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涡流制冷应用

气体涡流制冷原理及应用

摘要:涡流管是利用一种能够把压缩气体分离为冷热两股温度不同气流的简单装置。由于这种装置具有结构简单,占用空间小,无运动部件,造价低廉,操作、维修极为简单,运行可靠,寿命长等优点,已被应用到许多领域如气体液化、天然气和石油气纯化、仪表冷却和航空空调等。随着科学技术的日新月异,气体涡流制冷技术将会发挥越来越重要的作用。

关键词:涡流管、制冷原理、应用

The principle and application of refrigeration using a

vortex tube

Abstract: A vortex tube is a simple device which can separate the compressed gas into hot and cold airflow. Because the vortex tube has many advantages such as simple structure, little space occupation, no moving parts, low cost, easily operate and maintain, reliable operation, long life expectancy and so on, now it has been applied to many fields such as gas liquefaction, natural gas and petroleum gas purification, instrument cooling and air conditioning system in the airport. With the rapid development of science and technology, gas vortex refrigeration technology will play an increasingly important role.

Keywords: vortex tube, refrigeration principle, application

1 引言

早在1931年, 法国工程师Ranque 就发现了漩涡气流处于中心部位的气流温度低而处于外缘部分的气流温度高的所谓的“涡流效应”。二次世界大战之后, 在物理学家Hilsh于1946年发表自己的研究成果以后,引发了一场研究气体涡流制冷的革命。人们常把专门产生涡流效应的设备多数管子称为涡流管。尽管涡流管的结构和操作非常简单,但其内部过程却极为复杂,它体现在能量分离机理尚不完全清楚,流动过程中所包含的动量传递和热量传递是如何进行的一直得不到令人满意的解释,因而,有人把涡流管效应称之为“一个非常奇妙而令人困惑的现象”。

但涡流管制冷具有设备简单, 维护方便, 使用灵活, 对气体纯度要求不高, 在可利用工业废气获得廉价压缩气体的场合, 使用涡流制冷将是方便和经济的。

2 涡流管

2.1 涡流管的结构

涡旋管是一个构造比较简单的管子,如图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

而分离成两部分是在涡流管的涡流室内进行。涡流室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,其连接可以有不同的方法。

涡流制冷应用

涡流制冷应用

图1 涡流管结构及工作过程示意图

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),它与喷嘴中心线的距离大约为管子内径之半。分离孔板之外即为冷端管子。热端装在分离孔板的另一侧,在其外端装有一个控制阀,控制阀离开涡室的距离约为管子内径的10倍。控制阀的开度可以用手动调节。

2.2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,也可以用其他气体如二氧化碳、氨等)进入喷嘴内膨胀以后以很高的速度切线方向进入涡流室,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,即冷气流;边缘部分的气体从另一端经控制阀流出,即热气流。所以涡流管可以同时得到冷热两种效应。有研究者试验得知当高压气体的温度为室温时冷气流的温度可达(-50~-10)℃,热气流的温度可达(100~130)℃。控制阀是用来改变热端管子中气体的压力,因而可调节两部分气流的流量比,从而也改变了他们的温度。

3 涡流管的应用

自上世纪六十年代以来,世界上许多国家特别是法国、德国、加拿大、苏联、美国、日本、丹麦、荷兰、英国等发达国家的科研机构、大学和许多公司对涡流管进行了大量的试验和理论方面的研究工作,涡流管在许多工业部门得到了应用,并有一些从事生产涡流管的专业化工厂,如美国就有V ortec公司、Exxair公司和Transonic公司等。一些发展中国家如印度和埃及等也在积极从事这方面的研究工作。

作为一种制冷装置,目前涡流管效率还有待提高。然而,在蒸汽压缩式制冷机、吸收式制冷等的应用受到限制以及小流量的场合,涡流管却往往扮演着重要的角色。在压缩气源容易获得时,体积小、重量轻的涡流管成为提供小型制冷能力的有效装置。此外,涡流管还在其他方面如制热、天然气分离方面有较广泛的应用。

3.1 工业冷却

(1)在机械加工中可替代冷却液,用于提高生产效率、工作精度、光洁度和工具寿命,且无污染。不需使用冷却剂,用低温空气来冷却,不会有烟雾及高温热度,使工作环境变差。机械加工时刀具温度上升,会加速磨损,使用低温空气冷却除可防止刀具破损,防止切削粉屑附着于刀具上。钻孔加工时钻头寿命的延长。

(2)冷却电气控制柜,以防止设备过热引起的设备控制失灵,使设备可靠运行。控制盘内因热造成电气、电子控制组件之损害,与使用送风机或冷煤设备相比较,可保持盘内较干燥与环境清洁,并减少粉尘产生与无维修问题困扰。

(3)摄像机防护罩内部制冷,可用于高温环境下摄像机冷却装置,结构简单、节能。高温炉熔接装置等感应器或电气系统冷却。工业用照相机冷却。等电子部件测试时冷却。

(4)用作恒温仪,提供实验室样品试验所须低温,可制成实验室用恒温水槽。恒温器的精确度测试时冷却。

(5)工业焊缝制冷,高效、方便。产生的冷空气能通过导管对发热电机、部件、切割刀具、高温镜头、、光融产品、变频控制柜等快速降温,保护设备,提高工艺质量,缩短流程时间。可用于防爆工业监视和高温工业监视系统。

(6)用于等离子喷涂,可防止因喷涂点上产生的高温可导致的涂层脱落、氧化,可改善涂层质量。

(7)缝制作业时缝纫车针冷却,避免缝制时断线;塑料容器加工时防止软化;电子部件焊接作业时的急速冷却;塑料板熔接后冷却等。

3.2 航空和地面交通运输工具冷却

涡流制冷应用

图2 飞机的座舱空调系统流程图

涡流制冷应用

图3 飞机上用涡流管代替膨胀机

高速透平发动机飞机的座舱空调系统的冷源通常用图2所示的方法获得,从气体透平发动机主压缩机的适当部位抽出压缩空气,用空气冷却,然后进入压缩机第二次压缩、冷却,再进入透平膨胀机降压降温,这样就得到了所需的冷气。图3所示为飞机上用涡流管取代透平膨胀机的制冷系统流程图,使用涡流管效率相对低一些,但它可

极大减轻和减少飞机所携带设备的重量和尺寸,并提高了空调系统的可靠性,这对飞机来讲具有极为重要的意义。且涡流管产生的热气流可用于除冰。对于军用飞机要调温的座舱很小,涡流管与其他制冷装置相比更显示出优越性。

3.3 热点效应发电

在遥远、偏僻的地方需要使用电子仪表,但是电源又很不方便,所以需要小型的发电器。把Seebeck效应和涡流管效应应用联合起来,就可以得到一个空气驱动的没有运动部件的发电机。从涡流管出来的冷热气流导入热电发电模块中,产生低压的直流电。图4是一个发电器的原理图,热电发电器是一个半导体的热电制冷模块。该发电器只能提供几百毫瓦、数伏特的直流电。

由于提高涡流管的入口压力可以增加出口冷热气流的温差,而高的温差Seebeck 效应可以产生高的电压,所以压缩空气的压力和输出电压是正相关。当然,涡流管和热电发电的效率都是很低的,所以联合效率更低,只能在很特殊的场合下才可以用到。

涡流制冷应用

图4 热电发电器

3.4 分离应用

天然气或石油气在供用户使用之前, 要除去水份及一些重烃, 以免沸点高的烃类冷凝而堵塞管路, 可采用节流的办法把天然气降至较低的压力和较低的温度来使重烃冷凝,但用涡流管却更为有效。因为涡流管具有高的离心力,所以有很强的分离能力。凡是在涡流管中形成的气液都可以分离。混合烃的分离,天然气的除水,合成氨尾气中的氨回收,仪表气系统的冷凝物分离,同位素分离等。

3.5 特殊用途

一家英国公司曾制成一套供气服, 操作人员穿上该服, 可在有毒气、烟气和灰尘的环境中长时间工作。该供气服用涡流管加热或冷却供气温度, 操作简便, 重量轻, 结构紧凑, 是一种较理想的防护服。

当然,涡流管制冷还有其他方面的应用, 如在医疗方面可用于生物冷冻、表皮处理、外科、内科手术等。目前, 虽然有的在技术上还存在困难, 但毋庸置疑, 涡流管制冷器的应用将会日益广泛。今后的研究方向应是进一步改善涡流管制冷器的性能和制冷效率。

4 结论

涡流管是利用一种能够把压缩气体分离为冷热两股温度不同气流的简单装置。由于这种装置具有结构简单,占用空间小,无运动部件,制造容易,造价低廉,操作、维修极为简单,运行可靠,寿命长,适应范围广,可进行连续操作和间歇操作,允许进气

参数变化具有较大的范围等优点决定了它在许多领域具有它的独到之处,经过这些年来世界各国对涡流管技术的研究与开发,涡流管在制冷、空调、分离等众多领域取得了广泛的应用。它在很多场合发挥了独特的制冷、制热、气体分离等功能。

随着科学技术的日新月异,新兴技术对制冷技术会提出更高的更新的要求,涡流制冷技术将会发挥越来越重要的作用。当前迫切要求深入开展研究, 特别是开展理论和试验的研究, 以便完善设计方法, 提高制冷效率, 同时更应积极开展应用研究, 提高其应用效果。参考文献

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