涡流管内温度分布试验研究

　　0 前言

　　涡流管是一种能够同时产生冷热气流的新型能量分离设备，因其具有无运动部件、结构简单、操作方便、运行可靠、免维护等一系列优点，又具有制冷、制热、分离、抽真空等多方面功能，在科学研究及工业领域得到愈来愈广泛的应用^[1]。尽管涡流管结构极为简单，但是发生在管内的能量分离现象极其复杂，至今没有一种精确的理论能够从本质上解释其效应^[2]。

　　涡流管内气体能量分离过程的突出表现是温度沿轴向、径向的分布，因此获得管内的温度场分布是揭示其能量分离效应物理机制的关键问题和首要问题。自涡流管问世以来，试验测量一直是涡流管内温度场研究的主要手段，在试验测量中，又以接触式测量用的较为广泛，尽管非接触式测量有着无可比拟的优越性，但是从现有所发表的文献来看，一直未见到相关报道。HARTNETT 等^[3]、LAY[4]、BRUUN^[5]、GAO等^[6]采用接触式热电偶探针对涡流管内的温度进行了试验测量，但是前人的这些研究也仅仅是局限在管内某一冷气流率下一个或几个轴向位置的温度分布规律，而对不同冷气流率下沿多个轴向、径向位置处的温度分布规律研究的很少。

　　为此，本文针对涡流管三维强旋流流场的独特特点，采用由热电偶、数据采集仪和微机共同组成的自动温度测量系统对管内温度场进行了测量，得到了不同冷气流率下的温度场分布特性，为进一步深入研究涡流管的能量分离机理创造条件。

　　1 试验装置

　　涡流管能量分离试验装置流程如图1所示。压缩机1排出的空气途经过滤器2除去空气中的水滴、渣质和油滴等成分，然后经过热交换器3调节到适当的温度后，进入涡流管11进行能量分离，分别分离出冷热两股气流排入大气中。进口压力和流量的大小由调节阀8改变，为了维持涡流管入口气流的稳定，在进口管道上安有放空阀5，在涡流管入口及冷端出口处分别布置合适的测点以便测量其流量、压力与温度，而热端出口处设有调节阀用以改变不同的冷气流率，热端气流的温度由热电偶12测得。

　　图2为涡流管结构示意图。工作时高压气体经一个或多个喷嘴切向进入涡流室(与喷嘴相连接的柱体区域)，然后在涡流管内作高速旋转运动发生能量分离效应，产生了总温不等的两部分气流，处于中心部位的气流温度低，而处于外缘部位的气流温度高，分别由冷端管和调节阀引出，形成冷热两股气流。通过热端调节阀调节冷、热气流的比例，可以得到最佳制冷效应或最佳制冷量，涡流管尺寸参数见下表。