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1、涡流管制冷器的原理及应用浙江大学低温工程教研室孙国华陈国邦,、、,涡流管制冷器是50年代发展起来的制冷设备它具有结构简单紧凑无运动部件等优点可在气体液化、天然气和石油气纯化、仪表冷却和航空空调等领域应用。近年,许多国家在从事该技术的研究开。、制冷原理及应用前景。发工作木文介绍了涡流管制冷器的结构管、冷气管、涡流室、喷嘴、隔板、调节_、,.目‘.J~阀挡块及壳位等组成涡流管的工作过程、月lJ舌一,经喷为压缩气体(空气等)进入进气管嘴,以亚音速涡流管制冷器的原理首先由法国人兰克膨胀后或超音速沿切线方向进入,
2、,(Rangue)于,涡流室形成自由涡流经过动能交换分成2933年提出故有兰克管之,。,温度不同的两部分通过隔板中心孔流出的称它有逆流和顺流两种基本类型(图1,。图2)“〕1947年Hilseh的研究使涡流管制气流是冷气流边缘部分的气体经调节阀流。,,出的是热气流因此涡流管可同时获得冷器成为一种有用的制冷机但由于其热效、。。,冷热两种效应率低没有得到应有的重视近年来经过不、。,.涡流室介于冷热气管中间兰克最初断研究和改进使绝热效率提高到0235以。上,,,的涡流管是逆流型的涡流室长度(吟嘴面川加之它的结
3、构简单造价低廉无运。,动部,,,到热气管出口)为直径的50倍后来其他件采用低压气体制冷工质因而成,。,、研究者在热气管的末端加上挡块涡流室的为有发展前途的制冷器过去几年法国3,、、、、、长度可减小为只有直径的~10倍而不影印度日本苏联美国丹麦荷兰和英。响制冷性能涡流室的内部形状以阿基米德国等许多国家都在从事涡流管制冷器的研究,。,,、螺旋线为最好但加工要求高例如据报和开发工作并在气体液化天然气和石油,,、、。道经研磨的涡流室可使制冷效率提高气纯化仪表航空等工业部门获得应用10,arueer,涡流%但Pl
4、k在涡流室内开了一条研究表明管制冷器的单级最低制冷温,,。一7O〔.〕,V型槽结果反而使温降减少了10~20%度可达5C将其用于制冷温度低于,一300。喷嘴的形状对制冷性能的影响也很大C是可取的Eckete,和Hartnt的研究发现温降与喷嘴。、面的切向速度的二次方成正比喷嘴以单槽二结构原理,4。aa或双槽形为最好如图所示Takahm在,一根涡流室长度为50倍直径的涡流管上采涡流管制冷器的结构如图3所示主要,。、用了如图4a的喷嘴效果很好喷嘴直径由压缩气源(压缩机或高压气瓶)热气一44一一0.2,0.5
5、~,与管径之比为马赫数在1之间。但喷嘴的设计不能超过声速图4b是一种_。//,IL_忆矛图5针形U月节阀图1逆流型茄子二二二二二粤图6转90安装的针形阀改进的,,形式称作渐开线型喷嘴图4c为图2顺流型〔“〕。轴对称圆柱形喷嘴在涡流室的一侧是带,中心孔的隔板隔。板之外是冷气管隔板能有效地防止热流体。从冷气管中流出涡流室的另一侧是热气,,、管管的末端装有调节阀用来调节冷热。气流的比例图石是一种结构最简单的针形。,调节阀它只适合于长涡流管并且不需要。,,挡块对于短涡流管选用球形阀较好采。用针形阀会使温降减
6、小但若把针形阀转。,‘“〕。图3涡流管制冷器的结构90安装(图6)效果比用球形阀更好.,.,.,.,1冷气管2涡流室3密封圈4螺母安装挡块是为了适当减短涡流管的长.,.,,。。5热气管6调节阀7喷咀8高压接头,,,度使结构紧凑节省材料且又不影响其’。一-制冷性能,长冷气管在隔板之外度一般只有热气。管的三分之一冷气管有圆柱形和渐开形。,、才等热气管置于隔板的另一侧有圆柱形。叮渐开形和放缩形等确三、工作机理涡流管的,传热和流动机理比较复杂以。下是一种比较简单的解释污,经,图4喷嘴形状从气源来的高压气体喷嘴膨
7、胀后一45一。相对制冷效率几乎以自由涡流形式进入涡流室在涡流室,,.,内气流的边界角速度很小但近中心点角/T、2e。::21一一。,(TT)灭)速度很大由于粘性力的作用最终使所有一不月卜诺二终石冲飞7P;=卜丁乙(2)。,丽了几丁全丁气流的角速度相等因此气流在向前流动下f“‘丁的过,,程中内层气流速度逐渐降低外层气,::、,。。,式中T是从PT可逆绝热膨胀到P的流速度则逐渐增大也就是说功从内层传。,内层气流,,温度向外层膨胀作功温度降低外。,制冷温度一定时的制冷效率层气流的温度则开始升高与此同时热量。也
8、向,,如果要从一温度恒为T的热源中提取内层中心传递但比功的传递来得慢热量,效率为内层供给外层的动能足以补偿由于摩擦和传。度固定=。(3),、鱼之热所产生的热流所以内层气流温度逐渐”,‘四‘尸热RT域,Tol书n(华P,/蒸P。延)。,降低反之外层气流获得的动能比其失去,、=。;,,由式(3)可知当TT或T时效的热能多且这些动能在热气管中由于摩擦,。,。率为零不可能制冷最终转化为内能使外层气流的温度升高此,,若与兰克管对比的为一可逆绝热的透平
