压力对涡流管性能影响的实验研究

    1 引言

    涡流管(兰克-赫尔胥管)是一种结构非常简单的能量分离装置,它由一根两端开口的管子以及喷嘴、孔板和调节阀构成,如图1所示。

    如图1,气流经喷嘴沿切线方向进入涡流管,沿涡流管内壁旋转,其角速度可达到几百万转每分钟[1]。涡流管具有结构简单、操作方便、运行安全可靠、造价低廉等一系列优点,又具有制冷、制热、抽真空、汽液分离等多方面的功能,因此在科学研究和工业的很多部门具有广阔的实际应用前景。但目前涡流管的制冷效率较低,其推广应用受到了制约。

    对涡流管的研究集中在3个方面:

    (1)对涡流管内部流动机理进行研究,以便对涡流管内部发生的复杂的能量分离现象作出合理的解释;

    (2)研究涡流管的结构(主要是通过实验实现的),以便寻求涡流管的最佳结构参数,提高涡流管的效率;

    (3)研究热物理参数对涡流管性能的影响,包括入口气流的温度、压力、湿度、气体性质等,以找出涡流管最佳运行状态时的物理参数。

    从涡流管的工作原理可以看出,进口压力是涡流管工作的唯一动力源。因此研究进口压力对涡流管性能的影响就成为涡流管研究的一个重要方面。又由于目前对涡流管的能量分离机理没有一个明确、被公认的理论为指导,所以对涡流管的研究大部分建立在实验基础上。Saidi和Valipour对喷嘴结构和进气压力对涡流管性能的影响进行了实验研究[2],但是其实验压力最大为0.3MPa,文献[3]中的最大实验压力达到0.6MPa,文献[7]中的最大压力达到0.66MPa,文献[8]中的最大压力达到0.7MPa,这些研究的特点是涡流管的出口背压未加控制,均为大气压力,并且实验所达到的压力都比较小。本文将通过实验,研究涡流管的进口压力对涡流管性能的影响,实验中通过控制涡流管的出口背压,使每组实验控制在相同的膨胀比下,并进一步提高涡流管的进口压力,以便得出在相同的膨胀比下,进口压力对涡流管影响的更具有普遍规律性的结果。

    2 实验装置

    实验装置系统如图2所示。

    压缩机中的高压空气经过储气过滤器,以减轻压缩气体的振荡,同时也去除其中的油滴、水滴和其它微粒,然后经过孔板流量计测定涡流管入口空气的流量,再通过恒温水槽以保持涡流管进口压缩气体的温度恒定,在过涡流管和恒温水槽之间安装减压阀以调整涡流管的入口压力,在涡流管中将气流分离为冷热两股不同的气流。空气质量流量计是用来测量涡流管冷端流量,为了提高测量的准确度,实验系统中安装了2台并联的空气质量流量计,以便在不同冷流率下不同流量范围内进行切换测量,使读数处于仪表量程的1/3~2/3范围内。在涡流管的冷热端分别安装有调节阀以便调整涡流管的出口压力,从而保持涡流管的膨胀比不变。在涡流管进口、冷端出口以及热端出口分别布置合适的测点,以便进行压力和温度的测量。本实验压力测量采用0.4级压力表,温度测量采用热电偶。为提高测量的准确性,温度和流量的测量都进行必要的校准。流量计在出厂时都有标定,在本实验中又进行了对比校定(具体做法是,全关热端阀,测量涡流管进口流量、压力和温度以及冷气出口流量、压力和温度,根据流量连续性,两处测得的流量应该相等)。经检测本实验质量流量误差不超过3%。