（制冷及低温工程专业论文）小流量涡流管特性的理论与实验研究.pdf

浙缸大学博士学位论文 小流量涡流管特性的理论与实验研究 曹勇 ( 浙江大学制冷与低温工程研究所) 摘要 涡流管是一种能够把压缩气体分离为冷热两股温度不同气流的简单装置。由 于涡流管装置具有结构简单、工作稳定可靠、易于维修、无运动部件且温度变化 范围大等优点，已被应用到许多领域。采用小流量涡流管在某些特定的制冷领域 内有很大的应用前景。但是，到目前为止，对涡流管的研究基本都集中在它的常 温特性方面，关于小流量涡流管特性研究还进行得很少，而关于涡流管低温特性 的研究更是几乎没有。 本文的研究目的就是通过理论和实验两方面深入分析和研究涡流管的常温 和低温特性，探求涡流管能量分离机理的内在规律，以便为涡流管在低温下的应 用提供依据。 本文在涡流管机理研究方面，从能量基本方程出发，推导出引起能量分离的 因素是压力的不定常波动、粘性应力和热量传递。根据热力学定律，采用最小熵 产分析方法，建立了涡流管的热力学模型，得出了产生所需冷热端温度同最小压 比之间的函数关系，并在h s 图上表示出涡流管能量分离热力过程。为涡流管的 理论研究提供一种新的方法。 本文首次利用f l u e n t 软件对涡流管内部流场和温度场进行数值模拟，深入 研究涡流管内部流场和温度场的分布。在此基础上，建立涡流管类比换热器模型， 对涡流管制冷效应的定量化进行深入分析，得出了冷流分量与温度分离效应的函 数关系式。用模型结果同h i l s c h 实验结果中的n 0 2 涡流管( p ，p 。- - - - 4 ，两个喷嘴) 和作者的实验结果进行对比，结果符合较好。 本文论述了小流量涡流管的设计方法和技术细节，对涡流管技术的开发与应 用具有实用价值。 本文自行建立了闭式循环涡流管常温和低温特性研究实验台，并进行了大量 实验研究工作。在常温下分别以氮气、氦气和氖气为工质，在不同的条件下，对 涡流管性能进行了测试。根据实验结果，对影响涡流管制冷性能的各种影响因素 进行了分析，在此基础上提出了增强涡流管制冷性能的方向。首次在常温进气条 浙江大学博士学位论文 摘要 件下，以氮气为工质，取得了单级涡流管2 4 4 k 的制冷温度。 本文重点研究了低温下涡流管的特性。在常温实验的基础上，对低温下涡流 管特性进行了深入研究，在液氮预冷的条件下，首次在闭式循环涡流管实验上取 得了6 0 2 k 的制冷温度，在6 7 5 k 的条件下获得了3 3 w 的制冷量。 关键词：低温，涡流管，特性，理论，实验 浙江大学博士学位论文 主要符号袁 t h i e o r e t i c a la n de x p e r i m e n t a ls t u d y o nt h ep e r f o r m a n c eo fas m l lf l o w v o r t e xt u b e c a n y o n g ( i n s t i t u t eo f r e f r i g e r a t i o na n dc r y o g e n i ce n g i n e e r i n g ，z h e j i a n gu n i v e r s i t y ) a b s t r a c t t h ev o r t e xt u b ei sas i m p l em e c h a n i c a ld e v i c eo fr e f r i g e r a t i o n ，w h i c hc a nd i v i d et h e c o m p r e s s e dg a ss t r e a mi n t ot w of l o w s ，o n eh o ta n do n ec o l d b e c a u s ei th a sn om o v i n g p a r t sa n dc o n s i s t sm a i n l yo fas i m p l et u b e ，t h ev o r t e xt u b eh a sb e e nu s e di nm a n y f i e l d s ，a l t h o u g hs t u d y so nal a r g ef l o wv o r t e xt i l b ei nr o o mt e m p e r a t u r er a n g e sh a v e b e e ne m p h a s i z e d ，y e tr e s e a r c ho nas m a l lv o r t e xt u b eh a ss t i l lb e e nd o n ev e r yl i t t l ea n d a l m o s tn o t h i n gh a sb e e nf o u n di nt h eo p e nl i t e r a t u r e so nv o r t e xt u b e si nl o w t e m p e r a t u r er a n g e su pt on o w t h em a i na i mo ft h i st h e s i si st os t u d yt h ep e r f o r m a n c eo fav o r t e xt u b ei nr o o ma n d l o wt e m p e r a t u r er a n g e sa n dt of i n do u tt h em e c h a n i s mo ft h ee n e r g ys e p a r a t i o no ft h e v o r t e xt u b e ，a sw e l la st oo b t a i nf r o mt h ea p p l i c a t i o n so fav o r t e xt u b ei nl o w t e m p e r a t u r er a n g e s t h em e c h a n i s mo ft h ee n e r g ys e p a r a t i o no fav o r t e xt u b ei sc a u s e db yt h eu n s t e a d y v a r i a t i o no fp r e s s u r e ，v i s c o s i t ys t r e s sa n dh e a tt r a n s f e rt h r o u 【g ht h ee n e 唱ye q u a t i o n b a s e do nt h ef i r s ta n ds e c o n dl a wo ft h e r m o d y n a m i c s ，e n t r o p yg e n e r a t i o nt h e o r yi s a p p l i e dt oe s t a b l i s hv o r t e xt u b em o d e l t h em i n i m a lp r e s s u r er a t i oi sg a i n e db yu s i n g t h i sm o d e l i tc a nb es t a t e dt h a tt h ep r o c e s so fe n e r g ys e p a r a t i o ni nv o r t e xt u b ec a nb e d e s c r i b e di nh - s d i a g r a m ，g i v i n g o u tan e w a p p r o a c h f o r s t u d y i n g o nt h e r a n q u e - h i l s c he f f e c t t h ee n e r g ys e p a r a t i o np h e n o m e n ao ft h ev o r t e xt u b ea r es i m u l a t e dn u m e r i c a l l yb y u s i n gt h ec o d es y s t e m f l u e n t 6 0 b a s e do nt h es i m u l a t i o n ，an e wm o d e lw a s e s t a b l i s h e dt ou n d e r s t a n dt h em e c h a n i s mo ft h et e m p e r a t u r es e p a r a t i o ne f f e c tw i t ht h e c o l dm a s sf l o wf r a c t i o ni nav o r t e xt u b eb ya n a l o g i z i n gi ta sah e a te x c h a n g e r i th a s 浙江大学博士学位论文 主要符号表 b e e nm a d eb e t w e e ns i m u l a t i o nr e s u l t sa n de x p e r i m e n t a lr e s u l t so ft h en o 2t u b eb y h i l s c h t h er e s u l t ss h o wt h em o d e lc a de x p r e s st h ec o r r e l a t i o no fc o l dm a s sf l o w f r a c t i o nt ot h et e m p e r a t u r es e p a r a t i o ne f f e c tw e l l i nt h i s p a p e r , t h ed e s i g nm e t h o da n dt e c h n i c a ld e t a i l so nt h ev o r t e xt u b e sa r e e x p o u n d e d t h eu s e f u lr e f e r e n c ei sg i v e nf u rt h ed e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o n so f v o r t e xt u b e a ne x p e r i m e n t a la p p a r a t u si ss p e c i a l l yd e s i g n e da n da m o u n t e df o rt h ep u r p o s eo f t e s t i n gt h ep e r f o r m a n c eo fav o r t e xt u b ei nr o o ma n dl o wt e m p e r a t u r er a n g e s t h e a u t h o rt e s t st h ep e r f o r m a n c eo fav o r t e xt u b ew i t hn 2 ，n ea n dh eg a si nr o o m t e m p e r a t u r er a n g e s o nt h eb a s i so ft h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s ，t h ea u t h o ra n a l y s e st h a t s o m ef a c t o r sa f f e c tt h ep e r f o r m a n c eo ft h ev o r t e xt u b e a sr e s u l t ，t h er e f r i g e r a t i n g t e m p e r a t u r ea sl o wa s2 4 4 kb yu s i n gn 2g a sh a sb e e ns u c c e s s f u l l ya t t a i n e d t h i ss t u d yp u be m p h a s i so nt h eo p t i m i z a t i o no f p a r a m e t e r so f t h ev o r t e xt u b ei nt h e e x p e r i m e n t sa tt h et e m p e r a t u r eb e l o w8 0 k o nb a s i so fe x p e r i m e n t a lr e s u l t si nr o o m t e m p e r a t u r er a n g e s ，t h ep e r f o r m a n c eo fav o r t e xt u b ei nl o wt e m p e r a t u r er a n g e si s s t u d i e d f o rn ew i t hl i q u i dn i t r o g e np r e c o o l i n g ，t h er e f r i g e r a t i n gt e m p e r a t u r ea sl o w a s6 0 2 ka n d3 3 wa t6 7 5 kh a sb e e ns u c c e s s f u l l ya t t a i n e db yt h ec l o s e c y c l ev o r t e x n l b e k e yw o r d s ：l o wt e m p e r a t u r e ，v o r t e xt u b e ，p e r f o r m a n c e ，t h e o r y , e x p e r i m e n t 羔壁望塑塑型苎型壅 圭至笪兰塞 拉丁字母 口 c o p c p 已 e ， h 三 g c ，卵 m n n t u pl n p 口u t g q 五 克 s 主要符号表 导温系数 制冷系数 定压比热容 内能 火用 传热面积， 比焓 表光导热系数 涡流管长度 水当量 质量流量 冷端质量流量 热端质量流量 半径无量纲尺寸 水当量小侧无量纲尺寸 传热单元数 涡流管入口压力 涡流管出口压力 单位制冷量 制冷量 气体常数， 导热系数 绝热系数 比熵 涡流管单位过程熵产率 单位节流过程熵产率 单位过程温度熵产率 单位过程压力熵产率 总熵产率 下角标 z c 涡流管总熵产率 过程熵产率 温度 静止温度 总温 涡流管冷端温度 涡流管内最低温度 涡流管热端温度 入口与冷端温差 热端与入口温差 涡流管内可能最大温差 理想等熵过程温差 速度 体积流量 密度 比重 总火用效率 制冷火j 1 j j 改率 温度效率 冷流分量 时间 换热器的效能 进出口压比 总能 涡流管进口参数 涡流管冷端参数 涡流管热端参数 母 一 字 标 雌丁i#瓦。矗蝇蝇吒蝇甜矿稽p y仉，。石埔。 f r p 缸血心血 虬 浙江大学博士学位论文 特别致谢 特别致谢 本学位论文的研究工作是在浙江大学陈光明教授和中国科学院理 化技术研究所制冷与低温中心吴剑峰研究员共同指导下完成的，得到 了国家自然科学基金( 批准号码：5 0 0 7 6 0 4 4 ) 以及中国科学院“知识 创新工程”支持。 特此致谢 浙江大学博士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 涡流管制冷装置具有造价低廉、无运动部件、工作稳定、易操作维护、工质 为易得的气体等优点。由于其独特的性能，自被发明以来，受到包括美、英、法、 德、日、俄、荷兰等国在内的诸多国家的重视，并已在制冷、便携式空调、真空、 气体混合物分离、电子元件的冷却以及机械加工冷却等许多领域获得应用。因此， 开展涡流管制冷的研究具有广泛而重要的应用前景。同时，由于涡流管制冷的内 部过程涉及工程热物理和流体力学等诸多分支学科的前沿和交叉领域，因此涡流 管制冷是一个既具有很好的应用前景，又具有很强理论性的研究课题。作为国家 自然科学基金资助项目，本课题旨在研究涡流管制冷内部流场和温度场以及热力 过程，以期能够对其制冷工作机理有更加深入的理解，同时为小流量涡流管制冷 在低温下的应用提供基础。本章将遵循这一宗旨，对涡流管已有的研究成果进行 系统的综述，并提出本文的主要工作内容。 1 - 1 课题背景 涡流管又称兰克赫尔胥( r a n q u c - - h i l s c h ) 管，是一种结构非常简单的能量 分离装置，由喷嘴、涡流室、冷端孔板和冷热两端管组成。工作时高压气体由迸 气管进入喷嘴，经喷嘴内膨胀加速，然后以很高的速度沿切线方向进入涡流室， 气流在涡流室内形成高速涡旋，由于调节阀与冷端孔板之间的压力差，在涡流管 内的中心区域形成回流气体，经过涡流变换后分离成总温不相等的两部分气流。 其中，处于中心部位的回流气流由冷端孔板流出，温度降低，形成冷气流，而处 于外层部位的气流从热端经调节阀流出，温度升高，形成热气流，这就是所谓的 “涡流效应”或“兰克效应”。通过热端调节阀调节冷、热气流的比例，可以得到 最佳制冷效应或制热效应。涡流管的工作原理见图1 ，l 。 冷 图1 - 1 涡流管工作原理图 浙江大学博士学位论文 第一章绪论 涡流管以它独特的性能吸引了众多学者进行探讨。世界上许多国家的科研机 构、大学和公司对涡流管进行了大量的实验和理论研究工作。涡流管在多种工业 部门得到了应用，很多大公司在涡流管的研究和应用方面都获得了专利，如壳牌 石油开采公司、富尔顿低温工程公司、本迪克斯航空公司以及菲利普石油公司等。 目前已出现了一些从事涡流管生产的专门厂家，如美国的v o r t e c 公司、e x x a i r 公 司和t r a n s o n i c 公司等。印度和埃及等发展中国家也积极从事这方面的研究工作。 据b r o n o 1 】在1 9 8 7 年的估计，世界上已经约有十万个涡流管用于工业领域，经过 多年来对涡流管技术的研究和开发，使其应用得到了进一步的加强。目前，涡流 管的应用已十分广泛，主要包括以下几个方面【2 q8 】： 工业方面：小型空调，移动式空气调节装置，轴承冷却，工具冷却，便携式 制冷器，涡流管式换热器等； 生物医学方面：生物冷冻，内外科手术； 科研方面：热电偶的冷结点恒温，涡旋恒温器，低温涡旋分离器，温度计的 标定，材料测试，热膨胀测试等； 航空方面：宇宙飞船的涡旋调节装置，电子设备的冷却，除冰等； 化学处理方面：天然气的冷却，分离，加热或冷却过程等。 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【i ”，其制冷温度 可以达到1 0 0 。c 。这种冰箱制冷温度低，制冷速度快，使用方便，耗电少，而且不 用c f c s 为工质，无污染，是真正的绿色冰箱。目前，世界上已投入应用的涡流管 种类极多，实际应用中远远不止上述各例。 我国涡流管的研究开展较晚，从8 0 年代开始先后有西安交通大学【2 n2 ”、大连 理工大学l 、上海交通大学盼2 4 和华南理工大学【2 5 i 等大学和科研机构对涡流管进 行了一些相关的研究。关于涡流管的文章、论文和专利口6 埘】也有了些，大多都 是对涡流管的特性进行实验研究和应用研究，也有对涡流管理论进行些探索。 但总的来说，国内对涡流管技术的研究相对落后，目前还仅限于实验研究涡流管 整体性能的水平，没有自己完整的理论体系，实用化更是空白。 作者在查阅大量国内和国外有关涡流管文献的过程中发现，以前人们对涡流 管的研究多集中在常温下其特性的研究，而且流量通常大于2 0 n m 3 h ，对于流量小 于1 0 n m 3 h 的小流量涡流管未见有文献阐述。关于低温下涡流管特性研究的文献 仅有一篇t 4 ”，而且并未给出具体结果。然而恰恰是小流量的涡流管在某些特定的 制冷领域内更能发挥涡流管的优势，具有很大的应用前景。因此，开展小流量涡 流管和低温下涡流管特性的研究，是一项很有实际意义的课题。 近年来，采用多元混合物作为制冷剂的研究已经越来越引起人们的兴趣，单 级油润滑空调压缩机驱动的混合物工质节流制冷机大大增加了制冷机在低温方面 浙江大学博士学位论文 第一章绪论 的商业应用场合。混合物工质节流制冷技术之所以成为个热点课题是由其发展 的前景和潜在的优点决定的：首先是其在低温端没有运动部件，运行简单可靠。 压缩机是制冷机中唯一的运动部件，而且能够采用普冷领域内广泛使用的单级油 润滑空调制冷压缩机，从而解决了长期困扰低温制冷机应用中没有可靠压缩机的 一大障碍；其次，混合物工质节流制冷机具有很高的灵活性，可以在硬件系统不 作大的改动下，通过改变不同的组分及配比，实现不同的制冷温区( 8 0 2 3 0 k ) ， 使得混合工质节流制冷机有可能成为8 0 k 以上温区的主要制冷机；另外，内复叠 循环已开始使用，甚至在普冷领域的l2 0 k - - 2 3 0 k 的温区内占有相应的地位，部 分地代替传统复迭式制冷系统，具有非常光明的应用前景 4 6 椰】。 但是由于工质种类的限制，当制冷温度降低时，存在一个无法解决的问题： 即在自然界中不存在一种物质其沸点介于氮气( 7 7 4 k ) 和氖气( 2 7 k ) 之间。这 样当内复叠多元混合工质节流制冷机在制冷温度低于液氮温度时，最后一级汽液 分离温度在8 0 1 0 0 k 之间，分离气体主要成分是沸点低于氮气的氖气或氦气，而 此温度区远高于氖气或氦气的沸点温度，其节流效应在空调压缩机运行压比范围 内非常小( 对氦气来说仍高于其转换温度，为制熟节流效应) ，相应的制冷能力很 小，效率急剧下降，以致无法有效地运行在液氮温度以下。例如在3 0 k - - 6 0 k ，至 今采用混合工质节流制冷机尚未达到。而在信息技术、红外技术、半导体电子器 件、超导器件以及低温生物医学工程等领域都需要有一个稳定可靠、制冷温度在 3 0 k 8 0 k 、低振动、低噪音、长寿命、造价低廉的低温冷源。因此解决多元混合 工质节流制冷机低于液氮以下温度的瓶颈问题，具有重要的理论和实际意义。 1 、压缩机2 、冷却器3 、油过滤器4 、一级汽液分离器5 、二级汽液分离器 6 、一级换热器7 、二级换热器8 、三级换热器9 、四级换热器1 0 、涡流管 1 l 、蒸发器1 2 、一级节流阀1 3 、二级节流润 图1 2 多元混合物工质内复叠节流结合涡流管复合循环流程 - 3 - 浙江大学博士学位论文 第一章绪论 为了突破混合工质节流在液氮以下温区的瓶颈问题，采用涡流管替代内复叠 混合工质节流制冷机最后一级节流元件，建立新的涡流管结合多元混合工质内复 叠节流复合循环，不失为一个可行的方案h 9 1 ，具体循环流程见图1 2 。为此必须首 先对涡流管在低温下制冷的特性进行研究，这也是本文研究的重要目的之一。 1 2 涡流管的研究进展 涡流管的历史可追溯到1 9 3 0 年，当时法国的冶金工程师兰克( g j r a n q u e ) 发现了旋风分离器中的涡流冷却效应，即旋风分离器中气流的中心温度和周边各 层的温度不同，中心具有较低的温度，而外缘具有较高的温度，兰克根据实验结 果，重新设计了一套装置来再现这种效应。1 9 3 1 年，兰克发表了首篇关于涡流管 的论文，并于同年在法国申请了专利，1 9 3 2 年他又在美国申请了同样的专利，并 在1 9 3 4 年获得批准口0 1 。但是，涡流管制冷器并没有被认为是一种可行的装置为科 学家们接受。1 9 3 3 年兰克在法国物理学会上作了关于涡流管装置及其涡旋温度分 离效应的实验报告，报告指出，温度为2 0 时，压缩气体进入涡流管后，通过涡 旋温度分离效应，从管中流出的冷气流的温度大约为一l o 2 0 c ，而热气流的 温度可达到1 0 0 * c 左右。由于兰克对分离现象的解释混淆了流体总温( 滞止温度) 与静温的概念，因而受到了与会者的质疑甚至反对，会议上对涡流管制冷现象的 普遍否定，就这样使涡流管的研究被搁置了十年之久。 直到1 9 4 6 年，德国物理学家赫尔胥【5 1 ( h i l s c h ) 又重新发现了涡流管的涡旋 温度分离效应，并对涡流管进行了系统研究：他研究了三种尺寸的涡流管，确定 了涡流管各部件几何尺寸的最佳比例关系；最大冷端温降随压力的增加而增加： 在压力比一定的情况下，直径大的涡流管比直径小的涡流管效率高。他在关于涡 流管装置的实验论文中，运用了详细的资料证实了涡旋温度分离效应，并就涡流 管的装置设计、应用、温度效应的定义等问题提出了一系列的研究成果和有价值 的建议。该论文的发表引起了学术界的广泛注意。不少学者也研制了类似的装置， 并证实了赫尔胥的研究成果。这样，涡流管才作为一种可用的装置为人们所确认。 为了纪念兰克和赫尔胥在发现涡旋温度分离效应上的贡献，该效应被称为兰克效 应或赫尔胥效应，而涡流管也被称为兰克管或赫尔胥管。 在五、六十年代，对涡流管的研究出现了一个全盛时期，涡流管以它独特的 性能吸引了众多的学者进行探讨。世界上许多国家特别是美国、法国、德国、苏 联、日本、荷兰、英国等发达国家的科研机构、大学和许多公司对涡流管进行了 大量的实验研究和理论方面的研究工作。s i b u l k i n t 5 2 】曾引用w e s t l y 在1 9 5 4 年所言： “涡流管的出现，除了提供了一种重要的制冷装置外，在流体动力学领域中向人 4 浙江大学博士学位论文 第一章绪论 们展示一种新的、十分诱人的现象”。 1 2 1 涡流管理论的研究进展 尽管涡流管在结构和操作上非常简单，但管内发生的能量交换过程却极其复 杂。由于内摩擦的结果，传热过程是不可逆的，一般认为管内进行的是三维可压 缩湍流流动。因此，至今仍难以给出能够精确预测涡流管性能的数学模型。对涡 流管效应的解释亦是众说纷纭，至今未有一种令人非常满意的解释，仍有许多说 不清之处，甚至有些观点还相互矛盾，正如r w j a m e s | 5 3 所说：“对涡流管的研 究一直都是一个重大难题”。对于涡流管能量分离机理的解释有许多，下面将简单 介绍各种涡流管能量分离机理的解释，并加以分析和阐述： 一、热传递理论 s c h e p e r 5 4 和g u l y a e t 5 5 1 等认为，高压气体经过喷嘴的绝热膨胀，在喷嘴出口处 具有最低热力学温度，当气流向调节阀流动时，由于周向速度的耗散，其静温逐 渐提高。在内层回流气体中，由于其来自热力学温度最高的热端，因而在同一截 面上其热力学温度高于外层气流，由此导致能量由内层传入外层。s c h e p e r 在论文 中指出，在涡流管实验中测得的内层静温比壁面处高。因此，由温差引起得以热 传递方式传递热量是可能的。 然而，有许多研究者的数据表明，壁面的静温比内层的静温高，而且从现有 理论来看，热量从冷气流以热传递方式传递热气流似乎是不可能的。在s c h e p e r 实 验中，轴线与壁面最大温差为1 6 c ，而热气流出1 2 1 和分离孔板冷气流之间，却存 在超过6 0 。c 的温差。显然，分离的热量将远大于由内层流向外层的热量。 二、动能传递理论 f u l t o n 【5 6 , 5 7 1 提出：当进入涡流管的气流所形成的准自由涡在管内运动过程中， 外层自由涡旋的角速度较内层的强制涡旋小，为了使同一截面上的角速度趋于相 同，使整个气流类似固体一样以同一角速度旋转，一部分动能便由内层气流传向 外层气流，发生动能的径向交换，外层气流由于获得了动能而滞止温度升高，结 果沿着半径方向逐渐出现温度梯度。根据这个假设，f u l t o n 推导出冷端温差和湍流 p r a n d t l 数之间的关系： 坚：1 - 上 五2 p r 浙江大学博士学位论文 第一章绪论 然而f u l t o n 认为，湍流p r a n d t l 数是个变量，并且在推导这个方程时所做的假 设可能引起一些误差。v a nd e e m t e r s s 把广义伯努利方程用于涡流管，结果表明冷 效应并不能由涡流管外缘的热效应引起，他的观点是从中心到外缘有动能的流动 交换，这与f u l t o n 的观点基本相同。 l a y 【5 9 】通过对自由涡和强制涡的分析，提出气流的粘性效应是能量分离的主要 影响因素。他认为在涡流管中高速旋转的气流之间存在着内摩擦力，在摩擦力的 作用下，内层气流将动能传递给了外层气流，使内层气流能量减少，而发生能量 分离。这种理论的缺陷在于，内层回流气体所形成的强制涡旋恰恰是由于外层气 体通过摩擦力的作用引起的，这样，能量传递的方式与上述理论相反，即将由外 层向内层传递动能。其次，外层流体流速较高，流量通常也大于内层气流流量， 因此，内层向外层传递动能的理论显然需要一个更为合理的基础。 三、绝热降温理论 h i n i z e l 6 0 认为由于离心力( d r = 2 r ) 作用产生的径向压力梯度是发生 能量分离的主要原因。在气体的旋流方向，其压力逐渐降低过程其实是绝热膨胀 降温过程。这种理论的缺陷在于，由于轴心区域粘性的存在，径向温度并非沿绝 热线变化，按照现在的实验结果同理论的理想值偏差较大。 四、紊流能量交换理论【6 1 1 s c h u l t z ，g r u n o w 等认为，在涡流管中，气流流速很高，喷嘴入口处的气流流 速接近甚至超过音速，因此，管内的流动处于旺盛的紊流流动状态。涡流管能量 分离是由于离心场中紊流流动的不稳定性引起能量的往复脉动，使能量从轴线处 的低压流体跃至外层压力高的气流中。同时，这一部分能薰将由于流体由喷嘴至 调节阀处的流动而不断的传送出去。h a r t n e t t 等【6 2 认为涡流管内气体的流动呈湍 流，在切线旋转的同时存在轴向流，所以涡流管的长度对能量分离具有重要的影 响。g u t s o l 和b a k k e n 6 3 1 也认为在涡流管中主要是紊流流动，并由具有相同温度和 不同园周速度的小微元体组成，在不同的切线速度作用下，具有不同动能的小微 元体发生径向分离，从而形成涡流管能量分离效应。 五、声流理论 不同于其他研究者的理论，k u r o s a k a 6 4 1 从声流的角度来研究能量分离的机理。 通过实验和分析，他认为涡流管内的有序扰动引起的声流运动是能量分离的原因。 6 塑坚查茎竖主堂竺堡苎 墨：兰堕堡 气流流入涡流管在管中形成螺旋行波，螺旋行波又在管壁附近激发起斯托克斯波， 然后斯托克斯波又激发出声波，结果造成自激声涡共振，使具有细涡核的r a n k i n e 涡变成充满管道( 边界层除外) 的旋转固体武的强制涡，造成径向的温度分离。 如果把顺流结构的涡流管中安装上消声器后，把基本切向波形调到离散频率，降 低振幅，那么总温分离效应将减小。e c k e r t 6 5 】在1 9 8 6 年再次阐述涡流管机理时， 也将压力与波联系起来，根据涡流管发出的声音分析判断，认为涡流管内的气流 总具有波动特性。当声强提高时，能量分离变大。他提出能量分离主要由作用于 脉动波形流线上的压力引起，同时粘性力起着辅助作用。e c k e r t 的观点和k u r o s a k a 的理论对涡流管内因的解释基本相似。具有类似这种观点还有v a l e r i i k o t e l n i k o v 惭】，他认为涡流管能量分离的内因有些类似于热声制冷原理，认为 在涡流管中气流会形成驻波，驻波是涡流管能量分离的主要动力。 声流理论是现在比较被认可的种理论，但如何将声流同涡流管的热力参数 联系起来，这种理论现在还很难做到。 六、二次流热泵理论 a h b o m 6 7 1 通过对涡流管内流场的实验测定，他发现涡流管中有二次流的产生。 因为涡流管制冷非常类似热泵方式，要想产生制冷量，必须存在一个制冷循环， 为此应提供膨胀与压缩过程，以及相应的进排气过程，而上述各过程应一个接一 个的连续进行。所以a h b o m 以二次流为基础，利用热泵制冷机理对涡流管中的各 个过程进行描述，十分形象得把涡流管各个过程分解为压缩过程、冷凝过程、膨 胀过程和蒸发过程【6 8 6 9 l ，并给出了涡流管制冷效应和制热效应随进口参数、工质 种类和物性参数之间的一定关系。 二次流热泵理论可以使人们很容易的理解涡流管内部能量的转移和分布，但 整个理论解释过程缺乏可信性。 七、能量逆转理论 我国高歌和吕正林 州利用在湍流理论上的研究成果，对能量逆转和涡流管能 量分离效应进行解释，他们认为涡流在涡流管近壁流动、r a n k i n e 涡核心外缘区域 流动及壁面射流等速度剖面具有急剧变化的剪切流动中，能量逆转将会发生。而 涡流管的总温分离效应是由于能量逆转导致了涡流管内流动能量向壁面集中而造 成的，在具体的物理过程上，是科氏力作用的结果。 浙江大学博士学位论文 第一章绪论 八、运用其它方法研究 s i b u l k i n 口2 】是较先运用数学模拟的方法来研究涡流管的，通过一些假设模拟出 涡流管中的温度和速度场。他认为涡流管的能量分离主要是由轴向和径向的不同 膨胀和静止的轴向和高速运动的外周之间的热传导引起的。d e i s s l c r 和 p e r l m u t t e r t 7 l 】在建立数学模型时，把涡流管内的流动分成中心区和环状区，通过对 三维流动能量方程的分析，他们认为涡流管内能量分离的首要条件是流体必须是 可压缩流体。然而，可压缩流体的膨胀并不总是产生气体的冷却，为产生冷却必 须在流体膨胀时作功，可压缩流体中心区对环状区的湍流剪切功是流体总温度分 离的最大贡献。l i n d e r s t r o m 7 2 1 ，l e w i n s 和b e j a n l 7 3 还对涡流管类比热交换器进行 了研究。s t e p h e n t 7 4 1 等人提出由涡流管内壁切向速度产生的g o r t l e r 涡流是能量分离 的主要动力。 1 - 2 2 涡流管结构的研究进展 涡流管按基本结构可分为两类：逆流型涡流管和顺流型涡流管。逆流型涡流 管是指其中心旋转气流的轴向流动与外缘旋转气流的流动方向相反，而顺流型涡 流管是指冷热两股气流均从调节阀流出。实验结果表明，顺流型涡流管的效率很 少超过逆流型的一半。因此，一般情况下都采用逆流型涡流管。逆流型涡流管的 结构示意图，如图1 3 所示。 1 热气流管2 喷嘴3 调节阀4 热端出1 35 涡流室6 冷端出1 3 图1 - 3 逆流型涡流管结构图 h i l s c h j 是最早以几何尺寸为基础来研究涡流管性能的人，后来的许多研究者 所采用的涡流管大都基于h i l s c h 所推荐的几何比例关系。 p a r u l e k e r 7 5 设计出了短涡流管，通过改变涡流管内径锥度的方法，他可以把 长径比缩短到3 以内。他的研究表明，一般粗糙度对涡流管的效应有一定的影响， 管道上有刻痕会使温度效应降低l o 2 0 。喷嘴出口处涡流室的内部形状以阿 8 - 浙江大学博士学位论文 第一章绪论 基米德螺线为最好，喷嘴的出1 3 横截面以矩形截面为好，最佳长宽比为2 ：1 ，长边 平行于涡流管的轴线，喷嘴的相对面积以9 为屉佳。 t a k a h a m a 【7 6 】通过改变喷嘴面积、冷端孔口和分离室的直径，在不同的流率比 下对涡流管进行实验，获得设计具有高效能量分离的涡流管数据。当喷嘴出口的 气流的马赫数为o 5 1 时，实现高效能量分离，结构尺寸存在下列关系： = 0 2 ，：0 0 8 乩1 7 ，观3 其中d 。是喷嘴的直径，d 涡流管直径，e 是喷嘴的面积，f 是涡流管的截面积， f 是冷端出1 2 1 截面积。针对直圆柱型涡流管有时需要加工得很长，使用时会产生 一定的困难，t a k a h a m a 和y o k o s a w a l 7 7 研制出了一种扩张式涡流管，这种涡流管在 确保能量分离性能不下降的同时，缩短了涡流管的长度。由于扩张管截面积逐渐 增大，使得速度沿轴向的变化率相应的比直管式的要大，因此可以提高能量分离 效率。实验结果表明，扩张角度在( 占= 1 7 0 一5 1 0 ) 范围内，涡流管的性能较好。 m a r l y o n v s k i i 和a l e k s e s e e v 7 s 在实测研究中，探测了涡流管的各种不同几何结 构对冷、热流可能产生的最大温差的影响。为寻求几何尺寸最佳值，他们对各种 喷嘴进行了研究，同时针对涡流管进气喷嘴的角度对涡流管性能的影响也作了研 究。实验测量了9 0 0 ( 切向) 、7 5 0 、6 0 0 、4 5 0 、3 0 0 以及1 5 0 ( 接近轴向) 喷嘴时的 涡流管的性能，他发现，涡流管的性能随着切向角度的降低而减弱，喷嘴角度在 4 5 0 以下涡流管的总温分离效应几乎消失，各种角度下的温度、压力和速度曲线具 有相同变化特征。 影响涡流管性能的设计变量有1 5 个以上，并且这些变量之间的关系未知。要 解决这些变量的优化问题，需要花费许多时间和很大代价。s o n i 和t h o m o s o n 7 ” 在减少设计变量的情况下，用调优计算方法改变设计参数，得到了因变量的最佳 值。 m e t e n i n 删对带有锥形涡流室的涡流管进行了研究。他研究的涡流管内径是 2 1 m m ，在试过许多结构之后，发现涡流管的最佳结构是长径比等于3 ，扩张角( 锥 角) 为3 。4 l 。喷嘴采用螺旋形结构，渐开线形喷嘴要优于矩形喷嘴，并在热端 侧周边安装上叶片扩压器和网格形阻涡器，他指出安装这种阻涡器可以显著提高 涡流管的性能。j a m e s 5 3 1 也指出安装了阻涡器后，涡流管的长度从5 0 d 缩短到9 d 。 f e k e t e t 4 设计出一种新型的离心式涡流管，它用于天然气冷凝混合物的分 离上，李树云、宋志云【8 1 】等人在f e k e t e 涡流管的基础上又作了一定的改进。 p i r a l i s h v i l i 和p o l y a e v 【8 2 】为提高涡流管效率，设计出双向进气的涡流管，如图1 - 4 所示，从热端中心额外补入气体，从喷嘴流出来的气体获得一部分动能，增加冷 浙江大学博士学位论文第一章绪论 流率，从而提高效率。前苏联莫斯科包曼大学提出利用涡流管热气流的思想，设 计出回流式涡流管【8 ”，如图1 5 所示。当热气流从热端出来经过换热后，又返回 到涡流管内。这种涡流管的结构原理图是：热气流在扩张管1 内沿管壁与冷气流 相反的方向流动，在扩压管2 中增高压力，同时气流速度下降。扩压管的外缘配 有接管，从接管引出的热气流在换热器3 中被冷却。冷却后的气流分成两部分， 一部分重新返回涡流管，另一部分被排放掉，两者的比例由控制阀5 来调节。补 充管4 形状与扩压管1 基本相同，补充管内设有引气管6 ，引出的气体吹向涡流管 中心的冷气，使冷端出来的冷气温度更低或气量更大，从而达到更好的制冷效果。 其绝热效率最高可达4 2 ，比一般涡流管效率高5 0 。 图1 4 双向进气型涡流管示意图图1 - 5 回流式涡流管示意图 1 2 3 涡流管的实验研究进展 c o l l i n s 和l o v e l a c e “佣两相丙烷做介质对涡流管实验得知：当进气流变为饱 和混合态时，温度分离效果将变坏，他指出当进气千度少于8 0 时，温度分离变 坏主要表现在热端温度的大幅度降低。当进气干度超过8 0 时，比较显著的温度 分离效应将会保持。b a l m e n 【8 5 谰水做介质对涡流管进行实验，实验结果表明，涡 流管内温度分离现象不限于可压缩气体和蒸汽，不可压缩流体在涡流管内也可产 生能量分离。m a r s h a l l i 嘲用几种不同的混合气体和不同尺寸的涡流管作实验，得出 混合气体也有能量分离效应。他的研究表明存在一临界入口r e y n o l d s 数对应于最 大温度分离效应。w i l l i a m s 87 也对各种混合工质对涡流管性能的影响进行了研究。 m a r l y o n v s k i i 和a l e k s e s e e v 8 8 】在实测研究中，用氨、甲烷和二氧化碳进行实验。在 实验中发现了一个有趣的重要现象，即在湍流p r 0 由式( 2 2 3 ) 可得 叫悯“引) 1 卜( 争 - 忙 。( 帅 鲁仙( 加 ，忙) “( 帅( 圳。 o ( 鲁) ”( + ( 蒡一 。1 鲁( 等 ( 驯跚+ 制) _ 1 一。 1 7 ( 2 2 3 ) ( 2 2 4 ) ( 2 2 5 ) 浙江大学博士学位论文 第二章涡流管能量分离机理的理论分析 鼢耐“纠旷 由理想气体可得： c d ， rr 一1 r 为气体绝热系数。 ( 酬圳r ( 2 2 6 ) ( 2 2 7 ) 从式( 2 2 8 ) 我们可以得到，对于理想气体、定比热工质涡流管，存在着进出 口压力比为函数，冷流分量和冷端、热端温度比为变量的关系式。如果给定冷流 分量、冷端和热端的温度，必须满足进出口压力比大于此最小值。否则，将会出 现涡流管熵增为负值，违反热力学第二定律。 2 2 2 涡流管的熵产分析 要想提高涡流管的热效率，就必须清楚涡流管内部不可逆损失的变化，这样 才能有效的减小不可逆损失。s a i d i ” 曾采用热力学方法对涡流管进行了火用分析， 并对自己的实验结果进行了火用计算。但他只是对实验数据进行了分析，并不能真 正解释涡流管不可逆损失的形成。本文作者利用b e j a n 【9 8 】对换热器内部不可逆损失 研究的最小化熵产分析方法的成果，来分析涡流管内熵产的变化。由式( 2 2 3 ) 我 们可以把涡流管熵产分为温度变化产生的熵变血，和压力变化产生的熵变血。： a s w 。 叫n ( 圳。圳 醢。l = 缸t + 出。 血r ( 2 2 9 ) ( 2 3 0 ) 仨f 浙江大学博士学位论文 第二章涡流管能量分离机理的理论分析 其中，血r = 咋m