CN101294751A - 变气容调频自激振荡射流制冷机 - Google Patents
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Abstract
本发明变气容调频自激振荡射流制冷机，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，通过调节气容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
技术领域
本发明变气容调频自激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
利用压力气体的膨胀制冷，可以获得比用工质循环制冷更低的低温。膨胀制冷技术已广泛应用，尤其在石油天然气开发处理等领域中极具应用价值。气波制冷机和热分离机(中国专利87101903.5，89213744.4，90222999.0)等，均属于不定常膨胀制冷，且都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，会使机器的耐压能力降低。随着天然气的集输、处理向高压趋势发展，需要有可靠的高压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，以能够进行低温分离、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
本发明的目的是：提供一种具有一定制冷效率，无运动元件，结构简单，操作维护方便，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-变气容调频自激振荡射流制冷机。
本发明变气容调频自激振荡射流制冷机的技术构思为：
采用气容调频、具有无稳态自激励特性的振荡射流发生器，作为本发明的射流分配器，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的扰动源，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，若向管中注入脉冲射流，必会在振荡射流发生器的出口附近产生一系列压缩波，从而聚集成较大的压力梯度跃升，而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到射流的初始附壁面，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。
为了使射流附壁能够保持一小段时间，有利于接受管的制冷，要求压力跃升信号必须延迟一段时间才反馈到达该初始附壁面，为产生这个延时，本发明以气阻、气容串连构成RC延迟回路，产生正比于二者乘积的延迟时间。
不同气体物性、不同工况、不同制冷负荷和不同接受管尺寸下，射流附壁延续时间的长短会对制冷效率产生较大的影响和制约。为了能够调整射流稳态的时间即射流切换的频率，就要求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，对应自激励压缩波延迟时间的调节方法是：改变压缩波反馈通道的气容参数。具体的实施结构是采用在压缩波反馈通道分出三通，接上一套气缸、活塞，调节活塞的进出，气缸就相当于一个可变的气容，原反馈通道相当于两个串连的气阻。气阻和气容延缓了反馈压力的上升，使射流的切换周期延长。而气缸容积即气容的数倍变化即可使射流附壁的切换频率大幅度改变。微调两气缸的容积还可使射流在两面附壁的稳态时间相等。
振荡射流发生器对应两侧的射流附壁，延伸出分岔的两条流道，在两条流道的向后延伸处，对称地各自开孔，作为射流切换激励源-压缩波的引出孔，该孔连接到压缩波延迟反馈通道的始端。
而在上游射流的初始附壁位置附近的两侧，在两流道分岔的分流劈前，也对称开两个射流切换激励源的入口，并各自与自己一侧的延迟流道终端相连。
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。
正对振荡射流发生器两个流道的出口，安放两根振荡射流接受管。在射流切换的延续时段，射流压缩一根振荡管中的潴留气，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：变气容调频自激振荡射流制冷机，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、压缩波反馈通道9、分岔流道11、法兰12和接受管13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13相组合的结构，通过调节机构1改变压缩波反馈通道9的气容，从而改变射流的附壁切换频率，每一条压缩波反馈通道9均分路联接一气缸21和活塞19，反馈式振荡射流发生器两分岔流道11的末端，与接受管13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11和两压缩波反馈通道9。
所述的调节机构1包括手轮15、气缸上盖16、螺杆17、压帽18、活塞19、O型圈20和气缸21，在上盖2对应两条压缩波返馈通道9大约中间的位置设有上盖开孔22，上盖2外表面固装两个气缸21，气缸上盖16有内螺纹，活塞19上压装的螺杆17旋过气缸上盖16，螺杆17的上端连接调节手轮15，转动手轮15可调节活塞上下移动。
接受管13和机体5采用焊接箱式结构，与振荡射流发生器焊到一起成为一体，接受管13前段从出口回插，定位后焊牢，接受管13的前段探出长度在50～300毫米之间，接受管13延长段的长度在1～12米之间，两者以法兰12或管接头连接。
接受管入口14用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14与振荡射流发生器分岔流道11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；可以通过调节压缩波反馈通道的气容，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是本发明变气容自激振荡射流制冷机的主视结构简图。
图2是本发明变气容自激振荡射流制冷机的俯视结构简图。
图3是本发明调节机构的结构主视图。
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、压缩波反馈通道，10、三通扩孔，11、分岔流道，12、法兰，13、接受管，14、接受管入口，1 5、手轮，16、气缸上盖，17、螺杆，18、压帽，19、活塞，20、O型圈，21、气缸，22、上盖开孔。
具体实施方式
本发明的一种典型的实施方式如下：如附图1和附图2所示，变气容自激振荡射流制冷机，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、压缩波反馈通道9、分岔流道11、法兰12和接受管13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13相组合的结构，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11和两压缩波反馈通道9。通过调节机构1(附图3)改变压缩波反馈通道9的气容，从而改变射流的附壁切换频率。所述的调节机构1包括手轮15、气缸上盖16、螺杆17、压帽18、活塞19、O型圈20和气缸21，在上盖2对应两条压缩波返回通道9大约中间的位置，即对位压缩波反馈通道9分出的三通扩孔10的位置，钻有上盖开孔22，连通上盖2外表面固装的两个气缸21，气缸上盖16有内螺纹，活塞19上压装的螺杆17旋过气缸上盖16，螺杆17的上端连接调节手轮15，转动手轮15可调节活塞上下移动。每一条压缩波反馈通道9均分路联接一气缸21和活塞19。反馈式振荡射流发生器两分岔流道11的末端与接受管13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。
机体5是由一定厚度的金属板加工而成，在其内面分别铣削加工出深6～80mm，截面为矩形的射流喷嘴流道8、分岔流道11和压缩波反馈通道9。接受管13焊到机体5上，属于机体一部分的接受管13焊接箱端面与机体金属板表面同平面，上面用一个上盖2加金属垫，由多个螺栓穿过机体5和上盖2的通孔压紧密封。接受管13的前段从内焊接固定，接受管入口14由扳金加工成与振荡射流出口截面相仿的矩形截面，再缓慢过渡到圆截面，接受管13前段的末端装管接头法兰12或管接头，与后面的接受管13延长段相接。接受管入口14与振荡射流发生器的分岔流道11输出口的距离根据处理量和压力工况而定，范围在2～30毫米之间，接受管13前段探出箱外的长度在50～300毫米之间。接受管13延长段的长度在1～12米之间，接受管13前、后段之间的连接：细管可采用高压管接头，粗管则用法兰12连接。接受管13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，接受管较长时，可回弯或盘成螺旋，以减小占地空间。
调节气容的实施方式为，气缸21的下部为空心结构，加工好后底缘用螺栓固装或焊接于上盖2，对位于压缩波反馈通道9中部分出三通扩孔10的位置，即上盖开孔22处，活塞19与螺杆17的一端旋转嵌装并用压帽18压住，活塞19与螺杆17一起上下移动但不随螺杆17转动。气缸上盖16加工内螺纹，螺杆17穿过，螺杆17随其上端固装的手轮15一起转动进出螺纹，带动活塞19上、下移动而改变气缸21的容积，活塞19的侧壁装O型圈20实现与气缸21壁密封。
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11的某一路，产生一系列的压缩波。在该分岔流道11的后端，压缩波反馈通道9入口附近形成高压区，经过压缩波反馈通道9反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11切换，然后在另一条分岔流道11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13中，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13的管壁散发能量。接受管13中制冷后的射流气体，在振荡射流切换离开之后，从接受管入口14开口处返出，在出口腔3中汇集后，从冷气出口4排出，完成制冷。
Claims (6)
1.变气容调频自激振荡射流制冷机，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)、压缩波反馈通道(9)、分岔流道(11)、法兰(12)和接受管(13)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(13)相组合的结构，通过调节机构(1)改变压缩波反馈通道(9)的气容，从而改变射流的附壁切换频率，每一条压缩波反馈通道(9)均分路联接一气缸(21)和活塞(19)，反馈式振荡射流发生器两分岔流道(11)的末端与接受管(13)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所述的变气容调频自激振荡射流制冷机，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(11)和压缩波反馈通道(9)。
3.根据权利要求1所述的变气容调频自激振荡射流制冷机，其特征在于，所述的调节机构(1)包括手轮(15)、气缸上盖(16)、螺杆(17)、压帽(18)、活塞(19)、O型圈(20)和气缸(21)，在上盖(2)对应两条压缩波反馈通道(9)大约中间的位置设有上盖开孔(22)，上盖(2)外表面固装两个气缸(21)，气缸上盖(16)有内螺纹，活塞(19)上压装的螺杆(17)旋过气缸上盖(16)，螺杆(17)的上端连接调节手轮(15)，转动手轮(15)可调节活塞(19)上下移动。
4.根据权利要求1所述的变气容调频自激振荡射流制冷机，其特征在于，接受管(13)和机体(5)采用焊接箱式结构，与振荡射流发生器焊到一起成为一体，接受管(13)的前段从出口回插，定位后焊牢，接受管(13)的前段探出长度在50～300毫米之间，接受管(13)延长段的长度在1～12米之间，两者以法兰(12)或管接头连接。
5.根据权利要求1所述的变气容调频自激振荡射流制冷机，其特征在于，接受管入口(14)用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。
6.根据权利要求1所述的变气容调频自激振荡射流制冷机，其特征在于，接受管入口(14)与振荡射流发生器分岔流道(11)输出口的距离在2～30毫米之间。
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2008
- 2008-05-23 CN CN2008100115762A patent/CN101294751B/zh not_active Expired - Fee Related
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