（动力工程及工程热物理专业论文）涡流管制冷特性的实验研究和能量分离机理.pdf

the vortex tubes experiment of cooling capability and energy separation mechanism a thesis submitted to chongqing university in partial fulfillment of the requirement for the degree of master of engineering by ru-bing yuan supervisor: prof. ming-wei tong major: power engineering and engineering thermophysics college of power engineering of chongqing university, chongqing, china april 2008 中文摘要 i 摘 要 在气体动力学中有一种非常奇特的现象，即兰克效应(兰克一赫利胥或称作涡 流效应)。涡流管就是这种效应的具体体现。在涡流管中进口气流被分成两股气流， 其中外层气流的温度比初始温度高，而中心气流的温度比初始温度低。通过涡流 管我们可以获得两股温度不同的气流。 涡流管是由喷嘴、涡流室、分离冷孔板、热阀以及冷热两端管组成的。由于 其结构简单、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， 因此，涡流管是非常令人感兴趣的，越来越多的研究者正投身于这项研究之中， 并且己被应用到许多领域。 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在常温下 的特性，通过测量涡流管内部的温度场分布，探求涡流管能量分离机理的内在规 律，并且提出了一种用负量守恒原理解释涡流管能量分离机理的新观点。 为了完成本实验，我们设计并搭建了包括实验装置和测量系统在内的试验台。 实验以0.7mpa的压缩空气为介质。研究了三种不同流道型式和四种不同流道数目 的喷嘴在涡流管热端的温度分布，以及喷嘴对涡流管性能的影响，定性的分析了 涡流管性能随冷气分量的变化趋势。结果发现涡流管内温度在半径方向是逐渐增 加的, 轴心温度最低， 壁面温度最高； 在涡流管轴线方向， 其温度也是逐渐递增的； 在0.7r附近， 存在着一个冷热两股气流的分界面； 制冷效应随冷流率的加大先增加 后降低，存在着一个最佳制冷效应；制热效应随冷流率的增加而逐渐增加，预计 在c1时制热效应得到最大；在冷流率小于60%时，涡流管的cop是随着冷流率 的增加而增加的。 关键词关键词: :涡流管;能量分离;冷流率;涡流管性能 重庆大学硕士学位论文 ii 英文摘要 iii abstracts the ranque effect (the ranque-hislsch effect or the vortex effect) is a very strange phenomenon in the gas dynamics of vortex flows,and the vortex tube embodies this effect. in the vortex tube, the inlet gas is divided into two outlet flows, one is the peripheral gas, which has a higher temperature than the initial gas， while the other is the central flow, which has a low temperature, so the two different temperature flows can be obtained. vortex tube consists of nozzle, vortex chamber, separating cold plate, hot valve, hot and cold end. it has a very simple structure and is operated easily and without any moving part and has a wide-ranging temperature changes and is maintained easily. so the vortex tube is a very interesting device, more and more people are devoting themselves into the research. and the vortex tube has been used in many field. the main aim of this thesis is to study the performance of a vortex tube in room temperature ranges by experiment and theory . the mechanism of the energy separation of the vortex tube is researched by measuring the temperature field of vortex tube hot end, and a new viewpoint about the energy separation of vortex tube is set up by principle of conservation of negative quantity. in the experiment, the test-bed is designed and built, including experiment sets and measuring system. in the experiment, the constringent atmosphere of pi=0.7mpa is used for the medium. the infection of three kinds of different nozzle structure and four different channel numbers of nozzle on the temperature field of vortex tube hot end and the capability of vortex tube are researched, and the change of the capability of vortex tube along with cold mass flow rate ratio is analyzed. the results show that: vortex tubes axis has the lowest temperature, the temperature form centre to circumference get higher with radius increasing; and the temperature also get higher along the direction of axis. there is an interface between at cold and hot airflow which is at 0.7r where energy changing is taking place. the cooling effect gradually increases with the increase of the cold air fraction at an initial stage, reaching the maximum value corresponding to different cold air fractions, and then decreases gradually; so there is a best cooling effect. the heating effect gradually increases with the increase of the cold air fraction, and its anticipated that the heating effect will get max when the cold air 重庆大学硕士学位论文 iv fraction is approaching to 1. the cop also increases with the increase of the cold air fraction under 60% cold air fraction. keywords: vortex tube;energy separation; cold gas fraction; vortex tube effect 目 录 v 目 录 中文摘要中文摘要 . i 英文摘要英文摘要 . iii 符号说明符号说明 . vii 1 前前 言言 . 1 1.1 涡流管简介涡流管简介 . 1 1.2 涡流管的研究现状涡流管的研究现状 . 4 1.2.1 涡流管能量分离机理的研究进展 . 4 1.2.2 涡流管结构特性的研究进展 . 11 1.2.3 涡流管的应用研究进展 . 19 1.3 论文的主要出发点和主要工作论文的主要出发点和主要工作 . 21 2 涡流管的制冷机理初探涡流管的制冷机理初探 . 23 2.1 一种新观点一种新观点用用负量守恒原理解释涡流管效应负量守恒原理解释涡流管效应 . 23 2.1.1.关于热力学三大定律 . 23 2.1.2.关于暗物质以及暗能量 . 24 2.1.3.热力学三大定律的局限性 . 25 2.1.4.热力学第四定律量恒原理 . 26 2.1.5.自然界中的负量守恒旋涡-龙卷风 . 28 2.1.6.涡流管效应 . 29 2.2 涡流管的内部结构涡流管的内部结构 . 29 2.3 涡流管内部气流流动分析涡流管内部气流流动分析 . 31 2.4 涡流管的热力分析涡流管的热力分析 . 33 2.4.1 理论模型 . 33 2.4.2 熵产分析 . 35 2.5 涡流管工作过程及性能参数涡流管工作过程及性能参数 . 37 2.6 本章小结本章小结 . 39 3 涡流管的结构设计涡流管的结构设计 . 41 3.1 喷嘴设计喷嘴设计 . 41 3.2 分离室直径的设计分离室直径的设计 . 44 3.3 热端管长度的设计热端管长度的设计 . 45 3.4 孔板和扩压器设计孔板和扩压器设计 . 45 3.5 调节阀调节阀 . 46 3.6 材料选择、制造工艺及装配材料选择、制造工艺及装配 . 46 重庆大学硕士学位论文 vi 3.7 本实验所用装置尺寸一览本实验所用装置尺寸一览 . 47 3.8 本章小结本章小结 . 48 4 实验装置设计与制作实验装置设计与制作 . 49 4.1 涡流管能量分离实验台的介绍涡流管能量分离实验台的介绍 . 49 4.2 自行设计的涡流管各结构尺寸自行设计的涡流管各结构尺寸 . 50 4.3 实验装置简介实验装置简介 . 50 4.3.1 单螺杆压缩机 . 50 4.3.2 玻璃转子流量计 . 51 4.3.3 铠装热电偶 . 52 4.3.4 压力的测量 . 54 4.4 测量系统的校订测量系统的校订 . 54 4.4.1 流量计的标定 . 54 4.4.2 热电偶的标正 . 55 4.5 实验数据采集系统实验数据采集系统 . 55 4.5.1 采集系统主要器件 . 55 4.5.2 数据采集系统接线图 . 55 4.5.3 数据采集人机界面图 . 56 4.6 实验方法介绍实验方法介绍 . 57 4.7 本章小结本章小结 . 57 5 涡流管能量分离特性的实验结果分析涡流管能量分离特性的实验结果分析 . 59 5.1 涡流管内的温度分布涡流管内的温度分布 . 59 5.2 冷流率对涡流管能量分离性能的影响冷流率对涡流管能量分离性能的影响 . 64 5.3 喷嘴结构对涡流管能量分离性能的影响喷嘴结构对涡流管能量分离性能的影响 . 65 5.3.1 喷嘴导流道轨迹形状对涡流管能量分离性能的影响 . 65 5.3.2 喷嘴导流道的数目对涡流管能量分离性能的影响 . 68 5.4 涡流管能量分离实验系统误差分析涡流管能量分离实验系统误差分析 . 71 5.5 本章小结本章小结 . 73 6 结论与展望结论与展望 . 75 6.1 结论结论 . 75 6.2 展望展望 . 75 致致 谢谢 . 77 参考文献参考文献 . 79 附附 录录 . 85 符号说明 vii 符号说明 ac 孔口面积 an 喷嘴面积 at 涡流管截面积 cop 涡流管制冷效率 cp 定压比热 d 热端管内径 dn 喷嘴直径 gc 中心孔排出的冷气流流 gh 热端阀排出的热气流流量 gi 进入涡流管内的气体总流量 h 比焓 l 热端管长 m 质量流量 p 压力 qc 总制冷量 q 单位制冷量 r 半径 t 温度 t0 滞止温度 u 径向速度 v 切向速度 v0 喷嘴出口的流速 w 周向速度 绝热指数 c 冷流率 导热系数 密度 角速度 下标 i 涡流管进口参数 h 涡流管热端参数 c 涡流管冷端参数 重庆大学硕士学位论文 viii 1 前 言 1 1 前 言 1.1 涡流管简介 在十九世纪早期，物理学家麦克斯韦就曾经想象过也许某一天我们可以设计 出一个简单的装置， 在被称作麦克斯韦小妖的帮助下把气体里的热分子和冷分子 分开，从而得到热气流和冷气流。涡流管的出现似乎预示着这一梦想的实现。 涡流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。工作时高压气体由进气管进入喷嘴，经喷嘴内膨胀加速后，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者兰克效应。 通过热端控制阀， 可以调节冷、热流的比率，从而得到最佳的制冷或者制热效应。 涡流管的发明是相当偶然的，1930 年，当时法国的冶金工程师 g j ranque 在 制作一种把瓦斯从矿物粉中分离出来的涡旋分离器时发现了一种令人难以置信的 现象:这就是从涡流分离器中分离出来的位于中心层的瓦斯比进口瓦斯具有更低的 温度，而位于外层的瓦斯则比进口瓦斯具有更高的温度。这个现象可以这样描述: 当高速气体沿切线方向进入圆管形成管内涡旋时，可以从靠近管子中心区域沿管 轴方向引出冷气流，而从较大的环行区域引出热气流，气体在涡旋运动中发生冷 热分离，这就是涡旋冷热分离效应。也即旋风分离器中气流的中心温度和周边各 层的温度是不同的，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。1931 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第一专利， 1932 年他又在美国申请了同样的专利， 并在 19341年获得批准。但是，涡流管制冷器并没有被认为是一种可行的装置而 被科学家们接受。1933 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 20的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-10到-20，而热气流的 温度可达到 100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(静温 t 是分子平均无序运动能的度量，静温可以用处于热平衡并与气 体相对静止的绝热探头来测定。动温 tv是气体连续流的定向动能的热当量。总温 tt是静温和动温之和)，因而受到了质疑，与会者对涡流管制冷现象的普遍否定， 使涡流管的研究被搁置了起来。 重庆大学硕士学位论文 2 1945德国物理学家rudolph hilsch2发表了一篇论文详细论述了涡流温度分离 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。在他里程碑式的论文中，hilsch 认为所谓的 ranque 效应 实际上就是具体化的maxwell 效应。直到这时，涡流管温度分离效应才被广泛承 认，因此 ranque 管也称为 ranque-hilsch 涡流管。由于该设备的简捷性，自二战 以来对涡流管的实验和理论研究一直在进行。涡流管的独特特性吸引了许多的学 者、工程师进行讨论，人们通过提出假说、论证不断的对涡流管做了大量的实验 研究和理论方面的研究。 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。westly3在 1954 年称: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们展示了一种新的、十分诱 人的现象。 世界上许多国家特别是法国、德国、加拿大、苏联、日本、美国、丹麦、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。目前涡流管在许多工业部门已得到应用，很多大公司 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、汉埃斯航空公 司以及菲利普石油公司等等在涡流管的理论研究以及实验和应用研究方面都获得 过很多专利。并有一些从事生产祸流管的专门厂家，如美国的 vortec、exxair 和 transonic 公司等4,一些发展中国家如印度和埃及等也积极从事这方面的研究工 作。 涡流管能量分离装置的特点是结构简单，无任何运动部件，维护简便且工作 量小，工作极为可靠，又不消耗外加动力，从而降低了一次性投资和运行费用。 同时，涡流管亦存在热力效率低的特点，这就限制了它的大规模推广。 图 1.1 涡流管工作过程 fig1.1 operating process in vortex tube 1 前 言 3 图 1.2 逆流型涡流管 fig1.2 reflux vortex tube 图 1.3 顺流型涡流管 fig1.3 parallel-flow vortex tube 涡流管有两种不同类型：顺流式和逆流式，两者在结构上除了冷气出口位置 不同，其他的都是相同的。 图 1.2 展示了逆流型涡流管的基本特征， 气体从涡流管一端通过喷嘴的切向进 入，气体沿管壁高速旋转，如图 1.1 所示的过程，压缩空气通过喷嘴沿管壁切向进 入涡流管。这组喷嘴使空气产生涡旋。旋转的空气似旋风一样以旋转的形式沿热 管往下流动。热端阀门控制流出热空气的流量。没有逃逸出的气流调头形成在低 压区的二次流。内部的涡流失去热能从冷端流出。外部的气流温度较入口温度高， 而中芯轴部的气流温度较入口温度低，通过装在左侧的孔板从轴心处引出冷气， 热气流从另一端外缘处的阀门引出，通过该阀门可以控制冷、热气流比。 图 1.3 展示的是顺流型的涡流管。基本的情况和逆流型的差不多，不同的是冷 气孔板和热气流阀门都装在涡流管的另一端，而靠近进气口的那一端是封闭的。 许多研究表明顺流型涡流管的分离制冷特性不如逆流型涡流管。 重庆大学硕士学位论文 4 涡流管有很多优点的同时也有不少的缺点。其中最基本的是效率比较低，制 冷量比较小，它的实际制冷系数 cop 只有 0.0440.125，而空气制冷循环 cop 为 2.54。作为一个制冷装置，涡流管效率上不能和透平膨胀制冷机及离心制冷 机相比，这就直接关系到涡流管的实用价值。 然而，在很多情况下，效率并不是评价这种或那种装置经济指标的决定性标 准。譬如，在涡流管中利用天然气压力下降，或者利用在工业和运输业输气网络 中的压力降以及对具有一定压力或流速的工业废气的利用。在这类情况下，使得 涡流管具有重要的经济效果，在小型系统中或在间歇动作的装置中，涡流管的效 率仅仅具有很次要的意义，在很多技术装置或技术工艺过程中，采用轻便、紧凑、 可靠性好、使用方便、造价低的涡流管往往比使用效率高但却比较昂贵，比较复 杂的其他装置更加经济合算:在某些特殊场合，采用涡流管具有无与伦比的优点。 对于普通的制冷装置而言，采用涡流管制冷仍然具有一定的经济价值。 1.2 涡流管的研究现状 目前国内外对涡流管的研究主要集中在三个方面:一、涡流管机理研究。这种 研究建立在实验基础上，通过对涡流管内的速度、温度、和压力分布的分析，力 求对涡流管内的能量分离现象作出理论上的解释，并根据这些理论建立相应的数 学模型。二、涡流管特性的研究。它是指通过实验，研究各部分尺寸及结构形式 对涡流管特性的影响，从中找到各部件几何尺寸的最佳比例关系，并得到最佳操 作特性曲线。同时，在实验过程中，测量涡流管内部各截面不同半径上的压力、 速度、温度等参数的分布曲线。三、涡流管的应用研究，就是针对具体的问题的 实际应用研究。 1.2.1 涡流管能量分离机理的研究进展 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是极其 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 .james6所说:对涡流管的研究 一直都是一个重大难题。 虽然对于涡流管能量分离机理的解释有许多，但有几个基本观点则己被一致 确认，这几个观点是7： .在同一流道截面上壁面上静压最大而在轴线上静压最小，两者之比在接近 喷嘴处为最大(是 1.52 这一数量级);静温以壁面处最高而在轴线上最低； .在任一点切向速度都占主导地位。在喷嘴附近，径向速度和轴向速度都达 1 前 言 5 最大值，且沿各自的方向逐渐减弱； .气体离开喷嘴后沿切向进入涡流管分为两个区域，内壁切向旋转趋于热气 出口阀侧的外层区域形成自由涡。中心气流自阀侧回流，受周围自由涡的驱动， 然后经过摩擦，气体如同刚体一样转动的内层区域转变成强制涡。这两个区域的 分界视冷流率的大小而定， 在整个管的长度上， 界面一般位于距轴线 0.6r-0.7r 的 范围内。从喷嘴到控制阀的外层气流的轴向流动在半径 0.7r-r 之间的范围进行， 在内部区域,气流朝相反的方向流动，流动正好从阀处开始。心部温度在阀处最高 而在孔板处最低； .在任一流通截面上，总温在接近壁面处最高，在轴线上最低。壁温和轴线 温度之差在喷嘴处达最大值。最大温差出现在轴线方向上。最高温度在阀处，最 低温度在孔板处； .涡流管内气体回流的原因是热端调节阀与冷端分离孔板间的压差； .在滞止点处开始出现回流冷气流； .在滞止点，外层气流的总温比内层气流的总温高； .冷气流的静温在轴心处最低，而在内层气流的界面达到最高。 下面将简单介绍几种涡流管能量分离机理的解释，并加以分析。 1).最早从理论上分析涡流管性能的应该是 fulton8的工作。他提出，当进入涡 流管的气流所形成的拟自由涡在管内运动过程中，发生动能的径向交换，结果沿 着半径方向逐渐出现温度梯度。根据这个假设，fulton 推导出冷端温差和湍流 prandt 准数之间的关系: max1 1 2pr c ii t t 、 (1.1) 然而fulton认为，湍流prandtl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 观点:动能传递不同于热传递(分子动能)和粘性动量传递。 2).van deemer9把广义柏努利方程应用于涡流管， 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。这与 fulton 的 观点基本相同 观点:柏努利方程即用于不可压缩流的能量方程，是动能、势能、压力的转换。 其中并无温度效应。 3).hartnett, eckert1011提出紊流能量交换理论，他们认为，气流离开涡流管喷 嘴时形成自由涡，然而由于摩擦，这种自由涡在径向极短的距离内就转变成强制 涡，即涡流管内横截面上的流动实质是 ranque 涡。涡流管内气体的流动呈湍流， 在切向旋转的同时存在轴向流。外层流动区具有较大的速度梯度和温度梯度。他 重庆大学硕士学位论文 6 们发现沿着涡流管轴向的压力和温度变化也很大，从而他们提出涡流管的长度对 能量分离机理具有重要影响。 观点:与 23 的结果和观点一致。 4).deissler ,perlmutter12在他们的数学模型中把涡流管内的流动分成中心区和 环状区，通过对三维流能量方程的分析，他们认为涡流管内产生能量分离的首要 要求是流体必须是可压缩的。然而，可压缩流体的膨胀并不总是产生气体的冷却， 为产生冷却有必要在流体膨胀时作功。可压缩流体中心区对环状区的湍流剪切功 对流体的总温度分离做出最大贡献。湍流剪切功可进一步分离成扩散项、动能项 和压力项，在总温高的环状区，扩散项产生流体的主要热量，而当流体在中心区 运动时，其总温的降低主要是由于动能和压力这两项引起的。他们还认为能量分 离可能是由湍流涡旋的膨胀和收缩引起的。 burn 和 gupta 等人对此持有相同观点。 观点: 与 11 水实验的结果矛盾。 5).lay13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影 响因素，轴向温度梯度对能量分离也具有一定的影响，并指出强制涡流动是一种 具有最小动能和最大熵的流动。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。文献提到munakata的研究，他以二维流研究为出发点，认为轴对称流动的 可压缩流体具有粘性和导热性，提出由于流体的粘性和动量矩径向分布引起能量 传递。 观点: 原则上是一种总动量守恒？ 6).linderstrom-lang14认为能量分离是由热能的湍流传热引起，在外环流区动 能的作用占主要地位