渦流管制冷分析

熱泵 楊燕 中國礦業大學

  對渦流管制冷本質并進行相關的試驗研究,進行理論分析,以及對四流道噴嘴渦流管的速度和溫度分布進行數值模擬,結果表明:渦流管內實際流場由軸向,徑向和漩渦運動組成,其流動形態在軸向上為阿基米德螺線,在橫截面上為強制渦—自由渦的模型; 管內流體能量的分離主要發生在渦流室區域附近,且氣體從噴嘴出來后有少量直接進入冷端孔與冷氣流混合,從而影響渦流管制冷效率。

1、前言

  渦流管沒有任何可移動的部件,啟動時間短,結構簡單,只需壓縮空氣即可,使其在有特殊要求冷卻或制熱需求的領域,有著極為廣泛的應用前景。其中不是由電帶動,而是壓縮氣體帶動的工作特點尤其適用于礦井。目前我國煤炭礦井熱害日益突出,渦流管制冷系統配合井下的氣動風機能為井下局部降溫多提供一個選擇。徐州風機廠的礦用氣動風機由井下0.6MPa 的壓縮空氣驅動。氣動風機氣馬達所需的工作壓力為0.2MPa,目前0.6 ~ 0.2MPa 的降壓由降壓閥控制,如果將這部分壓力用于制冷能獲得一舉兩得的效果。

  充分地認識渦流管內部流場以及其溫度場,對于揭示渦流管內部的深層物理機制具有十分重要的意義。但是渦流管內部的能量分離現象則極為復雜,至今仍沒有一種精確的理論能夠解釋其能量分離機制。理論分析是必要的,近年來,計算流體力學已廣泛應用于各種流場和溫度場的數值模擬,利用數值模擬方法可以更加系統深入地研究渦流管中的復雜流動和能量分離效應。

2、渦流管制冷工作原理

  渦流管主要由由噴嘴、渦流室、冷端管、熱端管及熱端調節閥組成( 如圖1 所示) 。其制冷過程溫熵圖如圖2 所示。圖中p0、p1、p2分別為環境大氣壓、噴嘴出口壓力、空壓機出口壓力,ΔT1為實際溫降,ΔT2為理論最大溫降。1-2-3-4-1為理想渦流管的制冷循環,其面積為理想渦流管制冷量,環境空氣進入空氣壓縮機等溫壓縮,后經噴嘴的節流過程,進入渦流管絕熱膨脹,最終排出冷熱端管。圖中2-3' 為實際噴嘴節流降溫過程,過程中摩擦等損失使焓值增加,3'-4'為實際渦流室中氣體膨脹降溫過程,其膨脹效率介于絕熱膨脹與絕熱放氣之間,焓減小一部分轉化為氣體的推動功,因而其制冷效率總是比理想節流的等焓過程高。1-2-3'-4'-1 為實際渦流管制冷循環,其面積為實際渦流管制冷量。2-5 為等焓線,1-2-5 過程為單一利用空氣壓縮機出口氣體進行節流制冷循環的制冷量。從圖可以發現理想及實際渦流管總的制冷量總是比單一運用節流效應制冷的制冷效率高。

渦流管工作原理

圖1 渦流管工作原理

渦流管工作過程溫熵

圖2 渦流管工作過程溫熵

結論

  (1) 渦流管總的制冷量總是比單一運用節流效應制冷的制冷效率高;

  (2) 渦流管內實際流場由軸向,徑向和漩渦運動組成,其流動形態在軸向上為阿基米德螺線,在橫截面上為強制渦—自由渦的模型;

  (3) 渦流管內流體能量的分離主要發生在渦流室區域附近,且氣體從噴嘴出來后有少量直接進入冷端孔與冷氣流混合,從而影響渦流管制冷效率。