噴嘴流道數(shù)對(duì)渦流管性能影響的試驗(yàn)研究

何麗娟，趙輝通，李海燕，孫寧宇

（內(nèi)蒙古科技大學(xué) 能源與環(huán)境學(xué)院，內(nèi)蒙古包頭 014010）

0 引言

渦流管是一種可以將一股高溫氣流分離成兩股不同總溫氣體的能量分離裝置。渦流管憑借其簡單的結(jié)構(gòu)、無運(yùn)動(dòng)部件、操作簡單方便等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)被應(yīng)用在制冷、天然氣、混合物的分離、航空等諸多工業(yè)領(lǐng)域［1-5］。結(jié)構(gòu)簡單的渦流管，能量分離的機(jī)理卻非常復(fù)雜，備受爭議［6-8］。噴嘴作為渦流管能量分離的核心部［9］，備受廣大學(xué)者的關(guān)注。1961年，PARULEKAR［10］通過試驗(yàn)研究了渦流管能量分離效果與噴嘴形狀的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)漸縮型噴嘴的渦流管具有最佳的能量分離效果。2005年，何曙等［11］在0.4 MPa進(jìn)口壓力時(shí)研究了不同噴嘴流道數(shù)（3～8）對(duì)渦流管性能的影響，發(fā)現(xiàn)4流道噴嘴的渦流管，具有最佳的制冷和制熱效應(yīng)，8流道噴嘴的渦流管，其制冷效應(yīng)和制熱效應(yīng)最差，但是缺乏不同入口壓力下的特性研究。2005年，蔡潔等［12］研究了渦流管噴嘴形狀對(duì)渦流管能量分離過程的影響，研究表明漸縮型噴嘴可以使渦流獲得更大的制冷效應(yīng)，還沒有進(jìn)一步探究噴嘴流道數(shù)對(duì)能量分離特性的影響。2007年，王遠(yuǎn)鵬等［13］試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)在相同冷流率下，渦流管入口壓力愈高，噴嘴流道數(shù)目為6的渦流管的制冷效應(yīng)、制熱效應(yīng)愈好，但并沒有對(duì)不同噴嘴流道數(shù)的特性進(jìn)行研究。曹勇等［14-15］探究了噴嘴流道數(shù)目對(duì)渦流管能量分離效果的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)噴嘴數(shù)目的變化會(huì)影響渦流管能量分離的過程。隨著人們環(huán)保意識(shí)的提高，自然工質(zhì)例如CO2、NH3、空氣等逐步被重視。NEKS［16］認(rèn)為 CO2工質(zhì)是一種非常理想的天然制冷劑，且物理性質(zhì)穩(wěn)定、安全、制備成本低廉，長期存在于大氣之中且對(duì)環(huán)境破壞力極小。LORENTZEN［17］認(rèn)為CO2是無法取代的制冷工質(zhì)，因此在前人的研究基礎(chǔ)上，進(jìn)一步開展以CO2為工質(zhì)時(shí)，入口壓力、噴嘴流道數(shù)以及冷流率對(duì)渦流管能量分離特性的研究，為更好地研究渦流管能量分離機(jī)制和結(jié)構(gòu)優(yōu)化奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)流程如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)流程Fig.1 The flow chart of experiments

試驗(yàn)系統(tǒng)主要由渦流管、高壓氣瓶、過濾器、換熱器、節(jié)流閥、質(zhì)量流量計(jì)、壓力傳感器和溫度計(jì)構(gòu)成。工作流程如下：氣體由高壓氣瓶流經(jīng)過濾器、節(jié)流閥V1后進(jìn)入換熱器，在換熱器內(nèi)進(jìn)行熱交換后流經(jīng)流量計(jì)進(jìn)入渦流管，在渦流管內(nèi)氣體分成2個(gè)支路，1個(gè)支路從渦流管冷端出口流出排到室外，另一支路氣體經(jīng)熱端閥V2后從熱端出口流出排到室外。

試驗(yàn)采用的渦流管為自行研制并加工；壓力傳感器采用UNIK 5000，流程為0～2.5 MPa，精度為±0.2%FS；質(zhì)量流量計(jì)采用0.2準(zhǔn)確度等級(jí)的F025P150CRAZMZZZZ艾默生質(zhì)量流量計(jì)；渦流管進(jìn)出口溫度測量均采用Pt100標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)，量程為-200～200 ℃，精度為 ±0.1 ℃；渦流管壁面每12.5 mm布置一個(gè)測溫點(diǎn)，采用精度為±0.5 ℃的T型銅-康銅熱電偶進(jìn)行測溫；試驗(yàn)數(shù)據(jù)由Agilent 34901A進(jìn)行采集并輸入計(jì)算機(jī)；采用橡塑材料對(duì)渦流管主體以及進(jìn)出端所有管路進(jìn)行絕熱保溫處理。噴嘴結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 噴嘴結(jié)構(gòu)Fig.2 Diagram of nozzle structure

1.2 測點(diǎn)布置

圖3示出渦流管的熱端管壁溫測量示意，圖中熱端管長為125 mm，步長為12.5 mm，共10個(gè)測點(diǎn)。

圖3 測點(diǎn)布置Fig.3 Layout of measuring points

1.3 試驗(yàn)測量

通過調(diào)節(jié)V1控制工質(zhì)進(jìn)入渦流管時(shí)的壓力，調(diào)節(jié)V2控制熱端出口壓力，從而控制冷端出口質(zhì)量流量，本試驗(yàn)主要測量內(nèi)容如下所示。

（1）渦流管冷流率 μ，定義為渦流管冷端出口質(zhì)量流量與入口質(zhì)量流量之比：

式中 mc——冷端出口氣流質(zhì)量流量，kg/s；

min——入口氣流質(zhì)量流量，kg/s。

（2）渦流管制冷溫度效應(yīng)ΔTc，定義為渦流管進(jìn)口流體溫度與冷端出口流體溫度的差：

式中 Tin——渦流管進(jìn)口流體溫度，℃；

Tc——冷端出口氣流溫度，℃。

（3）渦流管制熱溫度效應(yīng)ΔTh，定義為渦流管熱端出口流體溫度與進(jìn)口流體溫度的差：

式中 Th——渦流管熱端出口流體溫度，℃。

（4）渦流管制冷量QC：

（5）渦流管單位制冷量q：

（6）渦流管制冷效率：

式中 Pin——渦流管進(jìn)口流體壓力，MPa；

Pc——冷端出口壓力，MPa。

1.4 誤差分析

在入口壓力0.3 MPa，冷流率0.3的工況下，在渦流管內(nèi)取5個(gè)測點(diǎn)待系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定且渦流管內(nèi)部達(dá)到穩(wěn)態(tài)狀態(tài)時(shí)進(jìn)項(xiàng)測量，結(jié)果如圖4所示，測量5次，分別記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并進(jìn)行誤差分析，由圖中可看出，同一測點(diǎn)誤差極小，基本可控制在0.5%左右，證明了試驗(yàn)的可靠性較好。

圖4 誤差分析Fig.4 Error analysis

2 結(jié)果與分析

試驗(yàn)以CO2為工質(zhì)，研究入口壓力、噴嘴流道數(shù)和冷流率對(duì)渦流管性能的影響。

2.1 入口壓力對(duì)渦流管制冷與制熱效應(yīng)的影響

本文以6流道噴嘴為例，探究入口壓力在0.2～0.6 MPa范圍內(nèi)時(shí)對(duì)渦流管制冷、制熱溫度效應(yīng)的影響。

圖5，6分別示出了入口壓力對(duì)渦流管制冷、制熱溫度效應(yīng)的影響。由圖可知，渦流管制冷與制熱溫度效應(yīng)隨入口壓力變化的趨勢(shì)相似，入口壓力的增大對(duì)制冷制熱效應(yīng)均有所改善，但是入口太高時(shí)又會(huì)抑制渦流管的能量分離。對(duì)于制冷溫度效應(yīng)，在入口壓力為0.4 MPa、冷流率為0.4時(shí)，具有最佳制冷溫度效應(yīng)為24.8 ℃，此時(shí)渦流管內(nèi)能量分離效果最好，達(dá)到了最佳冷熱平衡，這主要是因?yàn)槿肟趬毫ι邥?huì)使得沿切向進(jìn)入渦流室的氣流旋流速度增加，管內(nèi)壓力梯度隨之增加，內(nèi)層氣流向外層氣流傳遞的剪切功增加。入口壓力増為0.5，0.6 MPa時(shí)，渦流管制冷溫度效應(yīng)反而下降。此時(shí)因?yàn)榍邢蜻M(jìn)入渦流室的氣流旋流速度受入口壓力的升高而增大，而受噴嘴臨界壓比的限制，切向速度只能升高至音速，所以渦流管制冷溫度效應(yīng)不會(huì)隨壓力的增大而一直增大。對(duì)于制熱效應(yīng)同樣如此，當(dāng)入口壓力較小時(shí)（0.2，0.3 MPa），渦流管的制熱溫度效應(yīng)變化幅度較為穩(wěn)定，此時(shí)噴嘴處的膨脹不足，在管內(nèi)徑向上膨脹做功能力較差、 軸向上由熱端指向冷端出口對(duì)的壓力梯度較小，渦流管內(nèi)能量分離效應(yīng)較差，使得制熱溫度效應(yīng)較差［18］。在入口壓力為0.4 MPa時(shí)，管內(nèi)各向上的壓差與壓降均達(dá)到最佳的平衡狀態(tài)，與制冷溫度效應(yīng)不能隨著入口壓力升高而增大的原因相同，壓力進(jìn)一步升高時(shí)，并不能具有更好的制熱效應(yīng)。

圖5 入口壓力對(duì)制冷溫度效應(yīng)的影響Fig.5 Effect of inlet pressure on cooling temperature

圖6 入口壓力對(duì)制熱溫度效應(yīng)的影響Fig.6 Effect of inlet pressure on heating temperature

2.2 冷流率對(duì)渦流管溫度分布的影響

對(duì)渦流管壁面溫度進(jìn)行測量，測點(diǎn)布置如圖3所示，在入口氣流壓力為0.4 MPa時(shí)，對(duì)噴嘴流道數(shù)為3，4，5，6渦流管的壁面溫度ΔT=TW-Tin（TW為壁面溫度）進(jìn)行測量。

圖7示出了冷流率對(duì)渦流管溫度分布的影響。可以看出，當(dāng)冷流率為0.2～0.5時(shí)，渦流管壁面溫度隨著軸向距離的增加逐漸升高，渦流管壁面溫度升高幅度較小。冷流率為0.6～0.8時(shí)，渦流管壁面溫度升高幅度隨著冷流率的升高而增大，最高壁面溫度的位置也隨著冷流率的升高而向左移動(dòng)，同時(shí)壁面最高溫度點(diǎn)在軸向距離62.5 mm附近，此時(shí)最高壁面溫度點(diǎn)為滯止點(diǎn)［17］。熱端管出口氣流溫度低于滯止點(diǎn)上管壁的溫度，同時(shí)冷流率的增加會(huì)使滯止點(diǎn)出現(xiàn)的軸向距離逐漸減小，即滯止點(diǎn)在軸向上出現(xiàn)的越早，與隨著冷流率的增大滯止點(diǎn)逐漸向冷端移動(dòng)所述相同［19-22］。

圖7 冷流率對(duì)渦流管溫度分布的影響Fig.7 Influence of cold flow rate on temperature distribution of vortex tube

如圖7所示，冷流率為0.9時(shí)，渦流管的壁面溫度受軸向距離的影響較大，是由于高壓氣體流經(jīng)噴嘴后進(jìn)入渦流室，形成的漩渦運(yùn)動(dòng)造成的。軸向距離為Z=12.5～50 mm時(shí)，外旋氣流由于氣流層之間的湍流黏性摩擦和熱傳遞作用，獲得能量，溫度升高，而處于中心部分的氣流損失了較多的能量，所以溫度會(huì)有所下降［11］。軸向距離為Z=50～125 mm時(shí)，渦流管內(nèi)的切向速度和強(qiáng)旋流運(yùn)動(dòng)都隨著軸向距離的增大而減小和減弱，壁面溫度也隨之降低。

2.3 噴嘴流道數(shù)對(duì)渦流管性能的影響

2.3.1 噴嘴流道數(shù)對(duì)渦流管制冷與制熱效應(yīng)的影響

圖8示出了在相同入口條件（0.4 MPa）時(shí)噴嘴流道數(shù)對(duì)渦流管制熱溫度效應(yīng)的影響。由圖可知，冷流率一定，制熱溫度效應(yīng)會(huì)隨著噴嘴流道數(shù)的增加而增大。噴嘴流道數(shù)為6時(shí)具有最佳制熱溫度效應(yīng)，3流道噴嘴制熱溫度效應(yīng)最小為19.7 ℃，6流道噴嘴在冷流率為0.9時(shí)制熱溫度效應(yīng)為32.0 ℃。圖9示出了在相同入口條件（0.4 MPa）時(shí)噴嘴流道數(shù)對(duì)渦流管制冷溫度效應(yīng)的影響。由圖可知，冷流率一定時(shí)，制冷溫度效應(yīng)隨噴嘴流道數(shù)的增加而增加。6流道噴嘴在0.2～0.9冷流率范圍內(nèi)，均具有最佳制冷溫度效應(yīng)。隨著噴嘴流道數(shù)的增大，渦流管制冷溫度效應(yīng)逐漸升高，3流道數(shù)噴嘴在冷流率0.5時(shí)具有最佳制冷溫度效應(yīng)20.3 ℃，6流道噴嘴在冷流率0.4時(shí)具有最佳制冷溫度效應(yīng)24.8 ℃，這主要是因?yàn)殡S著噴嘴流道數(shù)的增加，進(jìn)入渦流室的氣流會(huì)更均勻，從而增強(qiáng)氣流間的相互作用，能量分離效率更高。

圖8 噴嘴流道數(shù)對(duì)渦流管制熱溫度效應(yīng)的影響Fig.8 Influence of number of nozzle flow channels on heating temperature of vortex tube

圖9 噴嘴流道數(shù)對(duì)渦流管制冷溫度效應(yīng)的影響Fig.9 Influence of number of nozzle flow channels on cooling temperature of vortex tube

2.3.2 噴嘴流道數(shù)對(duì)渦流管溫度分布的影響

圖 10（a）～（c）分別示出了冷流率 0.4，0.7，0.9時(shí)，噴嘴流道數(shù)3～6的渦流管壁面溫度的分布。流道噴嘴為6時(shí)，與制冷、制熱溫度效應(yīng)趨勢(shì)相同，具有高的壁面溫度分布，熱端管壁面溫度隨著噴嘴流道數(shù)的增加而升高。結(jié)果表明各噴嘴流道在冷流率相同時(shí)滯止點(diǎn)的軸向距離一致，噴嘴流道數(shù)對(duì)滯止點(diǎn)的影響較小，同時(shí)也可以明顯的看到，冷流率0.4，0.7，0.9的滯止點(diǎn)出現(xiàn)的軸向距離逐漸減小分別為87.5，75，62.5 mm，滯止點(diǎn)因?yàn)槔淞髀实脑黾佣绲某霈F(xiàn)。在0.2～0.9冷流率時(shí)，6流道噴嘴的壁面溫度都是最高溫度且隨著冷流率的增大壁面溫度的增大趨勢(shì)越大。雖然噴嘴流道數(shù)對(duì)滯止點(diǎn)影響不明顯，但是對(duì)渦流管的壁面溫度的分布有重要影響。

圖10 熱端管壁面溫度分布Fig.10 Temperature distribution on hot end tube wall

2.3.3 噴嘴流道數(shù)對(duì)渦流管制冷量、COP的影響

圖11（a）～（c）分別示出了不同噴嘴流道數(shù)（3～6）入口壓力為0.4 MPa時(shí)。渦流管的制冷量、單位制冷量和制冷效率隨冷流率變化的特性曲線。由圖11可知，冷流率為0.2～0.8時(shí)，制冷量、單位制冷量和COP隨著冷流率的增大而增大。冷流率0.8～0.9時(shí)，三者開始隨著冷流率的增加而減小，這是由于冷流率0.8～0.9時(shí)，制冷溫度效應(yīng)減小而造成的。由圖可知，隨著噴嘴流道數(shù)的增大渦流管的制冷量、單位制冷量以及COP出現(xiàn)峰值的冷流率逐漸減小，這主要是因?yàn)閲娮炝鞯罃?shù)較少時(shí)渦流管制冷溫度效應(yīng)隨著冷流率增大的下降幅度較小，而當(dāng)噴嘴流道數(shù)增加，渦流管制冷溫度效應(yīng)在冷流率較大時(shí)的降幅較大，出現(xiàn)圖11所示的特性曲線。可以看出6流道噴嘴在3項(xiàng)參數(shù)中的性能最好，3流道最差，這一結(jié)果與渦流管制冷溫度效應(yīng)相同。

圖11 噴嘴流道數(shù)對(duì)制冷量、單位制冷量和COP的影響Fig.11 Effect of number of nozzle flow channels on cooling capacity，unit cooling capacity and COP

3 結(jié)論

（1）制冷、制熱溫度效應(yīng)隨著入口壓力的升高先增大后減小，0.4 MPa時(shí)具有最佳制冷、制熱溫度效應(yīng)。

（2）制冷、制熱溫度效應(yīng)隨著噴嘴流道數(shù)的增大而增大，噴嘴流道數(shù)為6 時(shí)，冷流率為0.4，具有最佳制冷溫度效應(yīng)24.8 ℃，冷流率為0.9，噴嘴流道數(shù)為6時(shí)具有最佳制熱溫度效應(yīng)32.0 ℃。

（3）噴嘴流道數(shù)一定時(shí)，熱端管壁面溫度隨著冷流率增大而增大，滯止點(diǎn)也會(huì)提前出現(xiàn)。同一冷流率時(shí)，各噴嘴流道數(shù)出現(xiàn)滯止點(diǎn)的軸向距離相同。