渦流管能量分離特性研究進(jìn)展

茅 磊，歐陽欣，閆 鋒，謝 磊，聶超飛,李 博

(1.北京石油化工學(xué)院/深水油氣管線關(guān)鍵技術(shù)與裝備北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102617； 2.中國石油管道科技研究中心/油氣管道輸送安全國家工程實(shí)驗(yàn)室，河北 廊坊 065000)

渦流管又稱Ranque-Hilsch管(RHVT)，是一種較為簡單的機(jī)械裝置，由噴嘴、渦流室、冷孔板、冷端管、熱端管和可調(diào)熱流控制閥等部件構(gòu)成[1]。壓縮氣體在噴嘴中膨脹，沿切線方向進(jìn)入渦流室，由于冷孔板的阻擋，氣體在經(jīng)過渦流變換后同時分離成溫度不同的兩股流體，其中外層流體的溫度較高，而內(nèi)層流體的出口溫度低于入口溫度，這種獨(dú)特的現(xiàn)象稱為溫度分離或能量分離效應(yīng)[1]。常規(guī)的渦流管為單向進(jìn)氣，一般根據(jù)冷熱氣流出口位置的不同將渦流管分成2種形式：順流型及逆流型。順流型渦流管中，冷、熱氣流出口在噴嘴的同一側(cè)；逆流型渦流管外層熱流體直接從熱端出口流出，中心冷流體以相反的方向從冷端出口流出。此外，還有雙向進(jìn)氣的渦流管，即在逆流型渦流管的基礎(chǔ)上，于熱端中心處外加補(bǔ)充氣流，與初始?xì)饬魅肟谕瑫r進(jìn)氣。3種形式的渦流管如圖1所示。

圖1 3種形式渦流管示意圖

渦流管的能量分離機(jī)制極為復(fù)雜，至今仍沒有一種公認(rèn)的精確理論能夠從本質(zhì)上加以解釋，許多研究者采用實(shí)驗(yàn)或數(shù)值模擬方法對渦流管的制熱、制冷性能及其能量分離效率開展了大量工作[2-10]。由于渦流管具有結(jié)構(gòu)簡單、設(shè)計緊湊、價格低廉等優(yōu)點(diǎn)，在化工、電子、汽車等領(lǐng)域得到了應(yīng)用[11-13]。如在天然氣領(lǐng)域，渦流管技術(shù)現(xiàn)已應(yīng)用于露點(diǎn)控制、輕烴回收、天然氣液化、燃料氣處理和替代電伴熱等方面，并取得了一定的社會經(jīng)濟(jì)效益[11-12]。然而，渦流管能量分離的效率偏低一直是制約其大規(guī)模推廣應(yīng)用的瓶頸[13]，如何提高能量分離效率值得進(jìn)一步深入研究。因此，筆者通過調(diào)研國內(nèi)外關(guān)于渦流管能量分離性能及優(yōu)化的研究成果，著重對結(jié)構(gòu)參數(shù)、操作參數(shù)、工作介質(zhì)及連接回路等方面進(jìn)行評述，指出亟待開展的重點(diǎn)工作，以期為后續(xù)研究提供借鑒。

1 渦流管能量分離特性評價指標(biāo)

以經(jīng)典的RHVT為例，渦流管的能量分離特性主要采用以下幾個指標(biāo)進(jìn)行評價[14]：

冷端溫降：

ΔTc=Ti-Tc

(1)

熱端溫降：

ΔTh=Th-Ti

(2)

冷熱端溫差：

ΔT=Th-Tc=ΔTc+ΔTh

(3)

冷流率：

(4)

制熱能效比(Coefficient of Performance，COP)為能量與熱量之間的轉(zhuǎn)換比率，可用于衡量渦流管的能效性能。依據(jù)Sim?es-Moreira的研究[15]，渦流管能效系數(shù)定義如下：

制冷循環(huán)操作模式下：

(5)

熱泵操作模式下：

(6)

式中：ε為冷流質(zhì)量分?jǐn)?shù)；k為理想氣體在恒壓與恒容條件下的比熱容之比；Pi、Po分別為流體的入口壓力和出口壓力，Pa。

2 結(jié)構(gòu)參數(shù)對能量分離特性的影響

2.1 噴嘴

Hamdan等[16]基于COP值測試了多組不同形狀的噴嘴，考察了幾何形狀對渦流管冷卻性能的影響。在進(jìn)口狀態(tài)和流道截面積相同的條件下，漸縮型噴嘴有利于氣體在流道中加速，其制熱性能優(yōu)于直型噴嘴，但隨著冷流率的增大，制熱性能的優(yōu)勢逐漸減小。漸縮-漸擴(kuò)型噴嘴的溫度分離效果優(yōu)于單一的漸縮型噴嘴，其原因是氣體在漸縮-漸擴(kuò)型噴嘴中的湍動能增大，強(qiáng)化了渦流管的能量分離效應(yīng)。矩形噴嘴渦流管的制冷效應(yīng)、單位制冷量及制冷效率均優(yōu)于圓形噴嘴渦流管，但制熱效應(yīng)卻正好相反。李龍等[17]通過改變噴嘴流道口的截面寬度B來調(diào)整渦流室的進(jìn)氣面積，在結(jié)構(gòu)參數(shù)給定的條件下，進(jìn)氣面積存在與渦流管通流能力相匹配的最優(yōu)值，此時對應(yīng)的制冷效果最好。在保持其他結(jié)構(gòu)參數(shù)和邊界條件不變的情況下，分別比較了B取0.9、1.2 mm和1.5 mm時，渦流管在不同冷流率η下的總溫差和制冷效率，結(jié)果表明B=1.2 mm優(yōu)于另外2組。Takahama等[18]對噴嘴進(jìn)氣方式的研究結(jié)果表明，切向進(jìn)氣優(yōu)于螺旋進(jìn)氣和切向槽形進(jìn)氣，阿基米德螺線型優(yōu)于直線型和圓弧線型。

Attalla[19]和Kirmaci等[20]對噴嘴數(shù)量的影響進(jìn)行了評估，當(dāng)噴嘴數(shù)為3、4和6時，渦流管的性能最高。根據(jù)Cebeci[21]以及Kirmaci等[22]對噴嘴數(shù)量的研究結(jié)果，一般情況下增加噴嘴數(shù)能夠促使渦流管趨近最佳性能。Kaya等[23]在實(shí)驗(yàn)研究中使用鋁-6噴嘴和2個平行連接的RHVT達(dá)到了性能最佳效果。Avci[24]開展了噴嘴數(shù)分別為1、2和3的螺旋噴嘴實(shí)驗(yàn)，通過調(diào)節(jié)相關(guān)參數(shù)，每一種情況都能獲得最佳性能。Attalla等[25]在另一項(xiàng)研究中發(fā)現(xiàn)，對不同冷流率η的RHVT，3個噴嘴對應(yīng)的COP值最高。Behera[26]通過流體動力學(xué)計算以及實(shí)驗(yàn)研究得出，在噴嘴數(shù)小于6的情況下，雙數(shù)噴嘴的效率高于單數(shù)噴嘴。

2.2 熱端管

圖2 熱負(fù)荷及COP值隨熱端管錐角的變化[16]

熱端管的形狀主要有2種：圓管和錐管。相對于圓管，錐管的性能得到明顯提升，換言之，在取得相同的渦流管性能的前提下，采用錐管結(jié)構(gòu)可以縮短熱端管的長度。Hamdan等[16]選用不同錐角分析比較對渦流管能量分離特性的影響，結(jié)果如圖2所示。由圖2中可以看出，熱端管錐角為0°時效果最佳，結(jié)合文獻(xiàn)[26-30] ，推薦錐管渦流管的錐角一般取2～4°。

熱端管直徑對渦流管能量分離特性的影響尚有分歧，有人認(rèn)為渦流管性能隨熱端管與噴嘴喉部的相對面積的增大而增大，即熱端管直徑大的渦流管性能更好[31-32]；而有人則認(rèn)為在一定冷流率范圍內(nèi)，熱端管直徑小的渦流管性能更好，超過臨界冷流率，情況則正好相反[33]。Mohammad等[34]指出，當(dāng)冷流率為0.5以下時，隨著管徑的增加，二次循環(huán)流的增多會使RHVT的性能更好，此時流體在渦流管內(nèi)的流動時間更長，能更好地促進(jìn)流體分離為高能量和低能量狀態(tài)；當(dāng)冷流率升至0.5以上，由于質(zhì)量守恒，當(dāng)管徑增加，角速度減小，徑向壓力梯度減小，從而減少了離心力，導(dǎo)致RHVT的性能下降。

研究熱端管長對渦流管性能的影響時常采用長徑比的概念，將其定義為熱端管長與熱端管直徑之比。Behera等[26]認(rèn)為如果停滯點(diǎn)(軸向停滯點(diǎn)是流體停止向熱端出口流動的點(diǎn)，并開始向相反的方向流動到冷端出口)在熱端管長度之內(nèi)，增加熱端管長度可以增強(qiáng)渦流管的溫度分離效果。在高冷流率下，熱端管越長，渦流管性能越好。當(dāng)冷流率降至0.7以下時，如果長徑比低于10，渦流管性能隨熱端管長度增加而顯著增強(qiáng)；如果長徑比高于20，渦流管性能反而下降。Mohammad等[16]在熱端管直徑16 mm、冷端出口直徑5.4 mm的條件下，考察熱端管長度分別為66、113 mm和158 mm時對能量分離特性的影響，結(jié)果表明長度為113 mm的性能較好。

2.3 冷端孔板

冷板孔徑對渦流管性能的影響與冷流率的變化有關(guān)，在不同的冷流率范圍下，存在冷板孔徑的最優(yōu)值[33-34]。Hilsch[31]建議冷板孔徑與熱端管直徑之比宜在0.45～0.6的范圍內(nèi)。隨著冷板孔徑的增加，制熱效應(yīng)越好。以冷板孔徑10 mm(與熱端管直徑比為1∶2)為分界點(diǎn)，隨著冷流率的變化，渦流管制冷效應(yīng)、單位制冷量及制冷效率在分界點(diǎn)前后呈現(xiàn)出了不同的變化趨勢。當(dāng)冷流率小于0.65、冷板孔徑小于10 mm時，隨著孔徑增大，渦流管的制冷效應(yīng)、單位制冷量及制冷效率均降低；當(dāng)冷板孔徑大于10 mm時，隨著孔徑增大，渦流管性能增強(qiáng)，當(dāng)冷板孔徑為14 mm(與熱端管直徑比為0.7∶1)時渦流管性能最佳，10 mm的渦流管性能最差。當(dāng)冷流率大于0.65、冷孔板小于10 mm時，隨著孔徑增大，渦流管的制冷效應(yīng)、單位制冷量及制冷效率均增強(qiáng)；冷板孔徑大于10 mm時，隨著孔徑增大，渦流管的制冷效應(yīng)、單位制冷量及制冷效率均降低，以冷板孔徑10 mm的渦流管性能最好。

2.4 冷熱端調(diào)節(jié)閥

冷流調(diào)節(jié)閥用于調(diào)節(jié)渦流管冷流率，常見有針形閥和球形閥。James等[35]通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，對于短渦流管，選用球形閥較好，采用針形閥會使溫降減小。針形閥的錐角以45°為宜，但若把針形閥旋轉(zhuǎn)90°安裝，效果比球形閥好。

2.5 渦流室

配置較大渦流室的渦流管能獲得更好的能量分離效果。胡卓煥等[36]基于Realizablek-ε湍流模型，從冷端溫差、熱端溫差、等熵效率、單位質(zhì)量壓縮氣體的制冷量和制熱量等對4種不同渦流室直徑(渦流室直徑與熱端管直徑比分別為1、1.31、1.625、1.875)的渦流管的性能進(jìn)行對比研究，結(jié)果表明當(dāng)渦流室直徑與熱端管直徑比為1.875時，渦流室中心位置的湍流強(qiáng)度較低，熱端管末端的湍流強(qiáng)度較高，其能量分離效果更為顯著。

對渦流管能量分離特性的研究一般從這5個關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)入手，由于研究者們采用的渦流管結(jié)構(gòu)參數(shù)和能量分離性能評價參數(shù)存在較大差別，所以研究結(jié)果不具有普遍性，不適用于所有渦流管，難以具有系統(tǒng)的指導(dǎo)意義?，F(xiàn)階段推薦用正交實(shí)驗(yàn)方法等對渦流管結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響進(jìn)行研究，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

3 操作參數(shù)對能量分離特性的影響

3.1 入口壓力

在多數(shù)實(shí)驗(yàn)研究中，冷端出口壓力均為大氣壓力且恒定不變，在這種情況下膨脹比的變化也就是入口壓力的變化。也有少數(shù)文獻(xiàn)研究了冷端出口壓力可變時，膨脹比及入口壓力對渦流管性能的影響。Piralishvili等[37]設(shè)計了一種雙向進(jìn)氣的渦流管，在熱端軸向補(bǔ)入冷氣，以提高渦流管效率。中科院的劉立強(qiáng)等[38]也對這種渦流管進(jìn)行了研究，結(jié)果表明冷熱端溫差隨進(jìn)口壓力增大而增大，但趨勢逐漸減緩。Mohammad等[16]通過實(shí)驗(yàn)對比得出，當(dāng)壓力增大到最佳壓力時，能量分離效率就會增加，制冷、制熱性能相應(yīng)提高。其原因是增大進(jìn)口壓力會增大進(jìn)口速度，增強(qiáng)離心力，從而提高能量分離效率。然而，一旦進(jìn)口流速達(dá)到音速，堵塞的氣流就會導(dǎo)致RHVT的性能下降。

3.2 入口溫度

由于調(diào)節(jié)和保持入口溫度比較復(fù)雜，在實(shí)際應(yīng)用中難以控制，因而研究入口溫度對渦流管能量分離特性的文獻(xiàn)較少。一般認(rèn)為，入口溫度對渦流管性能影響較小，隨著入口溫度增加，渦流管的制冷、制熱效率均有所增加[39]。

3.3 出口壓力

Davood等[40]指出出口壓力的影響較為重要，如果渦流管的出口直接連通大氣，由于較高的壓比，溫度分離效率會增加；然而，如果渦流管的出口連接到另一個渦流管入口，由于壓比下降，溫度分離效率將比前一種情況低。為了考察出口壓力的影響，他們在熱、冷端出口安裝了2個閥門進(jìn)行壓力調(diào)節(jié)。由于渦流管的出口壓力增加，導(dǎo)致冷熱分離效果變差，此時可以通過提高入口壓力或降低出口壓力來彌補(bǔ)。

3.4 冷流率

冷流率既是表征渦流管冷流流量的性能參數(shù)，也是影響渦流管性能的操作參數(shù)。Hilsch[31]針對冷流率的最佳取值范圍進(jìn)行了研究，推薦的取值范圍為0.2～0.8。當(dāng)冷流率小于0.2時，會發(fā)生冷端制熱、熱端制冷現(xiàn)象；當(dāng)冷流率大于0.8時，若熱端管過長會發(fā)生滯止現(xiàn)象。冷流率對渦流管性能的影響很大，冷流率在0.2～0.3之間能獲得最佳冷卻溫度，在0.6～0.7之間能獲得最大單位制冷量和最大制冷效率[31，41-42]。

與渦流管的結(jié)構(gòu)參數(shù)類似，對渦流管操作參數(shù)的研究結(jié)果同樣不具有普遍性，難以系統(tǒng)指導(dǎo)設(shè)計渦流管的最佳操作參數(shù)。需要在現(xiàn)有研究結(jié)果的基礎(chǔ)上，采取類似正交實(shí)驗(yàn)等方法，確定各參數(shù)對渦流管能量分離特性的影響次序，以便指導(dǎo)渦流管的最佳設(shè)計。

4 工質(zhì)對能量分離特性的影響

渦流管采用的工質(zhì)流體一般為壓縮空氣，由于空氣中含有氧氣、二氧化碳、氮、氬、水蒸氣等組分，因此這些組分氣體也被用于考察對渦流管能量分離特性的影響。Thakare等[43]發(fā)現(xiàn)氮的性能最好，二氧化碳的性能最差，氦、氖、甲烷、氪等氣體可以在純凈狀態(tài)下用作RHVT的工質(zhì)。Kirmaci等[44]和Saidi等[45]選用空氣、氮?dú)?、氬?種氣體進(jìn)行對比實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明空氣的性能最好。Marlyonvskii等[46]用實(shí)驗(yàn)證明了氨氣在渦流管中也能產(chǎn)生能量分離效應(yīng)。Marshall[47]用幾種不同的混合氣體做實(shí)驗(yàn)，得出混合氣體也有能量分離效應(yīng)的結(jié)論。Takahama[48]用水蒸氣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)適用于空氣的渦流管結(jié)構(gòu)設(shè)計經(jīng)驗(yàn)公式同樣適用于水蒸氣。Balmer[49]用水作為工作流體對渦流管進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明渦流管內(nèi)溫度分離現(xiàn)象不僅限于可壓縮氣體和蒸汽，不可壓縮流體在渦流管內(nèi)也可產(chǎn)生能量分離。Collins和Lovelace[50]用兩相丙烷作介質(zhì)，通過實(shí)驗(yàn)得出當(dāng)進(jìn)氣流變?yōu)轱柡突旌蠎B(tài)時，能量分離效應(yīng)的效果將下降；當(dāng)進(jìn)氣干度大于80%時，能量分離效應(yīng)才可以保持；當(dāng)進(jìn)氣干度小于80%時，熱端溫度大幅降低。

工質(zhì)種類不同，如導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容、可壓縮性等性質(zhì)不同，可通過數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合進(jìn)行具體研究，解釋工質(zhì)對渦流管能量分離特性的作用機(jī)理。

5 渦流回路對能量分離特性的影響

Dincer等[51]提出通過2個以上的渦流管來獲得更好的能量分離性能的想法，對不同的設(shè)計回路進(jìn)行測試。Atalla等[52]針對串聯(lián)和并聯(lián)2個相同渦流管的能量分離開展對比研究，串聯(lián)渦流管系統(tǒng)的COP值高于并聯(lián)渦流管系統(tǒng)。Kaya等[53]在2018年設(shè)計并測試了一個平行連接回路，以研究連接效應(yīng)對RHVT熱性能的影響，并與Kirmaci等[54]在2017年開展的另一項(xiàng)關(guān)于串并聯(lián)渦流管回路與壓縮空氣、鋁和黃銅噴嘴的研究進(jìn)行了對比。根據(jù)Kaya的研究結(jié)果，并聯(lián)系統(tǒng)比串聯(lián)系統(tǒng)的能量分離效率更高。此外，還設(shè)計了其他平行和串行連接系統(tǒng)，以便與Attalla等[52]的結(jié)果進(jìn)行比較，為渦流管能量分離特性的優(yōu)化提出了一種新思路。

6 總結(jié)與展望

渦流管的結(jié)構(gòu)參數(shù)、操作參數(shù)、工質(zhì)等對其能量分離特性具有重要影響，基于國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，可得一般性結(jié)論：

(1)雙數(shù)噴嘴優(yōu)于單數(shù)噴嘴，線形以阿基米德螺線的效果較好，矩形截面的制冷效應(yīng)優(yōu)于圓形截面，但制熱效應(yīng)與此相反。

(2)錐形熱端管優(yōu)于圓形熱端管，錐角一般取2～4°。熱端管的長徑比在10∶1以下時，渦流管性能隨熱端管長度增加而增強(qiáng)；長徑比在20∶1以上時，渦流管性能反而下降，且隨著熱端管長度變化不大。

(3)膨脹比較大時， 增大入口壓力能提高渦流管的制冷、制熱性能。隨著出口壓力的增加，渦流管的制冷效率提高，但達(dá)到一定壓力后反而下降。

(4)冷流率在0.2～0.3之間能獲得最佳制冷效應(yīng)，在0.6～0.7之間能獲得最大單位制冷量和最大制冷效率。當(dāng)冷流率在0.65以上時，冷板孔徑為10 mm的渦流管能量分離性能最好。

隨著中俄東線等重大天然氣管道工程的建設(shè)，我國天然氣行業(yè)將迎來新一輪蓬勃發(fā)展的局面。鑒于天然氣管道調(diào)壓系統(tǒng)先導(dǎo)氣在線加熱的需求和特點(diǎn)，渦流管加熱技術(shù)有望在天然氣領(lǐng)域得到大規(guī)模推廣應(yīng)用，因此迫切需要一種能更好適應(yīng)我國天然氣管道系統(tǒng)和環(huán)境條件的新型高效渦流管加熱器，如何在現(xiàn)有基礎(chǔ)上進(jìn)一步研究渦流管內(nèi)部能量分離的機(jī)理以提升能量分離效率將成為今后研究的重難點(diǎn)。