CN100434833C - 背压式轴流气波制冷机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种背压式轴流气波制冷机，包括与上端盖连接的上中间壳体，并与下中间壳体连接在一起，下中间壳体与下端盖连接，其上端盖内固定有一电机，电机的转轴上带有靠配轮，在上端盖与上中间壳体的内部设置有气体分配器转子，分配器转子上配置有靠配轮，气体分配器转子的底盘上均匀分布充气孔和排气孔，充气孔与气体分配器内进气腔连通，充气孔和排气孔能够交替与脉冲管相通，气体分配器转子上设置有叶轮，在上端盖的上设置有进气孔，上中间壳体上设置有排气管；下中间壳体与上盖板相连接，下端盖与下盖板所构成腔体为激波吸收腔，激波吸收腔与脉冲管的另一端相连通。本发明具有结构紧凑，换热效率高，能够维持制冷机工作和回收气体动能。

Description

背压式轴流气波制冷机

技术领域

本发明涉及一种制冷机，特别涉及一种背压式轴流气波制冷机。

背景技术

气波制冷机也叫热分离机是20世纪60年代末至70年代初由法国ELF公司和BERTIN公司发明的一种制冷机械，这种新型制冷机械具有结构简单，易于加工，操作维护方便，造价低廉，不怕带液工作，工况适应性强等优点。其热效率，国产机为40-70％，国外报导可达80-90％。因此，法国NAT公司(20世纪70年代中期由ELF及BEREIN联合法国石油研究所组成)推出其研究成果后，很快就在日本、中国和前苏联等国家先后引进开发和应用。现在，主要用于天然气脱水净化，从石油天然气中回收轻烃以及化工厂各种尾气中有用组分的回收等方面，具有广阔的应用前景。

传统气波制冷原理：

气波制冷机按结构分为两类：静止式和旋转式。

静止式气波制冷机(STs)主要由喷嘴，振荡管及共鸣腔组成。工作时，带压气体经喷嘴膨胀加速形成高速射流，利用射流附壁效应，由装在喷嘴两侧的共鸣腔的压力脉动改变方向，使高速射流依次间隔地射入各振荡器内。进入振荡器中的射流在两次充气间隔期间排出。这种结构的气波制冷机的最大优点是无转动部件，因而结构简单，操作维护相当容易，其缺点是充排气混合比较严重，制冷效率低，不到45％。

旋转式气波制冷机(RTS)由一个内装喷管的气体分配器及呈放射状均布在其周围的振荡管束所组成。工作时，压缩气体经空心轴进入气体分配器并在喷嘴中膨胀加速，从喷嘴出来的高速射流籍气体分配器的转动而连续的改变方向，并依次的射入四周呈放射状的振荡管中。每根振荡管在两次射气间隔期间排气。这种结构的机器使充、排气不易混合，故制冷效率较高。国内为60-70％；而国外则达到80～90％。尽管上述两类气波制冷机的结构及脉动射流方式不同，但振荡管的气体流动过程和制冷原理是一样的。

旋转式气波制冷机(RTS)工作时，带有压力的来料气通过旋转喷嘴膨胀、加速，由喷嘴高速喷出，驱动喷嘴旋转。由于旋转喷嘴的旋转，高速气流依次射入沿喷嘴圆周排布的各接受管中。射入的气体与脉冲管内原有的气体之间形成一接触面，该接触面可看作是一个无质量的“活塞”。由于接触面两边气体的速度和压力都不相等，为满足接触面的相容性条件(即接触面两边气体速度、压力相等)，该“活塞”向前运动，在“活塞”的前方将出现同方向运动的激波。激波所到之处的气体受到压缩，温度和压力升高，接受管从此形成热腔。在激波产生的同时有一束膨胀波产生，作用于接触面后的气体，使该部分气体经等熵膨胀获得高速，静温下降，形成冷腔。

喷射停止后，关闭接受管开口端。由于接触面与管口之间的气体正随“活塞”向前运动，突然关闭管口，管口气流速度骤降至零，因此从管口产生一束右行膨胀波，使管口与接触面间气体进一步膨胀，静温下降，而激波继续压缩管内气体。此时激波对气体做功的能量由管口接触面之间的气体供给，又使该部分气体总温下降。当接受管管口与低压排气管接通时，进入排气阶段。由于接受管内外压力不平衡，内部压力高于外部，又有一束右行膨胀波传至管内，使管口与接触面间气体静温再度下降。同时，由于激波对管内气体做功的能量继续来自管口与接触面间气体，该部分气体总温亦进一步下降，变成冷气排出管外。冷气排尽时，接触面到达管口。运动到接受管封闭端的激波被激波吸收腔吸收，以免产生激波反射，影响降温效果。排气终止后结束一个工作循环。被激波加热的气体通过管壁向外界散热。气体对外作功，总温下降，从而实现制冷。

气波制冷研究只有20多年的历史，其技术还很不完善很不成熟。还有待于进一步研究和解决，尤其是气波制冷机的紧凑性、制冷效率的提高、制冷温度的降低及变工况特性的改善等。由于影响气波制冷机等熵效率的因素中，绝不是某一种因素起决定作用，只有将各种影响因素进行合理的匹配，才能使气波制冷机达到更高的等熵效率。综合现有的理论与实验研究成果不难发现，影响热分离机等熵效率的因素不止上述这些，还有许多有待探索和解决的问题，如：管内流动尤其是接受管入口段气体的流动及掺混，轴向及径向传热，以及能量转换的整体耦合作用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种背压式轴流气波制冷机，其结构紧凑，并具有高效的换热效率。

本发明的技术方案是这样实现的：包括上端盖，与上端盖连接的上中间壳体，上中间壳体通过上盖板与下中间壳体的上端连接在一起，下中间壳体的下端通过下盖板与下端盖连接在一起，上端盖内固定有一电机，电机的转轴上带有靠配轮，在上端盖与上中间壳体的内部设置有气体分配器转子，分配器转子上配置有与靠配轮相配合的靠配轮，气体分配器转子的底盘上均匀分布充气孔和排气孔，充气孔与气体分配器内进气腔连通，充气孔贯穿底盘的一面，排气孔贯穿气体分配器转子的底盘的正面和背面，充气孔和排气孔能够交替与位于下中间壳体中的脉冲管的一端相通，气体分配器转子位于上中间壳体内的轴肩上设置有叶轮，在上端盖的任意一侧设置有进气孔，上中间壳体的任意一侧设置有排气管；下中间壳体与上盖板相连接，下端盖与下盖板所构成腔体为激波吸收腔，激波吸收腔与脉冲管的另一端相连通，上下盖板上设置有小孔。

所述的下中间壳体包括一外圆桶体，外圆桶体与上盖板连接在一起，在外圆桶体内设置有内圆桶体，内圆桶体与上盖板连接在一起，在内圆桶体外侧设置有脉冲管，内圆桶体、外圆桶体的下端与下盖板连接在一起，脉冲管插在上下盖板之间的小孔内；外圆桶体上靠近上下盖板的地方分别设置有进液管和排液管。

充气孔和排气孔的中心轴线位于中心线与气体分配器转子的旋转轴线相重合的圆柱面上。

气体分配器转子的下端面与下中间壳体之间保持有间隙。

构成联轴器的靠配轮上都装有永磁磁极，磁极相对，极性相反，构成磁性联轴器。

气体分配器转子的底盘是圆盘状。

本发明的结构由于设置有气体分配器转子，以及在气体分配器转子上设置有叶片，其具有高效的管外散热系统、高效激波和膨胀波吸收腔、轴向进气和轴向排气结构，利用轴向排气动能和余压推动轴流叶轮旋转，它带动气体分配气转子旋转，维持制冷机工作和回收气体动能。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2(a)是本发明的气体分配器主视图；

图2(b)是本发明的气体分配器A向视图；

图2(c)是本发明的气体分配器B向视图；

图2(d)是本发明的气体分配器C-C向视图；

图3(a)是本发明的下中间壳体主视图；

图3(b)是本发明的下中间壳体D-D向视图；

具体实施方式

附图为本发明的具体实施例；

下面结合附图对本发明的内容作进一步详细说明：

参照图1、图2(a、b、c)、图3(a、b)所示，本发明包括上端盖4，上端盖4与上中间壳体5通过螺钉固定在一起，上中间壳体5与下中间壳体10通过螺钉固定在一起，下端盖9与下中间壳体10通过螺钉固定在一起，轴承2、3的外圈被上端盖4和上中间壳体5固定，使轴承2、3不能上下串动，气体分配器转子1可以自由转动，但不能上下串动。上端盖4内固定有一电机7，电机7的转轴上带有靠配轮8，在上端盖4与上中间壳体5的内部设置有气体分配器转子1，分配器转子1上配置有与靠配轮8相配合的靠配轮6，气体分配器转子1上的轴肩23和联轴器靠配轮6将其与轴承2、3的内圈固定在一起，气体分配器转子1的底盘上均匀分布充气孔22和排气孔27，充气孔22与气体分配器内进气腔连通，充气孔22与排气孔27贯穿气体分配器转子1的底盘的正面和背面，充气孔22和排气孔27能够交替与脉冲管12相通，气体分配器转子1的轴肩18上设置有叶轮13，在上端盖4的任意一侧设置有进气孔11，上中间壳体5的任意一侧设置有排气管14；下中间壳体10与上盖板20相连接，下端盖9与下盖板21所构成腔体为激波吸收腔，激波吸收腔与脉冲管12的另一端相连通，上、下盖板20、21上设置有小孔。

所述的下中间壳体10包括一外圆桶体19，外圆桶体19与上盖板20连接在一起，在外圆桶体19内设置有内圆桶体16，内圆桶体16与上盖板20连接在一起，在内圆桶体16外侧设置有脉冲管12，内圆桶体16、外圆桶体19的下端与下盖板21连接在一起，脉冲管12插在上下盖板20、21之间的小孔内，在靠近上下盖板20、21的外圆桶体19上分别设置有进液管15和排液管17。

充气孔22和排气孔27的中心轴线位于中心线与旋转轴线相重合的圆柱面上。

气体分配器转子1的下端面与下中间壳体10之间保持有间隙。

构成联轴器的靠配轮6、8上都装有永磁磁极，磁极相对，极性相反，构成磁性联轴器。

气体分配器转子1的底盘是圆盘状。

本发明的工作过程：起动时，带压气体通过进气孔11进入气体分配器转子1的内部，在气体压力的作用下，使气体分配器转子1的下端面与下中间壳体10之间保持一定的间隙，电机7带动气体分配器转子1旋转。当气体分配器转子1上的排气圆孔与下中间壳体10上的圆管接通时，气体分配器转子1上的充气孔22中会喷出高速气流，高速气流会在下中间壳体10上的脉冲管12内产生激波，激波前面的气体被压缩而发热，与此同时，激波后沿会产生一膨涨波，向脉冲管12管口运动，作用于管口至激波波面间的气体，使气体发热，被加热气体的热量通过管壁传给冷却液体，冷却液体通过排液管17将热量排向外界。激波到达脉冲管12管端后被激波腔吸收，不再被反射。当气体分配器转子1上的充气孔22转开一定角度后，气体分配器转子1上的充气孔22中喷出的高速喷射气流被关闭，脉冲管12内的气体完成被压缩过程，发热气体的热量传给脉冲管12，脉冲管12的热量被流过管外加层的冷却液体带走。当气体分配器转子1上的排气孔27与脉冲管12相连通时，管口会产生一膨胀波，向脉冲管12端部运动，直到被端部腔体吸收，从脉冲管12中排出的高速气流，通过气体分配器转子1上底盘上的排气孔27吹动分配器转子1上的叶轮13，使其旋转，获得动能，通过磁性连轴节带动电机7输出电能，实现管内气体冷却膨胀，喷出管外后再进行绝热膨胀和对外界作功，尽可能减少气体膨胀过程中的不可逆损失，最大限度地降低气体温度。冷气流通过上中间壳体5上的排气管14排出，冷却液体从进液管15进入内桶体16和外桶体19所构成的环形腔体，通过排液管17排出，脉冲管12外的热量被流过管外加层的冷却液体带走，从而完成整个带压气体制冷过程。然后交替重复上述过程，实现压缩空气连续制冷。

将沿径向布置辐射状脉冲管12改成与分配器旋转轴线相重合的圆柱面上均匀布置，从而改变了气流和气波的运动方向，由传统变径向流动变成轴向流动；气体分配器也被设计成圆盘状，其气体出口被均匀布置在与旋转轴同心的圆周上，充气孔22和排气孔27的中心轴线位于中心线与旋转轴线相重合的圆柱面上，分配器上还设置有用于回收气体膨胀功的叶轮13，目的是为了使分配器依靠气体动能自转和回收膨胀气体的动能，减少气体制冷过程中的不可逆损失。下端盖与下盖板所构成腔体为激波吸收腔，它被各脉冲管12共用。由于脉冲管12可以被布置在一个带有螺旋折流板或折流板的环行腔体内，通过液体来强化管外换热。

本发明将沿径向布置辐射状脉冲管改成与旋转轴线相平行的圆柱面上均匀布置，从而改变了气波和气流的运动方向，由传统变径向流动变成轴向流动；气体分配器也被设计成圆盘状，充气孔22和排气孔27被均匀布置在与旋转轴同心的圆周上，充气孔22和排气孔27的中心轴线位于中心线与旋转轴线相重合的圆柱面上，分配器上还设置有用于回收气体膨胀功的叶片，目的是为了使分配器依靠气体动能自转，减少气体制冷过程中的不可逆损失。由于脉冲管12被布置在内桶体16与外桶体19所围成环形腔体内，可以通过液体强制对流来强化管外换热，下壳体9与下盖板21构成激波吸收腔，它与所有脉冲管相连通。

Claims (6)

1、背压式轴流气波制冷机，包括上端盖(4)，与上端盖(4)连接的上中间壳体(5)，上中间壳体(5)通过上盖板(20)与下中间壳体(10)的上端连接在一起，下中间壳体(10)的下端通过下盖板(21)与下端盖(9)连接在一起，其特征在于，上端盖(4)内固定有一电机(7)，电机(7)的转轴上带有靠配轮(8)，在上端盖(4)与上中间壳体(5)的内部设置有气体分配器转子(1)，分配器转子(1)上配置有与靠配轮(8)相配合的靠配轮(6)，气体分配器转子(1)的底盘上均匀分布充气孔(22)和排气孔(27)，充气孔(22)与气体分配器内进气腔连通，充气孔(22)贯穿底盘的一面，排气孔(27)贯穿气体分配器转子(1)的底盘的正面和背面，充气孔(22)和排气孔(27)能够交替与位于下中间壳体(10)中的脉冲管(12)的一端相通，气体分配器转子(1)位于上中间壳体(5)内的轴肩(18)上设置有叶轮(13)，在上端盖(4)的任意一侧设置有进气孔(11)，上中间壳体(5)的任意一侧设置有排气管(14)；下中间壳体(10)与上盖板(20)相连接，下端盖(9)与下盖板(21)所构成腔体为激波吸收腔，激波吸收腔与脉冲管(12)的另一端相连通，上下盖板(20、21)上设置有小孔。

2、根据权利要求1所述的背压式轴流气波制冷机，其特征在于，所述的下中间壳体(10)包括一外圆桶体(19)，外圆桶体(19)与上盖板(20)连接在一起，在外圆桶体(19)内设置有内圆桶体(16)，内圆桶体(16)与上盖板(20)连接在一起，在内圆桶体(16)外侧设置有脉冲管(12)，内圆桶体(16)、外圆桶体(19)的下端与下盖板(21)连接在一起，脉冲管(12)插在上下盖板(20、21)之间的小孔内；外圆桶体(19)上靠近上下盖板(20、21)的地方分别设置有进液管(15)和排液管(17)。

3、根据权利要求1所述的背压式轴流气波制冷机，其特征在于，充气孔(22)和排气孔(27)的中心轴线位于中心线与气体分配器转子(1)的旋转轴线相重合的圆柱面上。

4、根据权利要求1所述的背压式轴流气波制冷机，其特征在于，气体分配器转子(1)的下端面与下中间壳体(10)之间保持有间隙。

5、根据权利要求1所述的背压式轴流气波制冷机，其特征在于，构成联轴器的靠配轮(6、8)上都装有永磁磁极，磁极相对，极性相反，构成磁性联轴器。

6、根据权利要求1所述的背压式轴流气波制冷机，其特征在于，气体分配器转子(1)的底盘是圆盘状。

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