涡流管制冷分析

　　对涡流管制冷本质并进行相关的试验研究，进行理论分析，以及对四流道喷嘴涡流管的速度和温度分布进行数值模拟，结果表明：涡流管内实际流场由轴向，径向和漩涡运动组成，其流动形态在轴向上为阿基米德螺线，在横截面上为强制涡—自由涡的模型; 管内流体能量的分离主要发生在涡流室区域附近，且气体从喷嘴出来后有少量直接进入冷端孔与冷气流混合，从而影响涡流管制冷效率。

1、前言

　　涡流管没有任何可移动的部件，启动时间短，结构简单，只需压缩空气即可，使其在有特殊要求冷却或制热需求的领域，有着极为广泛的应用前景。其中不是由电带动，而是压缩气体带动的工作特点尤其适用于矿井。目前我国煤炭矿井热害日益突出，涡流管制冷系统配合井下的气动风机能为井下局部降温多提供一个选择。徐州风机厂的矿用气动风机由井下0.6MPa 的压缩空气驱动。气动风机气马达所需的工作压力为0.2MPa，目前0.6 ～ 0.2MPa 的降压由降压阀控制，如果将这部分压力用于制冷能获得一举两得的效果。

　　充分地认识涡流管内部流场以及其温度场，对于揭示涡流管内部的深层物理机制具有十分重要的意义。但是涡流管内部的能量分离现象则极为复杂，至今仍没有一种精确的理论能够解释其能量分离机制。理论分析是必要的，近年来，计算流体力学已广泛应用于各种流场和温度场的数值模拟，利用数值模拟方法可以更加系统深入地研究涡流管中的复杂流动和能量分离效应。

2、涡流管制冷工作原理

　　涡流管主要由由喷嘴、涡流室、冷端管、热端管及热端调节阀组成( 如图1 所示) 。其制冷过程温熵图如图2 所示。图中p0、p1、p2分别为环境大气压、喷嘴出口压力、空压机出口压力，ΔT1为实际温降，ΔT2为理论最大温降。1-2-3-4-1为理想涡流管的制冷循环，其面积为理想涡流管制冷量，环境空气进入空气压缩机等温压缩，后经喷嘴的节流过程，进入涡流管绝热膨胀，最终排出冷热端管。图中2-3' 为实际喷嘴节流降温过程，过程中摩擦等损失使焓值增加，3'-4'为实际涡流室中气体膨胀降温过程，其膨胀效率介于绝热膨胀与绝热放气之间，焓减小一部分转化为气体的推动功，因而其制冷效率总是比理想节流的等焓过程高。1-2-3'-4'-1 为实际涡流管制冷循环，其面积为实际涡流管制冷量。2-5 为等焓线，1-2-5 过程为单一利用空气压缩机出口气体进行节流制冷循环的制冷量。从图可以发现理想及实际涡流管总的制冷量总是比单一运用节流效应制冷的制冷效率高。

图1 涡流管工作原理

图2 涡流管工作过程温熵

结论

　　(1) 涡流管总的制冷量总是比单一运用节流效应制冷的制冷效率高;

　　(2) 涡流管内实际流场由轴向，径向和漩涡运动组成，其流动形态在轴向上为阿基米德螺线，在横截面上为强制涡—自由涡的模型;

　　(3) 涡流管内流体能量的分离主要发生在涡流室区域附近，且气体从喷嘴出来后有少量直接进入冷端孔与冷气流混合，从而影响涡流管制冷效率。