新型涡流管的制冷特性研究

以新型涡流管为研究主体,通过实验,研究涡流管操作参数对涡流管性能的影响。根据实验数据,分析改变温度压力等操作参数对涡流管能量分离效应的影响。试验结果表明:当提高涡流管进气温度,其冷热两端出气温度升高,但并不影响涡流管的制冷效率;增加涡流管进气压力会提高涡流管制冷效应,并在冷流率为0.2时效果最明显;制冷效率随节流阀开度增加而增加且最终趋于稳定,而制热效率则随节流阀开度增加而减小并最终趋于稳定。     

六流道喷嘴涡流管流动与传热数值模拟

为了研究涡流管内部的能量分离机理,建立了六流道喷嘴涡流管的三维数值计算模型,采用Realizable k-ε模型对涡流管的速度和温度分布进行数值模拟,并将涡流管无量纲总温的径向分布与其他研究者的结果进行对比,验证了模拟结果的准确性。结果表明:保持入口压力不变,涡流管的制冷效应随着冷流率的增大呈现先增大后减小的趋势,存在着一个最佳制冷效应;涡流管内存在着内旋流、外旋流和循环流,循环流的存在使内旋流的能量传递到外旋流中,使得涡流管内存在能量分离现象;能量分离主要发生在涡流室区域附近。     

喷嘴结构对涡流管性能影响的研究

以喷嘴形状为研究对象,分别对4流道螺旋喷嘴涡流管和直流喷嘴涡流管的流场及能量分离效应进行数值模拟分析,并将其结果进行对比。研究结果表明:配有螺旋喷嘴的涡流管能获得更大的切向速度与轴向速度;在一定范围内,涡流管冷端温差随着冷流率的增大而减小,热端温差随着冷流率的增大而增大;当冷流率为0.4时,涡流管单位制冷量与制热量都达到最大值。相比于直流喷嘴,配有螺旋喷嘴的涡流管能获得更好的能量分离效果。     

涡流管能量分离过程实验研究

利用涡流管部分轴线温度测量实验装置,考虑到进气压力和涡流室结构对涡流管能量分离过程的影响,针对不同进气压力和不同涡流室结构的涡流管部分轴线温度分布进行了实验研究。根据实测结果,得到了进气压力及涡流室几何结构对涡流管部分轴线温度分布的影响曲线。在此基础上,根据实验结果并结合热力学原理对涡流管制冷的物理行为作了分析。结果表明:涡流导致涡流室中心区域气流膨胀是涡流管产生制冷效应的一个重要原因。     

基于正交试验方法的涡流管优化设计

为了寻求涡流管最大能量分离效果的最优化几何尺寸参数,该文探讨了喷嘴数目、分离孔板直径、涡流管长度、热端调节阀角度对涡流管最大制冷效应的影响,并采用极差分析法分析了试验结果。得出:喷嘴数目对涡流管能量分离影响程度最大,而调节阀锥度的影响程度最小,涡流管长度和分离孔板直径对其影响程度处在两者之间。该文利用正交试验法设计涡流管实验,为涡流管的研究提供了一个新的思路。     

冷端孔径及进口压力对涡流管性能影响的实验研究

设计了涡流管实验样机,在不同进口压力和冷流比工况下,实验测量了三种冷端孔径的涡流管性能,并分析了冷端孔径、喷嘴环端面间隙及进口压力对涡流管性能的影响。实验结果表明,冷端孔径为5mm的涡流管降温及制冷性能最佳,最佳冷端孔径与涡流管径之比为0.5。在进口压力为0.4MPa工况下,其冷端最大温降分别比冷端孔径为4mm和6mm的涡流管大6.1℃和2.9℃,最大制冷量分别大30.2%和5.4%;在所有进口压力工况下,对应于最大冷端温降的最佳冷流比约为0.5,而对应于最大制冷量的最佳冷流比约为0.65。在进口压力为0.3~0.5MPa范围内,涡流管冷端温降和制冷量均随着进口压力的升高而增大,且进口压力越高,冷端温降的增长速度越慢;制冷性能系数COP随着进口压力的升高而降低,而等熵温度效率则几乎不随进口压力改变而变化,仅是冷流比的函数。同时,实验发现,喷嘴环端面间隙对涡流管能量分离效应影响很大,设计制造过程中必须消除其影响。     

涡流管设计及应用进展综述

涡流管作为一种简易的制冷装置被广泛应用,但压缩气体在其内部产生能量分离效果的作用机理十分复杂,故至今仍没有通用的能量分离机理可以为涡流管的设计与应用提供理论指导。为了给涡流管的设计与应用工作提供参考,对本体结构及工质参数对涡流管能量分离性能影响的研究进展做了较为详尽的论述,并对涡流管在制冷领域和天然气工业领域的应用现状进行了概述。另外,还对涡流管下一步的设计及研究工作进行了展望,并就一些优化问题提出了合理的解决方案。     

涡流管性能的热力学分析

涡流管是一种新型的能量分离装置,热力学参数和几何参数对其的性能影响很大。该文依据热力学第一、第二定律,建立了涡流管能量分离过程热力学模型,将不可逆过程可用能损失归结为热量火用收益和压力损失两部分,获得了一种基于热力学火用分析的涡流管性能优化新途径。结合不同进气压力、喷嘴数和冷端出口直径的涡流管能量分离性能实验,得到上述诸因素对涡流管能量分离过程中火用变化的影响,通过对能量分离过程中热量火用收益和压力损失的比较,实现了涡流管能量分离性能的优化设计。     

涡流管能量分离过程的热力学模型

根据工程热力学理论对涡流管工作过程进行了热力学分析,在h—s图上定性地表示出热力过程,获得了过程中相关参数的计算公式。通过对管内能量分离过程热力学分析,借助J．Mischner的热力学熵增理论,获得了涡流管内能量分离效应与冷气流率的函数关系式,建立了完整的涡流管能量分离过程的热力学模型。     

涡流管内三维强旋转流场数值模拟与分析

涡流管内可压缩气体的强旋转流动是涡流管能量分离的根本原因和驱动力,因而涡流管内流场研究是揭示涡流管能量分离物理机制的首要关键问题。由于涡流管内可压缩气体的三维强旋转湍流流动,实验测量中存在诸多问题,而CFD数值模拟技术对此具有很大的优势。文中以涡流管内部流场为研究对象,建立了涡流管计算域模型并进行网格划分,讨论了边界条件、湍流模型以及线性方程组求解策略等问题,对不同冷气流率下的涡流管内三维强旋流流场结构特性进行数值模拟,获得了不同冷气流率下的旋转运动、轴向运动、径向运动和循环流的分布特性。研究表明Realizableκ-ε湍流模型能够充分反映强旋流动特点,数值模拟结果与文献中实验值基本吻合。     

Experimental investigation of the effect of nozzle numbers on Ranque–Hilsch vortex tube performance

The present study investigates the effects of the orifice nozzle number and the inlet pressure experimentally on the cooling performance of the counter flow-type vortex tube. The energy generation has been conducted using a stream-tek generator (model GNMD-KIT) with different numbers of nozzles (2, 3, and 6), an aspect ratio of 1:6, and an inner diameter of 7.5 mm. In the experiments, for each of the orifices, inlet pressures have been adjusted from 200–600 kPa. The energy separation investigated here focuses on the cold temperature difference and coefficient of performance for cooling. The experimental results concluded in this article prove that the greatest effect of nozzle number is for three nozzles, and hence, that nozzle number could affect the energy separation efficiently. A comparison of the present experiments with other published works has been conducted. An analytical study of the characteristics equation has been carried out to evaluate the best correlation of the ratio of cold temperature difference to the inlet temperature as a function of pressure, cold mass fraction, and nozzle number.     

Statistical Assessment of Counter-Flow Vortex Tube Performance for Different Nozzle Numbers,Cold Mass Fractions,and Inlet Pressures Via Taguchi Method

Abstract

In this article, the effect and optimization of process parameters in a counter-flow vortex tube on temperature difference were investigated through the Taguchi method. The experiments were planned as per Taguchi's L27 orthogonal array with each experiment performed under different conditions of inlet pressure, nozzle number, and cold mass fraction. By means of analysis of variance and regression analysis, the effects of factors and their interactions on temperature difference were determined and modeled with a correlation coefficient of 93.5%. Accordingly, it was observed that temperature difference goes up with the increase in inlet pressure, and the cold mass fraction and decreases with the increase in nozzle number. In addition, the optimum settings of process parameters maximizing the temperature difference are an inlet pressure of 650 kPa, a nozzle number of 2, and a cold mass fraction of 0.7. Finally, confirmation tests verified that the Taguchi method was successful in the assessment of vortex tube parameters for temperature difference.     

小流量涡流管特性的实验研究

本文用实验方法研究了小流量涡流管制冷的特性。实验中分别对入口压力和工质等因素对涡流管特性的影响进 行研究。在实验中发现了涡流管冷端制热和热端制冷的反常现象,并对其进行了解释。     

基于涡流管能量分离效应的温度分布实验研究

在入口温度、压力不变的条件下,改变冷流比,分别对不同冷流比工况下的涡流管内温度分布进行了实验测试,同时对不同冷流比工况下的实验结果进行比较,研究表明:在同一轴向端面处,温度由轴心向壁面呈现不断增大的趋势,在壁面附近处达到最大值;在同一径向位置处,温度随着轴向位置的增大不断增大,在涡流室的轴心处,温度达到最低,而在热端出口的壁面处,温度达到最大。在冷流比为0.1563时,温度沿径向呈增大趋势,而在冷流比为0.7158时,温度沿径向呈现先降低后增大的趋势;在实验研究范围内,同一测点处,温度随冷流比的增大而增大。     

轴流式涡流管内三维流场的大涡模拟

根据涡流管内可压缩气体的强旋转运动是导致涡流管能量分离的根本原因,提出了在涡流管内加入一个"X"型导流片迫使气流产生强旋转运动,使其进气方式变为轴流式。利用计算流体动力学(CFD)的方法,建立了轴流式和切流式涡流管内部气体流动的三维大涡数值模型,对其内部气流流场进行了数值模拟。数值模拟结果表明:"X"型导流片可以改变轴向进入气体的运动方向,使气体产生高速旋转运动,得出"X"型导流片的叶片夹角为θ=120°时,气体的旋转效果最好;大涡模拟可以较好地模拟涡流管内气流的三维流场。     

超临界压力煤油传热不稳定实验研究

在压力2.5~4 MPa, 质量流量0.7~1.7g/s, 入口温度20~250 ℃的实验条件下, 对煤油在内径1 mm, 长度300 mm竖直上升圆管中的流动及传热不稳定现象进行了实验研究.结果表明, 当热流密度增大到一定程度后, 传热不稳定开始发生.不稳定发生的起始热流密度随压力和流量的增加而增大, 随入口油温的升高而减小, 且当入口油温升高到一定程度后无不稳定现象发生.不稳定发生的初始时刻, 出口油温迅速增加, 管道壁温明显下降, 传热系数增大; 实验段局部流速增大, 进而在管道内部形成压力脉动并产生声音.不稳定结束后, 出口油温几乎保持不变, 壁温会缓慢增加, 直至下一次不稳定发生.