代 乾,涂淑平,陳 鈞

(1.天津城市建設(shè)學(xué)院能源與安全工程學(xué)院,天津300384;2.上海海事大學(xué)商船學(xué)院,上海200135)

1 前 言

渦流管,又稱Ranque-Hilsch管,是一種能量分離裝置,工作時可將壓縮氣體分離為高溫和低溫兩股氣流,具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、可靠性高、制造容易、成本低、操作維護方便、壽命長、適應(yīng)性強、可進行連續(xù)操作和間歇操作、不用氟利昂制冷劑等優(yōu)點。目前利用渦流管的能量分離效應(yīng)已經(jīng)在很多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用,制成各種型式或具有各種不同功能的渦旋裝置以解決各種工程實際應(yīng)用問題[1-6]。工業(yè)機柜在各行業(yè)得到廣泛應(yīng)用,其冷卻方式普遍采用風(fēng)機直接冷卻或自然對流冷卻方式,近年出現(xiàn)了采用壓縮式機柜空調(diào)機進行冷卻。但在高濕度和油霧等環(huán)境下,這些冷卻方式會對電子元件的工作壽命、可靠性等產(chǎn)生不利影響,甚至影響到正常工作。相比較這些裝置,渦流管制冷器具有很好的發(fā)展前途,對于有廉價壓縮空氣或天然氣源可以利用,或者使用空間較小而又不經(jīng)常出現(xiàn)需求的場合,渦流管制冷具有明顯優(yōu)勢。工業(yè)機柜渦流管制冷器的關(guān)鍵是其結(jié)構(gòu)和性能的優(yōu)化,因此開展工業(yè)機柜渦流管制冷器的性能試驗研究具有十分重要的理論意義及工程實用價值。

2 工業(yè)機柜渦流管制冷實驗裝置

本實驗臺 (圖1)包括:渦流管管路系統(tǒng)、電路系統(tǒng)和測試系統(tǒng)。圖2是本實驗臺使用的工業(yè)機柜渦流管實物照片。

圖1 工業(yè)機柜渦流管制冷裝置性能實驗臺

圖2 渦流管

本實驗裝置用來測試渦流管的制冷性能以及在工業(yè)機柜上的應(yīng)用效果,衡量渦流管的制冷性能的指標可以表示如下:

渦流管制冷效應(yīng):

渦流管制熱效應(yīng):

渦流管冷熱分離效應(yīng):

其中Ti,Th,Tc分別表示入口總溫,熱氣流總溫,冷氣流總溫。

整個的實驗過程中工業(yè)機柜無熱負荷,對渦流管性能進行測試實驗。本文提到的渦流管熱閥開度是指渦流管熱端調(diào)節(jié)閥的開度,熱閥開度最大時熱端調(diào)節(jié)閥的螺母旋開開度最大,熱氣流的流量最大;熱閥開度最小指的是調(diào)節(jié)閥開度最小,保持很小的熱氣流流量時調(diào)節(jié)閥的開度。

3 結(jié)果及分析

3.1 渦流管性能測試實驗

由空氣壓縮機排出的高壓空氣經(jīng)過溫度不變的水槽,然后進入渦流管進氣端,研究渦流管的入口溫度對渦流管性能的影響規(guī)律。實驗數(shù)據(jù)為渦流管熱閥開度最大,環(huán)境溫度為8.9℃時所測,如圖3、圖4和圖5所示。

(1)圖3所示為高壓空氣的入口溫度對渦流管制冷效應(yīng)的影響。

圖3 入口溫度對渦流管制冷效應(yīng)的影響

在入口壓力不變的情況下,隨著高壓空氣入口溫度的增加,渦流管的制冷效應(yīng)降低,且壓力越高,制冷效應(yīng)下降的程度更大。如圖3所示,當(dāng)入口溫度 Ti由14.7℃上升到21.6℃,入口壓力為0.2MPa時,渦流管的制冷效應(yīng) △Tc從15.9℃降低到11.6℃,降低了4.3℃;入口壓力為0.1MPa時,渦流管的制冷效應(yīng) △Tc從11.5℃降低到8.8℃,降低了2.7℃。說明渦流管的制冷效應(yīng)在高壓空氣入口溫度升幅相同的情況下,入口壓力較大時受到的影響更大。

(2)圖4表明的是高壓空氣的入口溫度對渦流管制熱效應(yīng)的影響。在入口壓力不變的情況下,增加高壓空氣的入口溫度時,渦流管的制熱效應(yīng)變好,在不同壓力條件下,制熱效應(yīng)升高的程度基本相同。

圖4 入口溫度對渦流管制熱效應(yīng)的影響

(3)圖5所示的是高壓空氣的入口溫度對渦流管分離效應(yīng)的影響。圖中表明在入口壓力不變下,渦流管的分離效應(yīng)與入口溫度關(guān)系不大。

圖5 入口溫度對渦流管分離效應(yīng)的影響

3.2 高壓空氣入口壓力對渦流管性能的影響

進入渦流管的高壓空氣壓力范圍為0～0.2MPa,此時空氣壓縮機的排氣壓力范圍為0～0.4MPa,不同壓力下的實驗數(shù)據(jù)可通過調(diào)節(jié)空壓機出口的流量調(diào)節(jié)閥就可以得到。實驗是在環(huán)境溫度為8.5℃的條件下進行的,渦流管熱端的開度為從最大到最小一圈。

(1)高壓空氣的入口壓力對渦流管制冷效應(yīng)的影響見圖6。在入口溫度分別為13℃、15.8℃和20.1℃的情況下,當(dāng)高壓空氣的入口壓力從0.06MPa升高到0.20MPa時,渦流管的制冷效應(yīng)分別從6.5℃上升到16.5℃、從6.2℃上升到16℃和從6.4℃上升到18℃,渦流管的制冷效應(yīng)升高的幅度相當(dāng)明顯。

圖6 入口壓力對渦流管制冷效應(yīng)的影響

(2)高壓空氣的入口壓力對渦流管制熱效應(yīng)的影響見圖7。在入口溫度分別為13℃、15.8℃和20.1℃的情況下,當(dāng)高壓空氣的入口壓力從0.06MPa升高到0.20MPa時,渦流管的制熱效應(yīng)都急速升高,如圖中所示在當(dāng)入口溫度為13℃、15.8℃和20.1℃時,渦流管的制熱效應(yīng)分別升高了11.5℃、18℃和14.2℃。

圖7 入口壓力對渦流管制熱效應(yīng)的影響

(3)圖8所示的是高壓空氣的入口壓力對渦流管分離效應(yīng)的影響。

圖中表明在相同的入口溫度下,渦流管的分離效應(yīng)隨著入口壓力的增加而增加,從 (1)和 (2)可見,當(dāng)入口壓力增加時,渦流管的制冷效應(yīng)和制熱效應(yīng)都明顯增加,因此渦流管的分離效應(yīng)也隨之增加。

圖8 入口壓力對渦流管分離效應(yīng)的影響

3.3 渦流管熱閥開度對渦流管性能的影響

在實驗中,我們作如下約定:熱閥從開度最大到最小可以擰3圈,用K表示熱閥從最大到最小的開度。

在實驗條件:P0=0.2MPa時,我們測試了K=3,2,1,0.1四種情況下,渦流管的不同特性。

(1)圖9是熱閥開度對渦流管制冷效應(yīng)的影響示意圖,圖中顯示,隨著熱閥開度的增加,渦流管的制冷效應(yīng)總體趨勢變小,而在K=1時有最好的制冷效應(yīng)。

圖9 熱閥開度對渦流管制冷效應(yīng)的影響

(2)圖10是熱閥開度對渦流管制熱效應(yīng)的影響示意圖,從圖中可以看出,隨著熱閥開度的增加,渦流管的制熱效應(yīng)總的趨勢是增加的,在K=2附近制熱效應(yīng)達到最大,隨后K=3的時候制熱效應(yīng)又有所下降。

圖10 熱閥開度對渦流管制熱效應(yīng)的影響

(3)圖11是熱閥開度對渦流管分離效應(yīng)的影響示意圖,從曲線可以看出:當(dāng)熱閥開度K=1或2時,渦流管都有較好的分離效應(yīng)。造成這樣的原因是,K=1時渦流管的冷氣流溫度較低,熱氣流溫度相對K=2也較低;同時K=2時渦流管的冷氣流溫度較高,熱氣流溫度相對K=1時也較高,以至于渦流管的分離效應(yīng)相近。

圖11 熱閥開度對渦流管分離效應(yīng)的影響

4 結(jié)論

渦流管為工業(yè)機柜渦流管制冷裝置性能實驗臺的主要研究對象,通過實驗可以得出以下結(jié)論:

(1)渦流管的入口溫度越低,渦流管表現(xiàn)出更好的制冷性能。渦流管的制冷效應(yīng)變好,制冷性能變好的趨勢到一定程度逐漸減緩;同時渦流管的入口溫度越低,渦流管制熱性能越差。渦流管的制熱效應(yīng)也變差;渦流管的入口溫度對渦流管的分離效應(yīng)影響不大。

(2)渦流管的入口壓力越高,渦流管表現(xiàn)出更好的制熱性能和制熱效應(yīng)。隨著渦流管入口壓力的提高,渦流管的分離效應(yīng)也增強。

(3)熱閥開度K=1時,渦流管有最好的制冷性能和制冷效應(yīng);熱閥開度K=2時,渦流管有最好的制熱性能和制熱效應(yīng);熱閥開度K=1和K=2時都有較高的分離效應(yīng)。

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