四流道噴嘴渦流管性能研究

王遠(yuǎn)鵬 遲武功

青島海信日立空調(diào)系統(tǒng)有限公司 山東青島 266051

0 引言

渦流管結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無(wú)運(yùn)動(dòng)零部件，通過(guò)分離過(guò)程可將高壓氣體分離成兩股溫度不同的冷熱氣體，由冷端管、熱端管、噴嘴、渦流室、分離孔版、錐形調(diào)節(jié)閥組成。經(jīng)過(guò)壓縮的氣體進(jìn)入噴嘴內(nèi)膨脹后高速（可高達(dá)106 r/min）[1]進(jìn)入渦流室，形成高速的自由渦流，由于冷端孔板的阻隔，邊緣部分的外層氣流以高速螺旋狀向熱端流動(dòng)，形成熱氣流，中心部分的氣流由于熱端調(diào)節(jié)閥的阻力反向流向冷端然后經(jīng)孔板流出，形成冷氣流，實(shí)現(xiàn)冷熱分流。

自G.J.Ranque[2]在1934年發(fā)明渦流管至今，世界各國(guó)研究學(xué)者對(duì)渦流管的研究就從未停止過(guò)，現(xiàn)已成功應(yīng)用在混合物分離、航空領(lǐng)域、天然氣、制冷等諸多特殊領(lǐng)域[3-5]。原如冰[6]、姜曙[7]分別對(duì)四流道、三流道噴嘴進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，得到了渦流管內(nèi)溫度分布曲線，證實(shí)了隨著冷端流率的增加，制冷效應(yīng)減小，制熱效應(yīng)增加的結(jié)論。何麗娟[8-9]搭建試驗(yàn)臺(tái)測(cè)試了渦流管溫度分離效應(yīng)與熱管長(zhǎng)度和噴嘴流道數(shù)的關(guān)系，得出了6流道噴嘴性能優(yōu)于4流道噴嘴的結(jié)論，并且測(cè)試了搭配熱管長(zhǎng)度分別為100 mm、125 mm、150 mm、175 mm和200 mm的渦流管性能，對(duì)熱管長(zhǎng)度的影響進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，得出了渦流管制冷效應(yīng)隨熱管長(zhǎng)度增加先增后減、制熱效應(yīng)逐漸增加的結(jié)論，并且渦流管在冷端流率0.3附近獲得最佳制冷效應(yīng)，在冷端流率0.9附近獲得最佳制熱效應(yīng)。申江[10]測(cè)試了搭載不同冷端孔徑的渦流管性能，得出了在給定條件下最佳冷端孔徑為5 mm，最佳冷端孔徑與熱端直徑比為0.5的結(jié)論。何麗娟[11]、湯振豪[12]測(cè)量了不同噴嘴結(jié)構(gòu)下渦流管的性能數(shù)據(jù)，分別比較了減縮型、直線型和阿基米德螺旋線型三種噴嘴形式的渦流管的性能數(shù)據(jù)和壓力場(chǎng)數(shù)據(jù)，得出了減縮型噴嘴能量分離效應(yīng)最優(yōu)的結(jié)論。王宗勇[13]研究了入口溫度與冷端流率對(duì)渦流管性能的影響，得出了當(dāng)冷端流率一定時(shí)，制冷效應(yīng)、制熱效應(yīng)隨入口溫度升高增加；當(dāng)入口溫度一定時(shí)渦流管性能隨著冷端流率先增加后減小的結(jié)論。龔迪瀾[14]研究了進(jìn)氣溫度（30～100℃）、節(jié)流閥開(kāi)度（1～11）和不同進(jìn)出口膨脹比下渦流管的性能數(shù)據(jù)，研究發(fā)現(xiàn)隨進(jìn)口膨脹比的增強(qiáng)，渦流管制冷、制熱效應(yīng)增強(qiáng)的結(jié)論。近年來(lái)，許多研究者已經(jīng)將渦流管的工作介質(zhì)由普通壓縮氣體介質(zhì)拓展至制冷工質(zhì)，以獲取更大的制冷制熱效應(yīng)，以黎念[15]為代表，研究了渦流管在制冷工質(zhì)R134a、R744、R32以及R277ea時(shí)不同進(jìn)口壓力、進(jìn)口溫度以及冷端流率下渦流管的性能特性。王淑旭[16]研究了新型渦流管與噴射吸收制冷系統(tǒng)，首次耦合了渦流管與噴射器兩種設(shè)備，將噴射器應(yīng)用到了渦流管制冷系統(tǒng)中，可實(shí)現(xiàn)能量的二次回收利用提高系統(tǒng)制冷效率，并分析了入口壓力、熱源溫度、冷卻水進(jìn)口溫度、載冷劑溫度等相關(guān)參數(shù)對(duì)制冷系統(tǒng)性能的影響。這些研究為渦流管的推廣應(yīng)用提出了新方向。

根據(jù)渦流管冷端、熱管氣流的流出方式可分為逆流型渦流管和順流型渦流管，由于逆流型渦流管相較順流型渦流管有著更高的溫度分離效應(yīng)，因此目前產(chǎn)品化的渦流管多為逆流形式，本論文也僅研究逆流型渦流管。

渦流管雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但渦流管內(nèi)擁有及其復(fù)雜的流動(dòng)和傳熱過(guò)程，現(xiàn)有理論知識(shí)還不足以指導(dǎo)渦流管設(shè)計(jì)，因此各研究學(xué)者工程師們主要采用實(shí)驗(yàn)測(cè)試手段來(lái)研究其性能，以獲得特殊條件下的最優(yōu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。本研究自制四流道噴嘴渦流管為測(cè)試對(duì)象，測(cè)量不同入口條件下的制冷、制熱性能，以分析四流道噴嘴渦流管的性能特性，以指導(dǎo)渦流管的設(shè)計(jì)。

1 實(shí)驗(yàn)臺(tái)簡(jiǎn)介

本次實(shí)驗(yàn)主要研究不同入口參數(shù)對(duì)四流道渦流管能量分離特性的影響，由于高速氣流在渦流管內(nèi)部流動(dòng)速度非?？欤豢紤]渦流管內(nèi)部流動(dòng)導(dǎo)致本體發(fā)熱而引起的熱量損失，實(shí)驗(yàn)中測(cè)量渦流管進(jìn)口氣體、冷端出口氣體、熱端出口氣體三處參數(shù)。

基于上述實(shí)驗(yàn)構(gòu)想，設(shè)計(jì)并搭建了渦流管性能實(shí)驗(yàn)臺(tái)，如圖1。

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)流程圖

實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)由往復(fù)式空氣壓縮機(jī)、緩沖穩(wěn)壓氣瓶、換熱器、被測(cè)渦流管、手動(dòng)調(diào)節(jié)閥、流量計(jì)、壓力檢測(cè)表、溫度傳感器等部件構(gòu)成。測(cè)試實(shí)驗(yàn)儀器型號(hào)和精度見(jiàn)表1。

表1 實(shí)驗(yàn)測(cè)量?jī)x表

測(cè)試過(guò)程如下：空氣壓縮機(jī)排出高壓高溫空氣流經(jīng)穩(wěn)壓緩沖罐以消除壓縮機(jī)排氣端的壓力脈動(dòng)，然后進(jìn)入換熱器組件以對(duì)高溫壓縮空氣降溫，提供所需溫度的高壓氣體，然后通過(guò)手動(dòng)調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)進(jìn)入渦流管流量和壓力，在渦流管內(nèi)部冷熱分流后形成兩路，一路從渦流管冷端出口流出，另一路從渦流管熱端出口流出，通過(guò)調(diào)節(jié)熱端錐形調(diào)節(jié)閥用以調(diào)整冷端流率，從而完成測(cè)試不同冷端流率下的制冷、制熱效應(yīng)的過(guò)程。

分別檢測(cè)渦流管入口、冷端出口、熱端出口三處氣流溫度，在渦流管入口處布置一個(gè)壓力檢測(cè)表檢測(cè)入口壓力，在渦流管入口及冷端出口各分別布置渦街流量計(jì)用以測(cè)量空氣流量。圖2為四流道噴嘴的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2 四流道噴嘴結(jié)構(gòu)圖

本實(shí)驗(yàn)導(dǎo)流渦殼為自行設(shè)計(jì)，進(jìn)口壓縮空氣壓力范圍0.35～0.5 MPa，熱管長(zhǎng)度400 mm。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析與討論

實(shí)驗(yàn)中通過(guò)調(diào)節(jié)手動(dòng)調(diào)節(jié)閥以調(diào)整壓縮空氣進(jìn)入渦流管的壓力，調(diào)節(jié)熱端錐形調(diào)節(jié)閥開(kāi)度達(dá)到調(diào)節(jié)冷端出口流量。本實(shí)驗(yàn)定義參數(shù)及測(cè)量參數(shù)如下：

（1）渦流管制冷效應(yīng)ΔTc，入口溫度與冷端出口溫度之差：

（2）渦流管制熱效應(yīng)ΔTh，熱管出口溫度與渦流管入口溫度之差：

（3）渦流管冷端流率μc，渦流管冷端出口氣流質(zhì)量流量與入口氣流質(zhì)量流量之比：

式中：Ti-渦流管入口氣流溫度，℃；

Th-渦流管熱端出口溫度，℃；

Tc-渦流管冷端出口溫度，℃；

Gi-渦流管入口流量，kg/s；

Gc-渦流管冷端出口流量，kg/s；

Pi-渦流管入口壓力，MPa。

2.1 入口壓力對(duì)制冷效應(yīng)的影響

制冷效應(yīng)隨入口壓力及冷端流率的變化曲線如圖3所示。

圖3 制冷效應(yīng)變化曲線

冷端流率相同條件下，隨著進(jìn)口氣體壓力的升高制冷效應(yīng)也越明顯。從圖3可看出，在壓力0.35 MPa時(shí)冷端流率0.38下獲得最大制冷效應(yīng)23.1 K，在壓力0.44 MPa時(shí)冷端流率0.36下可獲得最大制冷效應(yīng)26.3 K，最大制冷效應(yīng)在0.5 MPa時(shí)增大為29.1 K，但獲得最大制冷效應(yīng)的冷端流率降低為0.32。不同入口壓力條件下的制冷效應(yīng)差別隨著冷端流率μc的不斷增加反而越來(lái)越小，從圖3看出，冷端流率為0.37時(shí)壓力0.44 MPa和0.50 MPa的制冷效應(yīng)相差3.0 K，而這個(gè)差值在冷端流率為0.71時(shí)縮小為1.8 K，說(shuō)明隨著渦流管入口壓力的升高，最大制冷效應(yīng)時(shí)的冷端流率值有減小的趨勢(shì)，四流道噴嘴渦流管在進(jìn)口壓力0.35 MPa、0.44 MPa、0.5 MPa時(shí)取得最大制冷效應(yīng)時(shí)的冷端流率μc分別為：0.38、0.36、0.32。

2.2 入口壓力對(duì)制熱效應(yīng)的影響

制熱效應(yīng)隨入口壓力以及冷端流率的變化曲線如圖4所示。

圖4 制熱效應(yīng)變化曲線

冷端流率相同條件下，隨著進(jìn)口氣體壓力的升高制熱效應(yīng)也越明顯。在壓力0.35 MPa時(shí)冷端流率0.82下獲得最大制熱效應(yīng)41.3 K，在壓力0.44 MPa時(shí)冷端流率0.80下可獲得最大制熱效應(yīng)49.2 K，最大制熱效應(yīng)在0.5 MPa時(shí)增大為50.8 K，但獲得最大制熱效應(yīng)的冷端流率降低為0.77。

四流道噴嘴在一定的入口壓力下，冷端流率逐漸增加至0.8附近時(shí)，制熱效應(yīng)逐漸增加。入口壓力從0.35 MPa增至0.5 MPa時(shí)，渦流管最大制熱效應(yīng)時(shí)的冷端流率μc值隨之從0.82降至0.77。在相同冷端流率μc值時(shí)，制熱效應(yīng)差距隨著進(jìn)口壓力的增大而變小，如在冷端流率μc＝0.8時(shí)，0.35 MPa與0.44 MPa下的制熱效應(yīng)相差達(dá)8 K，而這一差距在進(jìn)口壓力為0.44 MPa與0.5 MPa時(shí)縮小為1.6 K。

3 結(jié)論

本文對(duì)四流道噴嘴逆流型渦流管在熱管長(zhǎng)度400 mm時(shí)不同進(jìn)氣壓力條件下測(cè)試了溫度分離效應(yīng)，重點(diǎn)研究了進(jìn)氣壓力對(duì)性能的影響，結(jié)果表明四流道噴嘴渦流管的性能特點(diǎn)如下：

（1）入口壓力越高，四流道噴嘴渦流管的制冷、制熱效應(yīng)越大，且超過(guò)最大制冷效應(yīng)的冷端流率后，若繼續(xù)增加冷端流率，制冷、制熱效應(yīng)的差異會(huì)縮小。

（2）四流道噴嘴渦流管，在獲得最大制冷效應(yīng)和制熱效應(yīng)時(shí)的冷端流率隨入口氣流壓力的升高有減小的趨勢(shì)。

（3）四流道噴嘴渦流管分別集中在冷端流率0.35、0.8附近獲得最大制冷效應(yīng)、制熱效應(yīng)。

（4）四流道噴嘴渦流管隨著進(jìn)口壓力的增大，相同冷端流率時(shí)的制熱效應(yīng)差距有縮小的趨勢(shì)。