涡流管制冷特性的实验研究和能量分离机理

论文摘要

在气体动力学中有一种非常奇特的现象,即兰克效应(兰克一赫利胥或称作涡流效应)。涡流管就是这种效应的具体体现。在涡流管中进口气流被分成两股气流,其中外层气流的温度比初始温度高,而中心气流的温度比初始温度低。通过涡流管我们可以获得两股温度不同的气流。涡流管是由喷嘴、涡流室、分离冷孔板、热阀以及冷热两端管组成的。由于其结构简单、工作稳定可靠、易于维修、无运动部件且温度变化范围大等优点,因此,涡流管是非常令人感兴趣的,越来越多的研究者正投身于这项研究之中,并且己被应用到许多领域。本文的研究目的就是通过理论和实验两方面深入分析和研究涡流管在常温下的特性,通过测量涡流管内部的温度场分布,探求涡流管能量分离机理的内在规律,并且提出了一种用负量守恒原理解释涡流管能量分离机理的新观点。为了完成本实验,我们设计并搭建了包括实验装置和测量系统在内的试验台。实验以0.7MPa的压缩空气为介质。研究了三种不同流道型式和四种不同流道数目的喷嘴在涡流管热端的温度分布,以及喷嘴对涡流管性能的影响,定性的分析了涡流管性能随冷气分量的变化趋势。结果发现涡流管内温度在半径方向是逐渐增加的,轴心温度最低,壁面温度最高;在涡流管轴线方向,其温度也是逐渐递增的;在0.7R附近,存在着一个冷热两股气流的分界面;制冷效应随冷流率的加大先增加后降低,存在着一个最佳制冷效应;制热效应随冷流率的增加而逐渐增加,预计在μc→1时制热效应得到最大;在冷流率小于60%时,涡流管的COP是随着冷流率的增加而增加的。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 前言
• 1.1 涡流管简介
• 1.2 涡流管的研究现状
• 1.2.1 涡流管能量分离机理的研究进展
• 1.2.2 涡流管结构特性的研究进展
• 1.2.3 涡流管的应用研究进展
• 1.3 论文的主要出发点和主要工作
• 2 涡流管的制冷机理初探
• 2.1 一种新观点——用负量守恒原理解释涡流管效应
• 2.1.1 关于热力学三大定律
• 2.1.2 关于暗物质以及暗能量
• 2.1.3 热力学三大定律的局限性
• 2.1.4 热力学第四定律——量恒原理
• 2.1.5 自然界中的负量守恒旋涡-龙卷风
• 2.1.6 涡流管效应
• 2.2 涡流管的内部结构
• 2.3 涡流管内部气流流动分析
• 2.4 涡流管的热力分析
• 2.4.1 理论模型
• 2.4.2 熵产分析
• 2.5 涡流管工作过程及性能参数
• 2.6 本章小结
• 3 涡流管的结构设计
• 3.1 喷嘴设计
• 3.2 分离室直径的设计
• 3.3 热端管长度的设计
• 3.4 孔板和扩压器设计
• 3.5 调节阀
• 3.6 材料选择、制造工艺及装配
• 3.7 本实验所用装置尺寸一览
• 3.8 本章小结
• 4 实验装置设计与制作
• 4.1 涡流管能量分离实验台的介绍
• 4.2 自行设计的涡流管各结构尺寸
• 4.3 实验装置简介
• 4.3.1 单螺杆压缩机
• 4.3.2 玻璃转子流量计
• 4.3.3 铠装热电偶
• 4.3.4 压力的测量
• 4.4 测量系统的校订
• 4.4.1 流量计的标定
• 4.4.2 热电偶的标正
• 4.5 实验数据采集系统
• 4.5.1 采集系统主要器件
• 4.5.2 数据采集系统接线图
• 4.5.3 数据采集人机界面图
• 4.6 实验方法介绍
• 4.7 本章小结
• 5 涡流管能量分离特性的实验结果分析
• 5.1 涡流管内的温度分布
• 5.2 冷流率对涡流管能量分离性能的影响
• 5.3 喷嘴结构对涡流管能量分离性能的影响
• 5.3.1 喷嘴导流道轨迹形状对涡流管能量分离性能的影响
• 5.3.2 喷嘴导流道的数目对涡流管能量分离性能的影响
• 5.4 涡流管能量分离实验系统误差分析
• 5.5 本章小结
• 6 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录