小流量涡流管热端加湿制冷系统实验研究

    1 引言

    涡流管是一种将压缩气体分离为高温和低温两股气流的设备。因其结构简单,无运动部件,工作稳定,工作范围大等优点在某些方面已经得到应用(如用于天然气分离器、移动式制冷器等),缺点是其效率和其它制冷设备相比较低。但从环保考虑,当今利用空气直接制冷的研究已越来越得到重视。目前空气制冷已经应用于加湿空调、冷藏汽车等[1]。最近俄罗斯制造出了使用空气作为工作介质的涡流管冰箱,其制冷温度可以达到-100e,而且具有制冷速度快,耗电少的优点,并且不用氟里昂为工质,是真正的绿色冰箱[2]。这使涡流管制冷的应用前景变得十分诱人。

    涡流管的理论研究和设计经验表明,涡流管直径越小,流量越小,效率就越低。一般认为涡流管直径在33mm以上,直径对涡流管效率影响不大,小于此值,直径对涡流管效率影响很大,而且直径越小,效率越低。效率降低值可以按照以下公式来估计[2]:

△η=0.005(D-33)

    式中 D——涡流管直径,mm

    然而恰恰是小流量的涡流管在某些特定的小空间制冷领域内有很大的应用前景。因此,开展小流量涡流管研究,提高小流量涡流管制冷效率是一项很有实际意义的课题。

    涡流管制冷效率相对低主要是两方面造成的,第一,涡流管是利用气流在旋绕运动中的涡流效用进行热的分离,不可逆损失很大;第二,涡流管制冷进行热的分离,只有一部分气流是冷气,而另一部分是热气流,在制冷器中,热气流不能直接作为制冷剂用。

    本文以压缩空气为工作介质,在原有小流量涡流管的基础上对其制冷系统进行改进,引入涡流管热端加湿系统,从而提高了涡流管制冷的绝热效率。

    2 制冷性能实验研究

    2.1 实验装置及流程

    实验装置的系统见图1,压缩机排出的空气经过气水分离器,除去空气中携带的水滴,然后经过一段环管式冷却器降温后,经过流量计进入涡流管中进行膨胀,分离为冷、热两股气流。为调节涡流管的进口压力,在进口管段上设有旁通管,由旁通调节阀调节进气压力和放空的流量。冷气流从靠近入口端的孔板离开涡流管。热气流从管的另一端排出,热气温度比进气温度高,一般来说高于环境温度。理论分析表明对该气体冷却后再进行加湿可以取得更好的降温效果,所以本实验装置将热气经过管路同环境进行自然换热,经过冷成饱和湿空气,获得低于环境温度的气体,在应用时可以将它送入混合室中同冷端气流进行混合,从混合室排出的气流可用来制冷,也可以用来预冷涡流管进气。本实验未加降温后的热气同冷气混合的混合器(图1中虚线中的部分),按照混合前后焓相等理想情况,计算得出混合后的温度T混合。流量、压力、温度、湿度的测点布置如图1所示。实验用的涡流管是专门设计的小流量涡流管,结构参数经过优化,直径为12mm,在进气绝对压力为016MPa下,进气流量为18Nm3Ph。