新型径轴向混合填充式回热器的流动阻力实验

    1 引 言

    目前回热式气体制冷机用回热器按填料填充方式大致可分为三类: 第一类是径向填充，包括丝网型回热器、渐开线式薄片回热器、螺旋型盘式回热器［1-3］; 径向填充回热器优点是填充方式简单易控，回热器内的流动比较均匀，轴向导热损失小; 缺点是流动阻力损失大，一般空隙率较大，空容积损失大。第二类是轴向填充，包括平行丝型回热器、薄片式回热器、蚀刻金属薄片回热器［4-6］; 轴向填充回热器优点是流动阻力损失小，空隙率可设计的较小，空容积损失小，缺点是轴向导热损失一般较大，回热器内的流动不均匀，在大温差冲击下易变形。第 三类是随机丝型回热器［7］以及堆叠球体式回热器［8］。第三类回热器的填料无规则结构，一般流动阻力和轴向导热损失较大，在一般情况下使用较少。

    考虑到径向填充和轴向填充的优缺点是互补的，因此可以把二者结合起来，设计一种新型径轴向混合填充式回热器结构，其中径向填料由紧密层叠的不锈钢或磷青铜丝网填充而成，轴向填料由一束紧密排列的小丝径不锈钢丝束或丝网卷裹填充而成。回热器结构模型如图 1 所示。

    为了进行实验对比，分别制作了层叠丝网式、平行丝式、丝网卷裹式及新型径轴向混合填充式 4 种结构回热器。测试 4 种回热器两端压降和通回热器的流量，通过实验结果分析对比得出新型径轴向混合填充式回热器的流动特性，便于优化新型径轴向混合填充式回热器性能。

    2 稳态流动特性实验测试装置

    稳态流动特性测试系统主要由自主设计的回热器套、压差变送器、压力传感器、玻璃转子流量计等装置构成，结构如图 2 所示。

    在稳态流动特性测试系统中，工质气体经过气罐减压阀减压后流经装配在回热器套内的回热器填料，最后工质气体流经玻璃转子流量计。压差变送器测量回热器两端压降，压力传感器测试回热器进口的压力大小，通过读取流量计读数得知工质气体流量值大小。

    测试了 4 种回热器结构，特征参数: 回热器直径D、填充长度 L、空隙率 ε、比表面积 a、水力直径 rh，如表 1 所示。

    3 稳流测试结果分析

    分别采用 N₂、He 为气体工质，以不同的体积流量流经四种回热器结构的压降进行了测试。工质气流压力维持在 300 kPa 左右，工质温度为( 20 ±1) ℃ 。

    3． 1 不同结构形式填料内的压降与工质气体体积流量关系