渦流管制冷技術(shù)組成及原理

　　渦流管制冷是一種借助渦流管的作用使高速氣流產(chǎn)生漩渦分離出冷、熱兩股氣流，利用冷氣流而獲得制冷方法。

　　渦流管制冷發(fā)展與應(yīng)用

　　Ranque是研究渦流管的第一人，在他早期研究過程中，他認(rèn)為內(nèi)旋氣體流的絕熱膨脹過程和外旋氣流的絕熱壓縮過程是產(chǎn)生渦流管產(chǎn)生能量分離效應(yīng)的根本原因。Hilsch認(rèn)為產(chǎn)生渦流管能量分離的原因還應(yīng)該包括外旋氣流層之間的粘性摩擦效應(yīng)。

　　渦流管沒有任何可移動(dòng)的部件，啟動(dòng)時(shí)間短，結(jié)構(gòu)簡單，只需壓縮空氣即可，使其在有特殊要求冷卻或制熱需求的領(lǐng)域，有著極為廣泛的應(yīng)用前景。其中不是由電帶動(dòng)，而是壓縮氣體帶動(dòng)的工作特點(diǎn)尤其適用于礦井。目前我國煤炭礦井熱害日益突出，渦流管制冷系統(tǒng)配合井下的氣動(dòng)風(fēng)機(jī)能為井下局部降溫多提供一個(gè)選擇。有企業(yè)的礦用氣動(dòng)風(fēng)機(jī)由井下0.6MPa的壓縮空氣驅(qū)動(dòng)。氣動(dòng)風(fēng)機(jī)氣馬達(dá)所需的工作壓力為0.2 MPa，目前0.6 ～0.2MPa的降壓由降壓閥控制，如果將這部分壓力用于制冷能獲得一舉兩得的效果。

　　充分地認(rèn)識(shí)渦流管內(nèi)部流場(chǎng)以及其溫度場(chǎng)，對(duì)于揭示渦流管內(nèi)部的深層物理機(jī)制具有十分重要的意義。但是渦流管內(nèi)部的能量分離現(xiàn)象則極為復(fù)雜，至今仍沒有一種精確的理論能夠解釋其能量分離機(jī)制。理論分析是必要的，近年來，計(jì)算流體力學(xué)已廣泛應(yīng)用于各種流場(chǎng)和溫度場(chǎng)的數(shù)值模擬，利用數(shù)值模擬方法可以更加系統(tǒng)深入地研究渦流管中的復(fù)雜流動(dòng)和能量分離效應(yīng)。

　　渦流管制冷工作原理

　　渦流管主要由由噴嘴、渦流室、冷端管、熱端管及熱端調(diào)節(jié)閥組成(如圖1所示)。其制冷過程溫熵圖如圖2所示。

　　圖中p0、p1、p2分別為環(huán)境大氣壓、噴嘴出口壓力、空壓機(jī)出口壓力，ΔT1為實(shí)際溫降，ΔT2為理論最大溫降。1－2－3－4－1為理想渦流管的制冷循環(huán)，其面積為理想渦流管制冷量，環(huán)境空氣進(jìn)入空氣壓縮機(jī)等溫壓縮，后經(jīng)噴嘴的節(jié)流過程，進(jìn)入渦流管絕熱膨脹，最終排出冷熱端管。

　　圖中2－3'為實(shí)際噴嘴節(jié)流降溫過程，過程中摩擦等損失使焓值增加，3'－4'為實(shí)際渦流室中氣體膨脹降溫過程，其膨脹效率介于絕熱膨脹與絕熱放氣之間，焓減小一部分轉(zhuǎn)化為氣體的推動(dòng)功，因而其制冷效率總是比理想節(jié)流的等焓過程高。1－2－3'－4'－1為實(shí)際渦流管制冷循環(huán)，其面積為實(shí)際渦流管制冷量。2－5為等焓線，1－2－5過程為單一利用空氣壓縮機(jī)出口氣體進(jìn)行節(jié)流制冷循環(huán)的制冷量。從圖可以發(fā)現(xiàn)理想及實(shí)際渦流管總的制冷量總是比單一運(yùn)用節(jié)流效應(yīng)制冷的制冷效率高。

　　渦流管常用氣體及特點(diǎn)

　　常用氣體：

　　常用氣體是空氣、二氧化碳、氮?dú)獾取８邏簹怏w為常溫時(shí)，冷氣流的溫度可以達(dá)到-10~-50°C，熱氣流的溫度達(dá)到100~130°C。

　　渦流管的特點(diǎn)：

　　產(chǎn)生的冷氣最低可達(dá)到零下46℃，并且沒有運(yùn)動(dòng)的部件

　　1.低成本，免維護(hù)

　　2.溫度從-50°F to 到260°F (-46° to+127℃)

　　3.流量速率從1 到 100 SCFM (28 to 4248 SLPM)

　　4.制冷量最大可以達(dá)到6000 Btu/hr. (1512 Kcal / hr.)

　　5.采用高強(qiáng)度的不銹鋼材質(zhì)制造，抗腐蝕，抗氧化，抗高溫

　　6.不用電、不用任何化學(xué)物質(zhì)、沒電火花產(chǎn)生

　　7.體積小、重量輕、防沖撞

　　8.產(chǎn)冷氣迅速，并可通過閥門快速調(diào)節(jié)

　　總結(jié)

　　(1)渦流管總的制冷量總是比單一運(yùn)用節(jié)流效應(yīng)制冷的制冷效率高;

　　(2)渦流管內(nèi)實(shí)際流場(chǎng)由軸向，徑向和漩渦運(yùn)動(dòng)組成，，其流動(dòng)形態(tài)在軸向上為阿基米德螺線，在橫截面上為強(qiáng)制渦—自由渦的模型;

　　(3)渦流管內(nèi)流體能量的分離主要發(fā)生在渦流室區(qū)域附近，且氣體從噴嘴出來后有少量直接進(jìn)入冷端孔與冷氣流混合，從而影響渦流管制冷效率。