过程装备与控制工程专业实验讲义.doc

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1、实验二涡流管性能实验一、实验目的1、了解涡流管的基本特性；2、了解涡流管性能测试的基本方法，包括：（1）温度测量；（2）气体流量测量与换算二、工作原理涡流管制冷是利用由人工方法产生的涡流使气流分离成热、冷两个部分，其中的冷气流即可用来获得冷量。涡流管是法国人兰克首先提出的，所以也称为兰克管。涡流管的结构比较简单，如图2-1所示，它主要是由喷嘴、涡流室、分离孔板、及冷热两端的管子组成。气体经涡流而分离成热、冷两个部分是在涡流室内进行，涡流室的内部形状为阿基米德螺线，喷嘴是沿切线方向装在涡流室的边缘，其连接可以有不同方法。在涡流室的一侧装有一个分离孔板，其中心孔径约为管子内径的一半（或稍小一些）

2、，它与喷嘴中心线的距离大约为管于内径之半。分离孔板之外即为冷端管子。热端管子装在分离孔板的另一侧，在其外端装有一个控制阀，控制阀离开涡流室的距离约为管子内径的10倍。控制阀的开度可以用于动调节。图2-1涡流管的工作过程：经过压缩并冷却到室温的气体（通常是用空气，也可以用其它气体，如煤气、二氧化碳、氨等）由进气管进入，并在喷嘴内膨胀以后以很高的速度沿切线方向进入涡流管，形成自由涡流，经过动能的交换并分离成温度不相同的两部分，中心部分的气流经孔板流出，即是冷气流；边缘部分的气体从另一端经控制阀流出，即是热气流。所以涡流管可以同时得到冷、热两种效应。根据试验，当高压气体的温度为室温时冷气流的温度可

3、达-10—-50C，热气流的温度可达100～130C。控制阀是用来改变热端管子中气体的压力，因而可以调节两部分气流的流量比，从而也改变了它们的温度。如果控制阀全关，则全部气体从冷端管子流出，因而也就无所谓冷热效应。如果控制阀全开，则会有少量气体从孔板被吸入，因而涡流管的工作就相当于一个气体喷射器。气体经涡流管后为什么会分离成温度不相同的两股气流呢？这可通过涡流室内部过程的分析来予以说明。压力为P1、温度为T1的高压气体，在喷嘴中膨胀到压力P2，此时理论上当为等熵膨胀时可能达到的温度是Ts，并且可以获得超音速的速度C2，C2的数值可用喷嘴的公式计算。这样高速的气流沿切线方向进入涡流室，使在涡流

4、室的周边部分形成自由涡流，而涡流室中心部分的气体是由周边部分扩散和挤压而去的。自由涡流的旋转质量愈向中心则角速度愈大，于是在涡流室中沿半径方向形成了不同角速度的气流层。（2-1）由于气流层之间的摩擦，内层的角速度要降低而外层的角速度要提高，因而内层气流便将一部分动能传给外层气流，这样一来涡流室中心部分的气体当经孔板流出时便具有较低的温度tc，而周边部分的气体当流经热端管子时由于摩擦的存在使动能又转化为热能，因而当经控制阀流出时便具有较高的温度th。涡流管内部的过程可以表示在T-S图上，如图2-2所示。图中点4表示气体在压缩以前的状态，4-5为在压缩机中的绝热压缩过程，5-1为在冷却器中的等压

5、冷却过程。点1表示高压气体在喷嘴之前的状态，在理想情况下经绝热膨胀到压力P2时温度将降到s膨胀后的状态用点2a表示。点2表示由涡流管出来的冷气流状态，其温度为Tc,点3表示热气流的状态其温度为Th。1-2及1-3’分别表示冷、热两部分气流的分离过程，这一过程是不可逆过程；3’-3为热气流经控制阀的节流过程，节流后焓值不变。从涡流管出来的冷气流的温度Tc总是高于Ts，这是因为：（1）气体在喷不可能是等熵膨胀；（2）涡流室中内层的气体不可能将其动能全部传给外层的气体（在涡流室内存在有向心的热量传递过程。下面我们对涡流管的冷却过程进行分析计算。令：Tc＝T1-Tc，涡流管的冷却效应；Ts＝T1-T

6、s，等熵膨胀温度效应其比值称为涡流管的冷却效率ηc。图2-2涡流管工作时的T-S图（2-2）用G1，Gc及Ghkg／S分别表示涡流管的高压气流以及从涡流管排出的冷气流及热气流的量，则(2-3)再用h1hc与hh分别表示它们的焓值，并忽略气体流进流出时的动能，则可写出涡流管热平衡式：G1h1=Gchc+Ghhh（2-4）将式（2－3）代入式（2－4），再将焓差用温差表示，令：Th——涡流管的加热效应μc=则热平衡式可以简化T1=μcTc+(1-μc)Th（2-5）μc=(2-6)将冷气流由Tc加热到T1所能吸收的热量即为涡流管的制冷量Q0=GcCp(T1-Tc)=μcG1Cp△Tc（2-7）因

7、而对于每千克冷气流的单位制冷量为q0=(2-8)涡流管性能指标中最重要的是冷却效应△Tc和单位制冷量q。。根据试验，这两个指标的数值是与下述因素有关：（1）气体分离程度：当冷气流分量Vc改变时△Tc及q。都相应地改变，而且在μc=内都有最大值存在。应用压缩空气作为工质，当μ0.30～0.35时，△Tc达最大值；当μc＝0.6，q0达最大值。三、实验流程、仪器、温度计流量测定1、温度测量本实验用专用程序在微机上