噴嘴流道數對渦流管性能影響的試驗研究

何麗娟，趙輝通，李海燕，孫寧宇

（內蒙古科技大學 能源與環境學院，內蒙古包頭 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構、無運動部件、操作簡單方便等優點，已經被應用在制冷、天然氣、混合物的分離、航空等諸多工業領域［1-5］。結構簡單的渦流管，能量分離的機理卻非常復雜，備受爭議［6-8］。噴嘴作為渦流管能量分離的核心部［9］，備受廣大學者的關注。1961年，PARULEKAR［10］通過試驗研究了渦流管能量分離效果與噴嘴形狀的關系，發現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進口壓力時研究了不同噴嘴流道數（3～8）對渦流管性能的影響，發現4流道噴嘴的渦流管，具有最佳的制冷和制熱效應，8流道噴嘴的渦流管，其制冷效應和制熱效應最差，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，還沒有進一步探究噴嘴流道數對能量分離特性的影響。2007年，王遠鵬等［13］試驗研究發現在相同冷流率下，渦流管入口壓力愈高，噴嘴流道數目為6的渦流管的制冷效應、制熱效應愈好，但并沒有對不同噴嘴流道數的特性進行研究。曹勇等［14-15］探究了噴嘴流道數目對渦流管能量分離效果的影響，結果發現噴嘴數目的變化會影響渦流管能量分離的過程。隨著人們環保意識的提高，自然工質例如CO2、NH3、空氣等逐步被重視。NEKS［16］認為 CO2工質是一種非常理想的天然制冷劑，且物理性質穩定、安全、制備成本低廉，長期存在于大氣之中且對環境破壞力極小。LORENTZEN［17］認為CO2是無法取代的制冷工質，因此在前人的研究基礎上，進一步開展以CO2為工質時，入口壓力、噴嘴流道數以及冷流率對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制和結構優化奠定了堅實的基礎。

1 試驗

1.1 試驗設備

試驗流程如圖1所示。

圖1 試驗流程Fig.1 The flow chart of experiments

試驗系統主要由渦流管、高壓氣瓶、過濾器、換熱器、節流閥、質量流量計、壓力傳感器和溫度計構成。工作流程如下：氣體由高壓氣瓶流經過濾器、節流閥V1后進入換熱器，在換熱器內進行熱交換后流經流量計進入渦流管，在渦流管內氣體分成2個支路，1個支路從渦流管冷端出口流出排到室外，另一支路氣體經熱端閥V2后從熱端出口流出排到室外。

試驗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；質量流量計采用0.2準確度等級的F025P150CRAZMZZZZ艾默生質量流量計；渦流管進出口溫度測量均采用Pt100標準鉑電阻溫度計，量程為-200～200 ℃，精度為 ±0.1 ℃；渦流管壁面每12.5 mm布置一個測溫點，采用精度為±0.5 ℃的T型銅-康銅熱電偶進行測溫；試驗數據由Agilent 34901A進行采集并輸入計算機；采用橡塑材料對渦流管主體以及進出端所有管路進行絕熱保溫處理。噴嘴結構如圖2所示。

圖2 噴嘴結構Fig.2 Diagram of nozzle structure

1.2 測點布置

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個測點。

圖3 測點布置Fig.3 Layout of measuring points

1.3 試驗測量

通過調節V1控制工質進入渦流管時的壓力，調節V2控制熱端出口壓力，從而控制冷端出口質量流量，本試驗主要測量內容如下所示。

（1）渦流管冷流率 μ，定義為渦流管冷端出口質量流量與入口質量流量之比：

式中 mc——冷端出口氣流質量流量，kg/s；

min——入口氣流質量流量，kg/s。

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

式中 Tin——渦流管進口流體溫度，℃；

Tc——冷端出口氣流溫度，℃。

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

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，在渦流管內取5個測點待系統達到穩定且渦流管內部達到穩態狀態時進項測量，結果如圖4所示，測量5次，分別記錄試驗數據，并進行誤差分析，由圖中可看出，同一測點誤差極小，基本可控制在0.5%左右，證明了試驗的可靠性較好。

圖4 誤差分析Fig.4 Error analysis

2 結果與分析

試驗以CO2為工質，研究入口壓力、噴嘴流道數和冷流率對渦流管性能的影響。

2.1 入口壓力對渦流管制冷與制熱效應的影響

本文以6流道噴嘴為例，探究入口壓力在0.2～0.6 MPa范圍內時對渦流管制冷、制熱溫度效應的影響。

圖5，6分別示出了入口壓力對渦流管制冷、制熱溫度效應的影響。由圖可知，渦流管制冷與制熱溫度效應隨入口壓力變化的趨勢相似，入口壓力的增大對制冷制熱效應均有所改善，但是入口太高時又會抑制渦流管的能量分離。對于制冷溫度效應，在入口壓力為0.4 MPa、冷流率為0.4時，具有最佳制冷溫度效應為24.8 ℃，此時渦流管內能量分離效果最好，達到了最佳冷熱平衡，這主要是因為入口壓力升高會使得沿切向進入渦流室的氣流旋流速度增加，管內壓力梯度隨之增加，內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，渦流管制冷溫度效應反而下降。此時因為切向進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不會隨壓力的增大而一直增大。對于制熱效應同樣如此，當入口壓力較小時（0.2，0.3 MPa），渦流管的制熱溫度效應變化幅度較為穩定，此時噴嘴處的膨脹不足，在管內徑向上膨脹做功能力較差、 軸向上由熱端指向冷端出口對的壓力梯度較小，渦流管內能量分離效應較差，使得制熱溫度效應較差［18］。在入口壓力為0.4 MPa時，管內各向上的壓差與壓降均達到最佳的平衡狀態，與制冷溫度效應不能隨著入口壓力升高而增大的原因相同，壓力進一步升高時，并不能具有更好的制熱效應。

圖5 入口壓力對制冷溫度效應的影響Fig.5 Effect of inlet pressure on cooling temperature

圖6 入口壓力對制熱溫度效應的影響Fig.6 Effect of inlet pressure on heating temperature

2.2 冷流率對渦流管溫度分布的影響

對渦流管壁面溫度進行測量，測點布置如圖3所示，在入口氣流壓力為0.4 MPa時，對噴嘴流道數為3，4，5，6渦流管的壁面溫度ΔT=TW-Tin（TW為壁面溫度）進行測量。

圖7示出了冷流率對渦流管溫度分布的影響。可以看出，當冷流率為0.2～0.5時，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，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，同時壁面最高溫度點在軸向距離62.5 mm附近，此時最高壁面溫度點為滯止點［17］。熱端管出口氣流溫度低于滯止點上管壁的溫度，同時冷流率的增加會使滯止點出現的軸向距離逐漸減小，即滯止點在軸向上出現的越早，與隨著冷流率的增大滯止點逐漸向冷端移動所述相同［19-22］。

圖7 冷流率對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，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噴嘴后進入渦流室，形成的漩渦運動造成的。軸向距離為Z=12.5～50 mm時，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，所以溫度會有所下降［11］。軸向距離為Z=50～125 mm時，渦流管內的切向速度和強旋流運動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 噴嘴流道數對渦流管性能的影響

2.3.1 噴嘴流道數對渦流管制冷與制熱效應的影響

圖8示出了在相同入口條件（0.4 MPa）時噴嘴流道數對渦流管制熱溫度效應的影響。由圖可知，冷流率一定，制熱溫度效應會隨著噴嘴流道數的增加而增大。噴嘴流道數為6時具有最佳制熱溫度效應，3流道噴嘴制熱溫度效應最小為19.7 ℃，6流道噴嘴在冷流率為0.9時制熱溫度效應為32.0 ℃。圖9示出了在相同入口條件（0.4 MPa）時噴嘴流道數對渦流管制冷溫度效應的影響。由圖可知，冷流率一定時，制冷溫度效應隨噴嘴流道數的增加而增加。6流道噴嘴在0.2～0.9冷流率范圍內，均具有最佳制冷溫度效應。隨著噴嘴流道數的增大，渦流管制冷溫度效應逐漸升高，3流道數噴嘴在冷流率0.5時具有最佳制冷溫度效應20.3 ℃，6流道噴嘴在冷流率0.4時具有最佳制冷溫度效應24.8 ℃，這主要是因為隨著噴嘴流道數的增加，進入渦流室的氣流會更均勻，從而增強氣流間的相互作用，能量分離效率更高。

圖8 噴嘴流道數對渦流管制熱溫度效應的影響Fig.8 Influence of number of nozzle flow channels on heating temperature of vortex tube

圖9 噴嘴流道數對渦流管制冷溫度效應的影響Fig.9 Influence of number of nozzle flow channels on cooling temperature of vortex tube

2.3.2 噴嘴流道數對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，噴嘴流道數3～6的渦流管壁面溫度的分布。流道噴嘴為6時，與制冷、制熱溫度效應趨勢相同，具有高的壁面溫度分布，熱端管壁面溫度隨著噴嘴流道數的增加而升高。結果表明各噴嘴流道在冷流率相同時滯止點的軸向距離一致，噴嘴流道數對滯止點的影響較小，同時也可以明顯的看到，冷流率0.4，0.7，0.9的滯止點出現的軸向距離逐漸減小分別為87.5，75，62.5 mm，滯止點因為冷流率的增加而更早的出現。在0.2～0.9冷流率時，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越大。雖然噴嘴流道數對滯止點影響不明顯，但是對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 噴嘴流道數對渦流管制冷量、COP的影響

圖11（a）～（c）分別示出了不同噴嘴流道數（3～6）入口壓力為0.4 MPa時。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，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，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，制冷溫度效應減小而造成的。由圖可知，隨著噴嘴流道數的增大渦流管的制冷量、單位制冷量以及COP出現峰值的冷流率逐漸減小，這主要是因為噴嘴流道數較少時渦流管制冷溫度效應隨著冷流率增大的下降幅度較小，而當噴嘴流道數增加，渦流管制冷溫度效應在冷流率較大時的降幅較大，出現圖11所示的特性曲線。可以看出6流道噴嘴在3項參數中的性能最好，3流道最差，這一結果與渦流管制冷溫度效應相同。

圖11 噴嘴流道數對制冷量、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 結論

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

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

（3）噴嘴流道數一定時，熱端管壁面溫度隨著冷流率增大而增大，滯止點也會提前出現。同一冷流率時，各噴嘴流道數出現滯止點的軸向距離相同。