（动力机械及工程专业论文）微型涡流管性能研究.pdf

摘要 溺流瞽毒l 冷楚裂瘸蹙题力气体作碧王鹱经逶添漉警产雯分离教盛，德 气浚分璃戚冷热豫令部分，蔟中黪冷气淡可用来剿冷。 毒文以徽鍪鼹滚鬯为磁囊辩象，溺述了空气爨及漫窆气利冷将瞧，并虽 奔缮了懑台王慧裁冷覆繇。辫予零文谖诗靛漏流蛰，礤嚣了苓蕊冷气流率辩 涡濂餐麓怒爨分离黪犍，势且绘铡了靛熊鼗绫。斑了提塞微熬溺滚簧静割冷 效率，鼹魄了涡流瞽热鞴热瀑裁冷系浚，逶避对热漆气体藏强辩澡，获褥懿 予繇壤溪菠瓣气髂，露冷溃气髂莛铡冷。窭验袭鼷，焱冷滚攀枣翁 蠢毽下， 潦过翔滚可淡谈褥戆熟散率褥蕊显蓉瓣箍辩，簸好霹强程离3 0 。为了程鬟 黼串进行澎潮，本文述缎趱了徽囊涡流餐铡冷嚣黝基零滤程，并且避杼了熟 灸诗冀。爨嚣，懑工厂食露磺裁瑟鬏了汽拳畿墅瓣漉鹫窆蘧器，藏露宅怼骚 汽车弱车系统不褥徽大黪教动，藏霹辩驾寝室环穗条捧鸯较大敷蓥。浇予滚 涟辩莰番澈瓣擦，l 、，鼓淤袋率绦，旋该旁滚热藏暴。 关键餐；瀵浚警 空气裁冷 瀑空气 绝热熬率 燕遂 汽辜黧瀵 a b s t r a c t v o r t e xt u b eu t i l i z e sc e r t a i np r e s s u r eg a sa sw o r k i n gm e d i u m p r o d u c i n gt h e e f f e c to f s e p a r a t i n g ，w h i c hm a k e s t h eg a ss e p a r a t i n gi n t oc o l da n dh o t p a r t s t h e c o l dg a sa m o n gt h e mc a nb eu s e dr e f r i g e r a t i o n t h i st h e s i sr e g a r d sm i c r o v o r t e x t u b ea st h er e s e a r c h o b j e c t ，e x p l a i n i n gt h e r e f r i g e r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fa i ra n dh u m i da i r ，a n di n t r o d u c i n gt h em i x i n g w o r k i n gm e d i u mr e f r i g e r a t i n gc y c l e t h ep e r f o r m a n c eo fe n e r g ys e p a r a t i o no n t h ev o r t e xt u b ed e s i g n e db yt h ea u t h o ri ss t u d i e da td i f f e r e n tc o l dm a s sf l o w r a t i o s ，a n dt h ec h a r a c t e r i s t i cc u r v eh a sb e e nd r a w n i no r d e rt o i m p r o v et h e r e f r i g e r a t i n ge f f i c i e n c yo ft h em i c r o v o r t e x t u b e ，w eh a v ep r o p o s e dac o o l i n g s y s t e mo fam i c r o v o r t e x - t u b ew i t hh u m i d i f y i n ga tt h eh o te n d t h eh o tg a s t e m p e r a t u r e i sl o w e rt h a nt h e g a s o fe n v i r o n m e n t a l t e m p e r a t u r et h r o u g h h u r n i d i f y i n gt h eh o tg a si nt h eh o te n d s oh o tg a sc a nr e f r i g e r a t ew i t ht h ec o l d g a st o g e t h e r t h ee x p e r i m e n t a l r e s u l t ss h o wt h a ta d i a b a t i c e f f i c i e n c y h a sa r e m a r k a b l ei m p r o v e m e n ti nl o wc o l dm a s sf l o wr a t i o s ，a d i a b a t i ce f f i c i e n c yc a n i m p r o v eb y3 0 i nt h eb e s tc o n d i t i o n i no r d e rt oa p p l yi nr e a l i t y , t h i st h e s i sh a s a l s og i v e no u tt h eb a s i c p r o c e d u r eo f t h em i c r o v o r t e x - t u b er e f r i g e r a t i o n d e v i c e ， a n dh a sc a r r i e do n h e a t i n g c a l c u l a t i o n a t l a s t ，w e d e v e l o p t h e m i c r o - v o r t e x t u b ec o n d i t i o n e ro ft h ea u t o m o b i l et h r o u g ht h ec o o p e r a t i o nw i t h t h e f a c t o r y t h e r e i s r e l a t i v e l yg r e a ti m p r o v e m e n t t ot h ee n v i r o n m e n t a l c o n d i t i o no fd r i v e r sc a b i n ，o n l yl i t t l ec h a n g i n gi nt h ea i rb r a k i n gs y s t e mo f t h e a u t o m o b i l e b e c a u s et h ee q u i p m e n ta c q u i r e da tt h et i m eo ft h er e f o r mi s v e r y l i t t l ea n di ti sw i t hl o wc o s t st or e p a c k ，t h e r es h o u l db et h e p r o s p e c to fu s i n g k e y w o r d s ：v o r t e xt u b eh u m i da i r a i rr e f r i g e r a t i o n a u t o m o b i l ea i rc o n d i t i o n e r h u m i d i f i c a t i o n a d i a b a t i c e f f i c i e n c y 微型涡流管性能研究 前言 涡流管是一种能量分离装置，在有压力差的情况下，它能够把气流分离 成冷、热两股气流。气流在涡流管内高速旋转时，处于中心部分的气流总温 低，而处于外层部位的气流的总温高，这就是所谓的“涡流效应”或“兰克 效应”。正是通过这种效应，使气流产生能量分离。作为制冷器，涡流管至 少具有下述优点：结构简单，占用空间小，无运动部件，制造容易，造价低 廉，操作、维修极为简单，运行可靠，寿命长，适应范围广，可进行连续操 作和问歇操作，允许进气参数变化具有较大的范围。目前，世界上有许多国 家在对涡流管进行研究和开发应用，在制冷i 镐4 热、可移动式空调、气体和 固体干燥，气体混合物分离、机械加工中工件和刀具的冷却以及电子元件和 仪器仪表的冷却等诸多方面的应用已获得成功。随着对涡流管研究的不断发 展，涡流管将展现出更广阔的应用前景，并将带来更可观的经济效益。 从六十年代以来，世界上许多国家特别是法国、德国、加拿大、苏联、 美国、日本、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试验和理论方面的研究工作，涡流管在许多工业部门得 到了应用，并有一些从事生产涡流管的专业化工厂，如美国就有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。一些发展中国家如印度和埃及等也在积极 从事这方面的研究工作。 作为一种制冷装置，目前涡流管效率上不能和透平膨胀制冷机及离心制 冷机等相比，因而大多数研究者不太喜欢在他们的文章中引用效率的概念。 然而，在这些制冷机的应用受到限制以及小流量的场合，涡流管却往往扮演 着重要的角色。在压缩气源容易获得时，体积小、重量轻的涡流管成为提供 小型制冷能力的有效装置。在下列地方应首先考虑使用涡流管。 ( 1 ) 有剩余的压缩气体源； ( 2 ) 局部需冷却到低温( 一2 0 4 0 ) ； ( 3 ) 需空调的体积很小； ( 4 ) 要求可携带、轻便的冷却系统； ( 5 ) 电力无法利用或不希望使用。 对涡流管的研究主要集中在三个方面。一、涡流管机理研究。通过对涡 流管内速度、温度、压力分布的分析力求对涡流管内的能量分离现象做出理 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 出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 擞型涡流瞽性能挣 兜 验过程中，测爨涡流管内部备截筒不同半径上的联力、速庹、溢度等参数， 褥剿它们麓分布麓线，遴孳亍院较疆究。三、满溅警疲弼辑究，魏憝针对其俸 静阔熬，藏它痘舞l 于不丽麓蛹合。 麓内褒1 9 6 0 年蔫惹蛰镞莛道技术蘩龠秘毅拳孳蓊熬瀚。懑对有诲多瓣 磷靛掰窝麓等院校瀵萼亍过涡流管试验骚究。疆然澈褥较低黥裁都瀵度，毽慕 鬟数工覆为空气虽效率缓摄，因褥经过不长跨阗裁中瑟了。溺滚鬣；稷羧予蕊 黪、毙龟元臀等方嚣麴瘦瑶。8 9 年找叛泉，在节貔镶域中，溺漉管弓 超了 一些工监部门麴兴趣褰羹援，奁蔡些生产场合遴行了藏功鼹应嫒。关予潢漉 管黥文章艘专铡搬己霄一些，殛安交遥大学、大连理王大鬻、淡滚大学、鞍 上海疆工大学鞍警龄开展了这方麟黝硬究【l o j 。势壁取褥了一些残爨。 衡量援滚管靛裁的攒标蠢缀多，浸度效率鞠燎热效率是裴鬻霞要熬臻 标，尤其旋以绝热效率作为繁娶判搬。融裁，越单拟涡流管的篼热效率可达 2 3 。s 以上，翻热挺涡流蒋的绝热效率最寓砸达4 2 。涡流管熬效率不蕊是 人所熬知的攀实，也是限制它应髑的主瑟因索。困丽，力求弄清涡流臀效应 视灌，不鞭敬进涡流餐的绪掏，予方百计撬赢满瀛篱静效攀，几乎是每个漏 流管研究鬻静工作醋标。 尽管清流管瓣绥构和爨 乍菲鬻简单，毯菸内骞器过程帮辍为复象，它体现 在麓鬟分藩穰瑾尚不完全清楚，流动遥程中所像含的动鬣传递和热薅传递建 魏露竞燕 亍蕊一壹褥不到令人满意熬簸释。褥窍，滚流管终褥参数静簿一嶷纯， 都竣多戢少撼彩确它虢彀麓。翻瓣裁为韭述没有瞧不麓鞠个缝解辑方法按 照给宠瓣气滚参数寒预测不鞫缝耱懿溺渡譬毪麓。瓣嚣，无怪鸯久据漠浚警 效疲懿之为“一令饕鬻鸯妙鬻令人潮惑鹣鬻藏”。 邋过黠懿人工俸懿壤述霹以瑟墩，涡渡篱三令方瑟鼹磷交是密甥联系麓 鲍，飘多瑷实验是基萋窭。磷究豹嚣懿是援骢涡浚蓉建气渡参数黥分毒麓簿， 涡流效应机璎，寻求最佳结橡，提翥涡浚餐效攀，扩展菠皮建蕊墅。这凡方 耍i 的工炸有稽予避一步深入。我羧漏耱掇激识室程趱去黠淇滚餐臻究匏基旗 上蠛避承接了汽车微型涡流警研究的课题，本谂文 乍者参加了浚谦题，与课 题缀老师起进行礤究。结合辩磷谦题，本论文确定徽以下工作：一、戳汽 车微黧涡流管空调器研制为谢景，设计融小流量涡流管及其试验台。二、对 涡流管热端辩气遴行秘用，撬高满流管翡绝热效率。三、参与汽车微型潺流 管空调器研制开发。 微型涡流管性能研究 第一章涡流管研究及其应用 1 1 涡流管研究的历史背景 涡流管的历史可追溯到1 9 3 0 1 9 3 1 年之间。当时法国的冶金工程师 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是不同的，中心部具有较低的温度，而外缘具有较 高的温度。为纪念r a n q u e 的这一发现，这种效应后来就q 做r a n q u e 效应。 r a n q u e 重新设计了一套装置来再现这种效应。1 9 3 1 年r a n q u e 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。在涡流管制冷装置的专利申请书中，他 展示了两种类型的结构，同向流动型和逆向流动型。他还展示了单个和多个 简单切向入口的喷嘴及各种螺旋型喷嘴。他研究的涡流管直径为1 2 m m ，试 验压力为7 k g c m 2 ，在冷流率u 为o 4 6 时，进气与冷端出口温差为3 2 。然 而，接下来的研究令人失望，作为一种制冷器，涡流管的效率很低。在其后 的1 0 多年中，涡流管的研究基本上处于停滞状态。 1 9 4 5 年7 月，二次世界大战行将结束之际，一组美国科学家到德国 e r l a n g e n 大学访问并重新发现了涡流管。该大学的物理学家r h i l s c h 对涡流 管做了大量工作，他在1 9 4 6 年发表了关于涡流管的一篇综述性文章，次年 这篇文章被译成英文在美国发表。 h i l s e h 对涡流管进行了系统的研究。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。他发现最大温降随压力的增加而 增加。在压比一定的情况下，直径大的管比直径小的管结果更好。孔板应尽 可能接近喷嘴并且孔口直径应等于o 4 5 d 0 6 0 d ，以获得最大温度降和最大 制冷量。一种螺旋型的涡流室改进了涡流管的性能。喷嘴入口直径应等于 0 2 5 d ，热侧壁面应光滑且为圆柱形，调节阀和喷嘴的距离是5 0 d 。他用这 样的涡流管进行试验，结果优于r a n q u e 的试验。h i l s c h 还讨论了涡流管的 效率，并指出由于涡流管的效率很低，它的应用将受到限制。鉴于h i l s c h 在涡流管研究中所作的贡献，人们往往把涡流管又叫做r a n q u e h i l s c h 管。 1 9 4 6 1 9 5 2 年期间，美国发表了大量有关涡流管的文章，其中一些文章 致力于理论研究，但没有一个得到比h i l s c h 更好的结果。 我国在5 0 年代术6 0 年代初曾经有许多单位开展过涡流管的研究工作， 但后来停顿下来，直至近期公开的研究成果和这方面的资料仍较少。 微型涡流管性能研究 1 2 涡流管的理论研究 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，甚至有些观点还互相矛盾。然而，在简单 的假设下，已有人作了一些尝试来推导出一些公式。在涡流管的研究中，无 论采取何种测试手段，都是以管内压力、速度和温度分布等参数的实验结果 作为分析的基础。目前对涡流管研究所达到的共同认识可归结为：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 5 2 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， 沿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 6 0 7 r 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 7 r 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7 l 板处。 为了解释涡流效应，许多研究者对涡流管内的气流流动进行了理论分 析。最早从理论上分析涡流管性能的应该是f u l t o n 的工作“3 。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，f u l t o n 推导出 冷端温差和湍流p r a n d t l 准数之间的关系。v a nd e e m t e r 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f u l t o n 的观点基本相同。 h a r t n e t t 和e c k e r t 认为“1 ，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r a n q u e 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 4 微型涡流管性能研究 量分离机理具有重要影响。 d e i s s l e r 和p e r l m u t t e r 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”3 ，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动能和压 力能这两项所引起的。他们还认为能量分离可能由湍流涡旋的膨胀和收缩所 引起。b r u u n 和g u p t a 等人对此持有相同的观点。 l a y ”3 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。文献提到m u n a k a t a 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。 l i n d e r s t r o m l a n g 。1 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，而在逆流中心区则以热扩散为主。这种观点似乎 与d e i s s l e r 等人的看法不同。 针对大涡流管的分析研究，t a t s u o 和t a k b s h i 等人提出另外的观点， 无论流体的粘性、导热性、湍流扩散以及壁面摩擦等效应是否存在，只要给 出喷嘴出口处高速涡流的速度场，且在高温出口端湍流可以平稳的制止下 来，利用速度分布解能量方程，就可以计算温度分离，这表现出能量方程特 性的必然结果。 h a r d e b o l n ”这样来解释涡流管的作用，因为速度径向分量的影响不大， 为了说明涡流管中心冷区和外层热区的概念，从角速度着手就可以了。切向 进入涡流管的气体形成动量矩守恒的速度分布。先假定整个横截面的密度是 常数，再设周向速度和离开涡流室中心线的距离的乘积是常数，并在整个截 面保持常数，这相当于双曲线型速度曲线，这种类型的流动叫做自由涡。自 由涡在粘性力的作用下改变它特性，粘性试图使气体象刚体那样旋转，在一 定范围内角速度是常数。如果自由涡旋转到定角速度旋转而不伴有象摩擦那 样的能量损失，那么总角动量在整个截面内保持不变。 p r a n d t l 1 等人以管轴为中心的强涡旋来说明涡流管内温度分离过程。 在这个强涡旋里，由于强烈的涡流参混，形成了一个绝热层。因为涡旋外层 受到的离心力比中心的大，因此外层的静温都比中心处的静温高。另外，由 微型涡流管性能研究 于涡旋外层的切向速度大得多，所以它的静温值随着距轴心距离的增大而剧 增。从能量上看，由于涡旋的内层部分起了制动作用，从而对外层部分作了 功。这样，由于涡旋外层有总温的增加而内层有总温的减少，就必然得到相 应的两种流出温度。 s t e p h e n 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。 基于实验观测，p a r u l e k a r “”等人提出下述假设。气体切向进入涡流管 形成自由涡。由于离心作用，涡流沿着壁面运行。受调节阀的阻碍在其附近 气体几乎停止旋转。因为阀附近的压力大于另一端孔板外部的压力，所以发 生轴向流动。这种逆向流动与加速运动的自由涡相接触。由于外层自由涡以 很高的速度旋转，迫使内层的轴向气流也旋转，于是轴向气流形成了强制涡。 强制涡所需的外部能量由自由涡提供。因此，存在从外层到中心的能量流动。 然而，反向能量流动要比这种向内部流动的能量大得多。喷嘴截面处的气体 旋转速度最大，从喷嘴到阀侧旋转速度逐渐降低，在阀处几乎可以忽略，因 此各横截面间存在着相对滑动。快速运动的平面试图加速相邻的平面，通过 给运动较慢的平面一些动量矩来实现从喷嘴平面到阀的能量连续流动。正如 s c h u l t z c r u n o w 和其他作者所提到的，离心场中的湍流混合导致从轴线处 的低压区到周边附近的高压区的能量泵吸。然后，这个能量朝着阀的方向传 递，形成上面提到的能量传递，并且由于本身的质量朝阀方向移动。于是从 孔板附近的轴向区域到阀附近的区域有净的能量泵吸。流经阀的气流依次传 送这个能量。热气流和冷气流都始自同一点，滞止点在阀的前部。在该点两 股气流温度相同。然而，滞止点的释放温度要比进气温度高得多。对于绝热 的涡流管，由热气带走的额外能量等于冷气流放出的能量。r w j a m e s 在他 的文章中提到，由于离心力湍流存在和静温从中心向外层的升高，存在着能 量从中心到外层的泵送。目前能量泵吸的这种观点为大多数研究者所接受。 b a l m e r 根据以水为介质的实验结果，指出涡流管内温度分离现象并不 限于可压缩气体和蒸汽，不可压缩流体在涡流管也可产生能量分离。 m a r s h a l l 用几种不同的混合气体和几种不同尺寸的涡流管证实混合气 体也有分离效应。他的研究表明存在一临界入口r a y n o l d s 数对应于最大的 分离效应。 撒合纳夫提出密度波动假说，他的观点是涡流管内气流密度波动存在 着不平衡过程，由密度波动产生的密度高、温度也高的微团在旋转过程中( 受 离心力场的影响) 移向外层，而密度低、温度也低的气流微团则移向内层， 从而实现气体的能量分离。 微型涡流管性能研究 k u r o s a k a “”站在另一种角度提出涡流管的理论。通过实验和分析，他 认为涡流管内的有序扰动引起的声流在很大程度上是r a n q u e h i i s c h 效应 的起因。由纯音引起的声流把低音r a n q u e 涡变成强制涡，造成径向方向的 温度分离。如果在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，降低其振幅，那么总温分离即减少。 1 9 8 6 年，e c k e r t 再次发表文章，他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是有波动特性。当声强提高时， 能量分离变大。他提出能量分离主要是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 t e r 的观点与k u r o s a k a 的理论有相似的 地方。 国内大连理工大学的黄钟岳教授在全国高等学校工程热物理研究学会 第五届学术会议上，提出从湍流流动计算涡流管内热量的传输，从湍流能量 方程和切向动量方程出发，计算涡流管内气体间热量传输，来说明涡流管的 热量分离现象m ，。 由此可见，涡流管能量分离机理是非常复杂的，目前还没有形成统一 的理论。作者观点倾向于湍流假说，即涡流管内气流间的能量交换主要靠湍 流混合导致气流间的热量传输。 1 3 涡流管的应用 据a r o s o n 在1 9 7 6 年和b r o n o 在i 9 8 7 年的估计，世界上约有十万个涡 流管用于工业领域。经过近些年对涡流管技术的研究和开发，可以肯定涡流 管的应用正在增加并可能进一步增加。涡流管的主要用途是制冷。从能量充 分利用的角度来说，最好是冷、热气流都能派上用场。然而涡流管并不限于 制冷和制热，他还有其他方面的用途，如天然气分离等。下面仅就几个方面 给予说明。 ( 1 ) 涡流管冷却 在钢铁冶炼中经常要把测试用的测量传感器和变送器安装在严酷的高 温环境中。例如，测量连续铸钢中间包液位的压头，虽用挡板来隔热，但仍 解决不了问题。在测量铸坯温度时，或使用热金属探测器时，都会遇到测试 元件的隔热和冷却问题。用水冷却不仅不方便，而且还存在结垢和泄漏问题。 用风冷却效果也不佳，尤其在南方室温过高，甚至不起作用。在这样的场合 如果使用涡流管冷却，可以收到较好的效果。 ( 2 ) 涡流管传热 人所共知，当存在适当的温度梯度时，若气流中存在强烈湍流和二次流， 涡旋气流会提高传热效果。通常，涡流的产生通过加盘卷铁丝、螺旋翅片、 微型涡流管性能研究 盘管、缠绕钢带、螺旋桨和进气涡流器等来实现。用这些方法可提高传热效 率约2 0 。s u il i l l 15 l 等人采用水冷式涡流管作换热器进行传热研究时发现， 由于涡流管内发生能量分离，涡流管内的涡流与上面提到的涡流相比具有不 同的特性。人们知道，流体与壁面间的对流换热与n u s s e l t 准数有关， n u s s e l t 准数越大则传热效果越好。对于涡流管内的涡流流动来说，n u s s e l t 准数可比同样的管但没有涡流流动的n u s s e l t 准数高3 0 倍，大大提高了传 热效率。 ( 3 ) 天然气净化 早在五十年代，荷兰壳牌石油公司就用涡流管技术从乙烯含量占4 8 的废气中回收乙烯，尝试采用不同的流程装置，乙烯回收量可高达9 5 。 六十年代末、七十年代初苏联和美国利用涡流管分离天然气获得成功， 开拓了涡流管应用的新领域。通常，从油气田开采出来的天然气在进入管网 之前，要除去部分重烃，这样可避免管网中的过度冷凝并减少人们所不希望 的积碳沉淀。这些冷凝物和沉淀物干扰气体的输送和各种设备部件的操作。 可采用节流的办法把天然气降至较低的压力和较低的温度来使重烃冷凝，但 用涡流管来做这事要更有效得多。我校涡轮机教研室结合油田气回收开展了 涡流管应用的研究，通过实验表明，涡流管在这方面有着应用前景“。 ( 4 ) 航空和地面交通运输工具“” 高速透平发动机飞机的座舱空调系统的冷源通常用下面的方法获得，从 气体透平发动机主压缩机的适当部位抽出压缩空气，用空气冷却，然后进入 压缩机第二次压缩、冷却，再进入透平膨胀机降压降温，这样就得到了所需 的冷气。用涡流管取代透平膨胀机也可达到同样的效果，只是消耗的气量大 一些，效率相对低一些，但使用涡流管可极大减轻和减少飞机所携带设备的 重量和尺寸，并提高了空调系统的可靠性，这对飞机来讲具有重要意义。涡 流管产生的热气流可用于除冰。对于军用飞机要调温的座舱很小，涡流管与 其他制冷装置相比更显示出优越性。如苏联研制的飞机上用的涡流管制冷 机，容量5 0 升，制冷量2 0 w ，压缩空气量0 0 2 k g s ，冷气量0 0 0 5 k g s ， 由机舷压缩空气网供气，压力为o 3 5 m p a ；另一种制冷机容量大，5 0 0 升制 冷量3 0 w ，压缩空气量0 0 2 8 k g s ，冷气量0 0 0 7 k g s ，由机场压缩空气网 供气，空气压力为2 1 m p a 。 地面交通工具如机车、汽车等一般都带有刹车空气系统，可以很方便的 搭接涡流管作为空调。美国已将涡流管用于汽车空调，费用仅为传统压缩式 空调器的十分之一五分之一。苏联里加机车厂研制出的t b x 一1 4 涡流管机 车制冷机重1 2 k g ，容积1 4 d m 3 ，压缩空气量5 6 k g h 。当压缩空气温度2 9 8 k 微型涡流管性能研究 时，制冷室内温度为2 7 6 k ，当压缩空气温度3 0 5 k 时，制冷室内温度为2 8 0 k ， 所用涡流管直径5 m m ，喷嘴面积2 m m 2 。 ( 5 ) 切割工具 有些材料要求最好在无任何润滑条件下切割，当材料在机械加工时必然 会产生大量的摩擦热，使刀具寿命缩短并影响工件表面质量。涡流管制冷器 可为切割工具和工件提供局部冷却，这样即延长了刀具的使用寿命并减少了 重新安装次数，又减少了刀瘤提高了工件表面质量，还可以提高切削速度。 例如，用车刀加工4 5 号钢，用涡流管提供的温度为2 4 8 2 5 3 k 的冷气吹刀 具，可获得非常好的效果。车削深度l m m ，进给量0 1 4 m m ，速度7 6 m m i n ， 车削区的空气温度2 6 3 k ，可提高车刀稳定性4 倍。再如，用涡流管的冷气 冷却刀具，防止刀具工作时产生显微疵点，可使刀头寿命延长三分之一倍， 同样，冷却钻头时，钻头出屑槽寿命可延长5 1 2 倍。涡流管还可以用在其 它加工工艺过程，如在等离子喷镀过程中，喷镀点的温度可高达3 0 0 0 ， 零部件过热引起过渡膨胀，镀层脱落，氧化等，往往使零件产生局部变形。 使用涡流管对喷镀点局部冷却可解决上述问题。我校机械学院机械制造专业 进行了这方面的研究，取得了相应的成果”。 ( 6 ) 手提式和移动式涡流空调器 从名称上已经看出它们的特点和用途。在化工、冶炼和造船等许多部门 中，常常会遇到室外手工操作，或小型操作问，接触到高温、有毒有腐蚀性 的气体、有核辐射离子和尘埃等等，在航空和水下作业等又会出现气压不适 的问题，为此常常要用保护用具，如面具、盔甲、外衣、潜水服等等，这里 都存在空调的问题。显然利用手提式或移动式空调器提供人呼吸的新鲜空气 或为工作间通风等时极为方便，是其它许多固定式空调系统所无法比拟的。 美国海军服装研究所“”对商业用涡流管制冷器进行了多次性能实验，并 把它用于海军服装上，为在各种热环境下工作的人员提供可携带的专用冷却 保护。该涡流管重2 5 5 克，最大直径3 2 m m ，长2 6 0 m m 。一家英国公司研制出 一种供气服，供从事容器、贮槽和矿井工作的人员使用。我校涡轮机教研室 对类似的用涡流管供冷气防护服研究也表明穿上这种安全而又舒适的供气 服可在有毒气、烟气和粉尘等险恶环境下长时间工作，或在高温环境下进行 工作。用涡流管提供的气体可给这种供气服冷却或加热，气源可方便迅速的 调节。该供气服重量轻，结构简单，操作方便。印度研制出所谓涡流管制冷 带，它直接在工作人员附近形成低温区，因而用它不再需要防护衣。该涡流 管重2 1 0 克，直径8 m m ，长7 5 5 m m ，固定在一个圈带上。涡流管也可用于喷 砂操作或其它工业操作所穿的防护服或所戴的头盔上。 微型涡流管性能研究 ( 7 ) 其它领域的应用 上面列举的只是涡流管应用的几个例子，它尚可用于工业方面的轴承冷 却，缝纫机冷却，液体喷雾，气体动力设备的加热和冷却，仪器仪表、光电 元件的恒温控制以及核反应堆的加热和冷却等。医学和生物学方面的冷冻控 制，皮肤治疗，外科手术等。科研方面的应用更是比比皆是，如热电偶冷焊、 热接、温度测试，实验装置冷却，热膨胀试验，材料实验，反应速率，气体 低温色谱、光谱分析，化学反应器，并点测试，粘度确定，液浴温度控制， 溶液搅拌，低温实验等都可以用涡流管提供冷源、调节温度等。 微型涡流管性能耐f 究 第二章空气制冷循环及混合工质制冷循环 2 1 湿空气 2 1 1 湿空气概述 湿空气是干空气与水蒸气的混合物，干空气的组成一般是恒定的，各组 分的标准容积成分的百分比n 2 ：0 2 ：a r ：c 0 2 ：其它是7 8 0 8 4 ：2 0 9 4 7 6 ： 0 9 3 4 ：o 0 3 1 4 ：o 0 0 3 。与一般气体混合物相比，湿空气的特点是：其中的 水蒸气质量经常变化，而干空气的质量是恒定的；水蒸气在一定条件下将发 生集态变化，湿空气被广泛用于空调、制冷、动力机械和各种工艺过程。分 析计算时可作如下假设i 2 0 】： ( 1 ) 气相混合物是理想气体混合物； ( 2 ) 当水蒸气凝结成液相或固相时，液相或固相中不包含溶解的空气； ( 3 ) 空气的存在不影响水蒸气与其凝聚相之间的相平衡，其平衡温度可按 水蒸气分压力所对应的饱和温度计算。 以上假设不仅使问题大为简化，而且还具有足够的精确性，能够满足一 般工程设计和分析的要求。湿空气的状态参数有含湿量、焓、熵、湿度、压 力、比容等。一般来说，知道湿空气的三个独立的状态参数就可以求出其余 各项参数。湿空气的参数计算可参考热力学手册。一般来说，各种热力学手 册很少涉及湿空气的熵的计算，故本论文在此给出湿空气熵的计算。 2 1 2 湿空气熵的计算 2 1 在确定湿空气熵时，应取与湿空气焓的计算相同的计算基准，即取含有 l k g 干空气的湿空气为计算基准，它是l k g 干空气的熵和0 0 0 1 出k g 水蒸汽 的熵的总和( d 为含湿量) 。在( t ，p ) 下湿空气的熵值为： 。( ，阢d ) ：兰! ! ! 旦! 垡! ：竺! 叠! 三：竺! ! 竺! ! ! ! ! ! 旦：2 m 。m 。 ( 2 一1 ) = s 。( t ，p 。) + o 0 0 1 d s ，( t ，p ，) 1 0 ( k g k ) 式中：s 。与s ，分别为干空气与水蒸气的比熵，k j ( k gk ) ；d 为含湿量，g k g ( 二f 空气) ；p 。与p ，则分别表示对应于( t , p ，d ) 下湿空气中干空气与水蒸气 的分压力，p a 。 应该指出的是：即使将湿空气视为理想气体，其熵也不同于其焓仅是温 度和含湿量的函数，而是温度、含湿量与压力的函数。在确定湿空气的熵时， 不仅要规定计算基准点的温度、含湿量，还要规定计算基准点的压力。若取 计算基准点的熵值为s o ( t o ，p o , d o ) ，则有 s o ( t o ，p o ，d o ) = j 。o ( 瓦，p 。o ) + 0 ，0 0 1 d o s ，o ( t o ，p o ) ( 2 - 2 ) 微型涡流管性能研究 任意状态下湿空气的熵值应等于从基准点变化至任意状态所引起的熵的变 化量，因此有； s ( t ，p ，d ) = s a ( 7 ，p 。) 一s a 0 ( t o ，p 。o ) + o 0 0 1 d s ，( r ，p ，) 一o 0 0 1 d o s 呻( t o ，p ) ( 2 - 3 ) 若取d 。= d 一d ，经过整理可得到： 占( r ，p ，d ) = s o ( 丁，p 。) 一j 。( t o ，p 种) + o 0 0 1 d s v ( r ，p v ) 一 f ，4 1 s ，o ( t o ，p 加) + o0 0 1 a d s 曲( t o ，p v 0 ) 由于基准点状态下水蒸汽的熵s 。o 等于零，因此可写为： s ( v ，p ，d ) = s a ( 丁，p 。) 一j ( t o ，p 。o ) + o 0 0 1 d s ，( t ，p ，) 一s v o ( t o ，p ，o ) ( 2 - 5 ) 在所研究的温度范围内，将干空气与水蒸汽视为理想气体，并取计算基准点 与湿空气焓的计算基准点保持一致。对干空气，取0 c ，湿空气总压力为 1 0 1 3 2 5 k p a 时干空气的熵为零，因此导出： s 。( t ，p 。) = c 。i n ( ) 一r 。1 n ( 旦) ( 2 - 6 ) 对于水蒸汽，为保持与湿空气焓的计算基准点相同，取湿空气总压力为 1 0 1 3 2 5 k p a ，0 水的熵为零。因此导出： s ，( 7 1 ，p ，) = 9 1 6 + c ，i n ( ) 一r ，l n ( 盟) ( 2 7 ) 式中：9 1 6 k j ( k g k ) 为0 时饱和蒸汽的熵值，也即由0 的水变至o 的饱 和蒸汽所引起的熵的变化量。后两项则为由o ，p 。o 加热至t ，p 。所引起 的水蒸汽熵的变化量。 将式( 2 6 ) ，( 2 - 7 ) 代回( 2 5 ) 式，并利用湿空气含湿量的公式( d = 6 2 2 笠) 进行代换，经过整理后可得到湿空气熵的表示式： s ( t ，p ，d ) = ( c 口+ o 0 0 1 d c ) l n ( ) + o 0 0 9 1 6 d 一 舢盯3 ( s z z 。i 嬲。圳n 习d 。8 若仅考虑计算状态与基准点状态的压力、温度的平衡，而不考虑其含湿量的 平衡，则熵的表达式可表示为： s ( r ，p ，d ) = ( c m + o 0 0 1 d c ，) i n ( ) + o 0 0 9 1 6 d l o ( 2 - 9 ) r ，1 0 。 ( 6 2 2 + d ) 1 n 羔】 微型涡流管性日 研究 2 2 空气制冷循环 2 2 1 概述 1 8 4 4 年美国人戈里在商业广告中首次介绍了他发明的空气制冷机，标 志着世界上首台制冷空调两用机的出现。18 6 2 年，英国人基尔克发明了封 闭循环的空气制冷机。由于空气制冷循环一般情况下效率较低，因此在较长 一段时间内空气制冷技术处于停滞状态，随着透平机械的发展和回热技术的 应用，使得打入冷宫多年的空气制冷机重又登上了制冷空调的舞台，当制取 7 0 一9 0 的低温时，定压回热空气制冷机比其他任何制冷机的经济性都 高。在大型低温环境模拟装置中，常常采用带透平膨胀机的空气制冷循环， 其中通过对三台透平压缩机的不同组合，透平膨胀机可以获得从3 5 3 0 的不同膨胀比，相应的膨胀后的空气温度可以在+ 2 0 7 0 。c 的范围内变化； 在小型小流量小制冷量的情况下，透平膨胀机没有办法发挥它的优势，效率 会大大的降低，这种情况下，采用涡流管代替膨胀机可得到较好的效果，并 且使得制冷装置更为简单。 自从氟里昂制冷剂被制造出来以后，蒸汽压缩制冷技术获得了飞速的发 展，然而近些年来，科学家发现传统的氟里昂制冷剂会破坏大气臭氧层，因 此导致了蒙特利尔协议的签订，这些制冷剂被限期停止生产和使用，新 研制出的制冷剂虽对臭氧层无影响，但许多会产生一定的温室效应，对我们 所生活的环境造成不利影响。吸收式制冷机可以满足环保的要求，但是其经 济性较差，小型化还存在一定的困难，制冷的温度范围也较窄，限制了它的 应用范围。因此，进入9 0 年代以来，空气制冷循环又一次成为世界科学家 关注的焦点，先后有美国、澳大利亚、德国、日本、英国进行了空气制冷装 置和技术的研究及试验，应用范围涉及住宅及列车空调到食品冷冻和冷藏的 几乎所有的制冷技术应用领域。在英国已经开发了用于火车车箱空调的空气 制冷装置。美国1 9 9 3 年设计了用于住宅和商业建筑空调( 采暖、空调) 的空 气封闭循环制冷装置样机。日本k a j i m a 公司于1 9 9 4 1 9 9 5 年间设计和试 验了用于制取冷冻水或制冰的研究空气制冷装置，并配备了热回收装置。近 些年来，国内在这些方面也做了不少工作，空气制冷已经应于低温环境试验 装置1 2 ”、天然气的分离回收等等。 2 2 2 空气制冷循环的特性【2 3 j 空气是我们生命的源泉，时刻存在于我们的周围，作为空气制冷循环系 统的工质，它对我们的生活环境肯定是无害的。在制冷循环中空气起着把低 温热源的能量向高温热源传递的作用，在传递能量的过程中，无论是它的化 学成分还是集态都不发生变化，这是区别于其他工质作为制冷剂的制冷循环 微型涡流管性能日f 究 的最明显的特征。 现在应用的许多制冷剂几年前还被认为对生态没有影响，后来发现对地 球臭氧层有破坏作用，而且产生温室效应。为解决这一问题研制出的制冷剂 替代物不但价格昂贵，而且许多替代物对生态环境还是有一些不利影响。而 空气无毒无害，可以自由获得，对生态环境无破坏作用，这一切都源于它与 环境气体的同一性。与蒸汽压缩和吸收式制冷循环相比，空气制冷循环具有 以下特性。 1 可以采用节能的直接冷却方式 我们知道，传统制冷系统的供冷方式都是通过换热器把冷量送入冷却环 境，传热是通过换热器表面的空气对流( 通风机强制对流或自然对流) 而把 冷量从换热器取走，再把冷量传递给人体或需要冷却和冻结的食品。因此， 空气与换热器内流体之间必然要有一定的温差，为维持制冷环境的温度必须 人为降低制冷剂的蒸发温度，而在其它条件不变的情况下，蒸发温度越低， 制冷循环的效率越低，温差换热又增大了制冷系统的不可逆损失。而对空气 制冷循环方式，冷空气可直接进入需要冷却的环境，直接去冷却人体或食品， 不但省去了换热器或风机设备以及与这些设备的运转维护有关的元器件，而 且还提高了整个制冷系统的性能。 2 空气制冷循环可以采用多种流程形式 空气可自由获得，对环境无害，而且在整个制冷循环中都处于气体状态， 使得空气制冷循环可以根据具体情况选择采取多种流程形式，主要包括开式 制冷循环和闭式制冷循环。 对于丌式空气制冷循环，它的优点有：空气的阻力损失小，没有与换