涡流管的流道特性及制冷能力实验

　　涡流管沒有任何可移动的部件,它沒有散热片、也沒有热交换器,而且不需机械制冷那样的机器启动时间,却能瞬间产生制冷的效果,只要有压缩空气就可,因而涡流管是一种结构极为简单的制冷装置^[1]。

　　涡流管具有一系列优点,如维护简便、故障率低,工作极为可靠;无需电能、机械能和化学能等,可应用于对安全要求很高的场合。虽然涡流管制冷的热 力效率与蒸汽压缩式制冷相比甚低,但其仍有发展空间,并在制冷空调及工业冷却、空分、干燥、天然气等许多领域得到应用。涡流管独有的特性,吸引了国内外许 多学者对其热力学原理和能量分离特性进行不断的深入研究^[2],蔡洁等初步揭示了涡流管能量分离的物理机制和行为、王鹏涛等人对涡流管结构的分析^[3]指明渐缩型流道的优越性、进口压力对涡流管性能影响的分析^[4]、涡流管热端管长度对其性能的影响分析^[5]、涡流管两相流动特性^[6]、气液两相涡流管^[7]的研制以及对应用途径进行的大量研究,极大地拓展了涡流管的工程运用^[8]。 涡流管内介质流动和能量交换过程十分复杂,目前还没有对涡流管制冷机理的统一、完备的表述,研究者普遍认为几何参数对于涡流管的性能有很大的影响,当前的 理论研究还不足以形成一套完整的体系,因而采用实验手段研究不同结构下的涡流管制冷、制热性能,以获得特定条件下的最优化结构参数具有很强的现实意义^[9]。

　　在总结SMITH Eiamsa-ard^[1]、Posernev^[10-11]等人的实验基础上,笔者研制了4种不同形式的涡流管喷嘴流道,以压缩空气为介质,测量在相同进口条件下热管内的温度分布,以研究不同结构下的喷嘴对涡流管制冷效应性能的影响。

　　1 实验准备

　　1.1 实验描述

　　为了使实验结果具有低温和提高制冷效应的实际意义,在总结大量经验的基础上,以常温压缩空气(压力保持在设定值为0.7MPa)为气源,并经过容积为0.28m³储气罐整流避免了流体扰动后,再通过玻璃转子流量计后引入涡流管,经过涡流管的能量分离作用被分离成冷热两股气流,利用铠装热电偶测得热端气流的径向以及轴向的温度分布、冷热两端的出口温度,之后的冷端气流经过玻璃转子流量计测过其流量后排入大气中。

　　设计搭建的涡流管性能实验台^[12],见实验系统图1。温度、压力采集点紧邻涡流管进口和出口,确保采集的参数准确。实验过程中温度、压力^[13]、 气体流量采用人工记录与模块化数据采集两种方式相结合。图中4-7,10-13热电偶沿热管半径方向布置,4位于轴心,7位于管内壁,5、6以平均距离分 布,为了减少热电偶对热管内流场的影响,在周向有0.5cm距离间隔;10-13以同样方式布置。其余的热电偶均要求位于管子中心。