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涡流管内温度场的实验研究

纳鑫  
【摘要】:涡流管是一种把通入的高压气流分离为高温与低温气流的能量分离装置,涡流管结构简单,无运动部件,结构紧凑,使用广泛。目前对涡流管的制冷制热机理还没有统一深刻的解释。为了揭示这一热物理现象原理,提高能量利用率,有必要从实验的角度做进一步研究。目前对涡流管特性实验数据比较丰富,但关于涡流管内温度场的研究比较少见,并且大多研究针对的都是大流量涡流管,对小流量的涡流管很少涉及。本文以获得涡流管内冷热流体分离区域的温度特性为重点目标,对小流量涡流管的流场与温度场进行研究。小流量涡流管冷热分离区域可操作空间小,因此如何制作体积较小,对流场影响较小,测温准确的温度传感器,并合理安置温度传感器,来获得精准的温度场分布就成为了实验的难点。获得小流道空间内的温度分布,需要传感器具有较高的测量准确性和较快的响应特性,为此采用直径为30μm的铜丝和康铜丝,利用可控脉冲放电装置焊接制作了焊接接头直径为80μm型快速响应热电偶,并设计了配套的滤波放大电路。对自制热电偶进行了标定,在0-95℃(273.15~368.15K)内线性度达99.99%,动态响应时间为40 ms左右。设计制作了可以同时实现在柱坐标内精度为0.1度的角度调节和精度为0.01mm的径向调节的微动台,使传感器能够在涡流管轴向截面对角度和径向位置进行调节。以自制热电偶为重要测量设备,结合密封定位装置与微动台,以能量守恒定律为基础,搭建了测量涡流管内温度场测量的实验系统,并进行了大量实验研究工作。空气压缩机提供的常温压缩空气作为工质,调压过滤清洁压缩空气流入涡流管,膨胀分离成冷热两股气流,分别在涡流管进口和冷热两个出口测量冷热气流的流量、压强及温度,同时使用自制快速响应热电偶配合微动台,测得轴向某处截面上的温度分布。测得同一工况下温度沿径向位置变化具有较强规律性,在轴向截面内,得到温度场分布轮廓分明,变化明显。实验数据真实可靠,符合涡流管流体系统质量守恒定律以及能量守恒定律。使用Ansys对内插热电偶的涡流管内流体流动情况进行了模拟,发现内插热电偶使流场产生扰动,导致热电偶附近流场较为复杂,有可能会引起热电偶所测温度存在波动。这与实验所得情况相符合。


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