旋风分离器临界粒径计算的一种新方法

    1 引言

    氦是低温工程的理想制冷剂，由于它具有诸多的优良特性，在低温技术中的应用也越来越广泛，例如: 氦在空间技术、军事和原子能工业、超导技术、红外探测和低温电子学方面有重要的应用。液氦在温度低于 2． 716K 时变为具有特殊性能的超流态液氦( 简称“超流氦”) 。超流氦能够达到极低的温度，使红外望远镜系统的热和机械噪声减至最小; 可以保持极高的温度均匀度( 10^{－ 3}K /m³) ; 热导性能极好; 具有极低的表面张力和粘度。由于超流氦具有以上难以替代的优点，它在空间低温工程中被广泛应用，超流氦气液相分离器是空间探测技术中应用超流氦制冷的重要 部件，通过相分离器实现超流氦气体和液体的分离，超流氦在相分离器表面或者里面吸收热量，蒸发变为气体，通过相应的流道再次吸收热量，最后通过定压阀门排 出探测器外边。

    超流氦相分离器分为主动式相分离器( Ac-tive Phase Separator，APS ) 和被动式 相 分 离 器( Passive Phase Separator，PPS) 。

    主动式相分离器如图 1 所示，利用在环形轴套和移动活塞之间的间隙形成的小缝隙使气体和液体分离，主动式相分离器可以根据不同的工况进行调节，通过调节移动活塞和轴套之间的相对位置来改变狭缝的有效长度，进而适应热负荷变化的工况。

    被动式相分离器如图 2 所示，通常由多孔塞介质烧制而成的块状部件，在空间应用的相分离器，常常选用金属粉末烧结，或者金属氧化物烧结，这样可以使得烧结而成的气液相分离器具有 较大的热导率，利于换热，被动式相分离器结构简单工作可靠，没有任何运动部件，在一定的范围内被动式相分离器可以根据热负荷自动调节。

    超流氦在主动式相分离器和被动式相分离器中的流动可以简化为超流氦在狭缝和毛细管内的流动，超流氦在相分离器内的流动分为层流和Gorter － Mellink( 简称 GM) 流动即流动中存在超流体的量子漩涡。对于不同的流动状态换热速率不同，需要需用不同的计算方法，如图 3 所示，在层流状态热量 q 与质量流量 m 呈线性关系，在GM 流动状态下，热量 q 与热量质量流量 m 的关系为 1/3 次方关系，因此在研究狭缝或者管道内超流氦的流动时利用临界速度，分清流动状态是十分必要的。

    2 临界速度计算方法

    2． 1 理论计算方法

    最简单的方法是利用 Heisenberg 测不准定律得ΔP·Δx = h，得到的临界速度计算公式为: