进气温度与压力对锥形涡流管性能的影响

　　1 引 言

　　涡流管( 又称 Ranque-Hilsch 管) 是一种结构紧凑，无运动部件的能量分离装置，能够将压缩气体分离成冷热两股不同的气流。基于其显著特点，得到了诸多研究者的重视，开展了大量的研究工作，并将涡流管应用于制冷装置，便携式空调器，气体混合物分离，气体液化等领域[1-3]。典型的涡流管工作原理如图 1 所示: 高压气体经喷嘴沿切线方向高速喷入涡流管，然后气体高速旋转，在涡流管内分离成温度不同的两股低压气流。其中外层气流温度较高，经热端出口流出，内层气流温度较低，经冷端出口流出，冷热气流的比率由热端调节阀控制。

　　尽管涡流管结构简单，研究者开展了诸多理论工作，但涡流管内部流体流动十分复杂，能量分离机理的解释还不完善[4-5]，研究者主要通过实验来推动其实际应用。现有研究大多只针对热端管是直管形式的涡流管，而对热端管为锥管形式的涡流管研究较少。Gulyaev，Takahama 和 Yokosawa 对具有特定角度的锥形涡流管进行了研究，结果表明与相同长度的普通圆柱形涡流管相比，锥形涡流管具有更高的能量分离性能[6-7]。

　　由于锥形涡流管在实际工作当中，进气条件( 温度，压力) 可能存在变化，则对其工作性能可能造成一定影响。为揭示入口气流温度和压力对锥形涡流管能量分离性能的影响，本研究通过实验获得了锥形涡流管的制冷效应，制热效应与进气温度，压力之间的关系，为进一步深入研究锥形涡流管提供了参考。

　　2 实验装置

　　实验系统流程见图 2 所示。实验时采用氮气作为工作介质，压缩氮气在换热器中调整到适当的温度，经过稳压器，然后通过流量计进行流量计量后沿切线方向喷入涡流管。气体在涡流管内经能量分离产生冷热两股不同的气流，热气流经热端阀排出，冷气流经冷端管通过流量计排出。冷热气流比例由热端阀进行调节。气流温度用热电偶测量，气流压力用压力变送器测量。

　　实验所采用的锥形涡流管基本结构见图 3 所示，具体的结构参数: 直径 D = 10 mm，冷端管直径 dc=4. 5 mm，热端管长 L = 100 mm，热端管锥角 β = 4°，喷嘴截面为矩形 W × h =2 mm ×2 mm，喷嘴流道的均布个数 N =2。

　　3 涡流管特性参数

　　依据涡流管的工作特点，涡流管的特性参数表征如下:

　　制冷效应( 冷端温差) :

　　制热效应( 热端温差) :

　　式中: Ti为进气温度，Tc为冷端温度，Th为热端温度。

　　冷气流率:

　　式中: m·c为冷端质量流量，m·i为进口质量流量。