四流道喷嘴涡流管性能研究

王远鹏 迟武功

青岛海信日立空调系统有限公司 山东青岛 266051

0 引言

涡流管结构简单、无运动零部件，通过分离过程可将高压气体分离成两股温度不同的冷热气体，由冷端管、热端管、喷嘴、涡流室、分离孔版、锥形调节阀组成。经过压缩的气体进入喷嘴内膨胀后高速（可高达106 r/min）[1]进入涡流室，形成高速的自由涡流，由于冷端孔板的阻隔，边缘部分的外层气流以高速螺旋状向热端流动，形成热气流，中心部分的气流由于热端调节阀的阻力反向流向冷端然后经孔板流出，形成冷气流，实现冷热分流。

自G.J.Ranque[2]在1934年发明涡流管至今，世界各国研究学者对涡流管的研究就从未停止过，现已成功应用在混合物分离、航空领域、天然气、制冷等诸多特殊领域[3-5]。原如冰[6]、姜曙[7]分别对四流道、三流道喷嘴进行了实验研究，得到了涡流管内温度分布曲线，证实了随着冷端流率的增加，制冷效应减小，制热效应增加的结论。何丽娟[8-9]搭建试验台测试了涡流管温度分离效应与热管长度和喷嘴流道数的关系，得出了6流道喷嘴性能优于4流道喷嘴的结论，并且测试了搭配热管长度分别为100 mm、125 mm、150 mm、175 mm和200 mm的涡流管性能，对热管长度的影响进行了实验研究，得出了涡流管制冷效应随热管长度增加先增后减、制热效应逐渐增加的结论，并且涡流管在冷端流率0.3附近获得最佳制冷效应，在冷端流率0.9附近获得最佳制热效应。申江[10]测试了搭载不同冷端孔径的涡流管性能，得出了在给定条件下最佳冷端孔径为5 mm，最佳冷端孔径与热端直径比为0.5的结论。何丽娟[11]、汤振豪[12]测量了不同喷嘴结构下涡流管的性能数据，分别比较了减缩型、直线型和阿基米德螺旋线型三种喷嘴形式的涡流管的性能数据和压力场数据，得出了减缩型喷嘴能量分离效应最优的结论。王宗勇[13]研究了入口温度与冷端流率对涡流管性能的影响，得出了当冷端流率一定时，制冷效应、制热效应随入口温度升高增加；当入口温度一定时涡流管性能随着冷端流率先增加后减小的结论。龚迪澜[14]研究了进气温度（30～100℃）、节流阀开度（1～11）和不同进出口膨胀比下涡流管的性能数据，研究发现随进口膨胀比的增强，涡流管制冷、制热效应增强的结论。近年来，许多研究者已经将涡流管的工作介质由普通压缩气体介质拓展至制冷工质，以获取更大的制冷制热效应，以黎念[15]为代表，研究了涡流管在制冷工质R134a、R744、R32以及R277ea时不同进口压力、进口温度以及冷端流率下涡流管的性能特性。王淑旭[16]研究了新型涡流管与喷射吸收制冷系统，首次耦合了涡流管与喷射器两种设备，将喷射器应用到了涡流管制冷系统中，可实现能量的二次回收利用提高系统制冷效率，并分析了入口压力、热源温度、冷却水进口温度、载冷剂温度等相关参数对制冷系统性能的影响。这些研究为涡流管的推广应用提出了新方向。

根据涡流管冷端、热管气流的流出方式可分为逆流型涡流管和顺流型涡流管，由于逆流型涡流管相较顺流型涡流管有着更高的温度分离效应，因此目前产品化的涡流管多为逆流形式，本论文也仅研究逆流型涡流管。

涡流管虽然结构简单，但涡流管内拥有及其复杂的流动和传热过程，现有理论知识还不足以指导涡流管设计，因此各研究学者工程师们主要采用实验测试手段来研究其性能，以获得特殊条件下的最优结构设计。本研究自制四流道喷嘴涡流管为测试对象，测量不同入口条件下的制冷、制热性能，以分析四流道喷嘴涡流管的性能特性，以指导涡流管的设计。

1 实验台简介

本次实验主要研究不同入口参数对四流道涡流管能量分离特性的影响，由于高速气流在涡流管内部流动速度非常快，不考虑涡流管内部流动导致本体发热而引起的热量损失，实验中测量涡流管进口气体、冷端出口气体、热端出口气体三处参数。

基于上述实验构想，设计并搭建了涡流管性能实验台，如图1。

图1 实验系统流程图

实验测试系统由往复式空气压缩机、缓冲稳压气瓶、换热器、被测涡流管、手动调节阀、流量计、压力检测表、温度传感器等部件构成。测试实验仪器型号和精度见表1。

表1 实验测量仪表

测试过程如下：空气压缩机排出高压高温空气流经稳压缓冲罐以消除压缩机排气端的压力脉动，然后进入换热器组件以对高温压缩空气降温，提供所需温度的高压气体，然后通过手动调节阀调节进入涡流管流量和压力，在涡流管内部冷热分流后形成两路，一路从涡流管冷端出口流出，另一路从涡流管热端出口流出，通过调节热端锥形调节阀用以调整冷端流率，从而完成测试不同冷端流率下的制冷、制热效应的过程。

分别检测涡流管入口、冷端出口、热端出口三处气流温度，在涡流管入口处布置一个压力检测表检测入口压力，在涡流管入口及冷端出口各分别布置涡街流量计用以测量空气流量。图2为四流道喷嘴的结构示意图。

图2 四流道喷嘴结构图

本实验导流涡壳为自行设计，进口压缩空气压力范围0.35～0.5 MPa，热管长度400 mm。

2 实验结果分析与讨论

实验中通过调节手动调节阀以调整压缩空气进入涡流管的压力，调节热端锥形调节阀开度达到调节冷端出口流量。本实验定义参数及测量参数如下：

（1）涡流管制冷效应ΔTc，入口温度与冷端出口温度之差：

（2）涡流管制热效应ΔTh，热管出口温度与涡流管入口温度之差：

（3）涡流管冷端流率μc，涡流管冷端出口气流质量流量与入口气流质量流量之比：

式中：Ti-涡流管入口气流温度，℃；

Th-涡流管热端出口温度，℃；

Tc-涡流管冷端出口温度，℃；

Gi-涡流管入口流量，kg/s；

Gc-涡流管冷端出口流量，kg/s；

Pi-涡流管入口压力，MPa。

2.1 入口压力对制冷效应的影响

制冷效应随入口压力及冷端流率的变化曲线如图3所示。

图3 制冷效应变化曲线

冷端流率相同条件下，随着进口气体压力的升高制冷效应也越明显。从图3可看出，在压力0.35 MPa时冷端流率0.38下获得最大制冷效应23.1 K，在压力0.44 MPa时冷端流率0.36下可获得最大制冷效应26.3 K，最大制冷效应在0.5 MPa时增大为29.1 K，但获得最大制冷效应的冷端流率降低为0.32。不同入口压力条件下的制冷效应差别随着冷端流率μc的不断增加反而越来越小，从图3看出，冷端流率为0.37时压力0.44 MPa和0.50 MPa的制冷效应相差3.0 K，而这个差值在冷端流率为0.71时缩小为1.8 K，说明随着涡流管入口压力的升高，最大制冷效应时的冷端流率值有减小的趋势，四流道喷嘴涡流管在进口压力0.35 MPa、0.44 MPa、0.5 MPa时取得最大制冷效应时的冷端流率μc分别为：0.38、0.36、0.32。

2.2 入口压力对制热效应的影响

制热效应随入口压力以及冷端流率的变化曲线如图4所示。

图4 制热效应变化曲线

冷端流率相同条件下，随着进口气体压力的升高制热效应也越明显。在压力0.35 MPa时冷端流率0.82下获得最大制热效应41.3 K，在压力0.44 MPa时冷端流率0.80下可获得最大制热效应49.2 K，最大制热效应在0.5 MPa时增大为50.8 K，但获得最大制热效应的冷端流率降低为0.77。

四流道喷嘴在一定的入口压力下，冷端流率逐渐增加至0.8附近时，制热效应逐渐增加。入口压力从0.35 MPa增至0.5 MPa时，涡流管最大制热效应时的冷端流率μc值随之从0.82降至0.77。在相同冷端流率μc值时，制热效应差距随着进口压力的增大而变小，如在冷端流率μc＝0.8时，0.35 MPa与0.44 MPa下的制热效应相差达8 K，而这一差距在进口压力为0.44 MPa与0.5 MPa时缩小为1.6 K。

3 结论

本文对四流道喷嘴逆流型涡流管在热管长度400 mm时不同进气压力条件下测试了温度分离效应，重点研究了进气压力对性能的影响，结果表明四流道喷嘴涡流管的性能特点如下：

（1）入口压力越高，四流道喷嘴涡流管的制冷、制热效应越大，且超过最大制冷效应的冷端流率后，若继续增加冷端流率，制冷、制热效应的差异会缩小。

（2）四流道喷嘴涡流管，在获得最大制冷效应和制热效应时的冷端流率随入口气流压力的升高有减小的趋势。

（3）四流道喷嘴涡流管分别集中在冷端流率0.35、0.8附近获得最大制冷效应、制热效应。

（4）四流道喷嘴涡流管随着进口压力的增大，相同冷端流率时的制热效应差距有缩小的趋势。