不同气体对涡流管能量分离效果的影响

　　涡流管,也叫兰克-赫尔胥管,它是一种没有任何运动部件的简单的能量分离装置,能够在其两端将高压气流同时分离成冷热两部分气体.主要结构由切向喷嘴、涡流室、冷端隔板、热端阀和冷热端管等组成.对于常见的逆流涡流管,高压气体通过一个或几个喷嘴进入涡流室,同时伴随着强烈的旋转和涡流运动,随后以螺旋线的形式沿着管壁行进到喷嘴的右端.此时,管右端的锥形阀限定了只有一部分气体出现在管壁附近,并且阻止热端管中心的气体直接流出.由于热端阀同冷端孔板之间存在正压力梯度,从而中心气流朝着反向流动并最终以一个较大的温降通过冷端隔板流出,这就是冷流部分;而外层气体以较高的温度从右端流出,右端的锥形阀用来控制冷热气流的相对比例.另外,设在喷嘴左端的隔板可能会允许处于轴线附近一定量的进口气体直接从冷端管流出,而不参与能量的分离过程^[1-2].

　　涡流管具有结构简单、操作方便、运行安全可靠、造价低廉等优点;又具有制冷、制热、抽真空、汽液分离等功能,因此涡流管被广泛应用在制冷、制热、分离等科学研究和工业领域.在涡流管的工业应用中,涡流管内的介质不一定是空气,还有瓦斯气^[3](天然气)、有机废气、氮气、二氧化碳等气体.尤其值得一提的是,涡流管在国外已被广泛应用于天然气的轻烃回收、天然气脱水和天然气防冻堵等方面,在这些系统中涡流管内的工质均为天然气.国内外学者已对涡流管进行了大量的研究,但大都集中在以空气为介质的范围内,由它得到的结论和规律能否直接用于其它工质涡流管的设计、实验及实际应用中,还有待进一步的验证.本文对不同工质的涡流管性能进行了研究,以寻找不同工质对涡流管性能的影响规律,为涡流管在其他工质方面的应用提供设计依据和指导.

　　1 实验装置及实验方法

　　1.1 实验气体的选择

　　由于实验条件的限制和要求,实验气体的选择除了具有代表性,还要安全.具体的,对实验所得的数据,为了尽可能的便于直观的分析,要求采用的4种气体之间,两对的摩尔质量既要分别相近,又要彼此有所差距,根据这个原则,实验所选择的气体为空气、氮气、氩气和二氧化碳等.

　　1.2 实验系统、流程及方法

　　本实验系统包括涡流管以及与涡流管相搭配的管路系统、降压系统、调温系统和仪表测量系统^[4],具体的实验系统如图2所示.

　　高压气罐1中的气体经过减压阀2 ,将压力降低到一定的要求,然后通过恒温水槽3以保持涡流管进口气体的温度恒定,最后通过涡流管6分离为冷热两股气流,同时利用压力表、热电偶和流量计分别测得冷热气流的出口压力、温度和流量后排入大气中.5为浮子流量计,用来测量涡流管进出口流量,4为旁路阀门,用来维持系统气流的稳定.压力测量采用高精度压力表(0.4级),温度测量采用与具有0.1°C精度的二级标准水银温度计进行对比标定过的铠装热电偶.