CN101970954A - 与涡流管过程相关的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种与涡流管过程相关的方法和装置。在涡流管中的热力学过程参数受到控制：通过调节在热流头部(2)中的热流流速，通过调节在喷嘴入口(4)中的介质流，通过调节在涡流管中的冷流和/或热流的流出速度，和/或通过利用其中的机械、化学和/或电气组件来增强涡流管中的热传递。为了调节气体流的条件参数，所述方法包括至少通过以下手段影响介质流：与喷嘴入口(4)相关的预冷却和/或预电离(9)；在涡流管(1)中额外的加湿(x，x’)；和/或涡流管(1)中在热流头部阀(3)前的机械振动(y)。

Description

与涡流管过程相关的方法和装置

技术领域

本发明涉及一种由独立权利要求1和独立权利要求6的前序部分限定的与涡流管过程相关的方法和装置。

背景技术

环境友好型或环境温和型的生产过程和工艺技术的成为当今的关键问题。因而，创造出用于得到环境友好的工业的对人类有益的“工作流体和介质”的方法和装置是现今所感兴趣的。

例如，被称为润滑剂-冷却剂的基于水和油的流体通常用于在金属加工业中用以冷却进行加工的金属，被称为氟利昂的含氟和氯-试剂用于致冷行业以冷冻和贮藏产品。这些试剂都会对人和环境造成有害的影响。

对于该问题的一种可能的解决方案是使用环境友好型介质，其借助于利用所谓的Rannque效应的涡流管而获得。

在现有技术中已公知一种在采用Rannque效应的涡流管中控制热力学过程的方法(A.V.Martynov and V.M.Brodyansk，“What is a Vortextube，Energy Publishers，1976，pp.6-11)，根据该方法加压流体流被供给到喷嘴入口中。在该喷嘴入口中，流体流膨胀，弯曲前进且被输送到工作管中，在工作管中流体流被分离成冷流和热流。凭藉冷流头部，该冷流从工作管的第一端部被吸入，通过置于工作管的第二端部的一阀该热流被导出进入热流头部。通过调整该阀在热流头部起点的位置和喷嘴入口压力，在涡流管中的热力学过程的参数被调整，该参数在大多数情况下是热流和冷流的温度、流速和流出速度。

涡流管运转如下：加压的介质流被供给通过一个进入端口进入喷嘴入口。被压缩的介质膨胀且首先在喷嘴入口，其次在工作管中被分成冷流和热流。冷介质流体被通过隔板孔输送进入冷流头部。改变热流阀的位置可以改变冷流和热流的速率和温度。为了降低冷流的温度，有必要通过采用阀来降低冷流流速以使得在工作管的热端提供一个更大的流动截面。相反地，为了增加热流的温度，阀可用于关闭工作管截面，从而减小流动截面。

仅仅如果进入涡流管中的流动的能量被分配，使得在其中的一定量从冷流吸入并施加到热流，冷流和热流从而形成。然而能量再分配是发生在涡流管中的一个复杂热力学过程的结果。由于它们独特的特性，涡流管被广泛地应用于不同的工业，农业和医药领域。但是，涡流管的每种设计提供了有限的修改冷流和热流的参数的可能，并且为了得到流动的不同的参数，采用传统的实施方式，对每一种实施方式只有独立地改进涡流管的设计，这样也相应地限制了涡流管的开发的可能性。

在EP0684433中，如图1所示，介绍了一种用于控制涡流管中的热力学过程的方法，用于实现上述方法的一个涡流管以及它的用途，根据该申请提出了一种通过将流体流在下压力引入喷嘴入口以用于控制在热流管中的热力学过程的方法。为了不改变所述管的结构而得到在冷流和热流中的希望的参数，在喷嘴入口的所述流体流是通过改变在涡流管中发生的热力学过程的状态参数而被控制。控制喷嘴入口中的流动是通过改变流动的路径长度，通过将流动分成两个具有它们各自的路径长度的循环流动，或者通过调节速度、流动速率和在喷嘴入口的入口处的流动压力来实现。控制涡流管中的流动是通过设置在喷嘴入口的腔中的螺旋管和一位于进口孔的入口的隔板来实现的，通过在喷嘴入口的腔中设置螺旋管使得相对于进口流动的喷嘴入口的位置可以被改变。该发明举例被应用于机械行业，又可用于致冷和医药行业等。

另一方面，在俄罗斯专利No.2045381介绍了通过涡流管来实现冷却用于加工金属的装置，提供将冷流头部和热流头部与连接到一动力源的具有电极的离子发生器的气动耦合结合，其中正电极是环形电极而负电极是针形电极。全部电极以这种方式设置，即它们的锋利的尖端被设置成与冷流头部和热流头部平行。在这种情况下，所述加工装置的冷却单元必须配置喷射器，其被以如下方式设置在所述冷流头部的输出端的附近，即喷射器的轴向布置可通过与冷流头部的输出开口关联地进行调节，使得它可与所希望的流化介质源相连。

冷却金属机加工装置中的切削点是按以下步骤进行操作的：空气从加压空气源供给到涡流管的喷嘴入口，在这里空气被分离成冷流和热流。所述热流通过节流阀而排入位于工作管的第二端部的热流头部。所述冷流的温度在该情况下通过传统地增加或减少节流阀的截面来调节。所述冷流被供给到所述冷流头部，其中具有一个针形负电极，在冷流头部中一来自电源的高电压被引导到那里。该电压在电极之间生成一个电晕电弧。在所述电弧的电场中发生所述冷流的电离，由此所述冷流通过在正电极的孔而被以引导射流而导引到所述加工装置的切削区域。

另一方面，电离化空气的强射流在其内引起真空的所述喷射器内的腔内得到。作为其结果，通过弹性管来自液体源的液体在喷射器收集，所述液体喷向所述电离化的冷流。该高压的空气和包括氧、氮及其衍生物的离子的分散物的混合物，被供给到机加工装置的切削区域。所述混合物冷却金属的被切削点并且潮湿在切削铸铁时所产生的石墨粉尘，由于该原因粉尘不会喷溅到工作环境的空气中。

通过一个涡流管的仅仅地确定的结构，其可特别是用于冷却一加工装置的一切削区域，可具备有限的影响冷流和热流的传统参数的可能性，由此为了获得所述参数的足够的变化，传统上必须改进涡流管的结构，由于它的原因过分地限制了用于冷却一个加工装置的一切削区域的涡流管的开发的可能性。除上述之外，供给到所述涡流管内部的空气的湿度必须在一定限度内(由此通常需要对供给空气进行干燥)。对上述处理的空气的湿度的限制是因为在所述涡流管中的空气的膨胀。其原因是如果供给到涡流管中的空气太潮湿，则所述的管的运行效率显著降低。当过度潮湿的空气被供给到所述冷流头部时，将会引起电晕电弧的消失，或者换句话说，将不会出现所述冷流的电离被引导到所述加工装置的切削区域。因为上述原因，冷却的空气流包括切削流体，但不是处于电离态，这也是为什么对切削区域的冷却不够高效，并且除了非常大量的热被传递到周围环境中之外，相应的氧化膜在被处理的表面上生成。

因此，不论根据EP0684433和RU2045381的以上解决方案还是甚至最近的对涡流管的研究和发展，都已发现为了使过程稳定而进一步地需要开发涡流管过程，而不需要为了不同的实施和需求而改进涡流管的结构。

发明内容

因此，本发明的一个目的是针对上述的各个问题取得决定性的进步，并且因而显著地提高现有技术的水平。为了实现这一目的，根据本发明的与涡流管过程相关的方法和装置的特征在于如独立权利要求1和独立权利要求6的特征部分中的所述的特征。

根据本发明的与涡流管过程相关的方法和装置的最重要的有利之处就是能实现上述的结构的简化和高效，以及同样地实现了它的用途，由此对环境的损害和对能源的消耗可显著地减少。由于本发明，所述涡流管过程通过在机加工装置的冷却中使得涡流管被利用而得到稳定，这是因为对加压空气的高效预处理以及对涡流管中的介质流的操控使得与在工作管等中的热传递可能同样地高效。

另外，通过在进口喷嘴之前和在进口喷嘴内部对介质流进行处理，使得在涡流管的输出端处进行调节具有非常宽松的可能性，而不需要对所述涡流管进行结构改进。这就是为什么在流动介质的流量和压力随着使用目的而改变的情况下，该特性可以被控制或调节。

特别地额外地对在所述热流头部的空气的加湿，对在进口喷嘴之前的空气和当对切削区域供给空气时的空气进行预冷却和/或预电离，以及所述热流头部的端部的同时振动，必然会增加机加工过程的容量，改进机加工装置的耐用性以及进一步改善和净化工人的操作环境。

附图说明

在接下来的说明书中，将结合附图对本发明进行详细描述，其中：

图1示出根据现有技术的涡流管的纵向截面，

图2示出使用根据本发明的方法和装置的一种有利的涡流管的局部剖开侧视图，

图3a-3c示出三种有利的其它可选方式的喷嘴入口的进入端口的结构实施方式，

图4a-4b示出本发明有关热流振动的一个有利实施例的纵向截面和垂直截面；

图5示出与冷流头部的输出相关的本发明的一个有利结构实施方式的纵向截面；和

图6示出本发明有关在工作管内部的热力学过程的一个有利实施例的局部剖开的纵向截面。

具体实施方式

本发明涉及一种与涡流管过程相关的方法，其中加压介质流10被供给进入到喷嘴入口4中，由此介质流在向前运动时产生膨胀；其中介质流在进入工作管1中时发生扭转(twisted)，由此该发生扭转的介质流被分成分离的冷流和热流；此后该冷流经由冷流头部5在穿过在壁面中心位置的孔后从涡流管中排放出，该壁面限制了工作管1的第一端部，以及该热流相应地经由热流头部2在流经第二端部具有流量阀3的工作管1后从涡流管中排放出，以及其中在涡流管中的热力学过程的参数受到控制：通过调整流量阀3以调节在热流头部2中的热流流速，通过调节在喷嘴入口4中的介质流量；通过调节流出速度，喷嘴入口4的进入端口中的介质流的流速和/或方向，通过改变介质流的流动路径长度，通过将介质流分成具有不同流动路径长度的冷流和热流，通过调节在涡流管中冷流和/或热流的流出速度，和/或通过利用其中的机械、化学和/或电气组件来增强涡流管中的热传递，通过影响结构的或改进的表面结构或其中的涂层，和/或通过对热流和/或冷流的电离。特别是为了能够在较宽的范围内对介质气体流例如加压空气流的条件参数进行调节，所述方法包括至少可通过下述手段影响介质流：如图2中所示的与喷嘴入口4相关的预冷却和/或预电离9，如图6中所示的在涡流管1中额外的加湿x，x’，和/或如图4a和4b中所示的在涡流管1中在热流头部阀3前的机械振动。

根据所希望的热流和/或冷流的特性，在涡流管中发生的介质流被控制，该控制是通过改变在喷嘴入口4前，在喷嘴入口4内，在工作管1内，在冷流头部和热流头部5、2的内部和在介质本身中发生的热力学过程的条件参数。

热力学过程的控制有利地通过下列方式实现：在喷嘴入口4前，通过预冷却和/或预电离9介质流10；在喷嘴入口4内，通过改变介质流的流速；在工作管1内，通过加湿x或类似地通过对热流的外周带来少量分散的流体x’，通过增加对流的内部表面和/或其上的涂层1a’，和/或通过振动y热流；在冷流头部，通过电离冷流和/或增加其中的流出速度；和独立地在热流头部2内，通过电离热流。上面所列手段的实施，例如改变喷嘴入口的流速，电离冷流和热流和改变介质本身的条件参数，其一部分的细节在专利EP0684433首先的解释中进行了描述，该早先的专利是由本发明的相同的发明人发明的。

作为另一个有利的实施例，根据本发明的与具有一工作管1的涡流管相关的方法被应用，第一端部通过流量阀3和热流头部2连通，并且通过第二端部与喷嘴入口4连通，工作管1同轴地设置，其连接到冷流头部5并且通过通向在压力下供给的介质源的进口与喷嘴入口4连通。为了控制在喷嘴入口4的进口内的流速，介质流被至少通过预冷却器和/或预电离器9而预处理。更进一步，喷嘴入口4的介质流的流出速度有利地通过一速度改变装置被调节。一速度改变装置的不同类型的实施在专利EP0684433中已经描述。

如图6中所示的原则，作为用于加湿进入工作管1的外周的热流的一个有利的实施例，被带来少量分散的流体x’，与此一起的是工作管1的内壁1a，包括毛细多孔表面结构或涂层1a’，可能以工作管1的最小的内部表面面积在工作管1的进口端到出口端获得最大的热传递。

当通过振动器振动热流，振动器在一个基于流动频率的独立的初衷而动作时具有优势。由于在流动介质和工作管的壁面的热交换增加，温度分离影响变得更有效，热交换增加是由于加热的流动在工作管1中脉动地被排放。

本发明还涉及一种与涡流管过程相关的装置，所述涡流管包括用于待处理的加压介质流10的喷嘴入口4；所述介质流在向前运动时产生膨胀且在离开喷嘴入口之前发生扭转，工作管1；在进入工作管1中时发生扭转所述介质流被分成分离的冷流和热流，冷流头部5；在所述冷流头部中，冷流被引导通过用于限制工作管1的第一端部的壁面中心的孔并且自该孔最终从涡流管中排出；以及热流头部2；在所述热流头部中，热流从工作管1被引导通过位于其第二端部的流量阀3，并且自该流量阀3最终从涡流管中排出；其中在所述涡流管中的热力学过程的参数得到控制：通过调整流量阀3以调节在热流头部2中的热流流速，通过调节在喷嘴入口4中的介质流量；通过调节流出速度，喷嘴入口4的进入端口中的介质流的流速和/或方向；通过改变介质流的路径长度；通过将所述介质流分成具有不同路径长度的冷流和热流，通过调节在涡流管出口处的冷流和/或热流的流出速度，通过利用其中的机械、化学和/或电气组件来增强涡流管中的热传递；通过影响结构的或改进的表面结构或其中的涂层，和/或通过对热流和/或冷流的电离。特别是为了能够在较宽的范围内对气体介质流例如涡流管中的加压空气流的条件参数进行调节，所述装置包括至少，如图2中所示的与喷嘴入口4相关的用于电离介质流的辅助的预冷却和/或预电离装置9，如图6中所示的在工作管1中用于通过额外的加湿影响热流的加湿装置x，和/或如图4a和4b中所示的在工作管1中在热流头部阀3前面的用于机械振动所述热流的振动装置y。

作为参考图6的一个有利的实施例，所述加湿装置x通过将少量分散的流体x’带入到工作管1内的热流的外周而进行工作。

作为参考图6的另一个有利的实施例，工作管1包括在其内部壁面1a上的毛细多孔表面结构或涂层1a’和/或振动装置y，所述振动装置y如图4a和4b所示用于振动热流。

如图3a和3b中所示的，喷嘴入口4的进入端口由至少一块可变形板7、8制成。作为参考图5的另一个有利的实施例，冷流头部2的输出包括回流涡流喷射器z。置于图3c所示的实施例，喷嘴入口的入口通过一拉瓦尔喷嘴实现，其被提供轴向位移的可能，这是为了在流体介质的压力增加时增强调节。

参考现有技术，图1示出了喷嘴入口4的一种可能的变型方式，包括与工作管1同轴地共线设置的圆筒形套筒7并与之配合。

圆筒形套筒7的另一端被具有中心孔14的隔板8限制。环绕孔9的一个平的螺旋形物体通过在隔板8的朝向喷嘴入口14的端部表面一个端部边缘被刚性地锁定，与另一个齿轮12作用的一个具有标记和数字的齿轮11用于使隔板8绕着自身轴线转动，其刚性地与隔板8同轴地在隔板8的另一个端部表面锁定。在这么做时齿轮11具有圆锥形的开口13，其与在隔板8的中心孔14一起构成管道来回收到冷流头部5的冷流。

当隔板8转动时，螺旋形物体10可占据相对于喷嘴入口4的进入端口6。这是根据EP0684433的发明的仅有的一个典型实施例。

通常来说有数百文章力图从理论上解释涡流效应，但是它们都没有考虑到作为在涡流管内部的3D流的特征的所有的因素。传统的假说是来自于在涡流管中的能量交换机理的不同的假设，这些假说被强制地使用简化，其正确性很难判断。在科学评论中，所有这些假说组合成十组。在一个根据本发明的涡流管中，仅有一个假说被应用，其正确性由达到相当程度的实验数据来支持。该假说是“涡流作用假说”，能量分离过程是两个涡流相互作用的结果，由此这些涡流沿着轴线相互倚靠地运动：外围的根据内部涡流理论的旋转，以及通过根据准固体主体法则的轴向旋转。

在本发明的涡流管中，“涡流相互作用假说”以如下方式工作：作为微小量气体的径向运动结果，存在主要的被冷却的气体的在精微程度上的循环：当沿半径向上运动时微小量的气体被绝热压缩；当在最大的半径位置时热的微小量的热传递到周围的涡流层；当沿半径向下运动时微小量的气体被绝热膨胀，并且同时在周围的涡流层完成操作；当在最低位置时微小量的气体从周围的涡流层吸收热量。

因此，根据本发明的在涡流管中所有的设计都集中在对管中不同部位的微小量的气体的控制的可能性。其它的解决方案，例如改变气体混合物自身-湿度、温度、预电离等，都是集中本发明的应用目的-具有气体-在管的输出的分散混合物，其具有更大的改变的原子和分子百分量，冷却到较低的温度等。上述特别地需要加工完成。

本发明的目的包括：-影响(控制)在管内的热力学过程，同样影响(控制)在涡流管、管内部以及在出口部分(在冷端和热端)的进入的空气。输入喷嘴的空气混合物的一些变化(混合物的包含物，混合物的条件-预电离，预冷却，添加其它气体等)，热、冷喷嘴颈部(端部)的设计，完全地影响在涡流管内部的热力学过程。

清楚的是本发明并不局限于上述的实施例，但可代替为，在任何特定的时间为了不同的目的，在需求和实施的范围内可进行变型。因此，通常来说，在涡管中的热流体流动可被用于加热条件，电离的热流动可用于除上面提及的其它非常多类型的目的，例如，提供电离气体的前提，和在农业中，通过供应电离的热空气给温室和苗圃中。

因此，由于所公开的涡流管设计中的热流和冷流的得到的参数的一个宽的范围，使得可能为了不同的目标和在不同的领域中使用一个以及相同的设计，从而有利于准备环境友好型地生产过程。因而，本发明的涡流管的设计可广泛地应用于制造和冷冻行业，还可用于医药和农业等领域。

Claims (10)

1.与涡流管过程相关的方法，其中：加压介质流(10)被供给进入到喷嘴入口(4)中，由此介质流在向前运动时产生膨胀；其中介质流在进入工作管(1)中时发生扭转，由此该发生扭转的介质流被分成分离的冷流和热流；此后该冷流经由冷流头部(5)在穿过在壁面中心位置的孔后从涡流管中排放出，该壁面限制了工作管(1)的第一端部，以及该热流相应地经由热流头部(2)在流经第二端部具有流量阀(3)的工作管(1)后从涡流管中排放出；以及其中在涡流管中的热力学过程的参数受到控制：通过调整流量阀(3)以调节在热流头部(2)中的热流流速，通过调节在喷嘴入口(4)中的介质流量；通过调节流出速度，喷嘴入口(4)的进入端口中的介质流的流速和/或方向；通过改变介质流的流动路径长度；通过将介质流分成具有不同流动路径长度的冷流和热流，通过调节在涡流管中冷流和/或热流的流出速度，和/或通过利用其中的机械、化学和/或电气组件来增强涡流管中的热传递，通过影响结构的或改进的表面结构或其中的涂层，和/或通过对热流和/或冷流的电离，其特征在于：特别是为了能够在较宽的范围内对介质气体流例如加压空气流的条件参数进行调节，所述方法包括至少通过以下之一的手段影响介质流：即与喷嘴入口(4)相关的预冷却和/或预电离(9)；在工作管(1)中额外的加湿(x，x’)；工作管(1)中在热流头部阀(3)前的机械振动(y)。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据所希望的热流和/或冷流的特性控制在涡流管中发生的介质流，所述控制是通过改变在喷嘴入口(4)前、在喷嘴入口(4)内、在工作管(1)中、在冷流头部和热流头部(5、2)中和在介质本身内发生的热力学过程的条件参数而实现的。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，热力学过程的控制通过下列方式实现：在喷嘴入口(4)前，通过预冷却和/或预电离(9)所述介质流(10)；在喷嘴入口(4)内，通过改变所述介质流的流速；在工作管(1)内，通过加湿(x)所述工作管，通过使少量分散的流体(x’)进入所述热流的外周，通过增加其对流的内部表面(1a’)，和/或通过振动(y)所述热流；在冷流头部(5)中，通过电离所述冷流和/或通过增加其流出速度；以及独立地在热流头部(2)中，通过电离所述热流。

4.根据前述权利要求1-3中任一项所述的方法，所述方法被应用与包含工作管(1)的涡流管相关，所述涡流管的第一端部通过控制阀与热流头部(2)相连通并且通过第二端部与喷嘴入口(4)相连通，所述工作管(1)同轴地设置并且被连接到冷流头部(5)上且通过进入端口连接到介质源，所述介质在压力下被供给到喷嘴入口(4)，其特征在于，为了控制在喷嘴入口(4)的进入端口内的流速，所述介质流至少通过预冷却器和/或预电离器(9)而得到预处理，并且由此喷嘴入口(4)的介质流的流出速度通过速度改变装置进行调节。

5.根据前述权利要求1-4中任一项所述的方法，其特征在于，为了加湿所述热流，少量分散的流体(x’)被带入工作管(1)的外周，连同工作管(1)的内壁(1a)一起，包括毛细多孔表面结构或涂层(1a’)，从而使得有可能以工作管(1)的最小的内部表面面积从工作管(1)的输入端到输出端获得最大程度的热传递。

6.与涡流管过程相关的装置，所述涡流管包括用于待处理的加压介质流(10)的喷嘴入口(4)；所述介质流在向前运动时产生膨胀且在离开喷嘴入口之前发生扭转，工作管(1)；在进入工作管(1)中时发生扭转所述介质流被分成分离的冷流和热流，冷流头部(5)；在所述冷流头部中，冷流被引导通过用于限制工作管(1)的第一端部的壁面中心的孔并且自该孔最终从涡流管中排出；以及热流头部(2)；在所述热流头部中，热流从工作管(1)被引导通过位于其第二端部的流量阀(3)，并且自该流量阀(3)最终从涡流管中排出；其中在所述涡流管中的热力学过程的参数得到控制：通过调整流量阀(3)以调节在热流头部(2)中的热流流速，通过调节在喷嘴入口(4)中的介质流量；通过调节流出速度，喷嘴入口(4)的进入端口中的介质流的流速和/或方向；通过改变介质流的路径长度；通过将所述介质流分成具有不同路径长度的冷流和热流，通过调节在涡流管出口处的冷流和/或热流的流出速度，通过利用其中的机械、化学和/或电气组件来增强涡流管中的热传递；通过影响结构的或改进的表面结构或其中的涂层，和/或通过对热流和/或冷流的电离，其特征在于，特别是为了能够在较宽的范围内对气体介质流例如涡流管中的加压空气流的条件参数进行调节，所述装置包括至少与所述喷嘴入口(4)相关的用于冷却和/或电离所述介质流的辅助的预冷却和/或预电离装置(9)；在工作管(1)中用于通过额外的加湿(x’)影响所述热流的加湿装置(x)，和/或在工作管(1)中在热流头部阀(3)前面的用于机械振动所述热流的振动装置(y)。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述加湿装置(x)通过将少量分散的流体(x’)带入到工作管(1)内的热流的外周而进行工作。

8.根据权利要求6或7所述的装置，其特征在于，所述工作管(1)包括在其内壁(1a)上的毛细多孔表面结构或涂层(1a’)，和/或用于振动所述热流的振动装置(y)。

9.根据前述权利要求6-8中任一项所述的装置，其特征在于，喷嘴入口(4)的进入端口由至少一块可变形板(7，8)制成。

10.根据前述权利要求6-9中任一项所述的装置，其特征在于，冷流头部(2)的输出包括回流涡流喷射器(z)。

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