多級氣波制冷機的製作方法

2023-12-06 00:21:01

專利名稱：多級氣波制冷機的製作方法
技術領域：
本實用新型屬於壓力氣體的膨脹製冷技術領域。
利用氣體的壓力膨脹製冷，可以取得比用工質循環製冷更低的低溫，在混合氣體的液化分離、石油氣中回收輕烴、天然氣液化以及產生低溫冷氣流源等領域應用廣泛。除透平膨脹機之外，較低轉速(每分鐘1000～3000轉)的熱分離機和氣波制冷機等以其操作維護簡便、可靠性高等優點而佔有一席之地。
熱分離機和氣波制冷機靠壓力氣體射流依次對各根末端封閉的接受管內的瀦留氣做不定常膨脹功，在瀦留氣中產生壓縮波與激波，轉化成熱散出；壓力氣體射流因膨脹作出功而減少了能量，使得自身變冷。這類制冷機憑此機理特點能夠在較低的轉速下高效地工作，從而避免了象低溫透平膨脹機那樣必須在高轉速下工作的一系列不便。
但目前的熱分離機類和氣波制冷機均屬於一次不定常膨脹製冷(象中國專利87101903.5，89213744.4，90222999.0等)，其適合的膨脹比一般均不大於4。如果需要更大的製冷溫降，或者有很高的餘壓可供利用，它們便不能適應，主要表現為等熵製冷效率急劇降低，其製冷溫降隨膨脹比的增加只有微小的增大。究其原因是由於這類機器的製冷原理所限制的，故沒有多大改進的餘地。
採用多臺機串聯製冷，則每一臺機的膨脹比可大為減小，雖可以滿足大膨脹比的要求，但投資要增大，佔地要增加，且很可能匹配不好，使總體製冷效率提不高。
本實用新型的目的就是要提供一種在大膨脹比工況下仍能保持甚至提高製冷效率的單體不定常膨脹制冷機——多級氣波制冷機。
本實用新型多級氣波制冷機的技術解決方案為在機器的結構上，使壓力氣體在機內進行兩次或者多次不定常膨脹，即形成單機多級。則每一級的膨脹比即可大為減小，各單級製冷效率可以顯著提高，從而使整機效率隨之提高。
該機只用一套轉動軸件，但相應地卻裝有兩個或兩個以上同速旋轉的氣體射流分配器(以流道軸線或與軸線有一小角度的線段為旋轉半徑或為旋轉母線，作圓周運動的旋轉噴嘴)，和具有兩組或兩組以上輻射排列或圓周排列的數米長的末端封閉的接受管(接受管的中後段外壁散熱)，從第一射流分配器噴射出的氣流先進入第一組接受管中不定常膨脹，對接受管內的瀦留氣做功而製冷，製冷氣返出接受管後再導入第二分配器中，從該分配器射出的氣流再進第二組接受管，製冷後再返出，依次類推。這樣，氣體經過兩次或兩次以上膨脹製冷後，可以產生很大的溫降。
採用多級膨脹製冷，則每一級的膨脹比便可以控制在2～3之間，這對於非定常膨脹制冷機是最為適宜的。而為了進一步提高對應此膨脹比值下各級的製冷效率，本實用新型多級氣波制冷機的技術解決方案還包括以下幾點結構特徵1.為減少欲製冷射流氣與接受管內瀦留氣之間的摻和，提高射流進入接受管入口時的等熵性，旋轉氣體射流分配器噴嘴出口的開口形狀為沿旋向前端寬出的象形T字形而不為矩形，該T字形的對稱軸線與旋轉射流分配器的旋轉緯線平行。
2.為減小從接受管返出的已製冷氣流的流動損失，其流出所碰到的旋轉射流分配器的非噴氣圓周弧段設計成比噴嘴口旋轉半徑縮小的圓錐或曲圓錐面，其母線與旋轉軸線成35～55°角，製冷氣流經其錐面反射70～110°角後導出。
3.為取得較好的管口瞬時邊界條件，能與接受管內的運動波系相匹配，提高製冷效率，本實用新型氣波制冷機旋轉射流分配器噴嘴出口開口沿旋向的前部和後部都設置了一段依次旋轉封擋接受管口的圓周弧面。
由於採用多級膨脹，克服了該類非定常膨脹制冷機在一次大膨脹比下所不能避免的射流在接受管入口處的急劇增加的能量損耗，因此其總體製冷效率比一次膨脹型機大為提高；加之研究採用了適宜於小膨脹比工況的射流噴嘴開口形狀，和適宜於返出氣流流動的反射圓錐或曲圓錐面，以及旋轉封擋接受管口的圓周弧面所造成的適宜邊界條件，更進一步地提高了每一級的製冷效率。
由於該多級膨脹制冷機為單體機，故可比多機串聯節省許多投資和佔地，且可以設計成各級都具有最佳的匹配狀態，不但穩定高效，而且可靠性強。


圖1為實施本實用新型技術方案的一種雙級氣波制冷機的總體結構簡圖。
圖2為本實用新型氣波制冷機的一種旋轉氣體射流分配器(包括其上噴嘴出口的開口形狀、噴嘴前部和後部的封擋接受管口的圓周弧面以及非噴氣圓錐形圓周弧段)的簡圖。
以下結合附圖對本實用新型的實施例做進一步詳細的描述見
圖1，實施本實用新型的一種雙級氣波制冷機由機殼(19)、兩端蓋(12)(20)、轉軸(10)、滾動軸承(11)(21)、第一和第二旋轉射流分配器(4)(7)、旋轉動密封(13)(16)(18)、兩組輻射排列的接受管(5)(8)以及機架(14)所組成。其中，轉軸設有兩段空心軸段，空心軸段的圓周壁開孔，使氣體能夠流進和流出空心流道，以將機內空腔中的氣體導入旋轉射流分配器中；旋轉射流分配器上對稱布置有2～4個噴嘴流道，其噴嘴出口開口於分配器的外圓弧段的圓周面上，從軸向投影面看，流道軸線與徑向成一定的角度，射流分配器與轉軸以每分鐘1000～5000轉同速轉動；每組接受管的數量為20～100根，各管的末端封閉，開口端固裝於機殼圓周面上朝向圓心(徑向)或朝向略偏於圓心的鑽孔(孔數量與接受管數量相等)上，管的內孔與機殼鑽孔對位成光滑連續流道，每一組中各接受管的管長基本相等，管長為1.5～4.5米；機殼鑽孔處的內圓直徑略微大於射流分配器上噴嘴出口開口處外圓弧段的直徑。
壓力氣體由機身入口(1)進入機內空腔(3)，從轉軸(10)的圓周開孔進到空心軸段(2)而導入第一旋轉射流分配器(4)中，從其上的噴嘴口噴出的高速氣流依次輪流入射到第一組各接受管(5)中，按圓周排列順序對各管內的瀦流氣體做不定常膨脹功，通過在瀦流氣中產生壓縮波和激波將功轉化成熱量通過管壁向外界散發；其後射流分配器噴嘴依次轉離各個管口，膨脹做功製冷後的氣體便依次從第一組各接受管口返出，在射流分配器(4)的非噴氣圓周弧段(其瞬時對位的各接受管口不被封擋而排出製冷氣)的圓錐弧面(見圖2的(5)和(1))上反射約90°後進入空腔(17)，完成了一級膨脹製冷。然後，氣體再從空腔(17)所對空心軸段的圓周開孔進到該軸段的空心流道(6)而被導入第二二旋轉射流分配器(7)中，再通過其上的噴嘴口依次輪流射入第二組接受管(8)中，進行與第一級同樣的製冷過程。最後，完成製冷的氣體進入空腔(15)，然後從出口(9)流出。
為提高各級在小膨脹比下的製冷效率，本實用新型氣波制冷機的旋轉射流分配器噴嘴出口的開口形狀如圖2的(3)所示，象形T字形的對稱軸線與噴嘴盤的緯線平行，沿旋向的前端寬出，其前端寬度為後續寬的1.05～1.8倍，前寬區長度為噴嘴口總長的5～30％，噴嘴口總長為其後端寬度的0.8～3.2倍。
為取得能與接受管內的運動波系相匹配的管口瞬時邊界條件，提高製冷效率，本實用新型氣波制冷機旋轉射流分配器噴嘴出口開口沿旋向的前部和後部所設置的兩段依次旋轉封擋接受管口的圓周弧面，其弧長範圍是前部弧面(圖2(2))的弧長為噴嘴口長的0.6～2.2倍，後部弧面(圖2(4))的弧長為噴嘴口長的0.7～2.5倍。
本實用新型氣波制冷機的流量由第一旋轉射流分配器(4)上各噴嘴的總開口面積決定。經過各級的膨脹，氣體的體積流量不斷增加，因此，第二級以後的各旋轉射流分配器上各噴嘴的總開口面積要依次按比例增加，根據各級所要求的膨脹比，每一後級的總開口面積為其前一級的1.5～4.5倍，各級旋轉射流分配器上每一噴嘴的開口面積按總面積均分或按180°角對稱。
相應於體積流量的增加，後面級接受管的截面積、空心軸段圓周上的開孔面積和空心流道截面積，以及噴嘴流道截面積均須逐級增大，出機器的冷氣出口面積要比高壓氣入口面積大一倍以上。
本實用新型氣波制冷機轉軸(10)的旋轉動力的一部分或者全部來自於射流分配器噴嘴噴出來的方向與徑向成一定角度的射流的反推力。其轉軸的一頭可伸出機外，接以電機、阻尼器等穩速裝置。
權利要求1.一種靠壓力氣體的不定常膨脹做功而製冷的低轉速膨脹制冷機，由機殼、端蓋、轉軸、滾動軸承、旋轉射流分配器、旋轉動密封、輻射排列或圓周排列的數米長的末端封閉的接受管以及機架所組成，其特徵在於該機在結構上使壓力氣體在機內形成兩次或多次膨脹，即形成單機多級，該機只有一套轉動軸件，但相應地卻具有兩個或兩個以上同速旋轉的氣體射流分配器，和具有兩組或兩組以上輻射或圓周排列的接受管。
2.根據權利要求1所述的制冷機，其特徵在於其旋轉射流分配器噴嘴出口的開口形狀為沿旋向前端寬出的象形T字形，旋轉射流分配器的非噴氣圓周弧段為比噴嘴口旋轉半徑縮小的圓錐或曲圓錐面，旋轉射流分配器上噴嘴出口開口沿旋向的前部和後部都設置了一段依次旋轉封擋接受管口的圓周弧面。
3.根據權利要求1或2所述的制冷機，其特徵在於旋轉射流分配器噴嘴出口的開口象形T字形的對稱軸線與旋轉射流分配器的旋轉緯線平行。
4.根據權利要求1或2所述的制冷機，其特徵在於旋轉射流分配器噴嘴出口的開口沿旋向前端寬出的象形T字，其前端寬度為後續寬的1.05～1.8倍，前寬區長度為噴嘴口總長的5～30％，噴嘴口總長為其後端寬度的0.8～3.2倍。
5.根據權利要求1或2所述的制冷機，其特徵在於旋轉射流分配器的非噴氣圓周弧段的圓錐或曲圓錐面的母線與旋轉軸線成35～55°角。
6.根據權利要求1或2所述的制冷機，其特徵在於旋轉射流分配器噴嘴出口開口沿旋向的前部和後部所設置的兩段依次旋轉封擋接受管口的圓周弧面的弧長範圍是前部弧面的弧長為噴嘴口長的0.6～2.2倍，後部弧面的弧長為噴嘴口長的0.7～2.5倍。
7.根據權利要求1所述的制冷機，其特徵在於該機轉軸中設有空心軸段，空心軸段的圓周壁開孔。
8.根據權利要求1所述的制冷機，每個旋轉射流分配器上對稱布置2～4個噴嘴，其特徵在於每一噴嘴出口的開口面積按總面積均分或按180°角對稱分配。
9.根據權利要求1所述的制冷機，其特徵在於第二級以後的各旋轉射流分配器上各噴嘴的出口開口總面積依次增加，每一後級的總開口面積為其前一級的1.5～4.5倍。
專利摘要一種單體的多級非定常膨脹制冷機,壓力氣體在該機內進行多次膨脹製冷,大膨脹比工況下,每一級的膨脹比減小,可提高整機的製冷效率。該機只有一套轉動軸件,能在較低的轉速下工作,與同類型單級機串聯相比,具有製造、運行成本低,操作維護簡便、可靠性高等優點。該機適用於混合氣體的液化分離、石油氣中回收輕烴、天然氣液化以及產生低溫冷氣流源等領域。
文檔編號F25B9/08GK2274744SQ9622511
公開日1998年2月18日 申請日期1996年1月12日 優先權日1996年1月12日
發明者胡大鵬, 鄒久朋, 方曜奇, 朱徹, 郭永來, 李佔德 申請人:大連理工大學