涡流管制冷试验分析

　　1 前言

　　涡流管具有非常多的优点，比如结构简单，运行可靠，成本低廉等。其中不是由电带动，而是压缩气体带动的工作特点尤其适用于矿井。目前我国煤炭矿井热害日益突出，涡流管制冷系统配合井下的气动风机能为井下局部降温多提供一个选择。

　　要推广涡流管的使用范围，那么必须提高涡流管的制冷效率。目前各专家学者对其冷热分离模型有着不一样的理解，为了正确地了解其工作原理，以指导设计提高其制冷效率，做了以下一系列试验，发现了下列现象。

　　2 涡流管制冷现象的研究

　　2. 1 涡流管流动特性

　　当冷流率取在制冷范围内时，压缩气体从喷嘴进入涡流管，由于空间的突然增大以及压力差，气体自然膨胀，同时由于气体切向速度非常大，相对而言外旋流所受的离心力要大，所以外旋流被压缩，而内旋流不但受的离心力小，而且空间不像外旋流一样受管壁的束缚，可以向轴心膨胀，从而气体分为 3 种流动情况，外旋流压缩，内旋流膨胀制冷，中间有一层与入口气体等温的面。类似于轴向零速度面，却又不是轴向零速度面，具体流动过程及温度分布见图 1、2[1]。

　　等温面内部为膨胀区，外部为压缩区。继续往热端发展由于径向速度的衰减，轴向速度逐渐占主导地位，从而向心力消失，涡流效应消失。当冷流率为 0 时，与入口温度等温的面为喷嘴处的轴向截面，此时等温面与轴向零速度面重合，因为冷端全闭时壁面总速度为零; 当冷流率为 1 时，与入口温度等温的面为热管管壁与热端截面组成的曲面。轴向零速度面再次重合。

　　通过调节冷流率能够发现，随着冷流率的增加，与入口温度等温的面往热端拉长，内旋流膨胀区变大，理论上应该冷端温度降低，但实际上当冷流率超过 0. 4 左右就开始使制冷效应降低。从靠近涡流室的轴向截面逐步向热端发展过程中，径向速度由于内摩擦逐渐减小，相对膨胀区域在减少的同时膨胀压比也不断减小，靠近涡流管的制冷效果最好，在往热端发展中，随着制冷效果的降低，开始与热传递逐渐抵消，甚至热传递使靠近热端的内旋流温度升至比入口温度高。从而冷流率有一最佳范围。

　　因而涡流管的制冷实为内旋流膨胀制冷，其膨胀效率介于绝热膨胀与放气过程之间。而热传递是涡流管制冷的主要能量损失。

　　2. 2 涡流管与膨胀过程比较

　　气体膨胀过程总是介于绝热放气与绝热膨胀之间，因而它的温度比介于图 3 中绝热放气与绝热膨胀 2 条曲线之间。过程越进行的缓慢越接近于等熵膨胀过程。涡流管制冷与膨胀之间特点: