對(duì)渦流管制冷本質(zhì)并進(jìn)行相關(guān)的試驗(yàn)研究，進(jìn)行理論分析，以及對(duì)四流道噴嘴渦流管的速度和溫度分布進(jìn)行數(shù)值模擬，結(jié)果表明：渦流管內(nèi)實(shí)際流場(chǎng)由軸向，徑向和漩渦運(yùn)動(dòng)組成，其流動(dòng)形態(tài)在軸向上為阿基米德螺線，在橫截面上為強(qiáng)制渦—自由渦的模型; 管內(nèi)流體能量的分離主要發(fā)生在渦流室區(qū)域附近，且氣體從噴嘴出來(lái)后有少量直接進(jìn)入冷端孔與冷氣流混合，從而影響渦流管制冷效率。

1、前言

　　渦流管沒(méi)有任何可移動(dòng)的部件，啟動(dòng)時(shí)間短，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，只需壓縮空氣即可，使其在有特殊要求冷卻或制熱需求的領(lǐng)域，有著極為廣泛的應(yīng)用前景。其中不是由電帶動(dòng)，而是壓縮氣體帶動(dòng)的工作特點(diǎn)尤其適用于礦井。目前我國(guó)煤炭礦井熱害日益突出，渦流管制冷系統(tǒng)配合井下的氣動(dòng)風(fēng)機(jī)能為井下局部降溫多提供一個(gè)選擇。徐州風(fēng)機(jī)廠的礦用氣動(dòng)風(fēng)機(jī)由井下0.6MPa 的壓縮空氣驅(qū)動(dòng)。氣動(dòng)風(fēng)機(jī)氣馬達(dá)所需的工作壓力為0.2MPa，目前0.6 ～ 0.2MPa 的降壓由降壓閥控制，如果將這部分壓力用于制冷能獲得一舉兩得的效果。

　　充分地認(rèn)識(shí)渦流管內(nèi)部流場(chǎng)以及其溫度場(chǎng)，對(duì)于揭示渦流管內(nèi)部的深層物理機(jī)制具有十分重要的意義。但是渦流管內(nèi)部的能量分離現(xiàn)象則極為復(fù)雜，至今仍沒(méi)有一種精確的理論能夠解釋其能量分離機(jī)制。理論分析是必要的，近年來(lái)，計(jì)算流體力學(xué)已廣泛應(yīng)用于各種流場(chǎng)和溫度場(chǎng)的數(shù)值模擬，利用數(shù)值模擬方法可以更加系統(tǒng)深入地研究渦流管中的復(fù)雜流動(dòng)和能量分離效應(yīng)。

2、渦流管制冷工作原理

　　渦流管主要由由噴嘴、渦流室、冷端管、熱端管及熱端調(diào)節(jié)閥組成( 如圖1 所示) 。其制冷過(guò)程溫熵圖如圖2 所示。圖中p0、p1、p2分別為環(huán)境大氣壓、噴嘴出口壓力、空壓機(jī)出口壓力，ΔT1為實(shí)際溫降，ΔT2為理論最大溫降。1-2-3-4-1為理想渦流管的制冷循環(huán)，其面積為理想渦流管制冷量，環(huán)境空氣進(jìn)入空氣壓縮機(jī)等溫壓縮，后經(jīng)噴嘴的節(jié)流過(guò)程，進(jìn)入渦流管絕熱膨脹，最終排出冷熱端管。圖中2-3' 為實(shí)際噴嘴節(jié)流降溫過(guò)程，過(guò)程中摩擦等損失使焓值增加，3'-4'為實(shí)際渦流室中氣體膨脹降溫過(guò)程，其膨脹效率介于絕熱膨脹與絕熱放氣之間，焓減小一部分轉(zhuǎn)化為氣體的推動(dòng)功，因而其制冷效率總是比理想節(jié)流的等焓過(guò)程高。1-2-3'-4'-1 為實(shí)際渦流管制冷循環(huán)，其面積為實(shí)際渦流管制冷量。2-5 為等焓線，1-2-5 過(guò)程為單一利用空氣壓縮機(jī)出口氣體進(jìn)行節(jié)流制冷循環(huán)的制冷量。從圖可以發(fā)現(xiàn)理想及實(shí)際渦流管總的制冷量總是比單一運(yùn)用節(jié)流效應(yīng)制冷的制冷效率高。

圖1 渦流管工作原理

圖2 渦流管工作過(guò)程溫熵

結(jié)論

　　(1) 渦流管總的制冷量總是比單一運(yùn)用節(jié)流效應(yīng)制冷的制冷效率高;

　　(2) 渦流管內(nèi)實(shí)際流場(chǎng)由軸向，徑向和漩渦運(yùn)動(dòng)組成，其流動(dòng)形態(tài)在軸向上為阿基米德螺線，在橫截面上為強(qiáng)制渦—自由渦的模型;

　　(3) 渦流管內(nèi)流體能量的分離主要發(fā)生在渦流室區(qū)域附近，且氣體從噴嘴出來(lái)后有少量直接進(jìn)入冷端孔與冷氣流混合，從而影響渦流管制冷效率。