涡流板制冷特性的实验研究

    1 引 言

    1930年法国工程师Ranque[1]发现了涡流管的涡流效应,它是一种结构非常简单的能量分离装置,可以将压缩空气分离为高温和低温两种气流。1947年Hilsch的研究使涡流管制冷器成为一种有用的制冷机,但由于其效率低没有得到应有的重视。近年来经过不断努力和改进,其效率不断提高,加之具有结构简单、无运动部件、无维护、造价低廉、采用低压气体制冷工质,因而,成为有发展前途的制冷器。国外许多专家学者都在从事涡流管制冷器的研究和开发工作,并在制冷、空调、气体液化、天然气和石油气纯化、仪表、航空等工业部门获得应用[2~3]。然而由于其效率低,制冷量小等缺点制约了其更广泛的应用。以往人们对涡流管的研究多集中在单管涡流管的特性研究,对于涡流管集成化研究从来未有文献阐述。集成化的涡流板是由多涡流管集合而成,可以做成模块化,根据制冷量大小来进行不同的组合,即具有单管涡流管的制冷特性,又能提高制冷量,从而使其在某些特定的领域如有限空间生命环境保障、舰船电子装备维护等更能发挥其优点,具有很大的应用前景。

    利用气体动力学、传热传质学等相关理论知识,结合前人对单管涡流管的研究,引入集成整合的观念,研究开发了集成涡流板并建立了涡流板制冷实验系统。本文以压缩空气为介质,在不同冷流比条件下,通过改变涡流板入口压力的方法,分别对涡流板的制冷性能进行实验研究,获得涡流板的制冷效应、制冷效率、制冷量与进气压力及冷流比之间的关系。研究结果表明涡流板具有传统涡流管同样的制冷性能,为进一步研究打下了基础。

    2 实验研究

    图1给出了涡流板实验系统流程图,空气通过压缩机1压缩变成高压空气,经过过滤器2、冷却器3得到比较纯净的空气,进入储气罐4稳压,然后经调节阀5,流量计6,进入涡流板内进行能量分离,得到冷热两股气流排入大气中。8为放气阀,用来维持进气流的稳定; 6为金属转子流量计,分别用来测量涡流板进口流量、冷端流量和热端流量。在涡流板进口处、冷端出口以及热端出口处分别布置合适测点进行压力与温度测量,本实验中压力用高精度压力表测量,温度用电阻温度计测量。

    涡流板采用多涡流室结构,本实验采用5个涡流室集成,每根热端管都有独立的调节阀。每个涡流室内径12 mm,分离孔板内径8 mm,每个涡流室采用3喷嘴,宽为1 mm。压缩空气分别进入各个涡流室进行能量分离,汇集成冷、热两股气流分别从冷端管和热端管流出。

    实验中以入口压力pi以及冷流比L为自变量,研究它们对制冷效应、制冷效率以及制冷量等涡流板制冷特性的影响。