热端管长度对涡流管性能影响的实验研究

何丽娟 赵辉通 李海燕 吴夏梦

(内蒙古科技大学能源与环境学院 包头 014010)

1 引言

涡流管是一种结构简单的能量分离装置,它能将高压气体分离为总温不同的两股气流。由于其结构简单,操作方便,无运动部件等一系列优点,已在制冷领域、天然气领域、混合物分离、航空领域以及诸多工业领域得到广泛应用[1]。虽然涡流管结构简单,能量分离的原因却及其复杂,对其内部能量分离机理的认识上存在巨大争议[2-4]。

针对涡流管的结构特性的研究中,热端管长度对涡流管能量分离的影响一直无法得到长足的进展。Soni 和Thomson[4]认为涡流管长径比L/D(热端管长度与涡流室直径之比)L/D>45 时涡流管会拥有较好的能量分离效果。2005 年,何曙以涡流室直径为D=6 mm,热端管长度L分别为80 mm、100 mm、140 mm的涡流管进行试验研究[5],所选取的3 组热端长变化范围太小即长径比变化范围太小,不足以说明热端管长对涡流管性能的影响。2006 年王远鹏对长径比分别为16.9、25、32.5 的涡流管进行能量分离的试验研究[6],实验结果表明冷流率相同时,涡流管热端管长度越长,其最大制冷效应与制热效应越好。2007 年周少伟对热端管长分别为205 mm、369 mm、574 mm、750 mm的涡流管试验,热端管长度会改变流体的切向速度分布,影响管内的漩涡特性,当漩涡特性消失,再增长热端管长度将不再影响能量分离特性[7]。

本文在前人的研究基础上进一步开展热端管长度对涡流管能量分离特性的研究,并且研究了热端管长度变化时热端管的温度分布情况,为更好地研究涡流管能量分离机制和结构优化奠定了坚实的基础。

2 实验

2.1 实验设备

本实验装置流程图如图1 所示,来自高压气瓶的高压气体利用压力调节阀V1 进行调压控流,定压后的高压气体进入换热器,经流量计1 采集数据的定压高压气体进入涡流管,分别经冷端出口和热端出口离开涡流管,排入室外。

图1 实验流程图Fig.1 Experimental flow chart

实验中,涡流管为自行研制加工,压力传感器流程为0—2.5 MPa,精度为±0.2%FS,质量流量计准确度等级为0.2 级,涡流管净出口温度测量均采用Pt100 标准铂电阻温度计(量程为-200—200 ℃,精度为±0.1 ℃),涡流管壁面每10 mm 布置一个测温点,温度测量采用T 型铜—康铜热电偶(精度为± 0.5℃)。实验数据采集并输入计算机,涡流管主体以及进出端所有管路均采用橡塑材料进行绝热保温。

2.2 测点布置

实验中对热端管长L1=100 mm、L2=125 mm、L3=150 mm、L4=175 mm、L5=200 mm 壁温进行测量,各测点布置情况如图2 所示,图中热端管长为200 mm 其测点:l1=7.5 mm、l2=…=l16=12.5 mm。

图2 测点布置图Fig.2 Layout of measuring point layout

2.3 实验测量

实验中,通过调节V1控制工质进入涡流管时的压力,调节V2控制热端出口压力,从而控制冷端出口质量流量,本实验主要测量内容如下:

涡流管冷流率μ,定义为涡流管冷端出口质量流量与入口质量流量之比,即μ=mc/min;涡流管制冷效应ΔTc,定义为涡流管进口流体温度与冷端出口流体温度的差,即ΔTc=Tin-Tc;涡流管制热效应ΔTh,定义为涡流管热端出口流体温度与进口流体温度的差,即ΔTh=Th-Tin;涡流管制冷量:Qc=mccp(Tin-Tc);涡流管单位制冷量:q=;涡流管制冷效率:

上式中:Tin为涡流管进口流体温度,Tc为冷端出口气流温度,Th为涡流管热端出口流体温度,Pin为涡流管进口流体压力,Pc为冷端出口压力。

3 实验结果及分析

实验中以纯度为99.99%的二氧化碳为工质,当进口压力为0.2—0.6 MPa、进口温度约为27.3 ℃、L=100 mm 时,探究了入口压力对涡流管制冷性能的影响规律,当入口压力为0.4 MPa、热端管长度为100—200 mm 时,探究热端管长度对涡流管性能的影响规律。

3.1 入口压力对涡流管性能的影响

实验中以热端管长度L=125 mm,探究了入口压力0.2—0.6 MPa 对涡流管制冷性能的影响。

如图3 所示,涡流管制冷温度效应随着入口压力的增大呈现先增大后减小的趋势,在入口压力为0.4 MPa冷流率为0.3 时具有最佳制冷温度效应为29.3 ℃,此时涡流管内能量分离效果最好,达到了最佳冷热平衡,这主要是因为入口压力升高会使得沿切向进入涡流室的气流旋流速度增加,此时管内压力梯度也会增加,从而加强了内层气流向外层气流的剪切功程度,温度降低[7],但是当压力増至0.5 MPa、0.6 MPa时涡流管制冷温度效应反而下降,这主要是因为增入口压力会使沿切向进入涡流室的旋流速度增大,而受喷嘴临界压比的限制,切向速度不能无限增大,最高只能到达音速,因此涡流管制冷温度效应不是随着压力的增大而无限增大的。

图3 入口压力对涡流管制冷效应的影响Fig.3 Effect of inlet pressure on coding effect of vortex tube

如图4 所示,涡流管制热温度效应随着入口压力的增大呈现先增大后减小的趋势,当入口压力较小时,如0.2 MPa、0.3 MPa 时涡流管制热温度效应随着冷流率增大的升高幅度较小,并且在冷流率为0.8 时达到最大,冷流率为0.9 时有所降低。当入口压力升至0.4 MPa 时,涡流管制热温度效应随着冷流率的增大迅速增大,冷流率为0.9 时具有最大制热温度效应为37.9 ℃。随着入口压力增大,制热温度效应则随之降低,这主要是因为受喷嘴临界压比的限制,切向速度不能无限增大,最高只能到达音速,因此与制冷温度效应和制热温度效应均不能随着压力的增大而无限增大。

图4 入口压力对涡流管制热效应的影响Fig.4 Effect of inlet pressure on heating effect of vortex tube

3.2 热端管长度对涡流管制冷与制热效应的影响

热端管长度对涡流管能量分离特性的影响,如图5 和图6 所示。在相同入口条件时,随着冷流率增大,ΔTc呈现先增大后减小的趋势,不同热端管长度出现最佳制冷效应时的冷流率不同,热端管长度增加,ΔTc呈现先增大后减小的趋势。

图5 热端管长度对涡流管制冷温度效应的影响Fig.5 Effect of hot end tube length on cooling effect of vortex tube

图6 热端管长度对涡流管制热温度效应的影响Fig.6 Effect of hot end tube length on heating effect of vortex tube

如图5 所示,当涡流管的操作参数(入口压力、入口温度、冷流率)相同、热端管长度为定值时,制冷温度效应随冷流率的增大均呈现先增大后减小的趋势,最佳制冷温度效应对应的冷流率不同。随着热端管长度的增加,与最佳制冷温度效应对应的冷流率呈现先减小后增大的趋势。在L=100 mm 时出现最佳制冷温度效应的冷流率为0.5,L=125 mm 时最佳制冷温度冷流率为0.3,L=150 mm、L=175 mm、L=200 mm 时冷流率均为0.4,这主要是因为涡流管热端管长度太小时冷热流均得不到充分发展就被排出即热流在具有较大切向速度时就从热端排出没有进行充分的能量分离,而热端管长度的增大会使能量分离区域发生变化,对内外旋流以及冷热流的流动范围产生影响,外旋流各流层以及与壁面的摩擦增大温度升高,内旋流膨胀程度增大温度降低。在冷流率为0.3、0.4 时,热端管长度对涡流管制冷温度效应的影响显著,冷流率为0.3 时,随着热端管长度的增加,制冷温度效应呈现先增大后减小的趋势,在L=100 mm时制冷效应最差为24.6 ℃,L=125 mm 时制冷效应最佳为29.3 ℃,L=150—200 mm 时制冷温度效应逐渐减小。冷流率为0.4 时,随着热端管长度的增加,制冷温度效应呈现先增大后减小的趋势,与冷流率为0.3 时相同L=100 mm 时制冷温度效应最差,此时L=175 mm 具有最佳制冷温度效应为29.2 ℃。可以看到L=125 mm 与L=175 mm 时分别在冷流率为0.3、0.4 时具有最佳制冷温度效应29.3 ℃、29.2 ℃,相差较小,而L=100 mm 时在各冷流率下制冷温度效应均为最小,L=200 mm 时各冷流率下制冷温度效应较小。L=125 mm 时随着冷流率的增大制冷温度效应变化幅度较大,在冷流率为0.3 时具有最佳制冷温度效应,而随着冷流率的增大与其他管长的制冷温度效应相差较大。这主要是因为,当涡流管热端管长度不足时,气流在热端出口处所具有的切向速度仍然很大,在管内的能量分离效应还没有充分进行,热端管长度增大后,热端出口的切向速度越小,此时管内的漩涡特性仍足以引起能量分离,能量分离就会越充分[8],而当热端管长度增大到一定程度之后涡旋特性就会衰减完,再增大热端管长度将不能促进涡流管的能量分离特性,甚至会削弱能量分离效果,所以一味的增加涡流管热端管长度并不能使涡流管的制冷温度效应一直增大[8-9],相反地,涡流管热端管长度太长会对能量分离特性产生抑制,而热端管长度太短时制冷温度效应较差。

冷流率与热端管长度对涡流管制热效应的影响见图6。可以看出,随着冷流率的增大涡流管的制热温度效应增大明显,并且可以看到在冷流率较小时涡流管并不具有制热能力,相反地,在冷流率为0.1 时,各热端管的制热温度效应均为负值,并且随着热端管长度的增大呈现先增大后减小的趋势,L=175 mm 时其制热温度效应最小为-4.48 ℃,而此时各管长在该冷流率对应的制冷温度效应也是最小的,这主要是因为冷流率较小时管内流体进行能量分离的区域较小,内外旋流间的能量分离强度较弱,此时热端压力较小,同时由于冷孔板的限制作用,热端排出的是冷热流掺混的流体,并且外旋流各流层间以及与壁面的摩擦作用较小涡流管制热能力较差。随着冷流率的增大涡流管制热效应增大幅度明显,冷流率为0.1 时L=200 mm 的制热温度效应为-4.3 ℃,在冷流率为0.9 时L=200 mm 的制热温度效应达到最大为39.6 ℃,制热温跨达到43.9 ℃。随着热端管长度的增大涡流管制热温度效应逐渐增大,L=100 mm 时各冷流率的制热温度效应较小,L=125 mm 与L=150 mm的制热温度效应差别较小,而L=175 mm 与L=200 mm 时的制热温度效应最大,这主要是因为随着热端管长度外旋流的运动空间增大,使得外旋流各流层之间以及与壁面的摩擦作用增大涡流管制热效应明显增大。L=100 mm 时其冷流率0.1 与0.9 之间的制热温跨为40.0 ℃,L=125 mm 的制热温跨为41.2 ℃,L=150 mm 的制热温度为42.1 ℃,L=175 mm的制热温跨为42.2 ℃,L=200 mm 的制热温跨为43.9 ℃,所以各管长的冷流率在0.1 与0.9 时制热效应差别不大,其制热温跨相差较小。在冷流率为0.9 时热端管长度的变化对涡流管制热温度效应的影响较小,这主要是因为在冷流率较大时,内旋流空间增大外旋流受内旋流膨胀作用使各流层间摩擦以及与壁面摩擦作用增大使得外旋流温度升高。同时可以看到涡流管制热温度效应因热端管长度增加引起的变化不太明显,在热端管长度L=100 mm 时涡流管制热温度效应最差,当热端管长度增加,L=125—200 mm 之间各管长的制热温度效应、制热温跨差别较小。

3.3 热端管长度对涡流管单位制冷量q 及COP 的影响

热端管长度对涡流管单位制冷量q及COP的影响如图7、图8 所示,在相同入口条件时,随着冷流率增大,单位质量制冷量q与涡流管制冷效率COP均增大,但当冷流率增大到0.8,再增大冷流率涡流管的单位制冷量与制冷系数反而下降。随着热端管长度的增加,单位制冷量呈现增大的趋势,冷流率为0.8 时热端管长度L=125 mm 的涡流管具有最大单位制冷量14.9 kJ/kg,而热端管长度L=200 mm 的涡流管最大单位制冷量为13.2 kJ/kg,两者相差1.7 kJ/kg。与制冷温度效应不同,单位制冷量与制冷效率出现最大值时的冷流率为0.8。

图7 热端管长度对涡流管单位制冷量q 的影响Fig.7 Effect of hot end tube length on unit cooling capacity q of vortex tube

图8 热端管长度对涡流管COP 的影响Fig.8 Effect of hot end tube length on COP of vortex tube

3.4 热端管长度、冷流率对温度分布的影响

图9 给出了热端管管长L=125 mm 壁面温度测点温度与入口的温度差ΔT=T-Tin的分布。如图9 所示,热端管长L=125 mm 时,随着冷流率的逐渐增大,涡流管热端管壁面温度具有明显的增大,当冷流率为0.1、0.2、0.3 时壁面温度增幅较小,随着冷流率的进一步增大,壁面温度升高幅度较大,而冷流率0.8 与0.9 相差较小,这主要是因为冷流率较小时热端压力不足,具有较高切向速度外旋流气体还没有进行充分的能量分离就从热端排出,热端压力不足使得外旋流气体在热端管与壁面以及各流层间的摩擦作用较小,外旋流气体温度升高幅度较小,同时因为冷流率较小,涡流管内能量分离程度较低,自由涡与强制涡之间的能量分离较少。

图9 冷流率对热端管温度分布的影响Fig.9 Effect of cold flow rate on temperature distribution of hot end tube

图9 中各轴向上的温度分布随冷流率的升高变化情况不同,冷流率0.1—0.4、轴向Z=12.5—100 mm壁温逐渐升高,在Z=100 mm 处达到峰值,壁温逐渐升高的过程中在轴向Z=12.5—50 mm 之间温度升高幅度较大,轴向Z=50—100 mm 之间温度升高幅度较小壁温趋于平稳,这主要是因为高压气体经喷嘴进入涡流室内,进行强烈的漩涡运动,外旋气流向热端运动过程中,由于气流层之间的湍流粘性摩擦以及热传递作用,外旋部分的气流获得了较多的能量,温度升高,而处于中心部分的气流损失了较多的能量,因而温度会有所下降[7],所以轴向Z=12.5—50 mm 是涡流管发生能量分离的主要区域涡流室[10]。随着轴向距离的继续增大Z=50—100 mm外旋流逐渐向热端发展,能量分离现象逐渐消失,温度趋于平稳,这主要是因为随着轴向距离的增大涡流管内的切向速度逐渐减小,强旋流运动逐渐较弱,能量分离效应也逐渐降低,因而温度分布趋于平稳,随着轴向距离增大至Z=107.5 mm 处壁温出现下降,冷流率较小时热端出口流量较大,在热端出口由于受热端阀的限制出现回流使得温度升高。

由图9 可以看到冷流率逐渐升高壁面温度分布出现变化,随着冷流率的增大壁温较冷流率较小时明显升高,这一趋势与制热温度效应随冷流率变化相同。而冷流率较大时壁温出现最大值的轴向距离出现变化,冷流率0.5—0.9,轴向Z=12.5—75 mm 壁温逐渐升高,在Z=75 mm 处达到峰值,轴向距离继续增大各冷流率对应壁温分布不同,冷流率0.5、0.6、0.7 在轴向Z=75—125 mm 之间壁温先减小后趋于平稳,冷流率0.8、0.9 在轴向Z=75—125 mm之间壁温逐渐减小,与冷流率较小时相比壁温出现峰值的轴向距离有所增大,在热端出口处壁温升高的现象消失,这主要是因为随着冷流率的升高冷流流动区域增大,冷热流间进行能量分离的轴向距离增大,此时发生能量分离的轴向空间增大,所以壁温出现峰值的轴向距离增大。

如图10 所示为热端管长度在L=125—200 mm的管壁温度变化趋势。定义轴向位置Z*=Z/L为轴向距离与管长之比。由图10 可知在冷流率为0.6、0.7 时,L=150 mm 壁面温度最高,L=100 mm 壁面温度最低,而冷流率为0.8 时,L=200 mm 壁面温度最高,L=125 mm 壁面温度最低,随着冷流率的逐渐增大,L=100 mm 与L=200 mm 的壁面温度逐渐升高。可以看到在冷流率较小时,各管长壁面温度差别较大,而随着冷流率的升高各轴向位置的温度差别较小,这主要是因为冷流率较大时受热端出口压力的限制在管内流体各流层间以及壁面的摩擦作用使得壁面的温度差别较小,并且随着冷流率的增大壁温温度差别较小,此时热端管长度对壁温的影响较小。可以看到在轴向位置较小时涡流管壁面温度升高幅度较大,这主要是因为气流层之间的湍流粘性摩擦,随着热端管长度的增大,轴向位置逐渐减小,可以看到壁温增幅最大的轴向距离基本一致均在轴向距离Z=12.5—50 mm 范围内,这主要是因为改变热端管长度并不能有效的改变涡流管内发生能量分离的主要区域,而随着轴向距离的增大管内湍流粘性摩擦效应减弱,壁面温度升高幅度有所降低。在冷流率为0.6 时,各管长的壁温增幅最大区域虽然基本一致,但是其壁温出现峰值的轴向位置不同,随着热端管长的增加,壁温出现最大值的轴向位置在逐渐减小,同时可以看到出现最大壁温的测点均为第7 个测点附近,即各管长轴向距离Z=87.5 mm 附近,而冷流率为0.7、0.8 时,L=100 mm、L=150 mm、L=175 mm 在轴向距离Z=87.5 mm 附近出现最高壁温,L=125 mm 在轴向距离Z=75 mm 附近出现最高壁温,L=200 mm 在轴向距离Z=100 mm 附近出现最高壁温,可以看到热端管长度不同时管壁温度分布不同,并且受冷流率影响较大。

图10 热端管长度对温度分布的影响Fig.10 Effect of hot end tube length on temperature distribution

4 结论

(1)当热端管长度的变化范围为100—200 mm、冷流率的变化范围为0.1—0.9 时,入口压力为0.4 MPa,涡流管具有最佳制冷、制热温度效应。

(2)当入口压力为0.4 MPa 时,获得最佳制冷、制热温度效应的热端管长度与冷流率相对应。当热端管长为L=125 mm、冷流率为0.3 时涡流管获得最佳制冷温度效应为29.3 ℃;当热端管长L=200 mm、冷流率为0.9 时涡流管获得最佳制热效应39.6 ℃。

(3)当入口压力为0.4 MPa 时,冷流率为0.8 时涡流管单位制冷量与COP具有最大值。