熱端管長度對渦流管性能影響的實驗研究

何麗娟 趙輝通 李海燕 吳夏夢

(內蒙古科技大學能源與環境學院 包頭 014010)

1 引言

渦流管是一種結構簡單的能量分離裝置,它能將高壓氣體分離為總溫不同的兩股氣流。由于其結構簡單,操作方便,無運動部件等一系列優點,已在制冷領域、天然氣領域、混合物分離、航空領域以及諸多工業領域得到廣泛應用[1]。雖然渦流管結構簡單,能量分離的原因卻及其復雜,對其內部能量分離機理的認識上存在巨大爭議[2-4]。

針對渦流管的結構特性的研究中,熱端管長度對渦流管能量分離的影響一直無法得到長足的進展。Soni 和Thomson[4]認為渦流管長徑比L/D(熱端管長度與渦流室直徑之比)L/D>45 時渦流管會擁有較好的能量分離效果。2005 年,何曙以渦流室直徑為D=6 mm,熱端管長度L分別為80 mm、100 mm、140 mm的渦流管進行試驗研究[5],所選取的3 組熱端長變化范圍太小即長徑比變化范圍太小,不足以說明熱端管長對渦流管性能的影響。2006 年王遠鵬對長徑比分別為16.9、25、32.5 的渦流管進行能量分離的試驗研究[6],實驗結果表明冷流率相同時,渦流管熱端管長度越長,其最大制冷效應與制熱效應越好。2007 年周少偉對熱端管長分別為205 mm、369 mm、574 mm、750 mm的渦流管試驗,熱端管長度會改變流體的切向速度分布,影響管內的漩渦特性,當漩渦特性消失,再增長熱端管長度將不再影響能量分離特性[7]。

本文在前人的研究基礎上進一步開展熱端管長度對渦流管能量分離特性的研究,并且研究了熱端管長度變化時熱端管的溫度分布情況,為更好地研究渦流管能量分離機制和結構優化奠定了堅實的基礎。

2 實驗

2.1 實驗設備

本實驗裝置流程圖如圖1 所示,來自高壓氣瓶的高壓氣體利用壓力調節閥V1 進行調壓控流,定壓后的高壓氣體進入換熱器,經流量計1 采集數據的定壓高壓氣體進入渦流管,分別經冷端出口和熱端出口離開渦流管,排入室外。

圖1 實驗流程圖Fig.1 Experimental flow chart

實驗中,渦流管為自行研制加工,壓力傳感器流程為0—2.5 MPa,精度為±0.2%FS,質量流量計準確度等級為0.2 級,渦流管凈出口溫度測量均采用Pt100 標準鉑電阻溫度計(量程為-200—200 ℃,精度為±0.1 ℃),渦流管壁面每10 mm 布置一個測溫點,溫度測量采用T 型銅—康銅熱電偶(精度為± 0.5℃)。實驗數據采集并輸入計算機,渦流管主體以及進出端所有管路均采用橡塑材料進行絕熱保溫。

2.2 測點布置

實驗中對熱端管長L1=100 mm、L2=125 mm、L3=150 mm、L4=175 mm、L5=200 mm 壁溫進行測量,各測點布置情況如圖2 所示,圖中熱端管長為200 mm 其測點:l1=7.5 mm、l2=…=l16=12.5 mm。

圖2 測點布置圖Fig.2 Layout of measuring point layout

2.3 實驗測量

實驗中,通過調節V1控制工質進入渦流管時的壓力,調節V2控制熱端出口壓力,從而控制冷端出口質量流量,本實驗主要測量內容如下:

渦流管冷流率μ,定義為渦流管冷端出口質量流量與入口質量流量之比,即μ=mc/min;渦流管制冷效應ΔTc,定義為渦流管進口流體溫度與冷端出口流體溫度的差,即ΔTc=Tin-Tc;渦流管制熱效應ΔTh,定義為渦流管熱端出口流體溫度與進口流體溫度的差,即ΔTh=Th-Tin;渦流管制冷量:Qc=mccp(Tin-Tc);渦流管單位制冷量:q=;渦流管制冷效率:

上式中:Tin為渦流管進口流體溫度,Tc為冷端出口氣流溫度,Th為渦流管熱端出口流體溫度,Pin為渦流管進口流體壓力,Pc為冷端出口壓力。

3 實驗結果及分析

實驗中以純度為99.99%的二氧化碳為工質,當進口壓力為0.2—0.6 MPa、進口溫度約為27.3 ℃、L=100 mm 時,探究了入口壓力對渦流管制冷性能的影響規律,當入口壓力為0.4 MPa、熱端管長度為100—200 mm 時,探究熱端管長度對渦流管性能的影響規律。

3.1 入口壓力對渦流管性能的影響

實驗中以熱端管長度L=125 mm,探究了入口壓力0.2—0.6 MPa 對渦流管制冷性能的影響。

如圖3 所示,渦流管制冷溫度效應隨著入口壓力的增大呈現先增大后減小的趨勢,在入口壓力為0.4 MPa冷流率為0.3 時具有最佳制冷溫度效應為29.3 ℃,此時渦流管內能量分離效果最好,達到了最佳冷熱平衡,這主要是因為入口壓力升高會使得沿切向進入渦流室的氣流旋流速度增加,此時管內壓力梯度也會增加,從而加強了內層氣流向外層氣流的剪切功程度,溫度降低[7],但是當壓力増至0.5 MPa、0.6 MPa時渦流管制冷溫度效應反而下降,這主要是因為增入口壓力會使沿切向進入渦流室的旋流速度增大,而受噴嘴臨界壓比的限制,切向速度不能無限增大,最高只能到達音速,因此渦流管制冷溫度效應不是隨著壓力的增大而無限增大的。

圖3 入口壓力對渦流管制冷效應的影響Fig.3 Effect of inlet pressure on coding effect of vortex tube

如圖4 所示,渦流管制熱溫度效應隨著入口壓力的增大呈現先增大后減小的趨勢,當入口壓力較小時,如0.2 MPa、0.3 MPa 時渦流管制熱溫度效應隨著冷流率增大的升高幅度較小,并且在冷流率為0.8 時達到最大,冷流率為0.9 時有所降低。當入口壓力升至0.4 MPa 時,渦流管制熱溫度效應隨著冷流率的增大迅速增大,冷流率為0.9 時具有最大制熱溫度效應為37.9 ℃。隨著入口壓力增大,制熱溫度效應則隨之降低,這主要是因為受噴嘴臨界壓比的限制,切向速度不能無限增大,最高只能到達音速,因此與制冷溫度效應和制熱溫度效應均不能隨著壓力的增大而無限增大。

圖4 入口壓力對渦流管制熱效應的影響Fig.4 Effect of inlet pressure on heating effect of vortex tube

3.2 熱端管長度對渦流管制冷與制熱效應的影響

熱端管長度對渦流管能量分離特性的影響,如圖5 和圖6 所示。在相同入口條件時,隨著冷流率增大,ΔTc呈現先增大后減小的趨勢,不同熱端管長度出現最佳制冷效應時的冷流率不同,熱端管長度增加,ΔTc呈現先增大后減小的趨勢。

圖5 熱端管長度對渦流管制冷溫度效應的影響Fig.5 Effect of hot end tube length on cooling effect of vortex tube

圖6 熱端管長度對渦流管制熱溫度效應的影響Fig.6 Effect of hot end tube length on heating effect of vortex tube

如圖5 所示,當渦流管的操作參數(入口壓力、入口溫度、冷流率)相同、熱端管長度為定值時,制冷溫度效應隨冷流率的增大均呈現先增大后減小的趨勢,最佳制冷溫度效應對應的冷流率不同。隨著熱端管長度的增加,與最佳制冷溫度效應對應的冷流率呈現先減小后增大的趨勢。在L=100 mm 時出現最佳制冷溫度效應的冷流率為0.5,L=125 mm 時最佳制冷溫度冷流率為0.3,L=150 mm、L=175 mm、L=200 mm 時冷流率均為0.4,這主要是因為渦流管熱端管長度太小時冷熱流均得不到充分發展就被排出即熱流在具有較大切向速度時就從熱端排出沒有進行充分的能量分離,而熱端管長度的增大會使能量分離區域發生變化,對內外旋流以及冷熱流的流動范圍產生影響,外旋流各流層以及與壁面的摩擦增大溫度升高,內旋流膨脹程度增大溫度降低。在冷流率為0.3、0.4 時,熱端管長度對渦流管制冷溫度效應的影響顯著,冷流率為0.3 時,隨著熱端管長度的增加,制冷溫度效應呈現先增大后減小的趨勢,在L=100 mm時制冷效應最差為24.6 ℃,L=125 mm 時制冷效應最佳為29.3 ℃,L=150—200 mm 時制冷溫度效應逐漸減小。冷流率為0.4 時,隨著熱端管長度的增加,制冷溫度效應呈現先增大后減小的趨勢,與冷流率為0.3 時相同L=100 mm 時制冷溫度效應最差,此時L=175 mm 具有最佳制冷溫度效應為29.2 ℃?？梢钥吹絃=125 mm 與L=175 mm 時分別在冷流率為0.3、0.4 時具有最佳制冷溫度效應29.3 ℃、29.2 ℃,相差較小,而L=100 mm 時在各冷流率下制冷溫度效應均為最小,L=200 mm 時各冷流率下制冷溫度效應較小。L=125 mm 時隨著冷流率的增大制冷溫度效應變化幅度較大,在冷流率為0.3 時具有最佳制冷溫度效應,而隨著冷流率的增大與其他管長的制冷溫度效應相差較大。這主要是因為,當渦流管熱端管長度不足時,氣流在熱端出口處所具有的切向速度仍然很大,在管內的能量分離效應還沒有充分進行,熱端管長度增大后,熱端出口的切向速度越小,此時管內的漩渦特性仍足以引起能量分離,能量分離就會越充分[8],而當熱端管長度增大到一定程度之后渦旋特性就會衰減完,再增大熱端管長度將不能促進渦流管的能量分離特性,甚至會削弱能量分離效果,所以一味的增加渦流管熱端管長度并不能使渦流管的制冷溫度效應一直增大[8-9],相反地,渦流管熱端管長度太長會對能量分離特性產生抑制,而熱端管長度太短時制冷溫度效應較差。

冷流率與熱端管長度對渦流管制熱效應的影響見圖6?？梢钥闯?隨著冷流率的增大渦流管的制熱溫度效應增大明顯,并且可以看到在冷流率較小時渦流管并不具有制熱能力,相反地,在冷流率為0.1 時,各熱端管的制熱溫度效應均為負值,并且隨著熱端管長度的增大呈現先增大后減小的趨勢,L=175 mm 時其制熱溫度效應最小為-4.48 ℃,而此時各管長在該冷流率對應的制冷溫度效應也是最小的,這主要是因為冷流率較小時管內流體進行能量分離的區域較小,內外旋流間的能量分離強度較弱,此時熱端壓力較小,同時由于冷孔板的限制作用,熱端排出的是冷熱流摻混的流體,并且外旋流各流層間以及與壁面的摩擦作用較小渦流管制熱能力較差。隨著冷流率的增大渦流管制熱效應增大幅度明顯,冷流率為0.1 時L=200 mm 的制熱溫度效應為-4.3 ℃,在冷流率為0.9 時L=200 mm 的制熱溫度效應達到最大為39.6 ℃,制熱溫跨達到43.9 ℃。隨著熱端管長度的增大渦流管制熱溫度效應逐漸增大,L=100 mm 時各冷流率的制熱溫度效應較小,L=125 mm 與L=150 mm的制熱溫度效應差別較小,而L=175 mm 與L=200 mm 時的制熱溫度效應最大,這主要是因為隨著熱端管長度外旋流的運動空間增大,使得外旋流各流層之間以及與壁面的摩擦作用增大渦流管制熱效應明顯增大。L=100 mm 時其冷流率0.1 與0.9 之間的制熱溫跨為40.0 ℃,L=125 mm 的制熱溫跨為41.2 ℃,L=150 mm 的制熱溫度為42.1 ℃,L=175 mm的制熱溫跨為42.2 ℃,L=200 mm 的制熱溫跨為43.9 ℃,所以各管長的冷流率在0.1 與0.9 時制熱效應差別不大,其制熱溫跨相差較小。在冷流率為0.9 時熱端管長度的變化對渦流管制熱溫度效應的影響較小,這主要是因為在冷流率較大時,內旋流空間增大外旋流受內旋流膨脹作用使各流層間摩擦以及與壁面摩擦作用增大使得外旋流溫度升高。同時可以看到渦流管制熱溫度效應因熱端管長度增加引起的變化不太明顯,在熱端管長度L=100 mm 時渦流管制熱溫度效應最差,當熱端管長度增加,L=125—200 mm 之間各管長的制熱溫度效應、制熱溫跨差別較小。

3.3 熱端管長度對渦流管單位制冷量q 及COP 的影響

熱端管長度對渦流管單位制冷量q及COP的影響如圖7、圖8 所示,在相同入口條件時,隨著冷流率增大,單位質量制冷量q與渦流管制冷效率COP均增大,但當冷流率增大到0.8,再增大冷流率渦流管的單位制冷量與制冷系數反而下降。隨著熱端管長度的增加,單位制冷量呈現增大的趨勢,冷流率為0.8 時熱端管長度L=125 mm 的渦流管具有最大單位制冷量14.9 kJ/kg,而熱端管長度L=200 mm 的渦流管最大單位制冷量為13.2 kJ/kg,兩者相差1.7 kJ/kg。與制冷溫度效應不同,單位制冷量與制冷效率出現最大值時的冷流率為0.8。

圖7 熱端管長度對渦流管單位制冷量q 的影響Fig.7 Effect of hot end tube length on unit cooling capacity q of vortex tube

圖8 熱端管長度對渦流管COP 的影響Fig.8 Effect of hot end tube length on COP of vortex tube

3.4 熱端管長度、冷流率對溫度分布的影響

圖9 給出了熱端管管長L=125 mm 壁面溫度測點溫度與入口的溫度差ΔT=T-Tin的分布。如圖9 所示,熱端管長L=125 mm 時,隨著冷流率的逐漸增大,渦流管熱端管壁面溫度具有明顯的增大,當冷流率為0.1、0.2、0.3 時壁面溫度增幅較小,隨著冷流率的進一步增大,壁面溫度升高幅度較大,而冷流率0.8 與0.9 相差較小,這主要是因為冷流率較小時熱端壓力不足,具有較高切向速度外旋流氣體還沒有進行充分的能量分離就從熱端排出,熱端壓力不足使得外旋流氣體在熱端管與壁面以及各流層間的摩擦作用較小,外旋流氣體溫度升高幅度較小,同時因為冷流率較小,渦流管內能量分離程度較低,自由渦與強制渦之間的能量分離較少。

圖9 冷流率對熱端管溫度分布的影響Fig.9 Effect of cold flow rate on temperature distribution of hot end tube

圖9 中各軸向上的溫度分布隨冷流率的升高變化情況不同,冷流率0.1—0.4、軸向Z=12.5—100 mm壁溫逐漸升高,在Z=100 mm 處達到峰值,壁溫逐漸升高的過程中在軸向Z=12.5—50 mm 之間溫度升高幅度較大,軸向Z=50—100 mm 之間溫度升高幅度較小壁溫趨于平穩,這主要是因為高壓氣體經噴嘴進入渦流室內,進行強烈的漩渦運動,外旋氣流向熱端運動過程中,由于氣流層之間的湍流粘性摩擦以及熱傳遞作用,外旋部分的氣流獲得了較多的能量,溫度升高,而處于中心部分的氣流損失了較多的能量,因而溫度會有所下降[7],所以軸向Z=12.5—50 mm 是渦流管發生能量分離的主要區域渦流室[10]。隨著軸向距離的繼續增大Z=50—100 mm外旋流逐漸向熱端發展,能量分離現象逐漸消失,溫度趨于平穩,這主要是因為隨著軸向距離的增大渦流管內的切向速度逐漸減小,強旋流運動逐漸較弱,能量分離效應也逐漸降低,因而溫度分布趨于平穩,隨著軸向距離增大至Z=107.5 mm 處壁溫出現下降,冷流率較小時熱端出口流量較大,在熱端出口由于受熱端閥的限制出現回流使得溫度升高。

由圖9 可以看到冷流率逐漸升高壁面溫度分布出現變化,隨著冷流率的增大壁溫較冷流率較小時明顯升高,這一趨勢與制熱溫度效應隨冷流率變化相同。而冷流率較大時壁溫出現最大值的軸向距離出現變化,冷流率0.5—0.9,軸向Z=12.5—75 mm 壁溫逐漸升高,在Z=75 mm 處達到峰值,軸向距離繼續增大各冷流率對應壁溫分布不同,冷流率0.5、0.6、0.7 在軸向Z=75—125 mm 之間壁溫先減小后趨于平穩,冷流率0.8、0.9 在軸向Z=75—125 mm之間壁溫逐漸減小,與冷流率較小時相比壁溫出現峰值的軸向距離有所增大,在熱端出口處壁溫升高的現象消失,這主要是因為隨著冷流率的升高冷流流動區域增大,冷熱流間進行能量分離的軸向距離增大,此時發生能量分離的軸向空間增大,所以壁溫出現峰值的軸向距離增大。

如圖10 所示為熱端管長度在L=125—200 mm的管壁溫度變化趨勢。定義軸向位置Z*=Z/L為軸向距離與管長之比。由圖10 可知在冷流率為0.6、0.7 時,L=150 mm 壁面溫度最高,L=100 mm 壁面溫度最低,而冷流率為0.8 時,L=200 mm 壁面溫度最高,L=125 mm 壁面溫度最低,隨著冷流率的逐漸增大,L=100 mm 與L=200 mm 的壁面溫度逐漸升高?？梢钥吹皆诶淞髀瘦^小時,各管長壁面溫度差別較大,而隨著冷流率的升高各軸向位置的溫度差別較小,這主要是因為冷流率較大時受熱端出口壓力的限制在管內流體各流層間以及壁面的摩擦作用使得壁面的溫度差別較小,并且隨著冷流率的增大壁溫溫度差別較小,此時熱端管長度對壁溫的影響較小?？梢钥吹皆谳S向位置較小時渦流管壁面溫度升高幅度較大,這主要是因為氣流層之間的湍流粘性摩擦,隨著熱端管長度的增大,軸向位置逐漸減小,可以看到壁溫增幅最大的軸向距離基本一致均在軸向距離Z=12.5—50 mm 范圍內,這主要是因為改變熱端管長度并不能有效的改變渦流管內發生能量分離的主要區域,而隨著軸向距離的增大管內湍流粘性摩擦效應減弱,壁面溫度升高幅度有所降低。在冷流率為0.6 時,各管長的壁溫增幅最大區域雖然基本一致,但是其壁溫出現峰值的軸向位置不同,隨著熱端管長的增加,壁溫出現最大值的軸向位置在逐漸減小,同時可以看到出現最大壁溫的測點均為第7 個測點附近,即各管長軸向距離Z=87.5 mm 附近,而冷流率為0.7、0.8 時,L=100 mm、L=150 mm、L=175 mm 在軸向距離Z=87.5 mm 附近出現最高壁溫,L=125 mm 在軸向距離Z=75 mm 附近出現最高壁溫,L=200 mm 在軸向距離Z=100 mm 附近出現最高壁溫,可以看到熱端管長度不同時管壁溫度分布不同,并且受冷流率影響較大。

圖10 熱端管長度對溫度分布的影響Fig.10 Effect of hot end tube length on temperature distribution

4 結論

(1)當熱端管長度的變化范圍為100—200 mm、冷流率的變化范圍為0.1—0.9 時,入口壓力為0.4 MPa,渦流管具有最佳制冷、制熱溫度效應。

(2)當入口壓力為0.4 MPa 時,獲得最佳制冷、制熱溫度效應的熱端管長度與冷流率相對應。當熱端管長為L=125 mm、冷流率為0.3 時渦流管獲得最佳制冷溫度效應為29.3 ℃;當熱端管長L=200 mm、冷流率為0.9 時渦流管獲得最佳制熱效應39.6 ℃。

(3)當入口壓力為0.4 MPa 時,冷流率為0.8 時渦流管單位制冷量與COP具有最大值。