiàn)出更好的制冷性能。渦流管的制冷效應(yīng)變好,制冷性能變好的趨勢(shì)到一定程度逐漸減緩;同時(shí)渦流管的入口溫度越低,渦流管制熱性能越差。渦流管的制熱效應(yīng)也變差;渦流管的入口溫度對(duì)渦流管的分離效應(yīng)影響不大。

(2)渦流管的入口壓力越高,渦流管表現(xiàn)出更好的制熱性能和制熱效應(yīng)。隨著渦流管入口壓力的提高,渦流管的分離效應(yīng)也增強(qiáng)。

(3)熱閥開度K=1時(shí),渦流管有最好的制冷性能和制冷效應(yīng);熱閥開度K=2時(shí),渦流管有最好的制熱性能和制熱效應(yīng);熱閥開度K=1和K=2時(shí)都有較高的分離效應(yīng)。

[1]顏廷昭.用渦流管增加天然氣凝液的回收 [J].國(guó)外油田工程,1999,(1):52-54

[2]沙慶云,徐維勤,徐壽林等.天然氣處理新技術(shù)——渦流管和封閉能量循環(huán)[J].天然氣化工,1994,(5):37-42

[3]丁永鋼,侯予,熊聯(lián)友.渦流管的應(yīng)用[J].低溫工程,2004,(1):56-59

[4]張王宗,李保華.渦流制冷方式在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用[J].潔凈與空調(diào)技術(shù),2006,(3):51-53

[5]黃方谷.渦流管制冷的應(yīng)用與實(shí)踐 [J].制冷學(xué)報(bào),1992,(3):49-53

[6]Khodorkov,Poshernev,Zhidkov.The vortex tube-A universal device for heating,cooling,cleaning and drying gases and separating gas mixtures[J].Chemical and Petroleum Engineering.2003,39(9-10):409-415