渦流管的歷史和實驗研究

1渦流管的基本原理排水溝，也稱為拉金赫茨管道，是一個結構簡單的能量分離裝置。渦流管的歷史可追溯到1930年,當時法國的冶金工程師G·J·Ranque在實驗中發(fā)現(xiàn)了旋風分離器中的渦流冷卻效應,即旋風分離器中氣流的中心溫度和周邊各層的溫度是不同的,中心具有較低的溫度,而外緣具有較高的溫度。1931年蘭克發(fā)表了首篇關于渦流管的論文并于同年在法國申請了專利,1934年美國批準了他的專利申請。1933年蘭克在法國物理學會上作了關于渦流管裝置及其渦旋溫度分離效應的實驗報告,報告指出,溫度為20°C壓縮氣體進入渦流管后,通過渦旋溫度分離效應,從管中流出的冷氣流的溫度大約為-10°C～20°C,而熱氣流的溫度可達到100°C左右。由于蘭克對分離現(xiàn)象的解釋混淆了流體總溫(滯止溫度)與靜溫的概念,因而受到了質(zhì)疑,會議上對渦流管制冷現(xiàn)象的普遍否定,使渦流管的研究被擱置了起來。直到1946年,德國物理學家赫爾胥(Hilsch)關于渦流管裝置的實驗論文中,運用了詳細的資料證實了渦旋溫度分離效應,并就渦流管的裝置設計、應用、溫度效應的定義等問題提出了一系列的研究成果和有價值的建議,渦流管才作為一種可用的裝置為人們所確認。該效應也被稱為蘭克效應或赫爾胥效應。渦流管是一種結構非常簡單的能量分離裝置,它是由噴嘴、渦流室、分離孔板和冷熱兩端管組成。工作時壓縮氣體在噴嘴內(nèi)膨脹,然后以很高的速度沿切線方向進入渦流管。氣流在渦流管內(nèi)高速旋轉時,經(jīng)過渦流變換后分離成總溫不相等的兩部分氣流,處于中心部位的氣流溫度低,而處于外層部位的氣流溫度高,調(diào)節(jié)冷熱流比例,可以得到最佳制冷效應或制熱效應。渦流管的工作原理見下圖1:由于渦流管具有結構簡單、操作方便、運行安全可靠、造價便宜、易維護等優(yōu)點,同時又具有制冷、制熱、分離、抽真空等多方面的功能,渦流管以它獨特的性能吸引了眾多的學者進行探討。世界上許多國家特別是法國、德國、加拿大、俄羅斯、日本、美國、丹麥、荷蘭、英國等發(fā)達國家的科研機構、大學和許多公司對渦流管進行了大量的實驗研究和理論方面的研究工作,渦流管在許多工業(yè)部門得到應用,并有一些從事生產(chǎn)渦流管的專門廠家,如美國的Vortec公司、Exxair公司和Transonic公司等。國內(nèi)外許多學者對渦流管的研究方面作了許多有意義的工作,現(xiàn)簡述如下。2渦流管的管效應盡管渦流管在結構和操作上非常簡單,但管內(nèi)發(fā)生的能量交換過程卻是極其復雜。由于內(nèi)摩擦的結果,傳熱過程是不可逆的,一般認為管內(nèi)進行的是三維可壓縮湍流流動。因此,至今仍難以給出能夠精確預測渦流管性能的數(shù)學模型。對渦流管效應的解釋亦是眾說紛紜,至今未有一種令人非常滿意的解釋,仍有許多說不清之處,甚至有些觀點還相互矛盾,正如R.W.James所說,對渦流管的研究一直都是一個重大難題。下面將簡單介紹幾種渦流管能量分離機理的解釋,并加以分析。2.1內(nèi)壓靜溫比shepeScheper和Gulyaet等認為,高壓氣體經(jīng)過噴嘴的絕熱膨脹,在噴嘴出口處具有最低熱力學溫度,當氣流向調(diào)節(jié)閥流動時,由于周向速度的耗散,其靜溫逐漸提高。在內(nèi)層回流氣體中,由于其來自熱力學溫度最高的熱端,因而在同一截面上其熱力學溫度高于外層氣流,由此導致能量由內(nèi)層傳入外層。在Scheper的論文中指出,在渦流管實驗中測得的內(nèi)層靜溫比壁面處高。因此,由溫差引起的以熱傳遞方式傳遞熱量是可能的。然而,有許多研究者的數(shù)據(jù)表明,壁面的靜溫比內(nèi)層的靜溫高,而且從現(xiàn)有理論來看,熱量從冷氣流以熱傳遞方式傳遞熱氣流似乎是不可能的。在Scheper實驗中,軸線與壁面最大溫差為16°C,而熱氣流出口和分離孔板冷氣流之間,卻存在超過60°C的溫差。顯然,分離的熱量將遠大于由內(nèi)層流向外層的熱量。2.2profb的觀點Fulton提出:當進入渦流管的氣流所形成的擬自由渦在管內(nèi)運動過程中,發(fā)生動能的徑向交換,結果沿著半徑方向逐漸出現(xiàn)溫度梯度。根據(jù)這個假設,Fulton推導出冷端溫差和湍流Prandtl數(shù)之間的關系:然而,Prandtl認為,湍流Prandtl數(shù)是個變量,并且在推導這個方程時所做的假設可能引起一些誤差。VanDeemter把廣義柏努利方程用于渦流管,結果表明冷效應并不能由渦流管外緣的熱效應引起,他的觀點是從中心到外緣有動能的流動交換,這與Fulton的觀點基本相同。這種理論的缺陷在于,內(nèi)層回流氣體所形成的強制渦旋恰恰是由于外層氣體通過摩擦力的作用引起的。這樣,能量的傳遞方式將于上述理論相反,即將由外層向內(nèi)層傳遞動能。其次,外層流體流速較高,流量通常也大于內(nèi)層氣流流量,因此,內(nèi)層向外層傳遞動能的理論顯然需要一個更為合理的基礎。2.3氣體壓的下降Hinize認為由于離心力作用產(chǎn)生的徑向壓力梯度是發(fā)生能量分離的主要原因。在氣體的漩流方向,其壓力逐漸降低過程其實是絕熱冷卻過程。這種理論的缺陷在于,由于軸心區(qū)域粘性的存在,徑向溫度并非沿絕熱線變化,按照現(xiàn)在的實驗結果同理論的理想值偏差較大。2.4渦流管路能量分離Schultz,Grunow,Kassner和Hartnett等認為,渦流管內(nèi)能量分離是由于離心場中紊流流動引起能量的脈動,使能量從軸線處的低壓流體躍至外層壓力高的氣流中。同時,這一部分能量將由于流體由噴嘴至調(diào)節(jié)閥處的流動而不斷的傳送出去。2.5能量分離機理不同于其他研究者的理論,Kurosaka從聲流的角度來研究能量分離的機理。他認為渦流管內(nèi)的有序擾動引起的聲流是能量分離的原因,由渦流聲引起的聲流把Rankine渦變成強制渦,造成徑向的溫度分離。2.6渦流管的能量分離Sibulkin是較先運用數(shù)學模擬的方法來研究渦流管的,通過一些假設模擬出渦流管中的溫度和速度場。他認為渦流管的能量分離主要是由軸向和徑向的不同膨脹和靜止的軸向部和高速運動的外周之間的熱導引起的。Linderstrom,Lewins和Bejan還對渦流管類比熱交換器進行了研究。3渦流管的設計問題渦流管按基本結構可分為兩類:逆流型渦流管和順流型渦流管。實驗結果表明,順流型渦流管的效率很少超過逆流型的一半。因此,一般情況下都采用逆流型渦流管。Hilsch是最早以幾何尺寸為基礎來研究渦流管性能的人,后來的許多研究者所采用的渦流管大都基于Hilsch所推薦的幾何比例關系。Paruleker設計出了短渦流管,它可以把長徑比縮短到3以內(nèi)。他的研究表明,一般粗糙度對渦流管的效應沒有根本的影響,噴嘴出口處渦流室的內(nèi)部形狀以阿基米德螺線為最好,噴嘴的出口橫截面以矩形截面為好,最佳長寬比為2∶1,長邊平行于渦流管的軸線,噴嘴的相對面積以9%為最佳。Takahama通過改變噴嘴面積、冷端孔口和分離室的直徑,在不同的流率比下對渦流管進行實驗,獲得設計具有高效能量分離的渦流管數(shù)據(jù)。當噴嘴出口的氣流的馬赫數(shù)為0.5～1時,實現(xiàn)高效能量分離,結構尺寸存在下列關系:Marlyonvskii和Alekseseev在實測研究中,探測了渦流管的各種不同幾何結構對冷、熱流可能產(chǎn)生的最大溫差的影響。為尋求幾何尺寸最佳值,他們用了各種噴嘴,用氨、甲烷和二氧化碳進行實驗。在實驗中發(fā)現(xiàn)了一個有趣的重要現(xiàn)象,即在湍流Pr<0.5時,渦流管會出現(xiàn)反轉效應,在這種情況下,冷氣流在外緣流出,而熱氣流從軸線附近的孔板流出。影響渦流管性能的設計變量有15個以上,并且這些變量之間的關系未知。要解決這些變量的優(yōu)化問題,需要花費許多時間和很大代價。Soni和Thomoson在減少設計變量的情況下,用調(diào)優(yōu)計算方法改變設計參數(shù),得到了因變量和最佳值。計算結果表明,為獲得最大溫降存在下列最佳設計參數(shù):(孔口面積/渦流管面積)=0.08±0.01(0.145±0.035)L/D>45(>45)D=26mm(18mm)Metenin對帶有錐形渦流室的渦流管進行了研究。他研究的渦流管內(nèi)徑是21mm,在試過許多結構之后,他發(fā)現(xiàn)渦流管的最佳結構是長徑比等于3,擴張角(錐角)為3°41′。漸開線形噴嘴要優(yōu)于矩形噴嘴。Takahama和Yokosawa也對錐形管替代直柱管作了研究。4渦流管的應用據(jù)Bruno在1987年的估計,世界上約有十萬個渦流管用于工業(yè)領域。經(jīng)過這些年對渦流管技術的研究和開發(fā),可以肯定渦流管的應用得到了進一步的增加?？偟膩碚f,渦流管應用十分廣泛,主要范圍為以下幾個方面:工業(yè)方面:小型空調(diào),軸承冷卻,工具冷卻,便攜式制冷器等;生物醫(yī)學方面:生物冷凍,內(nèi)外科手術;科研方面:熱電偶的冷結點恒溫,溫度計的測定,材料測試,熱膨脹測試等;航空方面:空氣調(diào)節(jié),電子設備的冷卻,除冰等;化學處理方面:天然氣的冷卻,分離,加熱或冷卻過程等。目前世界上已投入應用的渦流管的種類極多,實際應用遠遠不止上述各例,更廣泛的研究有待于進一步的研究與實踐。5渦流管的應用前景由于渦流管沒有運動部件,具有結構簡單、操作方便、運行安全可靠、造價便宜、易維護等優(yōu)點,同時又具有制冷、制熱、分離、抽