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锥形双路涡流管的性能优化与内部流动研究
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更新于2024-06-21
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锥形双路涡流管的内部流动与性能分析.doc是一篇深入探讨涡流管这种能量分离装置性能提升的重要文献。涡流管因其轻便且稳定的特点,在特定应用中展现出显著的经济效益,然而其内部流动状态的复杂性以及缺乏系统性的理论研究,使其成为科研人员关注的焦点。该论文着重于一种创新设计,即通过采用锥形热端管和增设辅助进气口来优化传统涡流管的工作性能。 研究过程中,作者首先通过数值模拟和实验两种方法,探究了关键结构参数如喷嘴最小矩形横截面积、热端管锥度、辅助进气口直径以及阻涡器的影响。这些参数的优化旨在确保涡流管内部流体流动的高效和稳定性。数值模拟的结果显示,优化后的锥形双路涡流管能够显著改善能量分离效率,达到23%的制冷效率。 同时,论文还关注了操作参数,如入口压力、辅助进气口压力和冷流率等,这些参数的变化对涡流管性能产生直接影响。通过对这些参数的细致分析,研究人员能够更好地理解和控制涡流管的工作过程。 然而,值得注意的是,尽管数值模拟结果表明了潜在的优化效果,但它与实验数据存在一定的偏差。这是由于涡流管内部的湍流流动非常复杂,目前的数值模拟技术对于这类复杂流场的精确模拟仍有局限。此外,实验中的操作参数可能受到环境因素的影响,而在模拟中通常假设为恒定条件,这可能导致两者结果的微小差异。 这篇论文不仅提供了锥形双路涡流管的设计与优化策略,也揭示了其内部流动机制与实际性能之间的关系,这对于提高涡流管的实际应用效能以及推动相关理论研究具有重要意义。通过结合实验和数值模拟,研究者为涡流管的设计和性能评估提供了一套更为全面的方法论。
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锥形双回路涡流管的内部流动与性能分析
- 10 -
国内的刘立强
[32]
等人也做了类似的研究。研究得出以下结论:增大进口压力,可以
提高制冷效应和制热效应,但是增长的趋势会逐渐减小;减小冷端板的孔径,可以适当
地提高制冷效应。
前苏联包曼大学设计出了一种回流式涡流管,其结构如图 1.6,流体冷却后分为股,
一股排出去,另一股重新返回涡流管再利用,这两部分流体的比例由控制阀调节。实验
表明:相对于普通涡流管,这种涡流管的绝热效率提高了约 50%
[33]
。
Guillaume
[34]
等人提出了双级涡流管结构,并通过实验证明双级涡流管优于单个涡
流管。
有些学者另辟蹊径,Lay
[35]
采用透明的有机玻璃为材料,加工了可视性的涡流管装
置,拍摄到管内流体的湍流运动状态。
Arbuzov
[36]
等人也同样采用该种方法对涡流管进行了实验探索,可以观察到涡流管
内部流体流动的形态。
Marlyonvskii
[37]
对涡流管内部的工作介质进行了探索。他分别用氨、甲烷和二氧化
碳进行实验,得出这几种气体也有能量分离效应的结论。
Marshall
[38]
混合了不同的气体作为工作介质,通过实验研究,证明混合气体和单质
气体一样也能产生能量分离效应。
Takahama
[39]
用水蒸气进行实验,实验表明:将由空气得出的涡流管结构设计经验公
式用于水蒸气同样有效。
Balmer
[40]
对采用的工质为水,并进行涡流管实验,发现能量分离效应虽然同样存在,
但分离效果相对很差。
Collins
[41]
和 Lovelace 的工作介质为两相丙烷。通过大量的实验分析,结果发现:
必须保持较高的进气干度,分离效果才明显,这里他们给出的进气干度的临界范围为
80%。
Williams
[42]
主要利用多种混合工质的影响对涡流管进行了研究。
Felete
[43]
提出了一种新型的涡流管装置结构,可以用于分离天然气的冷凝混合物。
国内也有很多关于两相涡流管的类似研究。西安交通大学的靳海明等人研制了两相
涡流管实验结构
[44-46]
,该装置的特点是在热端管上设置了液体分离壳。研究表明:相对
于单相涡流管,两相涡流管的冷热效应小很多。
Linderstrom-lang 提出由于涡流管内具有强大的离心力作用,涡流管可应用于多相混
合物间的分离。他通过对 O
2
/N
2
、O
2
/CO
2
、O
2
/He 三类不同的混合物在涡流管中的分离
效率进行研究,得出混合物的分离效率在 1‰~3‰之间的结论。
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- 11 -
RIU
[47]
主要针对涡流管的的结构参数及操作参数进行探索,并详细地研究了它们对
分离效率的影响。
从涡流管的冷热分离效应被发现以后,由于其特殊的优势和功能,国内外众多学者
从未停止过对其探索和研究。通过这些人不遗余力的工作,涡流管才发展到了今天。总
结以往的研究经验,可以得到以下能够表征涡流管性能的参数
[48]
:
制冷温度效应(冷端温降):
c in c
T T TD = -
(1.2)
制热温度效应(热端温升):
h h in
T T TD = -
(1.3)
冷流率:
c
in
m
m
m
=
&
&
(1.4)
压比:
in
c
p
p
e
=
(1.5)
制冷量:
c c p c
Q m c T= D
&
(1.6)
制热量:
h h p h
Q m c T= D
&
(1.7)
单位制冷量:
c p c
q c T
m
= D
(1.8)
单位制热量:
(1 )
h p h
q c T
m
= - D
(1.9)
温度效率:
c in c
T
ise in s
T T T
T T T
h
D -
= =
D -
(1.10)
绝热效率:
c
T
ise
T
T
h mh m
D
= =
D
(1.11)
制冷效率:
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锥形双回路涡流管的内部流动与性能分析
- 12 -
ln
p c
in
in
c
c T
COP
p
RT
p
m
D
=
æ ö
ç ÷
è ø
(1.12)
其中:
in
T
—涡流管的进口温度,K;
c
T
—涡流管的冷端出口温度,K;
h
T
—涡流管的热端出口温度,K;
in
p
—涡流管的入口压力,Pa;
c
p
—涡流管的冷端出口压力,Pa;
h
p
—涡流管的热端出口压力,Pa;
in
m
—涡流管的入口质量流率,kg/s;
c
m
—涡流管的冷端质量流率,kg/s;
h
m
—涡流管的热端质量流率,kg/s。
涡流管的性能会受到结构参数和操作参数的影响,下面将对这些参数作具体的介绍。
(1)喷嘴的影响
喷嘴是使涡流管内部形成旋流的重要部件,是推动涡流管内能量装换的主要场所,
因此人们对喷嘴的研究比较广泛深入。对于喷嘴的结构设计主要分为喷嘴形式、横截面
形状、进气方式、设计线形以及喷嘴个数等几个方面。
通常,把平行于涡流管的径向上所观察到的喷嘴截面所观察到的喷嘴截面形状称为
喷嘴形式,而平行于涡流管轴向的喷嘴截面的形状则被称为喷嘴横截面形状。通常情况
下,喷嘴形式采用直线形和渐缩形
[49]
,喷嘴的横截面形状一般有矩形截面和圆形截面两
种,矩形截面比较常用。
喷嘴进气方式有很多种,一般常见的是螺旋式,切向式和切向槽形式。而大多数情
况下,切向进气式能够取得相对较好的效果
[50]
。
对于喷嘴设计线形,前人也做了大量的研究,常见的有直线、圆弧线和阿基米德螺
线几种。其中多数研究表明阿基米德螺线优于其他两种。
喷嘴个数对涡流管性能影响较大,对这方面的研究也比较多。一般认为喷嘴数为 4
和 6 的涡流管性能较好
[51]
。
(2)热端管的影响
热端管是涡流管内进行能量分离的主要场所,其占据了涡流管的大部分空间,因此
对热端管的研究十分重要,下面将对其结构形式进行讨论:
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- 13 -
热端管长:一般用长径比来表征热端管长对涡流管性能的影响。长径比定义为热端
管长与热端管直径的比,一般为 3~50,通常取 20~40,热端管越长,涡流管性能越高,
但是这种增长趋势会随着管子的加长逐渐减小,当冷流率超过 0.8 时,还极容易发生滞
止,并且管子过长会占据较大空间
[52] [53]
。
热端管直径:喷嘴喉部面积与热端管横截面面积之比为相对面积。相对面积 A
c
的变
化对热端管直径有着必然的联系,因此在进行研究时,要将这两者紧密地结合起来。当
喷嘴个数不变时且入口流量一定时,相对面积越大,热端管直径越小
[49]
。总结前人观点,
一种观点认相对面积越大,涡流管的分离性能越大,因此该种观点倾向于大直径的涡流
管会效率较高
[54]
,另一种观点则认为涡流管的性能与冷流率关系密切,在某一冷流率的
范围内,热端管直径小的涡流管性能高
[55]
,而超出这一范围后,直径大的涡流管效果好。
对于相对面积,目前采用经验确定。压比
ε
为 1~5 时,A
c
=0.06~0.12;压比
ε
为 5~10 时,
A
c
=0.06~0.08。也可以采用以下公式:
1/1.4
0.327
c
A
e
=
(1.13)
热端管形式:热端管主要分为直管式和锥管式两种
[56,57]
。对于锥管式,一般当锥
角在 2°~ 4°时效果最好,并且前人研究表明同等长度的热端管,锥管式明显好于直管式。
因而采用锥形涡流管可以起到缩减涡流管的长度的作用。
(3)冷端管的影响
在研究冷孔板孔径对涡流管性能的影响时,一般用冷孔板孔径与热端管直径之比来
表征。有研究认为此比值存在针对制冷效应的最优值及针对制热效应的最优值
[58][59]
。
Hilsch 经过实验研究,认为此比值应该取 0.45~0.6。
总结前人的研究经验,冷端出口需要安装扩压管。扩压管的长度一般用它与热端管
直径的比值来确定,通常这个比值为 2 左右,扩压管锥角一般不超过
15°
。
(4)阻涡器的影响
安装阻涡器能够明显地提高涡流管的能量分离效应,阻涡器的应用机理是整流,减
小湍动损失,常见的涡流管阻涡器有十字形、网格型和叶片型。前人的实验研究表明:
叶片型的效果最好
[60]
。
(5)冷流调节阀:涡流管的冷流流率用冷流调节阀来调节,常见有针形阀和球形
阀两种形式。前人实验指出,一般针形阀的锥角为 45°,若把针形阀旋转 90°安装,效
果比用球形阀好
[58]
。
(6)压力的影响
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