CN101294750A - 反馈式振荡射流制冷机 - Google Patents

Abstract

本发明反馈式振荡射流制冷机，属于气体压力能膨胀制冷领域。本发明整机是全静止的，采用反馈式振荡射流发生器和接受管相组合的结构，以压缩波的反馈实现对射流的激励，产生振荡的附壁射流，气流道组件协调工作实现气体的不定常膨胀制冷，在压缩波反馈通道接入了调节机构，通过调节通道长度从而改变射流的附壁振荡切换频率来适应不同的工况条件，获得最高的运行效率。本发明无任何运动件和动密封，特别适用于高压场合，如高压天然气深冷脱水和从高压混合气中回收重组分等。本发明制冷效率较高，制冷温度比节流降压低很多，且能带液运行，为油气地层压力能的高效利用提供了一个有效的方法和设备选择。

Description

反馈式振荡射流制冷机

技术领域

本发明反馈式振荡射流制冷机是一种气体制冷机械，属于压力气体的射流工程与气体膨胀制冷技术领域。

背景技术

膨胀制冷可以获得比用工质循环制冷更低的低温。利用气体自身的压力膨胀制冷，在石油天然气开发处理等领域中极具应用价值。除了透平膨胀机之外，还有气波制冷机和热分离机(中国专利87101903.5，89213744.4，90222999.0)等膨胀制冷机械，后二者为不定常膨胀制冷，依靠电机或利用气体喷射反作用力带动气体分配器自旋，以一定的转速将介质气体依次向环周方向的各末端封闭的接受管射流，对管内驻留气做不定常膨胀功。这些制冷机的效率比较高，但由于结构复杂，有许多转动件，为阻止气体外泄漏和内部不同压力区的泄漏，需要转动密封，这会使机器的耐压能力大大降低。随着天然气的集输、处理向高压力趋势发展，需要有可靠的高压气体膨胀制冷技术装备作为支持。另外，许多化工厂、化肥厂生产过程中排出的尾气，也亟需高压小流量、性能稳定可靠的制冷装置，以能够低温分离、回收利用其中有用的组分。

如果气波制冷机的气体分配器不需要旋转和运动就能快速改变射流的方向，就能实现全静止式的非定常膨胀制冷，不需要运动件的制冷机会像常规的高压设备那样，承受数十MPa的巨大压力。如此，将会解决高压气体压力能难以利用的难题，产生巨大的经济效益。

发明内容

本发明的目的为：提供一种无运动元件、结构简单、操作维护方便、具有一定制冷效率、无需外加动力(能量)、运行稳定可靠、适合于处理高压气体介质的膨胀制冷机械-反馈式振荡射流制冷机。

本发明反馈式振荡射流制冷机的技术构思为：

采用振荡频率可调、自激励附壁振荡的射流发生器，作为该制冷机的射流分配器，这是该制冷机能够实施的前提条件。

振荡射流发生器的原理基于射流附壁的双稳态效应，和射流稳态的扰动切换特性。由于静止式制冷机不可能由外部提供周期性扰动源，故必须像电子振荡电路那样，提供自激励条件以产生自激振荡。对于本发明来说，振荡射流发生器的负载是后面的末端封闭的接受管，若向管中突然注入脉冲射流，则必会在振荡射流发生器的出口附近产生一系列的压缩波，聚集成较大梯度的压力跃升，这个压力跃升恰好与射流的切换同步。如果能够将这个压力跃升信号压缩波导回射流的初始附壁面推扰射流，就会使附壁脱离，射流会立即转向另一附壁稳态，从而可实现射流方向的瞬间切换。

为利于接受管的制冷，射流的每次附壁都需要保持一小段时间，这就要求压力跃升信号必须延迟一段时间才能返回到初始附壁面。本发明的解决措施是：效仿高频电路的相位移延迟线，用一段可调长度的管段，让压缩波在其中行进，在一定的波速下，需要耗费一定的时间才能返回。该方法的优点是，压缩波形不会有多少改变，其前沿较陡，可使射流附壁瞬间切换，能提高接受管的不定常制冷效率。

在不同的气体物性、不同工况、不同制冷负荷和不同接受管尺寸下，射流时间的长短不同，对应的制冷效率也不同。为了能够调整射流稳态的时间或射流切换的频率，需要对压缩波的延迟时间进行调整。

本发明中的振荡射流发生器，实现压缩波反馈自激励、和调整延迟时间的方法为：

将机体上的压缩波返馈通道隔开成两段中断段，再用长度可变的流道将中断连通。振荡射流发生器对应两侧的射流附壁，分开成两段分岔的流道，在两分岔流道的近出口处，对称开两个孔，引出压缩波，作为切换的激扰源。该孔连通到压缩波延迟返馈通道的一中断段。

而在射流的初始附壁位置附近的两侧，两分岔流道的分流劈前，则对称开设两个压缩波的入口，与各自一侧的延迟返馈通道的另一中断段相连。

延迟时间的调整方法为：改变压缩波返馈通道的长度。具体的实施结构是采用可变长度的U型或半矩形弯曲的管状通道，两端用固定接头连到延迟返馈通道中断段的联接座上，通过更换不同长度的管状通道实现延迟时间调整；或者是将两个通道连接座改成长孔滑道即长气缸的形式，将弯曲的管状通道制成异型活塞流道连通组件，插入到两平行的长孔滑道中，通过螺杆调节其进出。调节改变插入深度可连续改变反馈通道的长度，使压缩波反馈延迟时间变化，由此来调整射流稳态的时间，和使射流在两面附壁的稳态时间相等。

振荡射流发生器发生的振荡射流有两个流道，中间隔着使射流分岔流动的分流劈固壁。前端锐角的分流劈结构能保证附壁的全部射流都流进所对位的那一流道中。

而在此之前，高压气体从入口进入缓冲腔，然后从一居中于二流道的喷嘴中集束喷出，在反馈回来的振荡激励压缩波的推动下下，喷出的气流周期性地切换附壁面，轮流进入两个流道之一。

正对着振荡射流发生器的两个射流出口处，安放两根振荡射流接受管。在切换射流的入射时段，射流压缩一振荡管中的潴留气，产生压缩波和激波向后传播，通过接受管壁耗散能量，射流气自身非定常膨胀做功，总焓降低而制冷；而在射流切换到另一根接授管的时段，中断射流的接受管中，膨胀做功已制冷的射流气在管内、外压差的作用下，从振荡射流发生器流道终端和对位的接受管入口端间隙处排出，流到压力相对较低的出口腔中汇集，再从冷气出口流出。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：反馈式振荡射流制冷机，主要由调节机构1、上盖2、出口腔3、冷气出口4、机体5、入口管6、入口腔7、射流喷嘴流道8、上盖开口9、分岔流道10、管接头11、接受管12、接受管入口13和压缩波反馈通道14构成，其特征在于，整机是全静止的，采用反馈式振荡射流发生器和接受管12相组合的结构，通过调节机构1改变压缩波反馈通道14的长度，来改变压缩波反馈的延迟时间，从而改变射流的附壁振荡切换频率，压缩波反馈通道14隔开成两段，再从对位两段中断段端部的上盖开口9处插入调节机构1，反馈式振荡射流发生器两分岔流道10的末端与接受管12的前段在机体5的出口腔3中进行组合定位，由此实现脉冲振荡射流的膨胀制冷。

所述的反馈式振荡射流发生器包括射流喷嘴流道8、两分岔流道10和压缩波反馈通道14。

所述的调节机构1包括手轮15、螺杆16、加强板17、空心管活塞18、O型圈19、细长气缸20和压帽21。

所述的调节机构1包括管接头22和不同长度的U型管23或半矩形管。

在上盖2对位压缩波反馈通道14两段中断段末端开有四个上盖开孔9，在上盖2外表面各上盖开孔9处固装一个细长气缸20，每个加强板17连接两个空心管活塞18，加强板17中部加工内螺纹，螺杆16旋过加强板17，螺杆16下端由压帽21压住，上端连接调节手轮15，转动手轮15使加强板17和空心管活塞18上下移动。

在上盖2对位压缩波反馈通道14两段中断段末端开有四个上盖开孔9，在上盖2外表面各上盖开孔9处固装一个高压管接头22，连接U型管23或半矩形管，采用不同长度的U型管23或半矩形管，阶跃改变振荡射流的切换频率。

接受管入口13和机体5采用焊接箱式结构，与机体5焊到一起成一体。接受管12前段从出口回插，定位后焊牢，接受管12前段探出长度在50～300毫米之间，接受管12后段的长度在1～12米之间，接受管12的前段和后段以管接头11或法兰连接。

接受管入口13扳金加工成与振荡射流出口截面相仿的矩形，然后再缓慢过渡到圆截面，接受管入口13与反馈式振荡射流发生器分岔输出口的距离在2～30毫米之间。

本发明的有益效果是：无任何运动件和动密封，特别适用于高压场合；采用压缩波反馈激励的振荡射流发生器，振荡射流切换过程快速可靠，能避免或减小脉动射流进接受管不充分射流的边界损失和涡流损失，提高制冷效率；可以调节压缩波反馈通道的长度，来改变射流附壁振荡的切换频率，以适应不同的工况条件，获得最高的运行效率；该机的制冷温度比节流降压低很多，且能带液运行；凭借其制冷冷量，可以冷凝分离回收高压气中的凝析组分或脱除水分，为油气地层压力能的高效利用提供了一个有效的方法和设备选择。

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。

附图说明

图1是本发明反馈振荡射流制冷机的主视结构简图。

图2是本发明反馈振荡射流制冷机的俯视结构简图。

图3是本发明连续改变反馈通道中间段长度的调节机构主视图。

图4是本发明加强板A-A截面剖视图。

图5是本发明阶跃改变反馈通道中间段长度的调节机构主视图。

图中，1、调节机构，2、上盖，3、出口腔，4、冷气出口，5、机体，6、入口管，7、入口腔，8、射流喷嘴流道，9、上盖开口，10、分岔流道，11、管接头，12、接受管，13、接受管入口，14、压缩波反馈通道，15、手轮，16、螺杆，17、加强板，18、空心管活塞，19、O型圈，20、细长气缸，21、压帽，22、管接头，23、U型管。

具体实施方式

本发明反馈式振荡射流制冷机的一种典型的实施方式如下：

反馈式振荡射流制冷机，主要由调节机构1、上盖2、出口腔3、冷气出口4、机体5、入口管6、入口腔7、射流喷嘴流道8、上盖开口9、分岔流道10、管接头11、接受管12、接受管入口13和压缩波反馈通道14构成，其特征在于，整机是全静止的，采用反馈式振荡射流发生器和接受管12相组合的结构，通过调节机构1改变压缩波反馈通道14中段的长度，从而改变射流的附壁切换频率，压缩波反馈通道14在机体上加工成两段隔开，再从两段中断段端部对位上盖开孔9，插入调节机构1，调节机构1上具有能调节改变长度的压缩波反馈通道14的中间段，以此来改变压缩波反馈的延迟时间，从而改变振荡射流的切换频率。反馈式振荡射流发生器两分岔流道10的末端与接受管12的前段，在机体5的出口腔3中进行组合定位，由此实现脉冲振荡射流的膨胀制冷。

所述的反馈式振荡射流发生器包括射流喷嘴流道8、分岔流道10、压缩波反馈通道14。由厚钢板机体5铣加工出气体入腔口7、深6～80mm，截面为矩形的射流喷嘴流道8、分岔流道10和压缩波反馈通道14，压缩波反馈通道14在机体上必须加工成两段流道，中间处断开，而由上盖2上开四个上盖开孔9，对位连通机体5上的压缩波反馈通道14的各个断开端，再由上盖2上安装的调节机构1上的压缩波反馈通道14的中段续接连通成连续畅通的通道。调节机构1有两种结构，如附图3和附图5所示。上盖2与厚钢板机体5之间用螺栓加铜垫或铝垫压紧密封，必要时可将缝隙焊封。

接受管入口13和机体5采用焊接箱式结构，与机体5焊到一起成一体。接受管12前段从出口回插，定位后焊牢。接受管入口13扳金加工成与振荡射流出口截面相仿的矩形，然后再缓慢过渡到圆截面，接受管12前段的末端装管接头11或焊法兰，与后面的长接受管12相接。接受管入口13与反馈式振荡射流发生器分岔输出口的距离根据处理量和压力工况而定，一般在2～30毫米之间。二接受管12前段探出长度在50～300毫米之间，后接接受管12延长段的长度在1～12米之间。接受管12前、后段之间的连接：细管可采用高压管接头11，粗管则用法兰连接。接受管12的材料，高压场合多选用无缝钢管，或无缝钢管翅片管，一般取间隔压紧固定在机架上，接受管12较长时，可回弯或盘成螺旋，以减小占地空间。

调节机构1的一种结构参见附图3，在上盖2对位每条压缩波反馈通道14的两中断处开有四个上盖开孔9，在上盖2外表面对位各上盖开孔9处固装一个细长气缸20，插入两套由加强板17连接两个空心管活塞18的流道连通组件，每个加强板17连接两个空心管活塞18，加强板17的中部加工内螺纹，将一个装于上盖2上的螺杆16旋过加强板17，螺杆16的下端由压帽21压住，只能转动而不能移动，上端连接调节手轮15，转动手轮15可调节加强板17和空心管活塞18上下移动，改变插入细长气缸20中的深度，如此就能连续地改变压缩波反馈通道14的长度。空心管活塞18与细长气缸20壁的密封采用在气缸壁车槽安装O型圈19。

调节机构1的另一种结构参见附图5，在上盖2对位各条压缩波反馈通道14两中断处开四个上盖开孔9，在上盖2外表面对位各上盖开孔9处固装一个高压管接头22，以连接一定长度的U型管23或半矩形管，U型管23的开口端焊接高压管接头22的另一半。U型管23先分成两半，各半安装定位后再从中部焊到一起，以保持对位精度。采用多个不同长度的U型管23或半矩形管，就能阶跃地改变振荡射流的切换频率。

工作时，高压气从入口管6流进入口腔7，通过射流喷嘴流道8变成高速射流，由于初始偏差，射流附于某壁流动，射入分岔流道10的某一路，产生一系列的压缩波。在该分岔流道10的后端，压缩波反馈通道14入口附近形成高压区，经过压缩波反馈通道14馈到射流喷嘴出口的附壁一侧，激扰推动射流偏转，向另一条分岔流道10切换，然后在另一条分岔流道10中重复上述过程，这样，射流就会一直轮流不断地射入两根接受管12，压缩管内的潴留气，射流释放能量而变冷，潴留气变热，由接受管12的管壁散发能量。制冷后的气体，在振荡射流切换离开之后，又从接受管12的接受管入口13流出，在出口腔3中汇集后，从冷气出口4排出，完成制冷。

Claims (8)

1.反馈式振荡射流制冷机，主要由调节机构(1)、上盖(2)、出口腔(3)、冷气出口(4)、机体(5)、入口管(6)、入口腔(7)、射流喷嘴流道(8)、上盖开口(9)、分岔流道(10)、管接头(11)、接受管(12)、接受管入口(1 3)和压缩波反馈通道(14)构成，其特征在于，整机是全静止的，采用反馈式振荡射流发生器和接受管(12)相组合的结构，通过调节机构(1)改变压缩波反馈通道(14)的长度，来改变压缩波反馈的延迟时间，从而改变射流的附壁振荡切换频率，压缩波反馈通道(14)隔开成两段，再从对位两段中断段端部的上盖开口(9)处插入调节机构(1)，反馈式振荡射流发生器两分岔流道(10)的末端与接受管(12)的前段在机体(5)的出口腔(3)中进行组合定位，由此实现脉冲振荡射流的膨胀制冷。

2.根据权利要求1所述的反馈式振荡射流制冷机，其特征在于，所述的反馈式振荡射流发生器包括射流喷嘴流道(8)、两分岔流道(10)和压缩波反馈通道(14)。

3.根据权利要求1所述的反馈式振荡射流制冷机，其特征在于，所述的调节机构(1)包括手轮(15)、螺杆(16)、加强板(17)、空心管活塞(18)、O型圈(19)、细长气缸(20)和压帽(21)。

4.根据权利要求1所述的反馈式振荡射流制冷机，其特征在于，所述的调节机构(1)包括管接头(22)和不同长度的U型管(23)或半矩形管。

5.根据权利要求1或3所述的反馈式振荡射流制冷机，其特征在于，在上盖2对位压缩波反馈通道14两段中断段末端开有四个上盖开孔9，在上盖2外表面各上盖开孔9处固装一个细长气缸20，每个加强板17连接两个空心管活塞18，加强板17中部加工内螺纹，螺杆16旋过加强板17，螺杆16下端由压帽21压住，上端连接调节手轮15，转动手轮15使加强板17和空心管活塞18上下移动。

6.根据权利要求1或4所述的反馈式振荡射流制冷机，其特征在于，在上盖2对位压缩波反馈通道14两段中断段末端开有四个上盖开孔9，在上盖2外表面各上盖开孔9处固装一个高压管接头22，连接U型管23或半矩形管，采用不同长度的U型管(23)或半矩形管，阶跃改变振荡射流的切换频率。

7.根据权利要求1所述的反馈式振荡射流制冷机，其特征在于，接受管入口(13)和机体(5)采用焊接箱式结构，与机体(5)焊到一起成一体。接受管(12)前段从出口回插，定位后焊牢，接受管(12)前段探出长度在50～300毫米之间，接受管(12)后段的长度在1～12米之间，接受管(12)的前段和后段以管接头(11)或法兰连接。

8.根据权利要求1所述的反馈式振荡射流制冷机，其特征在于，接受管入口(13)扳金加工成与振荡射流出口截面相仿的矩形，然后再缓慢过渡到圆截面，接受管入口(13)与反馈式振荡射流发生器分岔输出口的距离在2～30毫米之间。

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