（热能工程专业论文）常温下涡流管能量分离性能的实验研究.pdf

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砖股温度不同的气流。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。 涡流管是一种简单的、能够导致能量分离的装置。它结构简单、操作简易。 但是管内发生能量分离的机理却非常复杂。它由喷嘴、涡流室、分离冷孔板、热 阀以及冷热两端管组成，没有任何运动部件。本文的目的是通过调节涡流管的各 种参数，如进口温度、进口压力、冷流率、喷嘴结构和空气湿度等，来对涡流管 能量分离进行深入研究。 我们搭建了包括各种实验部件和实验测量系统在内的能量分离实验台，实验 是在一定进口压力、进口温度和体积流量的条件下进行的。在论文中对涡流管的 结构设计进行了详细的描述，其目的是为了在不久的将来能使之在工业中投入使 用。 在本研究中，我们把压缩空气作为工作介质，来进行涡流管能量分离性能的 实验研究。根据实验结果，对涡流管能量分离效应的影响作出了详细的理论分析 和实验验证，得出如下些结论： 进口压力是影响涡流管能量分离性能的重要因素之一。在入口压力从p i ： o 2 5 m p a 到p i = o 7 0 m p a 过程中，随着入口压力的升高，涡流管能量分离非常显 著，但是随着入口压力的升高，能量分离的趋势却在减缓。 冷流率也是影响涡流管能量分离性能的重要因素之一。在其它参数一定的情 况下，可以通过调节冷流率来改变涡流管的性能指标，为涡流管的实际应用提供 了一定的参考数据。 喷嘴结构对涡流管性能指标具有重大影响。在本实验范围内，对七种形状和 尺寸的喷嘴进行了实验，从实验结果来看四个流道均匀布置的喷嘴具有最佳的效 果。 进口温度、空气湿度和分离冷孔板直径对涡流管能量分离性能也有定的影 响。 最后，对涡流管进一步的研究提出一些设想，并对涡流管的应用前景进行了 展望。 关键词：涡流管；能量分离；涡流；冷效应；热效应 i l a b s t r a c t i nt h eg a sd y n a m i c so fv o r t e xf l o w s ，t h e r ei sav e r ys t r a n g ep h e n o m e n o n ，t h e r a n q u ee f f e c t ( t h er a n q u e h i s l s c h e f f e c to rt h ev o r t e x e f f e c t ) t h e v o r t e xt u b e e m b o d i e st h ee f f e c t i nt h ev o r t e xt u b e ，t h ei n l e tg a si sd i v i d e di n t ot w oo u t l e tf l o w s ， o n eo fw h i c h ，t h ep e r i p h e r a lg a s ，h a sah i g h e rt e m p e r a t u r et h a nt h ei n i t i a lg a s ，w h i l e t h e o t h e r , t h ec e n t r a lf l o w ，h a s al o w t e m p e r a t u r e w e c a n g e t t w od i f f e r e n t t e m p e r a t u r ef l o w sb y i t s ot h ev o r t e xt u b ei sa v e r yi n t e r e s t i n gd e v i c e m o r ea n d m o r e p e o p l e a r ed e v o t i n gt h e m s e l v e si n t ot h er e s e a r c h v o r t e xt u b ei sas i m p l ed e v i c e ，w h i c hc a nc a u s ee n e r g ys e p a r a t i o n ，i th a sav e r y s i m p l es t r u c t u r ea n di so p e r a t e de a s i l y , b u tt h em e c h a n i s mi n i ti sv e r yc o m p l e x i t c o n s i s t so fn o z z l e ，v o r t e xc h a m b e r , s e p a r a t i n gc o l dp l a t e ，h o tv a l v e ，h o ta n dc o l de n d w i t h o u ta n y m o v i n gp a r t s t h eo b j e c t i v e o f t h i sp r o j e c ti st oc o n d u c ta r te x t e r n a ls t u d y o nt h ee n e r g ys e p a r a t i o no f t h et u b eb y v a r y i n g v a r i o u s p a r a m e t e r s ，l i k e i n l e tp r e s s u r e ， i n l e tt e m p e r a t u r e ，c o l d g a sf r a c t i o n ，t h es t r u c t u r eo f n o z z l e ，a n dh u m i d i t y e t c a n e x p e r i m e n t a le n e r g ys e p a r a t i o ns e t u pt h a ti n c l u d e se x p e r i m e n t a la p p a r a t u s e s a n d m e a s u r i n gs y s t e m i s c o n s t r u c t e d e x p e r i m e n t s h a v eb e e nt a k e nu n d e rt h e c o n d i t i o n so fc e r t a i ni n l e tt e m p e r a t u r e 。i n l e tp r e s s u r ea n dt h em a s sv o l u m ef l o w i n t h i sp a p e r ，w ec a nd e s c r i b et h ed e s i g no fv o r t e xt u b ei nd e t a i li no r d e rt ou t i l i z ei t i n t h ei n d u s t r yi nt h ef u t u r e i nt h i sp a p e lt h ep e r f o r m a n c e so f e n e r g ys e p a r a t i o nh a v eb e e ne x p e r i m e n t a l l y s t u d i e di nv o r t e xt u b e sw i t hc o m p r e s s e da i ra st h ew o r k i n gm e d i u m ，t h ed e t a i l e d t h e o r e t i ca n a l y s i sa n de x p e r i m e n t a lv a l i d a t i o no ne f f e c to ne n e r g ys e p a r a t i o nw e r e m a d e o f e x p e n m e n t r e s u l t 。t h e r ea l es o m e u s e f u lc o n c l u s i o n s ， t h ei n l e tp r e s s u r ei so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tf a c t o r sf o ri n f l u e n c i n gt h e p e r f o r m a n c eo f v o r t e xt u b e t h ee n e r g ys e p a r a t i o ni sv e r yo b v i o u sf r o mp i 2 0 2 5 m p a t op i = 0 7 m p aw i t ht h er i s i n go fi n l e tp r e s s u r e ，b u tt h et e n d e n c yo ft h ei n c r e a s ei n e n e r g ys e p a r a t i o n d e c r e a s e sw i t ht h er i s i n go fi n l e tp r e s s u r e c o l dg a sf r a c t i o ni sa l s oo n eo f t h em o s ti m p o r t a n t p a r a m e t e r sa ti n f l u e n c i n gt h e p e r f o r m a n c e o fv o n e xt u b e ，a d j u s t i n gt h e c o l d g a s f r a c t i o nc a r lc o n t r o lt h e i i i p e r f o r m a n c et a r g e to fv o r t e xt u b ew i t hf i x e do t h e rp a r a m e t e r s ，w h i c ho f f e r s s o m e r e f e r r i n g d a t af o rp r a c t i c ea p p l i c a t i o n so fv o n e xt u b e 、 t h es t r u c t u r eo fn o z z l eh a sg r e a ti n f l u e n c eo nt h ep e r f o r m a n c eo fv o r t e xt u b e s e v e nk i n d so f n o z z l e sh a v eb e e nm e a s u r e di ne x p e r i m e n t t h ei n l e tt e m p e r a t u r e ，a i rh u m i d i t ya n dt h ed i a m e t e ro fs e p a r a t i n gc o l dp l a t eh a s c e r t a i ni n f l u e n c eo ne n e r g ys e p a r a t i o no f v o r t e xt u b e a tl a s t ，s o m ec o n s i d e r a t i o n so ft h ef u r t h e rs t u d yo nv o r t e xt u b ea r ep r o p o s e da n d t h ea p p l i c a t i o n p r o s p e c t o f v o n e xt u b ei sa n a l y s e d k e yw o r d s ：v o r t e xt u b e ，e n e r g ys e p a r a t i o n ，s w i r lf l o w , e f f i c i e n c yo fr e f r i g e r a t i o n ， e f f i c i e n c yo f h e a t i n g 独创性声明 本人声盟爨呈交毂论文是我个人在导爆指导下选褥的氍兖王传及 取得的研究成果，尽鼗所知。除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 北京工业大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料与我一 恩工作的圊志对奉研兖所敞的任 可贡献均已在沦文中律了明确的说明 并表示了谢意 - 各一年6 ，o r 。一 关于论文使用授权的说明 本人完全了鼹北京工业大学有关保留、使用学位论文的理定。即： 学校有校保留送交论交的复印件，允许论文教查阅和借闭；学校可以 公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保 存论文 ( 像密鹤论文在舔窿磊应遵守鲍规定) 签名：兰三扯导师签名：里占妇：占! 吐t ：! ! 符号说明 p 压力p 密度 t 温度 导热系数 t o 滞止温度 c 。定压比热 d n 喷嘴直径 a c 孔口面积 v 切向速度 ( 1 ) 角速度 g c 进入涡流管内的气体总流量 g 、热端阀排出的热气流流量 g c 中心孑l 排出的冷气流流 m 质量流量 h 比焓 c o p 涡流管制冷效率 y 绝热指数 下标i 涡流管进口参数 c 涡流管冷端参数 v v o 喷嘴出口的流速 r 半径 a n 喷嘴面积 u径向速度 w 周向速度 a t 涡流管截面积 弘。冷流率 d 热端管内径 l 热端管长 q c 总制冷量 q 单位制冷量 g 喷嘴流量 h 涡流管热端参数 第1 章绪论 能量分离也许可以这样来定义：初始匀质流体在外界既没有向它传递热量 也没有对其做功的情况下却被分成两股或多股能量级不同的流体，这一不同寻常 的现象就被称作能量分离现象，有时也被戏称为“麦克斯韦小妖”( m a x w e l l d e m o n ) 现象。在十九世纪早期，伟大的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”。 1 1 课题背景 对于这种能量分离机制是如何产生的，至今没有一种令人非常满意的解释， 甚至有些观点还互相矛盾。最早的能量分离装置是兰克赫尔胥( r 孤q u e h i l s c h ) 管，它的流动是稳态流且没有任何运动部件。1 9 3 0 年当时法国的冶金 工程师g j r a n q u e 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一1 1 , 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， 可以从靠近管子中一i i , 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 器中气流的中一1 1 , 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。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f2 1 。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。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 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 度大约为一1 0 c 一2 0 ，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a 1 9 4 6 年，德国物理学家赫尔胥吲( h i l s c h ) 又重新发现了涡流管的涡旋温度 分离效应。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，该效应被称为兰克一赫尔胥效应，而涡流管也被称为兰克一赫尔胥管。 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。s i b u l k i n t 4 l 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们展 示了种全新的、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，并有一些从 事生产涡流管的专门厂家，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。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“兰克效应”。通过热端 控制阀( 简称热阀) 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 1 。 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归。 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。 正是由于涡流管具有以上突出优点和它的奇异的工作原理，同时涡流管冷热 分离效应正日益深入到科学技术和工业各个行业中，从而引起了国际科技界的极 大兴趣；很多专业的代表人物，从空气动力学家、制冷工程专家、能源学家到航 1 喷嘴2 控制阀3 热端管4 涡流室5 冷端孔板 图1 1 涡流管工作原理图 f i g u r e l 1s c h e m a t i cd i a g r a m so f w o r kp r i n c i p l ei nt h e v o r t e xt u b e 空的、宇宙的、以及原子技术的专家都在研究它。涡旋效应于1 9 4 6 年前后开始 传入美国。长期以来美国科学家做了大量的工作，多次获得这方面的专利。在苏 联也差不多这个时期开始研究涡旋效应【6 】o 同时，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。 事物总是一分为二的，涡流管也一样，它有很多优点，但也有一些缺点。涡 流管的一个最基本的缺点就是制冷效率比较低，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。近些年来国内外学者 发现涡流管在天然气和石油气处理等领域的独特优点以及在工业和运输业输气 管路中压力降的利用，如文献1 7 - 1 0 1 可知。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 制冷装置面言，采用涡流管制冷仍然具有一定的经济价值。 1 2 涡流管的国内外研究现状及面临的问题 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 j a m e s 比】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已被一致 确认，这几个观点是： 1 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力差； 2 在滞止点处开始出现回流冷气流： 3 高速气流在外层形成自由涡旋，而在内层形成强制涡旋； 4 在滞止点，外层气流的总温比内层气流的总温高； 5 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。 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a f u i t o n 【1 4 】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，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，而使外层气流由于获得了动能而滞止温度升高，结 4 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： 塑竺：1 一上( 1 _ 1 ) 死o2p r 然而f u l t o d 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 t 皓1 把广义柏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。 d e i s s l e r 和p e r l m u t t e r 哺1 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，利用湍流扩散系数对二维轴对称可压缩流体进行分析，建立了简化的涡 旋方程： 删堡+ 竺：f 鸳+ 三生一1 ( 1 2 ) 石+ 亨3 肛【矿+ 7 瓦一了j 一川 确定出轴向速度的分布和结合连续方程推导出径向流的分布，再用修订的能量方 程最后推导出：可压缩流体中心区对环状区的湍流翦切功是流体的总温分离的最 大贡献。湍流剪切功可进步分离成扩散项、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总温降低主要是由 动能和压力能这两项引起的。 s c h u l t z ，g r u n o w ，k a s s n e r 和h a r t n e t t 卅1 8 1 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。涡流管内能量分离是由于离心场中紊流流动引起能量的脉动，使 能量从轴线处的低压气流跃至外层压力高的气流中。同时，这一部分能量将由于 流体由喷嘴至调节阀处的流动而不断的传送出去。 k a s s n e ra n dk n o e m s c b i l d 1 8 1 认为由于离心力( 和d r = p v 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。在气体的漩流方向，其压力逐渐降低过 程其实是缝热冷却过程。这种理论的缺陷在于。出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。 l a y 1 9 1 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，轴向湿度梯度对能量分离也有一定的影响。井指出强制渴漉动是一种具 暑詈鼍暑皇詈昌詈! 皇! 鼻邕皇皇昌墨昔i 雪翟型垒警呈耋里圭茎耋垄墓釜詈詈詈詈! 詈詈! 鼻鼍鼍皇詈一 有最小动能和最大熵的流动。 s i b u l k i n 2 0 ) 是较先运用数学模拟的方法来研究涡流管的，他通过一些假设模 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部分和高速运动的外周之间的热传导引起的。 l i n d e r s t r o m 2 1 1 是以l e w e l l e n 2 2 1 的数学模型为基础，对涡流管进行了研究。他 认为能量得以分离是由热能的湍流传热引起的，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。l i n d e r s t r o m 还对涡流管类比热交换器进 行了研究。 与其他研究者的理论不同，k u r o s a k a 2 3 1 从声流的角度来研究能量分离的机 理。他认为涡流管内的有序扰动引起的声流是能量分离的原因，由涡流声引起的 声流把r a n k i n e 涡变成强制涡，造成径向的温度分离。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) 的旋转固体式的强制涡，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。 a h b o m t 2 4 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1 2 5 1 【2 6 】，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。 我国的高歌和吕正林”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 6 中而造成的，在具体的物理过程上，是科氏力作用的结果。 1 2 2 涡流管结构特性的研究进展 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，如图1 2 所示。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。h i l s c h l 3 】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 2 8 1 设计出了短涡流管，它可以把长径比缩短到3 以内。他的研究表 明，般祖糙度对涡流管的效应没有根本的影响，喷嘴出口处涡流室的内部形状 以阿基米德螺线为最好，喷嘴的出口横截面以矩形截面为好，最佳长宽比为2 ：l ， 长边平行于涡流管的轴线，喷嘴的相对面积以9 为最佳。 逆流式顺流式 g e 进入涡流管内气体的总流量g c 中心孔排出的冷气体流量 g h 熟端阀排出的热气体流量1 进气口2 涡流管3 热端阀4 ，冷孔板 图i 一2 涡流管的结构 f i g u r e l 2s c h e m a t i cd i a g r a m so f v o r t e xt u b e ss t r u c t u r e t a k a h a m a t 2 即通过改变喷嘴面积、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，获得具有高效能量分离效率的涡流管数据a 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： 1 0 2 ，钐，= 0 0 8 0 1 7 ，钐。3 m a r l y o n v s k i i 和a l e k s e s e e v 3 0 1 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，他们用了 各种喷嘴，用氨、甲烷和二氧化碳进行了实验，在实验中发现了一个重要现象， 即在湍流普朗特数p r t 4 5 ( 4 5 ) d = 2 6 m m ( 1 8 r a m ) 他们用经验参数b 和绝热膨胀方程求喷嘴出口压力p 。 只= p ( 一厂” 用下列方程计算孔口直径： ，( 2 0 + 只) 2 一p 2 c = 一 4 。4 1 6 2 g 2 民瓦( o 9 7 6 一o 9 3 4 a e ) ，j = = - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 一 k c r m 。 其中c 。是孔流系数( 取o 6 1 ) ，g 是质量流量，k 是绝热指数，m 。是分子量， 是气体常数，a 。的最佳值是o 0 8 ，艺是整个孔板的压力降。 m e t e n i n 妇1 对带有锥形涡流室的涡流管行了研究。他研究的涡流管内径是 2 1 m m ，在试过许多结构之后，他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 。渐开线形喷嘴要优于矩形喷嘴。t a k a h a m a 和y o k o s a w a l 3 3 】 也对锥形管替代直柱管作了研究。 1 2 3 涡流管的应用研究进展 作为一种制冷装置，目前涡流管的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、质量轻的涡流管成为提供小型冷却能力极富吸引力的 有效装置。在下列地方应首先考虑使用涡流管： 1 有大量的压缩气体源； 2 ，要求供冷的对象其所需制冷量较小，或者是仅要求间断地供冷，并且要 求获得的制冷温度较低( 低于3 0 c ) ，因为制冷温度较高时，蒸汽压缩 式制冷装置具有较高的效率，并且技术已经很成熟，因而比涡流管系统 更可行； 3 要求可携带、轻便的冷却系统； 4 电力无法利用或不希望使用。 综合考虑涡流管的优缺点：涡流管具有结构简单、操作方便、运行安全可靠、 造价低廉等等一系列优点；又具有制冷、制热、抽真空、汽液分离等方面的功能。 正因为如此，涡流管在科学研究和工业的很多部门具有广阔的实际应用前景。利 用涡流管的能量分离效应制成各种型式或具有各种不同功能的涡旋装置以解决 各种工程应用问题。涡流管在工业和科学研究中具有广泛的应用： 1 ) 坦克驾驶室的涡流管空调器 2 ) 涡旋换热器 3 ) 利用涡旋效应的飞机空调装置 4 ) 可移动式空气调节装置 5 ) 可携带式涡旋调节装置 6 ) 涡旋冷却器 7 ) 天然气的冷却和分离 8 ) 混合物的分离 9 ) 低温涡流分离器 1 0 )切削刀具的冷却 1 1 )涡旋恒涡器 1 2 )用于电子元件的冷却 1 3 )激光器涡旋冷却器 1 4 )涡旋汽化器 1 5 )生物冷冻 1 6 )涡旋温度计 1 7 )真空涡旋装置 1 8 )涡流粉碎机 综合上述可以看出，涡旋效应的应用范围十分广泛，而且随着科学技术的发 展，它在工业和科学研究中的应用必将f 1 益广泛，越来越深入。 1 2 4 涡流管研究面临的问题 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、大连理 工大学、上海交通大学、华南理工大学、北京工业大学和浙江大学等大学和科研 机构对涡流管进行了些相关的研究。关于涡流管的文章、论文和专利也有了一 些，一般都是以涡流管的特性实验研究和应用着手，来对涡流管的特性进行研究， 也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。 1 3 论文研究的出发点和主要工作内容 从上面两节，我们可以知道，涡流管冷热分离效应的发现吸引了众多学者和 科学家的极大兴趣。他们在涡流管制冷性能及分离机理方面进行了大量的实验研 究。但是，在涡流管能量分离机理方面至今没有一致的解释，正因为它是一种奇 特且诱人的冷热分离现象，需要对其机理进行进一步的探讨，即使在其能量分离 机理的某一方面提出有创见性的解释，也是非常具有学术价值的。同时，从以上 的分析，也可得知涡流管可应用于天然气的净化、干燥和凝结物的低温分离，用 于天然气和石油伴生气的烃类气体的分离和回收，以及在些特殊场所的冷却方 面涡流管都有独到的优点，涡流管效应在工业各个领域中具有广泛的应用前景， 探讨涡流管的能量分离机理，使涡流管的性能更好，结构更加优化，加速涡流管 制冷的开发和应用，从而获得极大经济效益。 通过对前人工作的概述可以看出，涡流管三个方面的研究是密切联系着的， 均以实验为基础。研究的目的是探明涡流管内气流参数的分布规律，涡流效应机 理，寻求最佳结构，提高涡流管效率，扩展其应用范围。这几方面的工作有待于 进一步深入。因此，本论文确定做以下工作： 1 查阅大量的国内外有关资料，对涡流管的结构有一感性认识，并对涡 流管能量分离机理进行理论分析和热力分析。 2 涡流管的结构设计：对涡流管的设计方法和机械加工进行总结以便 为将来涡流管的工业化和实用化提供设计基础。 3 涡流管能量分离性能的实验研究：搭建常温下涡流管能量分离实验 台；对常温下涡流管能量分离性能进行测试，找出影响涡流管能量 分离性能的各种因素，如进口空气压力，进口空气温度，冷流率，不 同的喷嘴结构，冷孔板孔径以及有无整流片等因素对涡流管能量分离 性能的影响。 第2 章涡流管能量分离的基本分析 通过上一章的叙述。我们对涡流管己经有了一定的了解，涡流管的主要特点 在于结构简单，无运动部件，运行安全可靠，操作维护灵活简便。但其内部的流 动过程及能量分离机理却是非常复杂的。对涡流管机理的研究，直都是一个重 大难题。 2 1 涡流管内部结构及流动分析 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，如图1 2 所 示。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。参见下图2 1 和图2 2 ，我们将对涡流管内部结构 及流动作一定性的分析。 兰三蛰 1 喷嘴2 冷孔板3 热端管4 热阀 图2 1 涡流管内部结构示意图 f i g u r e 2 1s c h e m a t i cd i a g r a m s o f i n t e r n a l s t r u c t u r ei nt h ev o r t e xt u b e 图2 2 涡流管内的流动简图 f i g u r e l 1s c h e m a t i cd i a g r a m so f i n t e l t l a lf l o wi nt h ev o r t e xt u b e 由图2 一】我们可知涡流管由喷嘴、涡流室、冷孔板、冷热两端管和热阀组成。 涡流室将管子分为冷端、热端两部分。冷孑l 板在涡流室和冷端管之间，热端管出 口处装热阀。管外为大气。喷嘴流道沿涡流室的切向布置。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，由于热阀与冷端孑l 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孑l 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热阀流出，温度升高，形成热气流，这现象即被称为 涡流管的温度分离效应。为了对该效应进行解释，几十年来已经有不少学术论文 发表，但没有一种获得公认的理论解释，并且迄今为止，用气流参数为变量的关 联式来预测涡流管的制冷性能、效率仍是一个难题。 2 依据能量守恒法则，从涡流管中流出的冷热气流的能量总和应等于进入涡 流管内的压缩气体的能量( 假定涡流管绝热良好) 。因此，在涡流管中必然存在 着一个能量再分配过程，使一部分能量从冷气流转移到热气流中，这一能量分 离过程发生在涡流管中复杂的气体动力学中，图2 2 所示即为涡流管内的流动 简图。 下面我们对涡流管内气流的运动过程作一详细的分析，以找出那些可能导 致能量传递的因素。 首先，高压气体在喷嘴中膨胀，在进入涡流室时速度已接近音速，对某些 缩放型的喷嘴，速度将超过音速。由于气体在喷嘴中迅速膨胀，故可近似认为 是一绝热过程。由于气体在喷嘴出口处的流速非常大，其相应的热力学温度将 大大低于喷嘴入口处温度，其值为： i 2 t = r o 一尘一 ( 2 1 ) 2 c 。 其中t o 为滞止温度，由于喷嘴入1 ：3 前的气流速度较低，故可近似认为是喷 嘴入口前的热力学温度：v o 为喷嘴出口的流速，若喷嘴出1 2 1 速度为接近音速时， 设v o 大小为3 0 0 m s 左右，则t o t 为4 5 * c 左右，并且进入涡流室的气流速度越 大，喷嘴出口处气体的热力学温度也越低。这个温度对于涡流管而言非常重要， 因为喷嘴出口距冷气流的出口冷孔板很近，它直接影响到冷端出口截面的 平均热力学温度，从而影响涡流管的能量分离效应。 气流进入涡流室后，沿涡流室内壁的作螺线运动，形成一个高速的旋转气流， 气体在涡流室中的运动轨迹可看作是沿阿基米德螺线运动。气流刚出喷嘴时， 它的流动是自由涡流，如图2 3 ，角速度沿半径方向存在梯度，引起了气层间 的摩擦，使边缘气流。逐渐升高，而中心气层u 逐渐降低，但因流动很快，经 历路程短，气流还没有达到完全的强制涡流，如图2 4 ，而是向其发展部分发 展，边缘气流在热端管中沿螺线运动，既具有旋转运动，又具有轴向运动，运 动中气流与热端管壁摩擦，气流的速度越来越低，温度逐渐升高。因此在气 流刚出喷嘴时，有 v = c o n s l( 2 2 ) 即，r = c o n s l( 2 3 ) = 量鼍皇暑詈皇审_ 皇皇詈詈詈詈詈詈詈皇詈尘砻圣垦鳖茎三毒虿垒垒茎垄錾耋- 鲁鼍毫皇昌昌暑詈詈詈皇暑詈詈詈詈一 其中，v 为切向速度，u 为角速度，此类旋流又称为自由涡流( f r e e - v o r t e x ) 。 这个自由涡流在离心力的作用下，同时受到孔板的阻隔，故赔近热管内壁商热 阀处流动。在这个运动过程中，由于周向速度的逐步耗散，此旋流运动至轴向 某个位置( 见图2 - 2 滞止点s ) 时其周向速度已接近于零。由于该位置处的压 力较 f 6 _ 皇 审 p _ 一 图2 3 自由涡流 p i o n r e 2 3f r e ev n r t e x 蕾亘更 图2 4 强制涡流 f i z u r e 2 4f o r c ev o n e x 冷端出口处高，便在热管的中心区域产生了一个反向的轴向运动。此逆向流动 在向冷端运动过程中，不断有外层的部分气流转向汇入，因而逐步壮大，在达 到冷孔板时其逆向流量达到最大。 因此。整个涡流管内大致可以分为两股流动( 见图2 2 ) ，一股流动位于 贴近壁面的外层，流向热端调节阀处，在到达调节阎处后以热流的形式排出， 另一部分则向回流动，形成沿轴线向冷孔板中心孔运动的另一腔流动，在到达 冷孔板处后以冷气流的形式排出。 在不同的冷流率比下，冷热气流的流量不一样，造成了内外两层流动厚度 的不同，在冷流率比较大时，冷气流流量较大，中心层的逆向回流将占据涡流 管横截面的大部分，外层热气流的厚度相应变小。反之，在冷流率比较小时， 冷气流流量较小，中心层的逆向回流将占据涡流管横截面的很小一部分，外层 热气流的厚度相应变大。 2 2 涡流管的热力分析 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