冷流率对大口径涡流管性能影响分析

为了探究冷流率对大口径涡流管节流降压效果的影响,基于Fluent改变冷流率值,对比模拟计算结果发现:主管段区内外旋气体存在能量损耗,轴向位置出现压力滞止点和速度方向折点,径向位置r=28 mm处出现分界层。冷流率0.1至0.5,外旋气体温度上升趋势平缓,制热效果不明显;冷流率0.6至0.9,外旋气体温度上升趋势明显,制热效果加强;冷流率增大过程中,内旋气体温度下降趋势平缓,制热效果减弱。热端出口气体压力随冷流率增大而增加,大部分气体流至冷端出口,导致冷端压力变化梯度明显;冷流率过大,热端出口节流降压效果降低,无法满足节流需求。冷热端出口压差变大,外旋气体流动受阻,速度减小;内旋气体流动加快,速度增大。综合分析得出:冷流率0.5时,大口径涡流管节流降压效果最佳,节流区间3 MPa左右,冷热端出口气体温降区间均为5 K,忽略传热损失,节流前后气体温降区间几乎为零,满足后续工艺温度要求。

冷孔板直径与冷流率对涡流管流场的影响

以理想二氧化碳气体为工质,采用Standard k-ε湍流模型,对涡流管能量分离效应进行数值模拟。在此基础上,探究涡流管轴向、切向速度分布以及冷孔板直径与冷流率之间的关系。模拟结果表明:当进口温度为298.15 K、进口压力为6.5 MPa、冷流率μ为0.1—0.9、冷孔板直径R在1.5—3.5 mm范围变化时,随着冷孔板直径的增大,轴向速度逐渐增大,切向速度逐渐减小;制冷温度效应呈现先增大后减小的趋势、随着冷流率的增大,冷热流分界面逐渐增大,制冷温度效应呈现逐渐减小的趋势。

进气温度及冷流率对涡流管制冷性能的影响

采用基于实际生产应用的涡流管模型,以空气为介质,模拟分析了不同进气温度和冷流率对涡流管制冷性能的影响,结果表明:冷流率一定时,涡流管的冷端出口温度、热端出口温度、制冷温度效应及单位制冷量均随进气温度的升高而增大,而制冷效率基本不受温度影响;在相同进气温度下,涡流管的制冷温度效应、单位制冷量及制冷效率都随冷流率的增大呈先增大后减小的趋势;存在一个最佳冷流率范围使得制冷温度效应、单位制冷量、制冷效率最大,但它们各自的最佳冷流率范围不同。

涡流管制冷试验分析

通过大量试验并结合参考文献资料进行了分析,认为涡流管温度分离模型为:压缩气体经喷嘴进入涡流室后分为三种流动情况,外旋流压缩,中间分界面,内旋流膨胀过程。内旋流膨胀是涡流管制冷的原因,而热管的热传递是涡流管主要的能量。

涡流管的流道特性及制冷能力实验

以常温定压下的压缩空气为介质,对不同流道数目和轨迹的涡流管喷嘴内的温度分布及能量分离特性进行了实验研究,得到涡流管内的温度分布及制冷能力曲线;实验结果表明:在常温和入口气流压力为0.7 MPa下,4流道喷嘴制冷效应最佳,6流道喷嘴的制冷效应最差,3流道、5流道喷嘴的制冷效应介于两者之间;3种型线中阿基米德螺线喷嘴的制冷效应最好。实验发现涡流管内0.7R处存在着一个冷热两股气流的分割面,界面以内是冷气流,界面以外是热气流。

冷孔板直径对涡流管内部压力场的影响

以理想的CO_2气体为工作流体,使用标准Standard k-ε湍流模型来模拟涡流管的能量分离效应。当涡流管冷端出口压力是2. 5 MPa、喷嘴进口压力是6. 5 MPa和喷嘴进口温度是298. 15 K、喷嘴进口压力为6. 5 MPa时,进行了涡流管内轴向、径向压力分布的模拟研究。模拟结果表明:冷流率μ为0. 1,冷孔板直径在1. 5～3. 5 mm之间变化时,轴心线上的总压分布呈现先减小后逐渐增大的趋势,各冷孔板直径在轴向距离为0 mm处的径向总压随着径向距离的增大呈逐渐增大的趋势;当径向距离在0. 5～1. 0 mm之间变化时,轴线上总压随着涡流管轴向距离的增大而增大;当径向距离为1. 5 mm时,总压随着涡流管轴向距离的增大呈先增大后减小的趋势;当径向距离在2. 0～2. 5 mm之间变化时,总压随着涡流管轴向距离的增大呈逐渐减小的趋势;当轴向距离在0～100 mm之间变化时,各轴向位置上随着径向距离增大的总压分布均呈现逐渐增大后趋于稳定的趋势。

涡流管的入口压力对其性能影响的研究

针对涡流管的性能优化问题,需要研究各个参数及结构部件对其制冷、制热能力的影响,并寻求最佳的运行工况。本文搭建了开式实验系统,采用自制的六流道喷嘴,以二氧化碳气体为工质,研究了入口压力和冷流率对涡流管能量分离性能的影响。结果表明:涡流管的制冷、制热效应均随入口压力的增大呈现先增大后减小的趋势,在入口压力为0.4 MPa,冷流率为0.4时具有最佳制冷效应,冷流率为0.9时,具有最佳制热效应;冷流率为0.2~0.5时,涡流管热端管壁面温度随冷流率的增大呈现逐渐升高的趋势,冷流率为0.6~0.9时,壁面温度在出现壁面最高温度点后有所下降,并且冷流率越大壁面温度下降越明显。

入口压力对小尺寸涡流管能量分离特性的影响

为探究入口压力对小尺寸涡流管能量分离的影响,开发了实验平台,测量了不同入口压力下流动传热规律。实验涡流管总长108 mm,入口及冷、热端管直径分别为5.3、4.0和6.5 mm。管壁温度分布采用红外热像仪测量,特征点温度采用微型Pt100热电阻测量。入口压力范围0.1~0.5 MPa,冷流率范围8.79%~100%。实验结果表明,受滞止效应影响,超过临界冷流率时,热端出口温度甚至会低于管内温度。相同压力下,随着冷流率的增加冷端温度先增加后降低,冷流率40%左右时冷端温差最大,而最大热端温差发生在冷流率80%左右。随着入口压力持续升高,涡流管的能量分离效果增强,但其性能增强的幅度会减缓。

涡流管的三维数值模拟及其实验研究

涡流管是一种没有任何运动部件的简单的能量分离装置,它能够将高压气体分离为温度不同冷热两股气流。对涡流管的性能的影响因素很多,例如进气压力,进气口的温度,长径比,冷流率以及涡流管的结构参数等。为了研究不同因素对涡流管性能的影响,以达到提高涡流管的效率的目的。用三维数值模拟的方法和实验相结合,主要研究进气口压力和冷流率的变化对涡流管的性能的影响。结果表明随着进气口压力的增加,涡流管的效率不断增加;同时当冷流率在（0.6-0.7）范围时,此时的冷却效率有最大值。

涡流室半径对涡流管流场及性能影响的仿真研究

以理想R41气体为工质,采用Standard k-ε湍流模型,在入口压力为4.0 MPa、入口温度为323.15 K、冷流比为0.1~0.9、涡流室半径为2.5~4.5 mm时,研究涡流室半径和冷流率对涡流管性能的影响。模拟结果表明:当冷流率为0.4时,随着涡流管径向距离增大,切向速度呈先增后减趋势,当涡流室半径为3.5 mm时获得最大切向速度为159.5 m/s;随着涡流室半径增大,内外旋流轴向速度呈减小趋势,当涡流室半径为2.5 mm时获得最大外旋流轴向速度为47.6 m/s。当冷流率相同时,随着涡流室半径的增大,涡流管制冷效应、制热效应、制冷量及COP均呈先增后减的趋势,当冷流率为0.1,涡流室半径为3.5 mm时获得最大制冷效应为20.8 K;当冷流率为0.9,涡流室半径为3.0 mm时获得最大制热效应为36.3 K;当冷流率为0.6,涡流室半径为3.0 mm时获得最大制冷量为364.5 W,COP最大值为0.21。