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        四流道噴嘴渦流管性能研究

        2023-10-28 02:37:32王遠(yuǎn)鵬遲武功
        家電科技 2023年4期
        關(guān)鍵詞:熱端冷端熱效應(yīng)

        王遠(yuǎn)鵬 遲武功

        青島海信日立空調(diào)系統(tǒng)有限公司 山東青島 266051

        0 引言

        渦流管結(jié)構(gòu)簡單、無運(yùn)動(dòng)零部件,通過分離過程可將高壓氣體分離成兩股溫度不同的冷熱氣體,由冷端管、熱端管、噴嘴、渦流室、分離孔版、錐形調(diào)節(jié)閥組成。經(jīng)過壓縮的氣體進(jìn)入噴嘴內(nèi)膨脹后高速(可高達(dá)106 r/min)[1]進(jìn)入渦流室,形成高速的自由渦流,由于冷端孔板的阻隔,邊緣部分的外層氣流以高速螺旋狀向熱端流動(dòng),形成熱氣流,中心部分的氣流由于熱端調(diào)節(jié)閥的阻力反向流向冷端然后經(jīng)孔板流出,形成冷氣流,實(shí)現(xiàn)冷熱分流。

        自G.J.Ranque[2]在1934年發(fā)明渦流管至今,世界各國研究學(xué)者對渦流管的研究就從未停止過,現(xiàn)已成功應(yīng)用在混合物分離、航空領(lǐng)域、天然氣、制冷等諸多特殊領(lǐng)域[3-5]。原如冰[6]、姜曙[7]分別對四流道、三流道噴嘴進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,得到了渦流管內(nèi)溫度分布曲線,證實(shí)了隨著冷端流率的增加,制冷效應(yīng)減小,制熱效應(yīng)增加的結(jié)論。何麗娟[8-9]搭建試驗(yàn)臺(tái)測試了渦流管溫度分離效應(yīng)與熱管長度和噴嘴流道數(shù)的關(guān)系,得出了6流道噴嘴性能優(yōu)于4流道噴嘴的結(jié)論,并且測試了搭配熱管長度分別為100 mm、125 mm、150 mm、175 mm和200 mm的渦流管性能,對熱管長度的影響進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,得出了渦流管制冷效應(yīng)隨熱管長度增加先增后減、制熱效應(yīng)逐漸增加的結(jié)論,并且渦流管在冷端流率0.3附近獲得最佳制冷效應(yīng),在冷端流率0.9附近獲得最佳制熱效應(yīng)。申江[10]測試了搭載不同冷端孔徑的渦流管性能,得出了在給定條件下最佳冷端孔徑為5 mm,最佳冷端孔徑與熱端直徑比為0.5的結(jié)論。何麗娟[11]、湯振豪[12]測量了不同噴嘴結(jié)構(gòu)下渦流管的性能數(shù)據(jù),分別比較了減縮型、直線型和阿基米德螺旋線型三種噴嘴形式的渦流管的性能數(shù)據(jù)和壓力場數(shù)據(jù),得出了減縮型噴嘴能量分離效應(yīng)最優(yōu)的結(jié)論。王宗勇[13]研究了入口溫度與冷端流率對渦流管性能的影響,得出了當(dāng)冷端流率一定時(shí),制冷效應(yīng)、制熱效應(yīng)隨入口溫度升高增加;當(dāng)入口溫度一定時(shí)渦流管性能隨著冷端流率先增加后減小的結(jié)論。龔迪瀾[14]研究了進(jìn)氣溫度(30~100℃)、節(jié)流閥開度(1~11)和不同進(jìn)出口膨脹比下渦流管的性能數(shù)據(jù),研究發(fā)現(xiàn)隨進(jìn)口膨脹比的增強(qiáng),渦流管制冷、制熱效應(yīng)增強(qiáng)的結(jié)論。近年來,許多研究者已經(jīng)將渦流管的工作介質(zhì)由普通壓縮氣體介質(zhì)拓展至制冷工質(zhì),以獲取更大的制冷制熱效應(yīng),以黎念[15]為代表,研究了渦流管在制冷工質(zhì)R134a、R744、R32以及R277ea時(shí)不同進(jìn)口壓力、進(jìn)口溫度以及冷端流率下渦流管的性能特性。王淑旭[16]研究了新型渦流管與噴射吸收制冷系統(tǒng),首次耦合了渦流管與噴射器兩種設(shè)備,將噴射器應(yīng)用到了渦流管制冷系統(tǒng)中,可實(shí)現(xiàn)能量的二次回收利用提高系統(tǒng)制冷效率,并分析了入口壓力、熱源溫度、冷卻水進(jìn)口溫度、載冷劑溫度等相關(guān)參數(shù)對制冷系統(tǒng)性能的影響。這些研究為渦流管的推廣應(yīng)用提出了新方向。

        根據(jù)渦流管冷端、熱管氣流的流出方式可分為逆流型渦流管和順流型渦流管,由于逆流型渦流管相較順流型渦流管有著更高的溫度分離效應(yīng),因此目前產(chǎn)品化的渦流管多為逆流形式,本論文也僅研究逆流型渦流管。

        渦流管雖然結(jié)構(gòu)簡單,但渦流管內(nèi)擁有及其復(fù)雜的流動(dòng)和傳熱過程,現(xiàn)有理論知識(shí)還不足以指導(dǎo)渦流管設(shè)計(jì),因此各研究學(xué)者工程師們主要采用實(shí)驗(yàn)測試手段來研究其性能,以獲得特殊條件下的最優(yōu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。本研究自制四流道噴嘴渦流管為測試對象,測量不同入口條件下的制冷、制熱性能,以分析四流道噴嘴渦流管的性能特性,以指導(dǎo)渦流管的設(shè)計(jì)。

        1 實(shí)驗(yàn)臺(tái)簡介

        本次實(shí)驗(yàn)主要研究不同入口參數(shù)對四流道渦流管能量分離特性的影響,由于高速氣流在渦流管內(nèi)部流動(dòng)速度非???,不考慮渦流管內(nèi)部流動(dòng)導(dǎo)致本體發(fā)熱而引起的熱量損失,實(shí)驗(yàn)中測量渦流管進(jìn)口氣體、冷端出口氣體、熱端出口氣體三處參數(shù)。

        基于上述實(shí)驗(yàn)構(gòu)想,設(shè)計(jì)并搭建了渦流管性能實(shí)驗(yàn)臺(tái),如圖1。

        圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)流程圖

        實(shí)驗(yàn)測試系統(tǒng)由往復(fù)式空氣壓縮機(jī)、緩沖穩(wěn)壓氣瓶、換熱器、被測渦流管、手動(dòng)調(diào)節(jié)閥、流量計(jì)、壓力檢測表、溫度傳感器等部件構(gòu)成。測試實(shí)驗(yàn)儀器型號(hào)和精度見表1。

        表1 實(shí)驗(yàn)測量儀表

        測試過程如下:空氣壓縮機(jī)排出高壓高溫空氣流經(jīng)穩(wěn)壓緩沖罐以消除壓縮機(jī)排氣端的壓力脈動(dòng),然后進(jìn)入換熱器組件以對高溫壓縮空氣降溫,提供所需溫度的高壓氣體,然后通過手動(dòng)調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)進(jìn)入渦流管流量和壓力,在渦流管內(nèi)部冷熱分流后形成兩路,一路從渦流管冷端出口流出,另一路從渦流管熱端出口流出,通過調(diào)節(jié)熱端錐形調(diào)節(jié)閥用以調(diào)整冷端流率,從而完成測試不同冷端流率下的制冷、制熱效應(yīng)的過程。

        分別檢測渦流管入口、冷端出口、熱端出口三處氣流溫度,在渦流管入口處布置一個(gè)壓力檢測表檢測入口壓力,在渦流管入口及冷端出口各分別布置渦街流量計(jì)用以測量空氣流量。圖2為四流道噴嘴的結(jié)構(gòu)示意圖。

        圖2 四流道噴嘴結(jié)構(gòu)圖

        本實(shí)驗(yàn)導(dǎo)流渦殼為自行設(shè)計(jì),進(jìn)口壓縮空氣壓力范圍0.35~0.5 MPa,熱管長度400 mm。

        2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析與討論

        實(shí)驗(yàn)中通過調(diào)節(jié)手動(dòng)調(diào)節(jié)閥以調(diào)整壓縮空氣進(jìn)入渦流管的壓力,調(diào)節(jié)熱端錐形調(diào)節(jié)閥開度達(dá)到調(diào)節(jié)冷端出口流量。本實(shí)驗(yàn)定義參數(shù)及測量參數(shù)如下:

        (1)渦流管制冷效應(yīng)ΔTc,入口溫度與冷端出口溫度之差:

        (2)渦流管制熱效應(yīng)ΔTh,熱管出口溫度與渦流管入口溫度之差:

        (3)渦流管冷端流率μc,渦流管冷端出口氣流質(zhì)量流量與入口氣流質(zhì)量流量之比:

        式中:Ti-渦流管入口氣流溫度,℃;

        Th-渦流管熱端出口溫度,℃;

        Tc-渦流管冷端出口溫度,℃;

        Gi-渦流管入口流量,kg/s;

        Gc-渦流管冷端出口流量,kg/s;

        Pi-渦流管入口壓力,MPa。

        2.1 入口壓力對制冷效應(yīng)的影響

        制冷效應(yīng)隨入口壓力及冷端流率的變化曲線如圖3所示。

        圖3 制冷效應(yīng)變化曲線

        冷端流率相同條件下,隨著進(jìn)口氣體壓力的升高制冷效應(yīng)也越明顯。從圖3可看出,在壓力0.35 MPa時(shí)冷端流率0.38下獲得最大制冷效應(yīng)23.1 K,在壓力0.44 MPa時(shí)冷端流率0.36下可獲得最大制冷效應(yīng)26.3 K,最大制冷效應(yīng)在0.5 MPa時(shí)增大為29.1 K,但獲得最大制冷效應(yīng)的冷端流率降低為0.32。不同入口壓力條件下的制冷效應(yīng)差別隨著冷端流率μc的不斷增加反而越來越小,從圖3看出,冷端流率為0.37時(shí)壓力0.44 MPa和0.50 MPa的制冷效應(yīng)相差3.0 K,而這個(gè)差值在冷端流率為0.71時(shí)縮小為1.8 K,說明隨著渦流管入口壓力的升高,最大制冷效應(yīng)時(shí)的冷端流率值有減小的趨勢,四流道噴嘴渦流管在進(jìn)口壓力0.35 MPa、0.44 MPa、0.5 MPa時(shí)取得最大制冷效應(yīng)時(shí)的冷端流率μc分別為:0.38、0.36、0.32。

        2.2 入口壓力對制熱效應(yīng)的影響

        制熱效應(yīng)隨入口壓力以及冷端流率的變化曲線如圖4所示。

        圖4 制熱效應(yīng)變化曲線

        冷端流率相同條件下,隨著進(jìn)口氣體壓力的升高制熱效應(yīng)也越明顯。在壓力0.35 MPa時(shí)冷端流率0.82下獲得最大制熱效應(yīng)41.3 K,在壓力0.44 MPa時(shí)冷端流率0.80下可獲得最大制熱效應(yīng)49.2 K,最大制熱效應(yīng)在0.5 MPa時(shí)增大為50.8 K,但獲得最大制熱效應(yīng)的冷端流率降低為0.77。

        四流道噴嘴在一定的入口壓力下,冷端流率逐漸增加至0.8附近時(shí),制熱效應(yīng)逐漸增加。入口壓力從0.35 MPa增至0.5 MPa時(shí),渦流管最大制熱效應(yīng)時(shí)的冷端流率μc值隨之從0.82降至0.77。在相同冷端流率μc值時(shí),制熱效應(yīng)差距隨著進(jìn)口壓力的增大而變小,如在冷端流率μc=0.8時(shí),0.35 MPa與0.44 MPa下的制熱效應(yīng)相差達(dá)8 K,而這一差距在進(jìn)口壓力為0.44 MPa與0.5 MPa時(shí)縮小為1.6 K。

        3 結(jié)論

        本文對四流道噴嘴逆流型渦流管在熱管長度400 mm時(shí)不同進(jìn)氣壓力條件下測試了溫度分離效應(yīng),重點(diǎn)研究了進(jìn)氣壓力對性能的影響,結(jié)果表明四流道噴嘴渦流管的性能特點(diǎn)如下:

        (1)入口壓力越高,四流道噴嘴渦流管的制冷、制熱效應(yīng)越大,且超過最大制冷效應(yīng)的冷端流率后,若繼續(xù)增加冷端流率,制冷、制熱效應(yīng)的差異會(huì)縮小。

        (2)四流道噴嘴渦流管,在獲得最大制冷效應(yīng)和制熱效應(yīng)時(shí)的冷端流率隨入口氣流壓力的升高有減小的趨勢。

        (3)四流道噴嘴渦流管分別集中在冷端流率0.35、0.8附近獲得最大制冷效應(yīng)、制熱效應(yīng)。

        (4)四流道噴嘴渦流管隨著進(jìn)口壓力的增大,相同冷端流率時(shí)的制熱效應(yīng)差距有縮小的趨勢。

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