新型徑軸向混合填充式回?zé)崞鞯牧鲃幼枇?shí)驗(yàn)

王 強(qiáng) 陳 曦 劉業(yè)鳳 馬詩旻 郭永飛 張安闊

1 引言

目前回?zé)崾綒怏w制冷機(jī)用回?zé)崞靼刺盍咸畛浞绞酱笾驴煞譃槿?第一類是徑向填充，包括絲網(wǎng)型回?zé)崞鳌u開線式薄片回?zé)崞?、螺旋型盤式回?zé)崞鳎?-3］;徑向填充回?zé)崞鲀?yōu)點(diǎn)是填充方式簡單易控，回?zé)崞鲀?nèi)的流動比較均勻，軸向?qū)釗p失小;缺點(diǎn)是流動阻力損失大，一般空隙率較大，空容積損失大。第二類是軸向填充，包括平行絲型回?zé)崞鳌⒈∑交責(zé)崞鳌⑽g刻金屬薄片回?zé)崞鳎?-6］;軸向填充回?zé)崞鲀?yōu)點(diǎn)是流動阻力損失小，空隙率可設(shè)計(jì)的較小，空容積損失小，缺點(diǎn)是軸向?qū)釗p失一般較大，回?zé)崞鲀?nèi)的流動不均勻，在大溫差沖擊下易變形。第三類是隨機(jī)絲型回?zé)崞鳎?］以及堆疊球體式回?zé)崞鳎?］。第三類回?zé)崞鞯奶盍蠠o規(guī)則結(jié)構(gòu)，一般流動阻力和軸向?qū)釗p失較大，在一般情況下使用較少。

考慮到徑向填充和軸向填充的優(yōu)缺點(diǎn)是互補(bǔ)的，因此可以把二者結(jié)合起來，設(shè)計(jì)一種新型徑軸向混合填充式回?zé)崞鹘Y(jié)構(gòu)，其中徑向填料由緊密層疊的不銹鋼或磷青銅絲網(wǎng)填充而成，軸向填料由一束緊密排列的小絲徑不銹鋼絲束或絲網(wǎng)卷裹填充而成。回?zé)崞鹘Y(jié)構(gòu)模型如圖1所示。

圖1 新型徑軸向混合填充式回?zé)崞鹘Y(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of novel cryocooler regenerator with combined radial and axial filling

為了進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對比，分別制作了層疊絲網(wǎng)式、平行絲式、絲網(wǎng)卷裹式及新型徑軸向混合填充式4種結(jié)構(gòu)回?zé)崞?。測試4種回?zé)崞鲀啥藟航岛屯ɑ責(zé)崞鞯牧髁?，通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析對比得出新型徑軸向混合填充式回?zé)崞鞯牧鲃犹匦?，便于?yōu)化新型徑軸向混合填充式回?zé)崞餍阅堋?/p>

2 穩(wěn)態(tài)流動特性實(shí)驗(yàn)測試裝置

穩(wěn)態(tài)流動特性測試系統(tǒng)主要由自主設(shè)計(jì)的回?zé)崞魈住翰钭兯推?、壓力傳感器、玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)等裝置構(gòu)成，結(jié)構(gòu)如圖2所示。

在穩(wěn)態(tài)流動特性測試系統(tǒng)中，工質(zhì)氣體經(jīng)過氣罐減壓閥減壓后流經(jīng)裝配在回?zé)崞魈變?nèi)的回?zé)崞魈盍?，最后工質(zhì)氣體流經(jīng)玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)。壓差變送器測量回?zé)崞鲀啥藟航?，壓力傳感器測試回?zé)崞鬟M(jìn)口的壓力大小，通過讀取流量計(jì)讀數(shù)得知工質(zhì)氣體流量值大小。

圖2 穩(wěn)態(tài)流動特性測試系統(tǒng)示意圖Fig.2 Schematic diagram of test system for steady flow properties

測試了4種回?zé)崞鹘Y(jié)構(gòu)，特征參數(shù):回?zé)崞髦睆紻、填充長度L、空隙率ε、比表面積a、水力直徑rh，如表1所示。

表1 4種回?zé)崞魈卣鲄?shù)Table 1 Feature parameters of four type of regenerators

3 穩(wěn)流測試結(jié)果分析

分別采用N2、He為氣體工質(zhì)，以不同的體積流量流經(jīng)四種回?zé)崞鹘Y(jié)構(gòu)的壓降進(jìn)行了測試。工質(zhì)氣流壓力維持在300 kPa左右，工質(zhì)溫度為(20±1)℃。

3.1 不同結(jié)構(gòu)形式填料內(nèi)的壓降與工質(zhì)氣體體積流量關(guān)系

分別采用N2、He為工質(zhì)氣體時(shí)，單位長度填料內(nèi)工質(zhì)氣體的壓降與工質(zhì)氣體體積流量的關(guān)系，具體如圖3、圖4所示。

圖3 不同結(jié)構(gòu)形式填料內(nèi)的N2壓降Fig.3 Pressure drop of N2 under different regenerator matrix structures

圖4 不同結(jié)構(gòu)形式填料內(nèi)的He壓降Fig.4 Pressure drop of He under different regenerator matrix structures

由圖3、圖4可知，隨著工質(zhì)氣體體積流量的增加，填料內(nèi)工質(zhì)壓降也逐漸增大;對4種結(jié)構(gòu)形式回?zé)崞?，在相同的工質(zhì)體積流量下，單位長度填料內(nèi)的工質(zhì)壓降最大為層疊絲網(wǎng)式，最小為平行絲式，徑軸向混合填充介于二者之間;由于N2與He間密度和動力粘度的差異，對同一回?zé)崞?，采用N2為工質(zhì)時(shí)回?zé)崞鲉挝婚L度填料內(nèi)的工質(zhì)壓降是采用He時(shí)的1.6—2.2 倍。

3.2 不同結(jié)構(gòu)形式填料內(nèi)的流動阻力系數(shù)與工質(zhì)氣體體積流量關(guān)系

流阻系數(shù)反映了填料結(jié)構(gòu)形式、填料尺寸、工質(zhì)物性、工質(zhì)流量大小等因素對工質(zhì)流動阻力的影響，回?zé)崞鲀?nèi)工質(zhì)氣體的穩(wěn)態(tài)流動阻力系數(shù)f可表達(dá)為:

式中:ΔP為工質(zhì)流動壓降，Dh為填料的水力直徑，ρ為工質(zhì)氣體密度，L為回?zé)崞魈盍祥L度，mAf為單位流通面積內(nèi)的質(zhì)量流量，Af為自由流通面積，qV為工質(zhì)體積流量，D為回?zé)崞髦睆?，ε為回?zé)崞骺紫堵省?/p>

由式(1)可知，工質(zhì)氣體的穩(wěn)態(tài)流動阻力系數(shù)f可由反映回?zé)崞鹘Y(jié)構(gòu)特性的水力直徑Dh、孔隙率ε、長徑比L/D等回?zé)崞鹘Y(jié)構(gòu)參數(shù)和工質(zhì)流量qV及工質(zhì)壓降ΔP等參數(shù)計(jì)算而得，結(jié)合所制作4回?zé)崞鞯慕Y(jié)構(gòu)參數(shù)和所測工質(zhì)流量qV、工質(zhì)壓降ΔP等參數(shù)，得到各結(jié)構(gòu)形式回?zé)崞鲀?nèi)工質(zhì)穩(wěn)態(tài)流動阻力系數(shù)f與工質(zhì)類型、工質(zhì)體積流量間的關(guān)系情況，具體可見圖5、圖6。

圖5 不同N2流量下的流動阻力系數(shù)fFig.5 Flow friction factor f under different volume flow of N2

圖6 不同He流量下的流動阻力系數(shù)fFig.6 Flow friction factor f under different volume flow of He

由圖5、圖6可知，隨著工質(zhì)體積流量的增加，各回?zé)崞鞯姆€(wěn)態(tài)流動阻力系數(shù)f均有所減小，當(dāng)工質(zhì)體積流量小于1.75 m3/h時(shí)，穩(wěn)態(tài)流動阻力系數(shù)f隨流量不同而變化的幅度較大，體積流量大于1.75 m3/h時(shí)，穩(wěn)態(tài)流動阻力系數(shù)f隨流量變化的幅度變小;在N2體積流量相同的條件下，4種回?zé)崞髦蟹€(wěn)態(tài)流動阻力系數(shù)f從大至小依次是層疊絲網(wǎng)式、徑軸向混合填充式、絲網(wǎng)卷裹式、平行絲式;由于N2與He間密度、粘度等物性有較大差別，在相同體積流量下，以He為工質(zhì)的穩(wěn)態(tài)流動阻力系數(shù)f是以N2為工質(zhì)時(shí)的3.4—3.6 倍。

3.3 不同結(jié)構(gòu)形式填料內(nèi)的穩(wěn)態(tài)流阻系數(shù)與雷諾數(shù)關(guān)系

回?zé)崞鞯姆€(wěn)態(tài)流動阻力系數(shù)f與單位長度填料內(nèi)工質(zhì)壓降ΔP/L及回?zé)崞鲀?nèi)工質(zhì)流動的雷諾數(shù)Re之間的關(guān)系式:

由式(2)可知，回?zé)崞鞣€(wěn)態(tài)流動阻力系數(shù)f由回?zé)崽盍系慕Y(jié)構(gòu)參數(shù)水力直徑Dh、工質(zhì)的物性參數(shù)密度ρ和動力粘度μ、代表流動性能的工質(zhì)壓降ΔP和雷諾數(shù)Re三個(gè)主要方面的因素共同決定。根據(jù)所制作四種回?zé)崞鞯木唧w結(jié)構(gòu)參數(shù)和工質(zhì)體積流量、工質(zhì)流動壓降等參數(shù)，結(jié)合式(2)可得到不同雷諾數(shù)Re下各回?zé)崞鞯姆€(wěn)態(tài)流動阻力系數(shù)f變化曲線，具體可見圖 7、圖 8。

圖7 N2在不同Re下的穩(wěn)態(tài)流阻系數(shù)fFig.7 Steady flow friction factor f of N2 under different Re

由圖7、圖8可知，隨著工質(zhì)雷諾數(shù)Re的增加，各回?zé)崞鞯墓べ|(zhì)穩(wěn)態(tài)流動阻力系數(shù)f均有所減小，當(dāng)工質(zhì)N2雷諾數(shù)Re小于25時(shí)，穩(wěn)態(tài)流動阻力系數(shù)f隨雷諾數(shù)Re變化其改變幅度較大;對比圖7右端和圖8左端相近大小雷諾數(shù)所對應(yīng)的穩(wěn)態(tài)流動阻力系數(shù)值f可知，盡管N2與He物性差別較大，但同種回?zé)崞鲀?nèi)工質(zhì)流動的雷諾數(shù)Re大小相近時(shí)所對應(yīng)的f幾乎相同，故可知回?zé)崞鞣€(wěn)態(tài)流動阻力系數(shù)f主要與回?zé)崞鹘Y(jié)構(gòu)形式和工質(zhì)雷諾數(shù)Re有關(guān)，受工質(zhì)種類的影響不大。

圖8 He在不同Re下的穩(wěn)態(tài)流阻系數(shù)fFig.8 Steady flow friction factor f of He under different Re

4 結(jié)論

(1)在工質(zhì)體積流量相同的條件下，新型回?zé)崞鞯姆€(wěn)態(tài)流動阻力系數(shù)f小于層疊絲網(wǎng)型回?zé)崞?，而大于絲網(wǎng)卷裹型回?zé)崞骱推叫薪z型回?zé)崞?

(2)在相同體積流量下，以He為工質(zhì)的穩(wěn)態(tài)流動阻力系數(shù)f是以N2為工質(zhì)時(shí)的3.4—3.6倍;

(3)回?zé)崞鞣€(wěn)態(tài)流動阻力系數(shù)f主要與回?zé)崞鹘Y(jié)構(gòu)形式和工質(zhì)雷諾數(shù)Re有關(guān)，受工質(zhì)種類的影響不大。

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