入口壓力對(duì)小尺寸渦流管能量分離特性的影響

陳 婧， 湯 晟， 王驊鐘

（1.中國(guó)石油大學(xué)（華東）儲(chǔ)運(yùn)與建筑工程學(xué)院，山東青島266580；2.中石化西北油田分公司工程技術(shù)研究院，新疆烏魯木齊830011）

0 引 言

渦流管是一種特殊的溫度分離裝置。高壓工作氣體經(jīng)由切向入口噴嘴進(jìn)入到渦流管，壓能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能產(chǎn)生強(qiáng)渦旋運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而引發(fā)能量分離：即位于中心的氣體溫度逐漸降低，形成冷氣流，而貼近管壁的氣流溫度則逐漸升高形成熱氣流［1-2］。熱氣流從熱端出口排出，冷氣流則到達(dá)熱端出口附近時(shí)發(fā)生轉(zhuǎn)向，最終從逆流至冷端出口流出。這種神奇的溫度分離現(xiàn)象被稱作“渦流效應(yīng)”或“蘭克效應(yīng)”［1，3］。渦流管無(wú)運(yùn)動(dòng)部件，僅依靠氣體高壓即可生成低溫和高溫兩股流體，已廣泛應(yīng)用于制冷、制熱、干燥、分離，甚至天然氣水合物控制［4-8］。盡管渦流管結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但內(nèi)部流動(dòng)和傳熱機(jī)理非常復(fù)雜。研究者們提出了諸如“膨脹和多循環(huán)效應(yīng)”“絕熱冷卻和粘性加熱”、二次流理論、聲流理論等［9-12］，但仍無(wú)法完全解釋能量分離效應(yīng)。當(dāng)前渦流管實(shí)驗(yàn)主要集中于熱端管徑大于10 mm的中大型渦流管，而對(duì)于熱端管徑小于6 mm的小尺寸渦流管實(shí)驗(yàn)研究鮮有報(bào)道［13］。壓力是驅(qū)動(dòng)渦流管能量分離的動(dòng)力源，對(duì)渦流管內(nèi)流動(dòng)和傳熱特性影響巨大［14］。本文研制了小尺寸渦流管實(shí)驗(yàn)測(cè)量系統(tǒng)，開(kāi)展了不同入口壓力和冷熱流體比例下渦流管能量分離測(cè)量實(shí)驗(yàn)，探究入口壓力對(duì)渦流管能量分離效應(yīng)的影響。

1 實(shí)驗(yàn)渦流管

如圖1所示，實(shí)驗(yàn)采用的小尺寸渦流管為逆流型，主要結(jié)構(gòu)包括渦流室、冷端管、熱端管、噴嘴、渦流室以及熱力調(diào)節(jié)閥。渦流管的結(jié)構(gòu)參數(shù)：渦流管總長(zhǎng)L=108 mm，入口直徑Di=5.3 mm，渦流室直徑c=15 mm，渦流室長(zhǎng)度L=19 mm，噴嘴數(shù)目n=6，冷端管長(zhǎng)Lc=23 mm，冷端管直徑Dc=4 mm，熱端管長(zhǎng)Lh=82 mm，熱端管直徑Dh=6.5 mm。噴嘴為渦流管核心部件，位于渦流室內(nèi)，用于產(chǎn)生高速螺旋流。實(shí)驗(yàn)噴嘴采用六流道結(jié)構(gòu)形式，切向入口噴嘴的橫截面為矩形，高度h=0.5 mm，寬為w=1.0 mm，流道深度l=2.0 mm。高壓氣體沿噴嘴切向進(jìn)入渦流室，在向熱端管推進(jìn)過(guò)程中發(fā)生能量分離效應(yīng)，形成中心溫度低、管壁處溫度高的溫度分布特性。通過(guò)調(diào)節(jié)熱端出口處的熱力調(diào)節(jié)閥可改變冷、熱氣流所占的比例，相應(yīng)地改變溫度場(chǎng)分布。

圖1 實(shí)驗(yàn)渦流管

2 渦流管能量分離評(píng)價(jià)指標(biāo)

高壓氣流通過(guò)渦流管后會(huì)發(fā)生能量分離，生成低溫、高溫兩股流體。渦流管能量分離效應(yīng)評(píng)價(jià)指標(biāo)主要有冷流率、冷端溫差、熱端溫差、單位制冷量以及單位制熱量等。冷流率為流出冷端出口的氣體質(zhì)量流量占入口總氣體質(zhì)量流量的比值，定義如下：

冷端溫差為渦流管入口處氣流溫度與冷端出口溫度之差，

熱端溫差為熱端出口處氣流溫度與入口溫度之差，

單位制冷量為單位質(zhì)量高壓氣體提供的冷量，

同樣，單位制熱量表征單位質(zhì)量高壓氣體制熱能力，

以上各式中：Mc、Mi分別為冷端出口和入口氣體質(zhì)量流量，kg/s；Ti、Tc、Th分別為入口、冷端出口以及熱端出口氣流溫度，K；cp為空氣的定壓比熱，取定值1.005 kJ/（kg·K）。

3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)

圖2為渦流管性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)介質(zhì)為空氣，經(jīng)壓縮機(jī)增壓后進(jìn)入緩沖罐以消除壓力波動(dòng)，為渦流管提供穩(wěn)定壓力源。采用艾默生質(zhì)量流量計(jì)對(duì)入口氣相流量Mi進(jìn)行計(jì)量，采用文丘里噴嘴流量計(jì)測(cè)量冷端出口氣體流量Mc。采用橫河壓力變送器對(duì)進(jìn)口壓力及冷端出口壓力進(jìn)行測(cè)量。渦流管壁面溫度分布利用武漢高德公司T8紅外熱像儀進(jìn)行測(cè)量，其溫度分辨率為0.08℃，視場(chǎng)：22°×16°/35 mm。局部關(guān)鍵溫度點(diǎn)采用Pt100微型熱電阻，測(cè)量誤差±0.15℃。熱電阻通過(guò)渦流管管壁小孔深入渦流管內(nèi)壁，以精確測(cè)量氣流溫度。在渦流管的入口、冷端出口各布置一個(gè)熱電阻，熱端管布置2個(gè)熱電阻。實(shí)驗(yàn)儀表型號(hào)和測(cè)量精度見(jiàn)表1。采用研華USB-4716數(shù)據(jù)采集卡，編寫LabVIEW采集程序?qū)ο嚓P(guān)參數(shù)進(jìn)行采集。

表1 實(shí)驗(yàn)測(cè)量?jī)x表

圖2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)

為考察入口壓力對(duì)該小尺寸渦流管能量分離特性的影響，入口壓力pi（表壓）分別調(diào)節(jié)為0.1、0.2、0.3、0.4及0.5 MPa。同一入口壓力下，通過(guò)熱端管出口的熱力調(diào)節(jié)閥調(diào)整冷流率，實(shí)驗(yàn)冷流率范圍為8.79%～100%。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析與討論

4.1 壓力對(duì)渦流管溫度分布的影響

圖3所示為紅外熱像儀記錄的不同冷流率μ下實(shí)驗(yàn)渦流管壁面溫度分布圖像，入口壓力為0.5 MPa。可見(jiàn)，高壓氣流經(jīng)過(guò)渦流管時(shí)，熱端溫度高，而冷端溫度低，表明發(fā)生了顯著溫度分離效應(yīng)。隨著冷流率的增大，渦流管的熱端出口溫度基本上呈現(xiàn)不斷升高的趨勢(shì)，即渦流管的制熱效應(yīng)不斷增強(qiáng)；與之相反，在較高冷流率下，冷端管溫度與環(huán)境溫度漸趨一致，表明其制冷效應(yīng)減弱。

圖3 不同μ下渦流管紅外圖像（pin=0.5 MPa）

圖4展示了在入口壓力0.3～0.5 MPa下渦流管上4個(gè)特征測(cè)溫點(diǎn)溫度隨冷流率變化曲線?？梢钥闯?，在同一冷流率μ下，渦流管的冷端溫度會(huì)隨著壓力的升高而降低，但不同壓力下渦流管冷端最低溫度對(duì)應(yīng)的冷流率基本一致。在冷流率為0.4左右，即冷端氣體流量占比達(dá)到40%左右時(shí)，冷端溫度最低，制冷效應(yīng)最明顯。與此相反，熱端的三測(cè)點(diǎn)溫度隨著壓力的上升而上升。

圖4 不同入口壓力下各通道溫度

實(shí)驗(yàn)也觀察到在高入口壓力（pi=0.5 MPa）條件下熱端出口溫度并非熱端管溫度最高點(diǎn)，而是存在一個(gè)臨界冷流率。當(dāng)高于該臨界值時(shí)，熱端出口溫度低于其上游溫度。從圖上可以發(fā)現(xiàn)，隨著壓力增加，對(duì)應(yīng)的臨界冷流率向高值方向移動(dòng)，入口壓力0.3、0.4MPa時(shí)，對(duì)應(yīng)的臨界冷流率分別為0.86、0.88，而當(dāng)入口壓力為0.5 MPa時(shí)，臨界冷流率為0.97。其主要原因是壓縮氣體在通過(guò)入口噴嘴切向進(jìn)入渦流管的渦流室，進(jìn)而產(chǎn)生強(qiáng)旋流運(yùn)動(dòng)。由于受冷端孔板阻礙，氣流將向熱端管方向流動(dòng)，在劇烈的旋流運(yùn)動(dòng)下，內(nèi)部氣體會(huì)發(fā)生能量分離效應(yīng)，中心區(qū)域溫度降低，而外緣溫度升高。而在熱端出口附近，由于熱力調(diào)節(jié)閥的阻礙以及冷熱端壓差聯(lián)合作用下，位于中心的一部分低溫氣體將發(fā)生回流。如圖5所示，發(fā)生回流的最遠(yuǎn)軸向位置為滯止點(diǎn)，滯止點(diǎn)下游中心氣流和外緣氣流能量交換效率降低，從而導(dǎo)致出口溫度可能反而低于管內(nèi)溫度。Bramo等［15］采用CFD仿真方法也證實(shí)當(dāng)熱端管長(zhǎng)度增加到一定程度后，能量分離效果不再增強(qiáng)。

圖5 渦流管流動(dòng)結(jié)構(gòu)示意圖

4.2 入口壓力對(duì)冷、熱端溫差的影響

渦流管制冷、制熱效應(yīng)可用冷、熱端溫差來(lái)表示。圖6為實(shí)驗(yàn)小尺寸渦流管在壓力為0.1～0.5 MPa范圍內(nèi)變化時(shí)，制冷、制熱效應(yīng)隨冷流率變化曲線。從圖6（a）中可以看出，相同入口壓力下，冷端溫差隨冷流率的增加呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，在冷流率在30%～40%時(shí)，制冷效應(yīng)的值最大。而在冷流率不變時(shí)，隨著壓力從0.1 MPa升高到0.5 MPa，渦流管的制冷效應(yīng)基本上呈現(xiàn)隨壓力增大而增大的趨勢(shì)，但壓力影響程度逐漸減弱。例如，入口壓力為0.2 MPa下的制冷效應(yīng)遠(yuǎn)大于0.1 MPa，然而入口0.5 MPa下的制冷效應(yīng)和0.4 MPa的制冷效應(yīng)相當(dāng)，甚至在低冷流率小于0.5時(shí)，入口壓力0.4 MPa的制冷效應(yīng)更為明顯。

圖6 壓力對(duì)渦流管制冷、制熱效應(yīng)的影響

圖6（b）為渦流管制熱效應(yīng)，其隨冷流率變化趨勢(shì)與制冷效應(yīng)類似。隨著入口壓力增加，熱端出口溫度與入口溫度差值增加，制熱效應(yīng)增加。當(dāng)冷流率在80%～100%左右時(shí)，制熱效應(yīng)最佳。但隨著入口壓力持續(xù)升高，提升能力減緩。

4.3 入口壓力對(duì)單位制冷、制熱量的影響

冷、熱端溫差指標(biāo)表征的是制冷、制熱效果，但不能反映制冷、制熱能力。單位制冷、制熱量為單位質(zhì)量高壓氣體通過(guò)渦流管產(chǎn)生的冷量和熱量，能表征制冷、制熱能力大小。圖7（a）為不同壓力下，實(shí)驗(yàn)小尺寸渦流管的單位制冷量隨冷流率的變化關(guān)系曲線。可以看出當(dāng)壓力固定不變時(shí)，單位制冷量隨著冷流率的增大呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。當(dāng)冷流率為70%左右時(shí)，單位制冷量取得最大值。不同壓力最大單位制冷量對(duì)應(yīng)的冷流率基本相同。在相同冷流率時(shí)，壓力越大，單位制冷量也越大，單位制冷量在冷流率在60%～80%時(shí)隨壓力變化最為顯著。

圖7 壓力對(duì)渦流管單位制冷、制熱量的影響

圖7（b）為不同壓力下單位制熱量隨冷流率變化曲線。與單位制冷量類似，當(dāng)入口壓力相同時(shí)，隨著冷流率的增大，單位制熱量呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，在冷流率為50%～70%時(shí)，單位制熱量取得最大值；當(dāng)冷流率保持相同時(shí)，隨著入口壓力的增大，渦流管的單位制熱量不斷增大。

與入口壓力對(duì)冷熱端溫差影響類似，隨著壓力的持續(xù)增加，單位制熱效應(yīng)受壓力的影響逐漸降低，入口壓力0.4和0.5 MPa時(shí)的制熱效應(yīng)相當(dāng)。這主要是因?yàn)殡S著入口壓力的增加，渦流管內(nèi)流速增加，當(dāng)流速接近聲速時(shí)存在雍塞效應(yīng)，此時(shí)若繼續(xù)提升入口壓力，其流速將維持聲速保持不變。可見(jiàn)，由于入口壓力增加對(duì)制冷效應(yīng)的改善逐漸降低，不應(yīng)過(guò)度追求通過(guò)提高入口壓力來(lái)提升渦流管的能量分離效應(yīng)。

5 結(jié) 論

實(shí)驗(yàn)研究了不同入口壓力下空氣通過(guò)小尺寸渦流管的冷量分離特性。實(shí)驗(yàn)獲得了冷熱端溫差、單位制熱、制冷量隨壓力及冷流率變化曲線。主要結(jié)論如下：

（1）高壓氣體通過(guò)渦流管時(shí)將發(fā)生顯著的能量分離，熱端溫度升高，冷端溫度降低，在滯止點(diǎn)下游中心氣流和外緣氣流能量交換效率降低，從而導(dǎo)致出口溫度可能反而低于管內(nèi)溫度。

（2）相同壓力下，冷流率在30%～40%之間時(shí)，冷端溫差最大，而冷流率在80%～100%時(shí)，熱端溫差最大，冷流率在60%～80%之間時(shí)單位制冷量最大，冷流率為50%～70%時(shí)，單位制熱量取得最大值；

（3）隨入口壓力的增加，制冷、制熱效應(yīng)均增強(qiáng)，但隨著入口壓力持續(xù)升高對(duì)能量分離的提升作用逐漸降低，因此不應(yīng)過(guò)度追求通過(guò)提高入口壓力來(lái)提升渦流管能量分離效應(yīng)。