入口压力对小尺寸涡流管能量分离特性的影响

2022-01-06王骅钟

实验室研究与探索 2021年11期

陈婧，汤晟，王骅钟

（1.中国石油大学（华东）储运与建筑工程学院，山东青岛266580；2.中石化西北油田分公司工程技术研究院，新疆乌鲁木齐830011）

0 引言

涡流管是一种特殊的温度分离装置。高压工作气体经由切向入口喷嘴进入到涡流管，压能转化为动能产生强涡旋运动，进而引发能量分离：即位于中心的气体温度逐渐降低，形成冷气流，而贴近管壁的气流温度则逐渐升高形成热气流［1-2］。热气流从热端出口排出，冷气流则到达热端出口附近时发生转向，最终从逆流至冷端出口流出。这种神奇的温度分离现象被称作“涡流效应”或“兰克效应”［1，3］。涡流管无运动部件，仅依靠气体高压即可生成低温和高温两股流体，已广泛应用于制冷、制热、干燥、分离，甚至天然气水合物控制［4-8］。尽管涡流管结构简单，但内部流动和传热机理非常复杂。研究者们提出了诸如“膨胀和多循环效应”“绝热冷却和粘性加热”、二次流理论、声流理论等［9-12］，但仍无法完全解释能量分离效应。当前涡流管实验主要集中于热端管径大于10 mm的中大型涡流管，而对于热端管径小于6 mm的小尺寸涡流管实验研究鲜有报道［13］。压力是驱动涡流管能量分离的动力源，对涡流管内流动和传热特性影响巨大［14］。本文研制了小尺寸涡流管实验测量系统，开展了不同入口压力和冷热流体比例下涡流管能量分离测量实验，探究入口压力对涡流管能量分离效应的影响。

1 实验涡流管

如图1所示，实验采用的小尺寸涡流管为逆流型，主要结构包括涡流室、冷端管、热端管、喷嘴、涡流室以及热力调节阀。涡流管的结构参数：涡流管总长L=108 mm，入口直径Di=5.3 mm，涡流室直径c=15 mm，涡流室长度L=19 mm，喷嘴数目n=6，冷端管长Lc=23 mm，冷端管直径Dc=4 mm，热端管长Lh=82 mm，热端管直径Dh=6.5 mm。喷嘴为涡流管核心部件，位于涡流室内，用于产生高速螺旋流。实验喷嘴采用六流道结构形式，切向入口喷嘴的横截面为矩形，高度h=0.5 mm，宽为w=1.0 mm，流道深度l=2.0 mm。高压气体沿喷嘴切向进入涡流室，在向热端管推进过程中发生能量分离效应，形成中心温度低、管壁处温度高的温度分布特性。通过调节热端出口处的热力调节阀可改变冷、热气流所占的比例，相应地改变温度场分布。

图1 实验涡流管

2 涡流管能量分离评价指标

高压气流通过涡流管后会发生能量分离，生成低温、高温两股流体。涡流管能量分离效应评价指标主要有冷流率、冷端温差、热端温差、单位制冷量以及单位制热量等。冷流率为流出冷端出口的气体质量流量占入口总气体质量流量的比值，定义如下：

冷端温差为涡流管入口处气流温度与冷端出口温度之差，

热端温差为热端出口处气流温度与入口温度之差，

单位制冷量为单位质量高压气体提供的冷量，

同样，单位制热量表征单位质量高压气体制热能力，

以上各式中：Mc、Mi分别为冷端出口和入口气体质量流量，kg/s；Ti、Tc、Th分别为入口、冷端出口以及热端出口气流温度，K；cp为空气的定压比热，取定值1.005 kJ/（kg·K）。

3 实验测试系统

图2为涡流管性能测试实验系统。实验介质为空气，经压缩机增压后进入缓冲罐以消除压力波动，为涡流管提供稳定压力源。采用艾默生质量流量计对入口气相流量Mi进行计量，采用文丘里喷嘴流量计测量冷端出口气体流量Mc。采用横河压力变送器对进口压力及冷端出口压力进行测量。涡流管壁面温度分布利用武汉高德公司T8红外热像仪进行测量，其温度分辨率为0.08℃，视场：22°×16°/35 mm。局部关键温度点采用Pt100微型热电阻，测量误差±0.15℃。热电阻通过涡流管管壁小孔深入涡流管内壁，以精确测量气流温度。在涡流管的入口、冷端出口各布置一个热电阻，热端管布置2个热电阻。实验仪表型号和测量精度见表1。采用研华USB-4716数据采集卡，编写LabVIEW采集程序对相关参数进行采集。

表1 实验测量仪表

图2 实验测试系统

为考察入口压力对该小尺寸涡流管能量分离特性的影响，入口压力pi（表压）分别调节为0.1、0.2、0.3、0.4及0.5 MPa。同一入口压力下，通过热端管出口的热力调节阀调整冷流率，实验冷流率范围为8.79%～100%。

4 实验结果分析与讨论

4.1 压力对涡流管温度分布的影响

图3所示为红外热像仪记录的不同冷流率μ下实验涡流管壁面温度分布图像，入口压力为0.5 MPa。可见，高压气流经过涡流管时，热端温度高，而冷端温度低，表明发生了显著温度分离效应。随着冷流率的增大，涡流管的热端出口温度基本上呈现不断升高的趋势，即涡流管的制热效应不断增强；与之相反，在较高冷流率下，冷端管温度与环境温度渐趋一致，表明其制冷效应减弱。

图3 不同μ下涡流管红外图像（pin=0.5 MPa）

图4展示了在入口压力0.3～0.5 MPa下涡流管上4个特征测温点温度随冷流率变化曲线。可以看出，在同一冷流率μ下，涡流管的冷端温度会随着压力的升高而降低，但不同压力下涡流管冷端最低温度对应的冷流率基本一致。在冷流率为0.4左右，即冷端气体流量占比达到40%左右时，冷端温度最低，制冷效应最明显。与此相反，热端的三测点温度随着压力的上升而上升。

图4 不同入口压力下各通道温度

实验也观察到在高入口压力（pi=0.5 MPa）条件下热端出口温度并非热端管温度最高点，而是存在一个临界冷流率。当高于该临界值时，热端出口温度低于其上游温度。从图上可以发现，随着压力增加，对应的临界冷流率向高值方向移动，入口压力0.3、0.4MPa时，对应的临界冷流率分别为0.86、0.88，而当入口压力为0.5 MPa时，临界冷流率为0.97。其主要原因是压缩气体在通过入口喷嘴切向进入涡流管的涡流室，进而产生强旋流运动。由于受冷端孔板阻碍，气流将向热端管方向流动，在剧烈的旋流运动下，内部气体会发生能量分离效应，中心区域温度降低，而外缘温度升高。而在热端出口附近，由于热力调节阀的阻碍以及冷热端压差联合作用下，位于中心的一部分低温气体将发生回流。如图5所示，发生回流的最远轴向位置为滞止点，滞止点下游中心气流和外缘气流能量交换效率降低，从而导致出口温度可能反而低于管内温度。Bramo等［15］采用CFD仿真方法也证实当热端管长度增加到一定程度后，能量分离效果不再增强。

图5 涡流管流动结构示意图

4.2 入口压力对冷、热端温差的影响

涡流管制冷、制热效应可用冷、热端温差来表示。图6为实验小尺寸涡流管在压力为0.1～0.5 MPa范围内变化时，制冷、制热效应随冷流率变化曲线。从图6（a）中可以看出，相同入口压力下，冷端温差随冷流率的增加呈现先增大后减小的趋势，在冷流率在30%～40%时，制冷效应的值最大。而在冷流率不变时，随着压力从0.1 MPa升高到0.5 MPa，涡流管的制冷效应基本上呈现随压力增大而增大的趋势，但压力影响程度逐渐减弱。例如，入口压力为0.2 MPa下的制冷效应远大于0.1 MPa，然而入口0.5 MPa下的制冷效应和0.4 MPa的制冷效应相当，甚至在低冷流率小于0.5时，入口压力0.4 MPa的制冷效应更为明显。

图6 压力对涡流管制冷、制热效应的影响

图6（b）为涡流管制热效应，其随冷流率变化趋势与制冷效应类似。随着入口压力增加，热端出口温度与入口温度差值增加，制热效应增加。当冷流率在80%～100%左右时，制热效应最佳。但随着入口压力持续升高，提升能力减缓。

4.3 入口压力对单位制冷、制热量的影响

冷、热端温差指标表征的是制冷、制热效果，但不能反映制冷、制热能力。单位制冷、制热量为单位质量高压气体通过涡流管产生的冷量和热量，能表征制冷、制热能力大小。图7（a）为不同压力下，实验小尺寸涡流管的单位制冷量随冷流率的变化关系曲线。可以看出当压力固定不变时，单位制冷量随着冷流率的增大呈现先增大后减小的趋势。当冷流率为70%左右时，单位制冷量取得最大值。不同压力最大单位制冷量对应的冷流率基本相同。在相同冷流率时，压力越大，单位制冷量也越大，单位制冷量在冷流率在60%～80%时随压力变化最为显著。

图7 压力对涡流管单位制冷、制热量的影响

图7（b）为不同压力下单位制热量随冷流率变化曲线。与单位制冷量类似，当入口压力相同时，随着冷流率的增大，单位制热量呈现先增大后减小的趋势，在冷流率为50%～70%时，单位制热量取得最大值；当冷流率保持相同时，随着入口压力的增大，涡流管的单位制热量不断增大。

与入口压力对冷热端温差影响类似，随着压力的持续增加，单位制热效应受压力的影响逐渐降低，入口压力0.4和0.5 MPa时的制热效应相当。这主要是因为随着入口压力的增加，涡流管内流速增加，当流速接近声速时存在雍塞效应，此时若继续提升入口压力，其流速将维持声速保持不变。可见，由于入口压力增加对制冷效应的改善逐渐降低，不应过度追求通过提高入口压力来提升涡流管的能量分离效应。