涡流管的历史和实验研究

涡流管的历史和实验研究

1涡流管的基本原理排水沟，也称为拉金赫茨管道，是一个结构简单的能量分离装置。涡流管的历史可追溯到1930年,当时法国的冶金工程师G·J·Ranque在实验中发现了旋风分离器中的涡流冷却效应,即旋风分离器中气流的中心温度和周边各层的温度是不同的,中心具有较低的温度,而外缘具有较高的温度。1931年兰克发表了首篇关于涡流管的论文并于同年在法国申请了专利,1934年美国批准了他的专利申请。1933年兰克在法国物理学会上作了关于涡流管装置及其涡旋温度分离效应的实验报告,报告指出,温度为20°C压缩气体进入涡流管后,通过涡旋温度分离效应,从管中流出的冷气流的温度大约为-10°C～20°C,而热气流的温度可达到100°C左右。由于兰克对分离现象的解释混淆了流体总温(滞止温度)与静温的概念,因而受到了质疑,会议上对涡流管制冷现象的普遍否定,使涡流管的研究被搁置了起来。直到1946年,德国物理学家赫尔胥(Hilsch)关于涡流管装置的实验论文中,运用了详细的资料证实了涡旋温度分离效应,并就涡流管的装置设计、应用、温度效应的定义等问题提出了一系列的研究成果和有价值的建议,涡流管才作为一种可用的装置为人们所确认。该效应也被称为兰克效应或赫尔胥效应。涡流管是一种结构非常简单的能量分离装置,它是由喷嘴、涡流室、分离孔板和冷热两端管组成。工作时压缩气体在喷嘴内膨胀,然后以很高的速度沿切线方向进入涡流管。气流在涡流管内高速旋转时,经过涡流变换后分离成总温不相等的两部分气流,处于中心部位的气流温度低,而处于外层部位的气流温度高,调节冷热流比例,可以得到最佳制冷效应或制热效应。涡流管的工作原理见下图1:由于涡流管具有结构简单、操作方便、运行安全可靠、造价便宜、易维护等优点,同时又具有制冷、制热、分离、抽真空等多方面的功能,涡流管以它独特的性能吸引了众多的学者进行探讨。世界上许多国家特别是法国、德国、加拿大、俄罗斯、日本、美国、丹麦、荷兰、英国等发达国家的科研机构、大学和许多公司对涡流管进行了大量的实验研究和理论方面的研究工作,涡流管在许多工业部门得到应用,并有一些从事生产涡流管的专门厂家,如美国的Vortec公司、Exxair公司和Transonic公司等。国内外许多学者对涡流管的研究方面作了许多有意义的工作,现简述如下。2涡流管的管效应尽管涡流管在结构和操作上非常简单,但管内发生的能量交换过程却是极其复杂。由于内摩擦的结果,传热过程是不可逆的,一般认为管内进行的是三维可压缩湍流流动。因此,至今仍难以给出能够精确预测涡流管性能的数学模型。对涡流管效应的解释亦是众说纷纭,至今未有一种令人非常满意的解释,仍有许多说不清之处,甚至有些观点还相互矛盾,正如R.W.James所说,对涡流管的研究一直都是一个重大难题。下面将简单介绍几种涡流管能量分离机理的解释,并加以分析。2.1内压静温比shepeScheper和Gulyaet等认为,高压气体经过喷嘴的绝热膨胀,在喷嘴出口处具有最低热力学温度,当气流向调节阀流动时,由于周向速度的耗散,其静温逐渐提高。在内层回流气体中,由于其来自热力学温度最高的热端,因而在同一截面上其热力学温度高于外层气流,由此导致能量由内层传入外层。在Scheper的论文中指出,在涡流管实验中测得的内层静温比壁面处高。因此,由温差引起的以热传递方式传递热量是可能的。然而,有许多研究者的数据表明,壁面的静温比内层的静温高,而且从现有理论来看,热量从冷气流以热传递方式传递热气流似乎是不可能的。在Scheper实验中,轴线与壁面最大温差为16°C,而热气流出口和分离孔板冷气流之间,却存在超过60°C的温差。显然,分离的热量将远大于由内层流向外层的热量。2.2profb的观点Fulton提出:当进入涡流管的气流所形成的拟自由涡在管内运动过程中,发生动能的径向交换,结果沿着半径方向逐渐出现温度梯度。根据这个假设,Fulton推导出冷端温差和湍流Prandtl数之间的关系:然而,Prandtl认为,湍流Prandtl数是个变量,并且在推导这个方程时所做的假设可能引起一些误差。VanDeemter把广义柏努利方程用于涡流管,结果表明冷效应并不能由涡流管外缘的热效应引起,他的观点是从中心到外缘有动能的流动交换,这与Fulton的观点基本相同。这种理论的缺陷在于,内层回流气体所形成的强制涡旋恰恰是由于外层气体通过摩擦力的作用引起的。这样,能量的传递方式将于上述理论相反,即将由外层向内层传递动能。其次,外层流体流速较高,流量通常也大于内层气流流量,因此,内层向外层传递动能的理论显然需要一个更为合理的基础。2.3气体压的下降Hinize认为由于离心力作用产生的径向压力梯度是发生能量分离的主要原因。在气体的漩流方向,其压力逐渐降低过程其实是绝热冷却过程。这种理论的缺陷在于,由于轴心区域粘性的存在,径向温度并非沿绝热线变化,按照现在的实验结果同理论的理想值偏差较大。2.4涡流管路能量分离Schultz,Grunow,Kassner和Hartnett等认为,涡流管内能量分离是由于离心场中紊流流动引起能量的脉动,使能量从轴线处的低压流体跃至外层压力高的气流中。同时,这一部分能量将由于流体由喷嘴至调节阀处的流动而不断的传送出去。2.5能量分离机理不同于其他研究者的理论,Kurosaka从声流的角度来研究能量分离的机理。他认为涡流管内的有序扰动引起的声流是能量分离的原因,由涡流声引起的声流把Rankine涡变成强制涡,造成径向的温度分离。2.6涡流管的能量分离Sibulkin是较先运用数学模拟的方法来研究涡流管的,通过一些假设模拟出涡流管中的温度和速度场。他认为涡流管的能量分离主要是由轴向和径向的不同膨胀和静止的轴向部和高速运动的外周之间的热导引起的。Linderstrom,Lewins和Bejan还对涡流管类比热交换器进行了研究。3涡流管的设计问题涡流管按基本结构可分为两类:逆流型涡流管和顺流型涡流管。实验结果表明,顺流型涡流管的效率很少超过逆流型的一半。因此,一般情况下都采用逆流型涡流管。Hilsch是最早以几何尺寸为基础来研究涡流管性能的人,后来的许多研究者所采用的涡流管大都基于Hilsch所推荐的几何比例关系。Paruleker设计出了短涡流管,它可以把长径比缩短到3以内。他的研究表明,一般粗糙度对涡流管的效应没有根本的影响,喷嘴出口处涡流室的内部形状以阿基米德螺线为最好,喷嘴的出口横截面以矩形截面为好,最佳长宽比为2∶1,长边平行于涡流管的轴线,喷嘴的相对面积以9%为最佳。Takahama通过改变喷嘴面积、冷端孔口和分离室的直径,在不同的流率比下对涡流管进行实验,获得设计具有高效能量分离的涡流管数据。当喷嘴出口的气流的马赫数为0.5～1时,实现高效能量分离,结构尺寸存在下列关系:Marlyonvskii和Alekseseev在实测研究中,探测了涡流管的各种不同几何结构对冷、热流可能产生的最大温差的影响。为寻求几何尺寸最佳值,他们用了各种喷嘴,用氨、甲烷和二氧化碳进行实验。在实验中发现了一个有趣的重要现象,即在湍流Pr<0.5时,涡流管会出现反转效应,在这种情况下,冷气流在外缘流出,而热气流从轴线附近的孔板流出。影响涡流管性能的设计变量有15个以上,并且这些变量之间的关系未知。要解决这些变量的优化问题,需要花费许多时间和很大代价。Soni和Thomoson在减少设计变量的情况下,用调优计算方法改变设计参数,得到了因变量和最佳值。计算结果表明,为获得最大温降存在下列最佳设计参数:(孔口面积/涡流管面积)=0.08±0.01(0.145±0.035)L/D>45(>45)D=26mm(18mm)Metenin对带有锥形涡流室的涡流管进行了研究。他研究的涡流管内径是21mm,在试过许多结构之后,他发现涡流管的最佳结构是长径比等于3,扩张角(锥角)为3°41′。渐开线形喷嘴要优于矩形喷嘴。Takahama和Yokosawa也对锥形管替代直柱管作了研究。4涡流管的应用据Bruno在1987年的估计,世界上约有十万个涡流管用于工业领域。经过这些年对涡流管技术的研究和开发,可以肯定涡流管的应用得到了进一步的增加。总的来说,涡流管应用十分广泛,主要范围为以下几个方面:工业方面:小型空调,轴承冷却,工具冷却,便携式制冷器等;生物医学方面:生物冷冻,内外科手术;科研方面:热电偶的冷结点恒温,温度计的测定,材料测试,热膨胀测试等;航空方面:空气调节,电子设备的冷却,除冰等;化学处理方面:天然气的冷却,分离,加热或冷却过程等。目前世界上已投入应用的涡流管的种类极多,实际应用远远不止上述各例,更广泛的研究有待于进一步的研究与实践。5涡流管的应用前景由于涡流管没有运动部件,具有结构简单、操作方便、运行安全可靠、造价便宜、易维护等优点,同时又具有制冷、制热、分离、抽