共容腔散熱式氣波制冷機的製作方法

2023-12-06 17:10:56 4

專利名稱：共容腔散熱式氣波制冷機的製作方法
技術領域：
本發明屬於壓力氣體膨脹製冷技術領域，具體涉及一種氣體制冷機械，即共容腔
散熱式氣波制冷機。
背景技術：
膨脹製冷可以獲得比用工質循環製冷更低的低溫。利用氣體自身的壓力膨脹制 冷，在石油天然氣開發處理等領域中極具應用價值。除了透平膨脹機之外，熱分離機和氣波 制冷機(中國專利87101903. 5,89213744. 4,90222999. 0)等也屬於氣體膨脹制冷機械。這 類制冷機能夠在較低的轉速下高效地工作，從而避免像低溫透平膨脹機那樣，必須在高轉 速下運行而帶來的一系列不便。已有的熱分離機和氣波制冷機，都是壓力氣體依次對各根 末端封閉的接受管中的瀦留氣做不定常膨脹功，使壓力能轉化為熱能，再通過管壁散熱的。 入射壓力氣體因膨脹做功而消耗了自身的能量，溫度降低而實現製冷。
但傳統的熱分離機和氣波制冷機，為滿足在低轉速下獲取高效率、和高負荷散熱 的需要，其接受管的長度都長達數米，不但使整機體積龐大，而且容易振動，常會出現斷管 事故；並且由於較長振蕩管的末端壁溫較低，不能強力耗散能量，管材功能率低；再是由於 長接受管為圓截面，導致一定流量(一定寬度)的射流噴嘴，轉動分配射流的過程中，很難 同時覆蓋滿兩根以上的管口寬度，則對於每一根接受管來說，射流不充滿管口的時均比例 較大，會巻吸更多管內氣體相互摻混而降低等熵性；還有就是壓縮波或激波會從管子封閉 的末端反射回到入口端，加熱新鮮的或者已經製冷了的氣體，降低製冷效率，當射流頻率 與接受管內氣體振蕩頻率不一致時更甚；而更為嚴重的是當處理的氣體含可冷凝重組分 時，接受管封閉末端區域較低溫度的環境極易凝液且滯留不出，不斷積累，最終導致制冷機 失效。儘管發明了一些自動排液裝置，但結構較為複雜，實施並不方便。
儘管熱分離機和氣波制冷機的發展有30多年的歷史，但以長長的接受管為其顯 著特徵，卻一直沒有改變。長管壁的熱量散發於環境之中，雖然有不需要額外冷卻換熱之 便，但熱量卻得不到回收。而上述的體積大、振動斷管、射流摻混時均比例大、效率波動、積 液等問題，則由這種結構所限，很難從根本上解決。

發明內容
本發明的目的就是克服上述不足，提供一種由不必耗散熱量的短接受管、其末端 開口續接貫通的共容腔散熱空間、彈性緩衝容積和凝液儲液空間為特徵的非定常膨脹製冷 機——共容腔散熱式氣波制冷機。 本發明共容腔散熱式氣波制冷機實現功能的原理依據是脈衝射流從一端管口射 進一根管段，在推動管內氣體向前運動的同時，由於和管內氣體的速度和壓力之差，會產生 一系列的壓縮波並匯聚成激波，將射流能量快速遠傳。隨射流分配器的旋轉，造成該管段射 流的間斷，先前射流的能量和速度充分耗盡，溫度降低，再從管口返回就變成製冷氣。在此 過程中，射流前鋒面向前運動的距離，要遠小於攜帶能量的壓縮波向前傳播的距離。因此，只要管段的長度長於射流前鋒面前行的距離，就能保證射流能量的耗散製冷和全部返排出 該端管口 。對於長接受管來說，射流前鋒面的前部，壓縮波和激波向前傳波的過程中，強烈 加熱管內的滯留氣體，再傳給管壁散發到環境中，因此長接受管4/5以上的長度尺寸，都是 為了耗散熱量所用的。當然長接受管可以降低氣體剛性，易於吸收射流的能量，但加接較大 容積的緩衝腔也同樣可以達到相同的目的。 如果熱量不能充分耗散出去，就意味著激波或壓縮波的能量沒有消失耗盡，在有 限的空間內，它們總會從固壁邊界經多次反射，回到接受管中，將能量再次傳給射流氣體而 使之回熱，製冷效率降低。如果設法將激波或壓縮波導入一個能夠充分耗散其能量的一周 各接受管都共用的容積腔中，同樣能起到、或是超過長接受管4/5以上長度的散熱作用。因 此，將接受管縮短到只長於射流前鋒面前行的距離，不必耗散熱量，而在其後續接貫通的共 容腔作為散熱空間，強化散熱或取熱；且此共容腔可大大降低短接受管的剛性即振蕩頻率， 與長接受管等效。這些是本發明的原理依據，並且經過實驗機實驗獲得驗證，其效率高於傳 統的長接受管散熱的氣波制冷機。 本發明為實現上述目的而採取的技術解決方案是共容腔散熱式氣波制冷機，主 要由進氣腔6、進氣管7、機內旋轉密封9、主軸10、機體11、旋轉射流分配器14、多根短接受 管16、接受管圓筒17、共容腔20、換熱單元21、冷氣出口腔24和冷氣出口管25組成，旋轉射 流分配器14使射流依次對齊到各根短接受管16始端的管口並進入管中製冷再返回排出， 其特徵在於圓周排布的短接受管16的非射流入口端即末端也是開口的，且此末端開口與 共容腔20相連通，共容腔20內裝有換熱單元21，換熱單元21吸收從短接受管16中傳到共 容腔20中的壓縮波或激波的能量。 所述的短接受管16的截面為窄扇型或深槽型，如此按圓周排布的短接受管16的 管口寬度小，可降低射流不充滿管口的時均比例。 短接受管16可以這樣形成在厚壁的接受管圓筒17的外表面加工出多條溝槽，再 用高度比槽深度小的長塞條從外表面懸吊塞入溝槽中並浸焊密封，則溝槽的剩餘空間就形 成了短接受管16。 短接受管16可以這樣形成在兩套筒圍成的圓環截面的通流道中，插入一片片沿 徑向豎起、長度與流道等長的薄塞條，將圓環通道均分成多個峽窄的扇型或槽型通道，即形 成各短接受管16。 短接受管16是沿著接受管圓筒17的圓周母線方向、或與母線成0 30°的夾角 方向加工的。 接受管圓筒17的長度，即短接受管16的長度在200 1800毫米之間，短接受管 16截面的徑向高度，即接受管圓筒17的開槽深度減去塞條高度，在2 100毫米範圍之間， 短接受管16截面的寬度即開槽寬度在1 50毫米之間；長塞條的寬度與開槽寬度相等，長 塞條高度在1 40毫米之間，長塞條長度與接受管圓筒17上表面加工出的溝槽的長度相 等；接受管圓筒17的直徑在60 5000毫米的範圍之間，接受管圓筒17外圓周面的開槽數 量，即短接受管16的數量在10 500之間。 共容腔20可以採用與常規換熱器外殼相似的形式， 一端與接受管圓筒17對接，另 一端封閉；共容腔20內的換熱單元21可以為多根U型管，其彎管端靠向接受管圓筒17，管 內通冷卻水或冷風帶走熱量。
本發明共容腔散熱式氣波制冷機的有益效果如下 1.大大縮短接受管長。伴隨長管所帶來的整機體積大、振動斷管等問題也就隨之 消失。 2.共容腔內可以安裝強化換熱結構。這使得壓縮波或激波的能量更容易耗散，不 會反射回到射流製冷氣中，因此製冷效率可以明顯提高，而且其效率隨射流頻率變化波動 的情況也大為減小，不再需要像通常的氣波機或熱分離機那樣，運行中要用變頻器調節電 機轉速，來保持高效的射流頻率即射流分配器噴嘴的轉速。 3.凝液的排出變得十分簡單。由於所有接受管的末端均開口連通於一個共容腔，
故可依靠重力將凝液匯集於一起，存儲於共容腔底部的凝液容積中，定期排放。 4.降低了接受管入口段射流與管內氣體的摻混。由於容易加工採用窄扇形或深槽
形截面、圓周排布數量更多的短接受管，使一定流量(一定寬度)的射流噴嘴，能同時覆蓋
滿多根接受管的管口，射流不充滿管口的時均比例減小，巻吸管內氣體相互摻混量減少，更
易形成理想的氣體活塞接觸界面，從而提高射流膨脹流動的等熵性。 5.熱量容易回收利用。由於是集中到一個共容腔中換熱，因此除了空冷，水冷或熱 管等都可以實施，被加熱的流體可以引出，利用其吸收的熱量。 6.可在低轉速下高效運行。由於射流噴嘴能同時對齊數根窄密排列的管口，使得 分配器噴嘴在低轉速切換分配射流的情況下，巻吸摻混的程度增加不大；還由於共容腔的 連通，大大降低了每根短接受管的氣體壓縮剛性，管內氣體振蕩頻率顯著降低，射流頻率也 可以隨之減小，氣體分配器噴嘴的轉速也就跟著降低，即可以在更低的轉速下運行，能顯著 延長轉動軸承的壽命。 下面結合附圖和具體實施例對本發明做進一步說明。


圖1為本發明共容腔散熱式氣波制冷機一個實施例的總體結構簡圖。 圖中，1、調速穩速電機，2、連軸節，3、軸端密封，4、外滾動軸承，5、外軸承座，6、進
氣腔，7、進氣管，8、主軸側嚮導入開口，9、機內旋轉密封，10、主軸，11、機體，12、內滾動軸
承，13、主軸側嚮導出開口， 14、旋轉射流分配器，15、噴嘴流道，16、短接受管，17、接受管圓
筒，18、密封連接外殼，19、共容腔外殼，20、共容腔，21、換熱單元，22、換熱介質出口 ， 23、換
熱介質入口，24、冷氣出口腔，25、冷氣出口管，26、端蓋。
具體實施例方式
下面介紹本發明共容腔散熱式氣波制冷機的一種典型的實施方式，但不局限於這 一種方式。 共容腔散熱式氣波制冷機，主要由進氣腔6、進氣管7、機內旋轉密封9、主軸10、機 體11、旋轉射流分配器14、短接受管16、接受管圓筒17、共容腔20、換熱單元21、冷氣出口 腔24和冷氣出口管25組成，旋轉射流分配器14使射流依次對齊到各根短接受管16始端 的管口並進入管中製冷再返回排出，其特徵在於圓周排布的短接受管16的非射流入口端 即末端也是開口的，且此末端開口與共容腔20相連通，共容腔20內裝有換熱單元21，換熱 單元21吸收從短接受管16中傳到共容腔20中的壓縮波或激波的能量。
壓力氣體從進氣管7進到機體11內的進氣腔6中，通過主軸10空心段的主軸側 嚮導入開口 8導入主軸IO空心段，然後再從主軸側嚮導出開口 13進到旋轉射流分配器14 中。旋轉射流分配器14上有數個圓周對稱的噴嘴流道15，其開口端面貼近於接受管圓筒 17的內端面，即短接受管16的一端開口。旋轉射流分配器14其餘的圓周部分則空缺，從 而使短接受管16的這端開口，在噴嘴流道15轉離後，能直接連通於密封連接外殼18內的 冷氣出口腔24。從旋轉射流分配器14上噴嘴流道15開口噴出的射流，進到緊貼的，當時 開口對齊於噴嘴流道15開口位置的那根(或數根)短接受管16中，壓縮短接受管16內已 存的氣體，產生壓縮波並匯聚成激波，向短接受管16的另一開口傳播，各個短接受管16的 另一開口均連通於一個公共的容積——共容腔20。在共容腔20中，安裝有取走熱量的換熱 單元21，將激波和壓縮波產生的熱量強力吸收，使波的能量迅速衰沒，不會再返回短接受管 16中，加熱已做功致冷的射流氣。 共容腔20隻與每根短接受管16的末端開口連通，沒有其他的出口通道。由於不 斷有射流氣射入短接受管16，系統增加的質量只能再從短接受管16中回返出，進到冷氣出 口腔24。由於過程是非常快速的，在射流分配器14的噴嘴流道15開口轉離某短接受短管 16管口的瞬間，該接受管內提升的壓力和壓力梯度都沒有均衡，因此向該管前一瞬間入射 的已製冷的射流氣，基本都會被管內壓力梯度和管內與排氣腔之間的壓差所推動，從射流 進入的那端管口再返出，排氣到冷氣出口腔24，通過冷氣出口管25流出制冷機；另有少量 的壓力波會從另一端與共容腔20連通的管口傳出，到相鄰的其他管口，推動相鄰的已完成 排氣的短接受管16內的氣體再回返，使相鄰接受管的排氣徹底。 在本實施方式中，短接受管16的形成是在接受管圓筒17的外圓周面，沿著圓周母 線方向、或與母線成0 30。的夾角方向，加工出一道道互相平行的溝槽，再用與溝槽寬度 相等、但高度小於溝槽深度的長塞條，懸空塞入溝槽中，其頂面保持與接受管圓筒17外圓 周面平齊，再浸焊接縫以密封，這樣溝槽的上面被嚴密封堵，接受管圓筒17的部就形成了 一圈圓周排列的、截面為矩型或窄扇型的短接受管16。 —般接受管圓筒17的長度，即短接受管16的軸向投影長度在200 1800毫米的 範圍，短接受管16截面的徑向高度，即接受管圓筒17的開槽深度減去塞條高度，在2 100 毫米範圍之間，短接受管16截面的寬度即開槽寬度在1 50毫米之間；長塞條的寬度與開 槽寬度相等，長塞條高度在1 40毫米之間，長度與接受管圓筒17外表面加工出的溝槽的 長度相等，接受管圓筒17的直徑在60 5000毫米的範圍之間，接受管圓筒17外圓周面的 開槽數量、即短接受管16的數量，在10 500之間。 本實施方式中，共容腔20採用與通常的換熱器相類似的形式，一端與接受管圓筒 17對接，另一端封閉。在共容腔20內，安裝取走熱量的換熱單元21，本實施方式為多根U 型管，其彎管端靠向接受管圓筒17，管內通冷卻水或冷風帶走熱量。壓力不高時，換熱單元 21也可採用高效的板翅式換熱單元，還可採用帶翅片管的熱管，以高效吸熱並加以利用。
共容腔20的底部能存儲制冷機工作時的凝液，定期排放，從根本上解決氣體含可 冷凝重組分時，機內凝液積累滯留不出，製冷低效的問題。
權利要求
共容腔散熱式氣波制冷機，主要由進氣腔(6)、進氣管(7)、機內旋轉密封(9)、主軸(10)、機體(11)、旋轉射流分配器(14)、多根短接受管(16)、接受管圓筒(17)、共容腔(20)、換熱單元(21)、冷氣出口腔(24)和冷氣出口管(25)組成，旋轉射流分配器(14)使射流依次對齊到各根短接受管(16)始端的管口並進入管中製冷再返回排出，其特徵在於圓周排布的短接受管(16)的非射流入口端即末端也是開口的，且此末端開口與共容腔(20)相連通，共容腔(20)內裝有換熱單元(21)，換熱單元(21)吸收從短接受管(16)中傳到共容腔(20)中的壓縮波或激波的能量。
2. 根據權利要求1所述的共容腔散熱式氣波制冷機，其特徵在於所述的短接受管(16)的截面為窄扇型或深槽型。
3. 根據權利要求1或2所述的共容腔散熱式氣波制冷機，其特徵在於短接受管(16)可以這樣形成在厚壁的接受管圓筒(17)的外表面加工出多條溝槽，再用高度比槽深度小的長塞條從外表面懸吊塞入溝槽中並浸焊密封，則溝槽的剩餘空間就形成了短接受管(16) 。
4. 根據權利要求1或2所述的共容腔散熱式氣波制冷機，其特徵在於短接受管(16)可以這樣形成在兩套筒圍成的圓環截面的通流道中，插入一片片沿徑向豎起、長度與流道等長的薄塞條，將圓環通道均分成多個峽窄的扇型或槽型通道，即形成各短接受管(16)。
5. 根據權利要求1或2所述的共容腔散熱式氣波制冷機，其特徵在於短接受管(16)是沿著接受管圓筒(17)的圓周母線方向，或與母線成0 30。的夾角方向加工的。
6. 根據權利要求1或2所述的共容腔散熱式氣波制冷機，其特徵在於接受管圓筒(17) 的長度，即短接受管(16)的軸向投影長度在200 1800毫米之間，短接受管(16)截面的徑向高度，即接受管圓筒(17)的開槽深度減去塞條高度，在2 100毫米範圍之間，短接受管(16)截面的寬度即開槽寬度在1 50毫米之間；長塞條的寬度與開槽寬度相等，長塞條高度在1 40毫米之間，長塞條長度與接受管圓筒(17)外表面加工出的溝槽的長度相等；接受管圓筒(17)的直徑在60 5000毫米的範圍之間，接受管圓筒(17)外圓周面的開槽數量，即短接受管(16)的數量在10 500之間。
7. 根據權利要求1所述的共容腔散熱式氣波制冷機，其特徵在於共容腔(20)可以採用與常規換熱器外殼相似的形式，一端與接受管圓筒(17)對接，另一端封閉；共容腔(20)內的換熱單元(21)可以為多根U型管，其彎管端靠向接受管圓筒(17)，管內通冷卻水或冷風帶走熱量。
全文摘要
本發明共容腔散熱式氣波制冷機屬於氣體膨脹製冷低溫技術領域，利用壓力氣體射流到接受管中，產生運動波耗散能量實現製冷，轉速低、操作簡單。主要由機體、旋轉射流分配器、短接受管、接受管圓筒、共容腔、換熱單元等組成，其特徵在於，短接受管的末端是開口的，且與共容腔相連通，共容腔內裝有換熱單元，換熱單元吸收從短接受管中傳到共容腔中的壓縮波或激波的能量。本發明採用短接受管續接共容腔的散熱和緩衝結構，因而整機體積小，不會振動斷管，製冷效率高，變化波動小，製冷氣凝液的排出十分方便，且過程中轉換的熱量容易回收利用。本發明可廣泛應用於混合氣體的冷凝分離、石油氣中輕烴回收、天然氣低溫脫水以及低溫冷氣源供給等領域。
文檔編號F25B9/08GK101762110SQ20101010751
公開日2010年6月30日 申請日期2010年2月6日 優先權日2010年2月6日
發明者代玉強, 劉鳳霞, 劉培啟, 朱徹, 胡大鵬, 趙家權, 鄒久朋 申請人:大連理工大學