进口压力对涡流管性能影响的实验研究

    0 引 言

    涡流现象自1931年被法国工程师Ranque发现以来[1],由于涡流管体积小,质量轻,结构简单,无运动部件,运行安全可靠,操作维护灵活简便等优点,因而彻底了解涡流管中的冷热分离机理以便于它的进一步推广应用就成为各国科学家研究的主题。

    涡流管由喷嘴、涡流室、冷孔板、冷热两端管和热阀组成,整个装置不存在运动部件,其所需的动力源只是一个高压气源。工作时高压气体由进气管进入喷嘴,经喷嘴膨胀后,其流速可以接近声速,在使用某些特殊形状的喷嘴(缩放型喷嘴)时甚至可以超过声速[3]。然后沿切线方向进入涡流室,气流在涡流室内形成高速涡旋(其角速度可高达每分钟几百万转[4]),由于热阀与冷端孔板之间的压力差,在涡流管内的中心区域形成回流气体,经过涡流变换后分离成总温不相等的两部分气流。其中,处于中心部位的回流气流由冷端孔板流出,温度降低,形成冷气流,而处于外层部位的气流从热端经热阀流出,温度升高,形成热气流,这一现象被称为涡流管的温度分离效应。

    从涡流管工作的机理可以看出,进口压力是涡流管工作的唯一动力源。因此研究进口压力对涡流管性能的影响就成为涡流管研究的一个重要方面。由于目前对涡流管的能量分离机理没有一个明确的、大家公认的理论作为指导,所以对涡流管的研究大部分都是建立在实验的基础上。如Saidi和Valipour[5]对喷嘴结构和进气压力对涡流管性能的影响进行实验研究,但是其实验压力最大为0.3MPa,张一兵[3]的最大实验压力达到0.6MPa,在杨承[6]的研究中最大压力达到0.66MPa,在姜曙[7]的研究中最大压力达到017MPa。本文将进一步提高涡流管的进口压力,对涡流管进行实验研究,以便得出更具有普遍规律性的结果。

    1 实验台介绍

    实验装置系统如图1,从压气站来的高压空气经孔板流量计1测定入口空气流量后,再经减压阀调整其入口气流的压力,在减压阀和涡流管3的进口之间安装有高精度压力表2和标准铠装热电偶以测定涡流管进口气流的温度和压力。空气经涡流变换后被分成冷、热两股流体,在冷、热端的出口分别装有压力变送器4及标准铠装热电偶以测定出口气流的压力及温度。为了保证测量的准确度,在冷端出口并联两路进行切换,分别装有量程不同的热式气体质量流量计5以便在高冷流率下和低冷流率下都能在仪表量程的1P3~2P3范围内读数。在冷、热端出口装有球阀,通过球阀的开度调整涡流管冷、热端的出口压力,得出不同压比下的实验结果。实验系统的流量计和铠装热电偶都经过校准和标定。所有的热电偶都与数据采集仪相连以便读出各点的温度值。