工业机柜涡流管制冷装置性能试验研究

代 乾,涂淑平,陈 钧

(1.天津城市建设学院能源与安全工程学院,天津300384;2.上海海事大学商船学院,上海200135)

1 前 言

涡流管,又称Ranque-Hilsch管,是一种能量分离装置,工作时可将压缩气体分离为高温和低温两股气流,具有结构简单、体积小、可靠性高、制造容易、成本低、操作维护方便、寿命长、适应性强、可进行连续操作和间歇操作、不用氟利昂制冷剂等优点。目前利用涡流管的能量分离效应已经在很多领域得到广泛应用,制成各种型式或具有各种不同功能的涡旋装置以解决各种工程实际应用问题[1-6]。工业机柜在各行业得到广泛应用,其冷却方式普遍采用风机直接冷却或自然对流冷却方式,近年出现了采用压缩式机柜空调机进行冷却。但在高湿度和油雾等环境下,这些冷却方式会对电子元件的工作寿命、可靠性等产生不利影响,甚至影响到正常工作。相比较这些装置,涡流管制冷器具有很好的发展前途,对于有廉价压缩空气或天然气源可以利用,或者使用空间较小而又不经常出现需求的场合,涡流管制冷具有明显优势。工业机柜涡流管制冷器的关键是其结构和性能的优化,因此开展工业机柜涡流管制冷器的性能试验研究具有十分重要的理论意义及工程实用价值。

2 工业机柜涡流管制冷实验装置

本实验台 (图1)包括:涡流管管路系统、电路系统和测试系统。图2是本实验台使用的工业机柜涡流管实物照片。

图1 工业机柜涡流管制冷装置性能实验台

图2 涡流管

本实验装置用来测试涡流管的制冷性能以及在工业机柜上的应用效果,衡量涡流管的制冷性能的指标可以表示如下:

涡流管制冷效应:

涡流管制热效应:

涡流管冷热分离效应:

其中Ti,Th,Tc分别表示入口总温,热气流总温,冷气流总温。

整个的实验过程中工业机柜无热负荷,对涡流管性能进行测试实验。本文提到的涡流管热阀开度是指涡流管热端调节阀的开度,热阀开度最大时热端调节阀的螺母旋开开度最大,热气流的流量最大;热阀开度最小指的是调节阀开度最小,保持很小的热气流流量时调节阀的开度。

3 结果及分析

3.1 涡流管性能测试实验

由空气压缩机排出的高压空气经过温度不变的水槽,然后进入涡流管进气端,研究涡流管的入口温度对涡流管性能的影响规律。实验数据为涡流管热阀开度最大,环境温度为8.9℃时所测,如图3、图4和图5所示。

(1)图3所示为高压空气的入口温度对涡流管制冷效应的影响。

图3 入口温度对涡流管制冷效应的影响

在入口压力不变的情况下,随着高压空气入口温度的增加,涡流管的制冷效应降低,且压力越高,制冷效应下降的程度更大。如图3所示,当入口温度 Ti由14.7℃上升到21.6℃,入口压力为0.2MPa时,涡流管的制冷效应 △Tc从15.9℃降低到11.6℃,降低了4.3℃;入口压力为0.1MPa时,涡流管的制冷效应 △Tc从11.5℃降低到8.8℃,降低了2.7℃。说明涡流管的制冷效应在高压空气入口温度升幅相同的情况下,入口压力较大时受到的影响更大。

(2)图4表明的是高压空气的入口温度对涡流管制热效应的影响。在入口压力不变的情况下,增加高压空气的入口温度时,涡流管的制热效应变好,在不同压力条件下,制热效应升高的程度基本相同。

图4 入口温度对涡流管制热效应的影响

(3)图5所示的是高压空气的入口温度对涡流管分离效应的影响。图中表明在入口压力不变下,涡流管的分离效应与入口温度关系不大。

图5 入口温度对涡流管分离效应的影响

3.2 高压空气入口压力对涡流管性能的影响

进入涡流管的高压空气压力范围为0～0.2MPa,此时空气压缩机的排气压力范围为0～0.4MPa,不同压力下的实验数据可通过调节空压机出口的流量调节阀就可以得到。实验是在环境温度为8.5℃的条件下进行的,涡流管热端的开度为从最大到最小一圈。

(1)高压空气的入口压力对涡流管制冷效应的影响见图6。在入口温度分别为13℃、15.8℃和20.1℃的情况下,当高压空气的入口压力从0.06MPa升高到0.20MPa时,涡流管的制冷效应分别从6.5℃上升到16.5℃、从6.2℃上升到16℃和从6.4℃上升到18℃,涡流管的制冷效应升高的幅度相当明显。

图6 入口压力对涡流管制冷效应的影响

(2)高压空气的入口压力对涡流管制热效应的影响见图7。在入口温度分别为13℃、15.8℃和20.1℃的情况下,当高压空气的入口压力从0.06MPa升高到0.20MPa时,涡流管的制热效应都急速升高,如图中所示在当入口温度为13℃、15.8℃和20.1℃时,涡流管的制热效应分别升高了11.5℃、18℃和14.2℃。

图7 入口压力对涡流管制热效应的影响

(3)图8所示的是高压空气的入口压力对涡流管分离效应的影响。

图中表明在相同的入口温度下,涡流管的分离效应随着入口压力的增加而增加,从 (1)和 (2)可见,当入口压力增加时,涡流管的制冷效应和制热效应都明显增加,因此涡流管的分离效应也随之增加。

图8 入口压力对涡流管分离效应的影响

3.3 涡流管热阀开度对涡流管性能的影响

在实验中,我们作如下约定:热阀从开度最大到最小可以拧3圈,用K表示热阀从最大到最小的开度。

在实验条件:P0=0.2MPa时,我们测试了K=3,2,1,0.1四种情况下,涡流管的不同特性。

(1)图9是热阀开度对涡流管制冷效应的影响示意图,图中显示,随着热阀开度的增加,涡流管的制冷效应总体趋势变小,而在K=1时有最好的制冷效应。

图9 热阀开度对涡流管制冷效应的影响

(2)图10是热阀开度对涡流管制热效应的影响示意图,从图中可以看出,随着热阀开度的增加,涡流管的制热效应总的趋势是增加的,在K=2附近制热效应达到最大,随后K=3的时候制热效应又有所下降。

图10 热阀开度对涡流管制热效应的影响

(3)图11是热阀开度对涡流管分离效应的影响示意图,从曲线可以看出:当热阀开度K=1或2时,涡流管都有较好的分离效应。造成这样的原因是,K=1时涡流管的冷气流温度较低,热气流温度相对K=2也较低;同时K=2时涡流管的冷气流温度较高,热气流温度相对K=1时也较高,以至于涡流管的分离效应相近。

图11 热阀开度对涡流管分离效应的影响

4 结论

涡流管为工业机柜涡流管制冷装置性能实验台的主要研究对象,通过实验可以得出以下结论:

(1)涡流管的入口温度越低,涡流管表现出更好的制冷性能。涡流管的制冷效应变好,制冷性能变好的趋势到一定程度逐渐减缓;同时涡流管的入口温度越低,涡流管制热性能越差。涡流管的制热效应也变差;涡流管的入口温度对涡流管的分离效应影响不大。

(2)涡流管的入口压力越高,涡流管表现出更好的制热性能和制热效应。随着涡流管入口压力的提高,涡流管的分离效应也增强。

(3)热阀开度K=1时,涡流管有最好的制冷性能和制冷效应;热阀开度K=2时,涡流管有最好的制热性能和制热效应;热阀开度K=1和K=2时都有较高的分离效应。

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