CN104180550B - 外激励与集中耗散静止式气波制冷机 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种外激励与集中耗散静止式气波制冷机，属于压力气体的膨胀制冷领域。该制冷机摒弃了以往静止式气波制冷机都依靠主射流分流自激振荡方式，创新由外部引入经过调制的微射流进行激励，使主射流产生附壁振荡，减小了射流的能量损失。又去除了接受管结构，采用少许延长机体上原有的振荡分叉流道，并在各流道的末端，连接一个公共的散热消波单元，集中耗散射流的压缩能量和消除反射激波。该机采用在主射流喷嘴的两侧，贴加脉冲流第二喷嘴的方法，使附壁振荡更加容易实现，克服了以往机型所固有的射流能量损失大、起振困难和振荡频率不易调节等缺陷，适合于油田气等零散压力能的高效利用，成本低、运行可靠。

Description

外激励与集中耗散静止式气波制冷机

技术领域

本发明外激励与集中耗散静止式气波制冷机属于射流振荡和膨胀制冷技术领域，涉及外激励与集中耗散静止式气波制冷机。

背景技术

随着社会生产力的提高与可持续发展，对于简单、高效、免维护的流体设备的需求也越来越多，因而出现了许多新型流体机械与设备。其中，静止式气波制冷机使带压气体通过非定常膨胀制冷，具有结构简单、无磨损、免维护、耐高压等特点，因而在余压压力能利用等领域，能产生很大的经济效益和社会效益。如中国专利ZL200410021388.X和ZL200810011575.8等，已用于油田气净化处理等工艺中。

然而，目前静止式气波制冷机还存在许多不足，主要有两方面的问题：一方面，由于都是采用射流自身分流进行自激励来产生摆动的附壁振荡，以此分配射流依次进入数根呈扇平面排布的各个接受管中进行制冷。但如此具有三个缺陷：第一，自激励的强度小，特别是在初始启动振荡时段，导致不易附壁切换振荡，特别是对于压力密度和粘度大的气体更是如此；第二，射流的振荡频率基本只由激励流道的几何参数和波速而定，因此，很难在线进行调节，导致射流频率与其后相接的接受管管长及动力载荷难以匹配，使制冷效率显著降低；第三，也是最主要的问题，就是射流的能量损失大，这是由于要达到触发并维持附壁切换振荡的激励强度，就得在主射流流道的边界壁面，开设面积足够大的激励开口，这样流道内开放旁通的边界条件，会产生大的分流扰动，严重破坏主射流原来的有序流动，产生强烈的紊流旋涡，导致工作射流的动能大量消耗。由于上述原因，目前静止式气波制冷机的效率不足40％，其中因自激振荡导致的损失占了很大的比例。

而另一方面，为了耗散掉工作射流向接受管内滞留气体传递能量所转化成的热能，必须使用长长的接受管以利散热，但由于机理所制，其接受管近端的热负荷远大于管的远端，致使管内近端的制冷气，被管壁再次加热而降低制冷效率；而远端管材的功能利用率却很低，造成了浪费。而更为严重的是，对长接受管的固定不仅麻烦，而且在脉冲气流的冲击下，极易产生强烈的振动，导致开裂断管，严重影响设备的可靠性与安全性。

发明内容

本发明提供一种避免主射流分流、而是由外部引入几小股经过调制的微射流进行激励，而使主射流产生附壁振荡；和大幅缩短接受管，转而利用公共散热单元集中耗散射流的压缩能量，这样具有两种新型机制的高效、稳定可靠的射流膨胀制冷装置---外激励与集中耗散静止式气波制冷机。

本发明所采取的创新技术解决方案为：

本发明外激励与集中耗散静止式气波制冷机，与现有技术相比，具有两项根本性的变革。第一个变革，是摒弃依靠主射流自身能量来激励振荡的各种自激励的模式，而是采取主动控制方式，将外部微量带压流体，先经过调制形成两股相位相反(一股流动时另一股停止)，动、停周期和压力幅度对称的脉冲式微激励流，将其用细管路导入制冷机中，从主射流的两个侧壁面处所开设的左、右激励开口流出，轮流地垂直推动主射流，使其不断地偏转，产生与外脉冲微激励流频率一致的附壁振荡。

为提高激励效果，进一步降低主射流的能量损失，本发明还同时采用了在主射流喷嘴的左、右两侧，平行贴加脉冲流第二喷嘴的方法，将上述的两股微激励流，各分流出一部分，分别从这左、右两个第二喷嘴轮流喷出，与主射流汇合，这相当于主射流在宽度维度，不断地做横向平移，与两侧壁面的距离也周期性地改变。在左侧的垂直激励流推动主射流向右偏转的同时，平行于主射流喷嘴的右侧第二喷嘴也射出气流，与主射流汇合向右侧加宽，增强了射流对右侧的抽吸能力，致使主射流右侧的压力更加降低，配合左侧垂直微射流的推动，使主射流更容易向右侧偏转附壁。而在下一个时段，反方向的相同过程发生。延续下来，主射流便会不断地摆动附壁，形成振荡。

由于外激励流的压力幅度比射流自激励的要大，故所需的激励流量微小，故主射流流道侧壁所须的激励开口尺寸，比之自激励振荡所须，可以大幅度地缩小，故其开口对主射流流动的干扰也很小，主射流的动能损失必将大幅度地减小。而贴加的第二喷嘴喷出的平行激励流，与主射流同方向且速度差很小，可视为主射流的增加部分，只起利于偏转的有益作用，而不会产生附加的损失。

第二个变革，是摒弃了长长的接受管，转而采用少许延长机体上原有的振荡分叉流道，只略长于射流进入深度所需，并在各个流道的末端，统一连接一个公共的散热消波单元，集中耗散射流的压缩能量和消除反射激波，能充分、高效地耗散射流的能量，进一步提高气波机的制冷效率。

公共散热消波单元的散热器采用中空壳体、内装冷却介质管、或冷却波纹板的结构。冷却介质管外可缠绕翅片，以增强壳程气体的传热系数。冷却介质为水或其他工艺介质。

采用了集中耗散结构，能彻底解决接收管的振动问题。并且，将原来接受管外壁的自然散热，变为强制换热，可使滞留气的体积更加收缩，即压缩刚性降低，增强了其吸收射流能量的能力；在集中耗散容积腔中换热的同时，入射激波被多次反射吸收，残留反射回的激波强度大为降低，制冷气不会重新受热，这些都会提高非定常膨胀制冷的效率。并且，冷却介质在带出射流对滞留气体的受压缩能量后，其热能还可回收。

本发明的有益效果是：

创新出同时具有两种新型原理机制的一种射流能量损失小，制冷效率高的新型静止式气波制冷机，具有起振容易，振荡频率任意可调，能与负载完全匹配，工作稳定可靠、成本低，使用方便等效果，可用于油田气处理、和其他高效利用压力能的场合。

附图说明

图1为本发明外激励与集中耗散静止式气波制冷机的结构示意图。

图2为制冷机机体上的各个流道、开孔位置与集中散热器结构示意图(A-A)。

图3为本发明制冷机的俯视图。

图4为本发明制冷机的仰视图。

图中：1集中散热器；2上盖板；3外激励流左入口管；4外激励流右入口管；5压力气体入口管；6机体；7底板；8制冷气出口管；9集中散热器腔；10振荡射流接受流道；11接受流道制冷气出口；12主射流流道；13左垂直激励导入流道；14左激励流分流孔；15左垂直激励流开口；16左激励第二喷嘴；17左第二喷嘴前流道；18左第二喷嘴流导入孔；19左第二喷嘴导入通道；20压力气入口缓冲腔；21右第二喷嘴导入通道；22右第二喷嘴流导入孔；23右第二喷嘴前流道；24主喷嘴；25右激励第二喷嘴；26右激励流分流孔；27右垂直激励导入流道；28右垂直激励流开口；29散热器腔通口；30散热消波腔；31冷却介质换热管；32冷却介质出口；33冷却介质入口；34第二喷嘴导入通道密封盖板。

具体实施方式

下面结合附图和技术方案进一步的说明本发明的具体实施方式。

本发明外激励与集中耗散静止式气波制冷机的一种典型的实施方式描述如下，但不只是局限于此种方式：

本发明外激励与集中耗散静止式气波制冷机，主要由集中散热器1、上盖板2、机体6、底板7、外激励流左入口管3、外激励流右入口管4、压力气体入口管5和制冷气出口管8等部件所组成。在机体6上，对称于其中轴线，加工出一定深度、最大值可为机体全厚度的压力气入口缓冲腔20、主喷嘴24、主射流流道12以及数条振荡射流接受流道10。为能实现射流振荡，在主射流流道12的左、右两侧壁，开有左垂直激励流开口15和右垂直激励流开口28，各自接续左垂直激励导入流道13和右垂直激励导入流道27；在主喷嘴24的左、右两侧，加工左激励第二喷嘴16和右激励第二喷嘴25，以及对应的左第二喷嘴前流道17和右第二喷嘴前流道23。

将左垂直激励导入流道13、和右垂直激励导入流道27的外始端，对位到上盖板2上的外激励流左入口管3和外激励流右入口管4的位置，以使外激励流能被导入。同时，在相同的两个对位位置处，在机体6向下开左激励流分流孔14和右激励流分流孔26，各自分别与底板7上、下表面所斜向交叉加工的左第二喷嘴导入通道19和右第二喷嘴导入通道21相连通。下表面第二喷嘴导入通道沟槽的开露面，用第二喷嘴导入通道密封盖板34盖后焊封。

同样，在左第二喷嘴前流道17和右第二喷嘴前流道23的前始端，在机体6向下开左第二喷嘴流导入孔18和右第二喷嘴流导入孔22，且分别与底板7上、下表面所斜向交叉加工的左第二喷嘴导入通道19和右第二喷嘴导入通道21相连通，以能导入外部激励脉冲微射流到各第二喷嘴。

在每一条振荡射流接受流道10的始端附近，向前倾斜向下挖透机体，成为接受流道制冷气出口11。

本发明外激励与集中耗散静止式气波制冷机，其数条振荡射流接受流道10的末端敞开端口，通过集中散热器1的散热器腔通口29，伸进到集中散热器1的散热消波腔30中，使受压缩的滞留气，被冷却介质换热管31中流动的冷却介质所冷却。每一条振荡射流接受流道10与集中散热器1的散热消波腔30，借助各个散热器腔通口29进行连通和与外界密封。

本发明外激励与集中耗散静止式气波制冷机，其上盖板2、机体6、底板7叠摞在一起，用螺栓固定连接或直接焊牢。

本发明外激励与集中耗散静止式气波制冷机，其振荡射流接受流道10的数量为2～16条，起始段呈扇形排列，流道的横截面形状近似为矩形。

本发明外激励与集中耗散静止式气波制冷机，其底板7上、下表面所加工的左第二喷嘴导入通道19、右第二喷嘴导入通道21，二通道在上、下表面的位置可以任意，但左第二喷嘴流导入孔18、右第二喷嘴流导入孔22，和左激励流分流孔14，右激励流分流孔26，其深度须根据所连通的各自通道具体确定是在上表面、还是下表面而定。

本发明外激励与集中耗散静止式气波制冷机，其压力气体入口管5、外激励流左入口管3和外激励流右入口管4，固装于上盖板2上所开的通孔内圆，分别与机体上所加工的压力气入口缓冲腔20、左激励流分流孔14，右激励流分流孔26的投影位置对应。而制冷气出口管8固装于底板7所开通孔的内圆，居中对称于各个接受流道制冷气出口11的位置。

本发明外激励与集中耗散静止式气波制冷机，其主喷嘴24为直喷嘴或渐缩式喷嘴，出口宽度和高度根据工作射流的流量而定，宽度范围为1～100毫米，高度即深度范围为1～200毫米。其主射流流道12的宽度，为主喷嘴24出口宽度的1.05～5倍。

本发明外激励与集中耗散静止式气波制冷机，位于主射流流道12的左、右侧壁的左垂直激励流开口15、右垂直激励流开口28，其口宽度为主喷嘴24出口宽度的0.02～0.5倍。

本发明外激励与集中耗散静止式气波制冷机，位于主喷嘴24左、右两侧的左激励第二喷嘴16、和右激励第二喷嘴25，其出口宽度为主喷嘴24出口宽度的0.02～0.5倍。

本发明外激励与集中耗散静止式气波制冷机的工作机理叙述如下：

带压气体从压力气体入口管5进到压力气入口缓冲腔20，再经主喷嘴24加速成高速主射流；在外激励脉冲流的上半周期，由于外部微控器件的切换通断，外激励流只通过外激励流左入口管3和左垂直激励导入流道13、从主射流流道12左侧壁的左垂直激励流开口15喷出，提高了射流左附壁侧的压力、和推动主射流向右偏转。与此同时，外激励流也通过左激励流分流孔14、和右第二喷嘴导入通道21，再经右第二喷嘴流导入孔22，进入右第二喷嘴前流道23之后，从右激励第二喷嘴25喷出，与主射流平行叠加，使主射流右侧的卷吸能力增强，右侧压力降低，使主射流更容易向右侧偏转附壁。

而在外激励脉冲流的下半周期，由外部微控器件的反向切换，外激励流转而只通过外激励流右入口管4和右垂直激励导入流道27、从主射流流道12右侧壁的右垂直激励流开口28喷出，提高了射流右附壁侧的压力、和推动主射流向左偏转。与此同时，外激励流也通过右激励流分流孔26、和左第二喷嘴导入通道19，再经左第二喷嘴流导入孔18，进入左第二喷嘴前流道17之后，从左激励第二喷嘴16喷出，与主射流平行叠加，使主射流左侧的卷吸能力增强，左侧压力降低，使主射流更容易向左侧偏转附壁。

上述过程随着外部微控器件的反复切换而不断地进行，射流产生相同频率的附壁振荡，将射流依次轮流短时注入到初始段扇形排列的各条振荡射流接受流道10中，产生压缩波和膨胀波，将射流能量传递给振荡射流接受流道10内的滞留气，滞留气通过散热器腔通口29，进到集中散热器1的散热消波腔30中，耗散出所吸收的能量，再在该条振荡射流接受流道没有注入射流的间隙时间，返回该条振荡射流接受流道，和推动流道内已做功制冷的射流流体，从接受流道制冷气出口11流到制冷气出口管8汇集流出。

外激励微脉冲流的调制可由机械、或电磁驱动的切换阀、平动或转动的切换分流机构，或超磁致伸缩材料等器件完成。由于外激励流体的流量很小，调制比较容易。

本发明外激励与集中耗散静止式气波制冷机的运行参数如下：

外激励切换频率即主射流的附壁振荡频率：1～1000Hz；

带压流体入口压力范围：0.05～40MPa。

Claims (7)

1.外激励与集中耗散静止式气波制冷机，包括集中散热器（1）、上盖板（2）、机体（6）、底板（7）、外激励流左入口管（3）、外激励流右入口管（4）、压力气体入口管（5）和制冷气出口管（8），其特征在于，在机体（6）上，对称于其中轴线，加工出深度最大值为机体全厚度的压力气入口缓冲腔（20）、主喷嘴（24）、主射流流道（12）以及数条振荡射流接受流道（10）；在主射流流道（12）的左、右两侧壁，开有左垂直激励流开口（15）和右垂直激励流开口（28），各自接续左垂直激励导入流道（13）和右垂直激励导入流道（27）；在主喷嘴（24）的左、右两侧，加工左激励第二喷嘴（16）和右激励第二喷嘴（25），以及对应的左第二喷嘴前流道（17）和右第二喷嘴前流道（23）；将左垂直激励导入流道（13）和右垂直激励导入流道（27）的外始端，对位到上盖板（2）上的外激励流左入口管（3）和外激励流右入口管（4）的位置，以使外激励流能被导入；同时，在相同的两个对应位置处，在机体（6）向下开左激励流分流孔（14）和右激励流分流孔（26），各自分别与底板（7）上、下表面所斜向交叉加工的左第二喷嘴导入通道（19）和右第二喷嘴导入通道（21）相连通；下表面第二喷嘴导入通道沟槽的开露面，用第二喷嘴导入通道密封盖板（33）盖后焊封；同样在左第二喷嘴前流道（17）和右第二喷嘴前流道（23）的前始端，在机体（6）向下开左第二喷嘴流导入孔（18）和右第二喷嘴流导入孔（22），且分别与底板（7）上、下表面所斜向交叉加工的左第二喷嘴导入通道（19）和右第二喷嘴导入通道（21）相连通；在每一条振荡射流接受流道（10）的始端附近，向前倾斜向下挖透机体，成为接受流道制冷气出口（11）；数条振荡射流接受流道（10）的末端敞开端口，通过集中散热器（1）的散热器腔通口（29），伸进到集中散热器（1）的散热消波腔（30）中，使受压缩的滞留气，被冷却介质换热管（31）中流动的冷却介质所冷却；每一条振荡射流接受流道（10）与集中散热器（1）的散热消波腔（30），借助各个散热器腔通口（29）进行连通和与外界密封；上盖板（2）、机体（6）、底板（7）叠摞在一起，用螺栓固定连接或直接焊牢。

2.如权利要求1所述的外激励与集中耗散静止式气波制冷机，其特征在于：其振荡射流接受流道（10）的数量为2～16条，起始段呈扇形排列，流道的横截面形状近似为矩形。

3.如权利要求1或2所述的外激励与集中耗散静止式气波制冷机，其特征在于：底板（7）上、下表面所加工的左第二喷嘴导入通道（19）、右第二喷嘴导入通道（21），二通道在上、下表面的位置任意，但左第二喷嘴流导入孔（18）、右第二喷嘴流导入孔（22）和左激励流分流孔（14）、右激励流分流孔（26），其深度需根据所连通的各自通道确定是在上表面还是下表面。

4.如权利要求1或2所述外激励与集中耗散静止式气波制冷机，其特征在于：压力气体入口管（5）、外激励流左入口管（3）和外激励流右入口管（4），固装于上盖板（2）上所开的通孔内圆，分别与机体上所加工的压力气入口缓冲腔（20）、左激励流分流孔（14）和右激励流分流孔（26）的投影位置对应；而制冷气出口管（8）固装于底板（7）所开通孔的内圆，居中对称于各个接受流道制冷气出口（11）的位置。

5.如权利要求1或2所述的外激励与集中耗散静止式气波制冷机，其特征在于：主喷嘴（24）为直喷嘴或渐缩式喷嘴，出口宽度和高度根据工作射流的流量而定，宽度为1～100毫米，高度即深度为1～200毫米；其主射流流道（12）的宽度，为主喷嘴（24）出口宽度的1.05～5倍。

6.如权利要求1或2所述的外激励与集中耗散静止式气波制冷机，其特征在于：位于主射流流道（12）的左、右侧壁的左垂直激励流开口（15）、右垂直激励流开口（28），其口宽度为主喷嘴（24）出口宽度的0.02～0.5倍。

7.如权利要求1或2所述的外激励与集中耗散静止式气波制冷机，其特征在于：位于主喷嘴（24）左、右两侧的左激励第二喷嘴（16）和右激励第二喷嘴（25），其出口宽度为主喷嘴（24）出口宽度的0.02～0.5倍。