渦流管能量分離特性的實(shí)驗(yàn)研究

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(jiǎn)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(shí),高壓氣體進(jìn)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(jìn)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(jiǎn)單,然而其內(nèi)部三維流動(dòng)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(jī)理,如壓力梯度理論[1],換熱器理論[2],動(dòng)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(cè)渦流管的分離性能時(shí)仍存在較大分歧?，F(xiàn)有模型均存在考慮因素過于單一,對(duì)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(duì)渦流管內(nèi)部的能量分離機(jī)理仍缺乏清晰的認(rèn)識(shí)[7]。另一方面,操作參數(shù)對(duì)渦流管的性能有顯著影響,為了實(shí)現(xiàn)渦流管的最佳工作狀況,研究者開展了大量針對(duì)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(shí)驗(yàn)研究,并以百分比形式表征了上述操作參數(shù)對(duì)渦流管分離性能的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明工作壓力對(duì)其分離性能的影響最大(79.50%)。王舒等[9]探索了進(jìn)出口壓比對(duì)渦流管特性的影響,指出當(dāng)進(jìn)出口壓比小于5.5 時(shí),渦流管的制冷、制熱能力與進(jìn)出口壓比成正比;當(dāng)壓比大于5.5 時(shí),制冷制熱能力出現(xiàn)明顯的降低;同時(shí)制冷量與壓比呈正相關(guān)且增長(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)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(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),存在一個(gè)最佳冷流比使能量分離達(dá)到最大且不受冷孔板孔徑和進(jìn)口壓力的影響;當(dāng)冷質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到0.3 左右時(shí)可實(shí)現(xiàn)最大冷卻效果,當(dāng)冷質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為0.7 時(shí)可獲得最大制熱效應(yīng)。Li 等[12]也針對(duì)不同冷流比(0.2、0.4、0.6、0.8)對(duì)渦流管內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)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(dòng)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(jìn)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?cè)斐闪肆鲌?chǎng)的改變,而后者是渦流管性能改變的根本原因。

本研究對(duì)渦流管在不同操作參數(shù)下的邊界條件(管壁溫度、兩個(gè)出口處的溫度和壓力)進(jìn)行了分析。相比于測(cè)量?jī)?nèi)部流場(chǎng),測(cè)量邊界條件對(duì)流場(chǎng)帶來的擾動(dòng)要小得多,有利于提高探究?jī)?nèi)部流場(chǎng)的可靠性。在之前的工作中[14],本研究已針對(duì)進(jìn)氣壓力在1 MPa時(shí)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(jìn)氣壓力下渦流管的溫度分離現(xiàn)象進(jìn)行了研究。在本研究中進(jìn)一步拓展了數(shù)據(jù)范圍(進(jìn)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(shí)驗(yàn)研究,以進(jìn)一步探索溫度滯止點(diǎn)與溫度分離點(diǎn)隨進(jìn)口壓力及冷流比的變化規(guī)律及其內(nèi)在機(jī)理。

2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)介紹

2.1 實(shí)驗(yàn)裝置介紹

搭建的“渦流管能量分離特性”的開式系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)如圖1 所示[13]。

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

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要由壓縮機(jī)、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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)以空氣為工質(zhì)。實(shí)驗(yàn)流程如下:空壓機(jī)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(jìn)氣壓力。隨后氣體流經(jīng)三級(jí)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(jì)。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(jì)2 或質(zhì)量流量計(jì)3(當(dāng)冷流比較小時(shí))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(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的連接銅管都包有保溫材料,盡量減少外界熱量對(duì)實(shí)驗(yàn)的干擾。

2.2 測(cè)量裝置介紹

實(shí)驗(yàn)中所采用的測(cè)量裝置包括流量計(jì)、熱電偶、壓力傳感器等,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)由安捷倫數(shù)據(jù)采集儀采集并儲(chǔ)存,測(cè)量元件的型號(hào)和精度如表1 所示。

表1 測(cè)量元件的型號(hào)與精度Table 1 Type and accuracy of measuring devices

如圖1 所示,渦流管進(jìn)口,冷端和熱端出口均設(shè)置有壓力傳感器和熱電偶。進(jìn)口質(zhì)量流量由質(zhì)量流量計(jì)1 測(cè)量,冷端出口流量由質(zhì)量流量計(jì)2(小冷流比工況)和氣體流量計(jì)3 測(cè)量。采用3 個(gè)不同測(cè)量范圍的流量計(jì)可提高測(cè)量數(shù)據(jù)的可靠性。熱電偶插入渦流管進(jìn)口和冷熱端出口進(jìn)行溫度測(cè)量。由于渦流管內(nèi)部插入熱電偶,會(huì)對(duì)渦流管內(nèi)部流場(chǎng)產(chǎn)生干擾而影響能量分離特性,故為了提高測(cè)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(duì)其壁面溫度進(jìn)行測(cè)量。壓力與溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行采集后輸入計(jì)算機(jī)。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 不同冷流比對(duì)能量分離特性的影響

本實(shí)驗(yàn)探索了進(jìn)氣壓力pin在0.3—1.1 MPa 范圍內(nèi)不同冷流比對(duì)渦流管溫度分離特性的影響規(guī)律。實(shí)驗(yàn)中維持進(jìn)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(qiáng),達(dá)到一個(gè)極值后又逐步減弱。在冷流比為0.37 左右,達(dá)到最佳制冷效應(yīng);當(dāng)冷流比為0.65 左右,達(dá)到最佳制熱效應(yīng)。該實(shí)驗(yàn)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(dòng)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(jìn)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(jìn)氣壓力的增加而增大。

圖3 不同進(jìn)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(jìn)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(jìn)氣壓力對(duì)能量分離特性的影響

實(shí)驗(yàn)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(jìn)口壓力變化。不同進(jìn)氣壓力對(duì)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(jìn)口壓力,冷熱端出口溫度的變化趨勢(shì)一致:隨進(jìn)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(shì)趨于平緩。筆者分析認(rèn)為提高渦流管的進(jìn)氣壓力會(huì)使氣體在噴嘴內(nèi)的膨脹過程更加充分,進(jìn)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(dòng)量以及熱量傳遞過程強(qiáng)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(shí),隨進(jìn)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(jìn)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(jìn)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(shí),渦流管退化為節(jié)流元件,在不同進(jìn)口壓力下的制熱效應(yīng)均為負(fù)值。

3.3 不同冷流比對(duì)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(gè)溫度測(cè)點(diǎn)(Twh,Tw4,Tw3,Tw2,Tw1,Tw0和Twc)。為方便起見,測(cè)點(diǎn)Twh定義為位置0,測(cè)點(diǎn)Twc定義為位置1。據(jù)此,測(cè)點(diǎn)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(jìn)氣壓力pin為0.3 MPa、0.5 MPa、0.7 MPa、1.0 MPa 時(shí)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(shí)出口溫度達(dá)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(shí)出口溫度達(dá)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(dá)到溫度極值的點(diǎn)稱為溫度滯止點(diǎn)。隨著進(jìn)氣壓力增大,熱端出現(xiàn)滯止點(diǎn)的冷流比增大,冷端出現(xiàn)滯止點(diǎn)的冷流比減小。

圖5 不同進(jìn)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(jìn)口壓力的增大,渦流管內(nèi)流體流動(dòng)的動(dòng)能增大,渦流管內(nèi)由強(qiáng)制渦轉(zhuǎn)變?yōu)樽杂蓽u的位置向熱端移動(dòng),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(dòng)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(qiáng)了渦流管制熱效應(yīng)而減緩了其制冷效應(yīng)。在幾個(gè)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(jìn)口壓力的增大而增大。

3.4 不同進(jìn)氣壓力對(duì)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(jìn)氣壓力的分布狀況。如各圖所示,隨進(jìn)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(shí),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(jìn)氣壓力pin=0.4 MPa 時(shí),滯止點(diǎn)出現(xiàn)在壁面位置0.42 處;而當(dāng)進(jìn)氣壓力pin=1.0 MPa 時(shí),滯止點(diǎn)出現(xiàn)在壁面位置為0.37 左右,即隨著進(jìn)氣壓力的增大,滯止點(diǎn)向熱端移動(dòng)。

此外,對(duì)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(diǎn)(與進(jìn)口溫度相同的點(diǎn))向冷端移動(dòng)。對(duì)此做出如下解釋:高壓流體通過噴嘴進(jìn)入渦流管后經(jīng)歷了一個(gè)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(shí)另一部分低溫流體向熱端出口方向流動(dòng)。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(shí),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(duì)較高。流體在向熱端流動(dòng)的過程中經(jīng)過較短的距離升溫至進(jìn)口溫度;反之亦然。

圖6 不同冷流比渦流管壁面溫度隨進(jìn)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(shí)驗(yàn)研究探索了進(jìn)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(shí)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(jìn)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(shì)。在μc=0.37 左右時(shí)獲得最佳制冷效應(yīng),在μc=0.65 時(shí)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(jìn)氣壓力的增大而增大,其增幅隨著進(jìn)氣壓力的提高而減緩。此外,在冷流比小于0.6 時(shí),隨著進(jìn)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(jìn)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(shí),渦流管內(nèi)出現(xiàn)溫度滯止點(diǎn)。隨著進(jìn)口壓力的增大,熱端溫度滯止點(diǎn)向熱端方向移動(dòng)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(diǎn),隨著進(jìn)氣壓力的增大出現(xiàn)溫度滯止點(diǎn)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(diǎn)向冷端移動(dòng)。