CN1171541A - 多级气波制冷机 - Google Patents
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Abstract
一种单体的多级非定常膨胀制冷机,压力气体在一台制冷机内进行多次膨胀制冷,在大膨胀比工况下,每一级的膨胀比减小,整机能具有很高的等熵制冷效率,可以产生很低的低温。该机靠压力气射流对接受管内的潴留气做不定常膨胀功而制冷,故能在较低的转速下高效地工作,具有制造、运行成本低,操作维护简便、可靠性高等优点,可广泛应用于混合气体的液化分离、石油气中回收轻烃、天然气液化以及产生低温冷气流源等领域。
Description
本发明属于压力气体的膨胀制冷技术领域。
利用气体的压力膨胀制冷，可以取得比用工质循环制冷更低的低温，在混合气体的液化分离、石油气中回收轻烃、天然气液化以及产生低温冷气流源等领域应用广泛。除透平膨胀机之外，较低转速(每分钟1000～3000转)的热分离机和气波制冷机等以其操作维护简便、可靠性高等优点而占有一席之地。
热分离机和气波制冷机靠压力气体射流依次对各根末端封闭的接受管内的潴留气做不定常膨胀功，在潴留气中产生压缩波与激波，转化成热散出；压力气体射流因膨胀作出功而减少了能量，使得自身变冷。这类制冷机凭此机理特点能够在较低的转速下高效地工作，从而避免了象低温透平膨胀机那样必须在高转速下工作的一系列不便。
但目前的热分离机类和气波制冷机均属于一次不定常膨胀制冷(象中国专利87101903.5，89213744.4，90222999.0等)，其适合的膨胀比一般均不大于4。如果需要更大的制冷温降，或者有很高的余压可供利用，它们便不能适应，主要表现为等熵制冷效率急剧降低，其制冷温降随膨胀比的增加只有微小的增大。究其原因是由于这类机器的制冷原理所限制的，故没有多大改进的余地。
采用多台机串联制冷，则每一台机的膨胀比可大为减小，虽可以满足大膨胀比的要求，但投资要增大，占地要增加，且很可能匹配不好，使总体制冷效率提不高。
本发明的目的就是要提供一种在大膨胀比工况下仍能保持甚至提高制冷效率的单体不定常膨胀制冷机——多级气波制冷机。
本发明多级气波制冷机的技术解决方案为：
在机器的结构上，使压力气体在机内进行两次或者多次不定常膨胀，即形成单机多级。则每一级的膨胀比即可大为减小，各单级制冷效率可以显著提高，从而使整机效率随之提高。
该机只用一套转动轴件，但相应地却装有两个或两个以上同速旋转的气体射流分配器(以流道轴线或与轴线有一小角度的线段为旋转半径或为旋转母线，作圆周运动的旋转喷嘴)，和具有两组或两组以上辐射排列或圆周排列的数米长的末端封闭的接受管(接受管的中后段外壁散热)，从第一射流分配器喷射出的气流先进入第一组接受管中不定常膨胀，对接受管内的潴留气做功而制冷，制冷气返出接受管后再导入第二分配器中，从该分配器射出的气流再进第二组接受管，制冷后再返出，依次类推。这样，气体经过两次或两次以上膨胀制冷后，可以产生很大的温降。
采用多级膨胀制冷，则每一级的膨胀比便可以控制在2～3之间，这对于非定常膨胀制冷机是最为适宜的。而为了进一步提高对应此膨胀比值下各级的制冷效率，本发明多级气波制冷机的技术解决方案还包括以下几点结构特征：
1.为减少欲制冷射流气与接受管内潴留气之间的掺和，提高射流进入接受管入口时的等熵性，旋转气体射流分配器喷嘴出口的开口形状为沿旋向前端宽出的象形T字形而不为矩形，该T字形的对称轴线与旋转射流分配器的旋转纬线平行。
2.为减小从接受管返出的已制冷气流的流动损失，其流出所碰到的旋转射流分配器的非喷气圆周弧段设计成比喷嘴口旋转半径缩小的圆锥或曲圆锥面，其母线与旋转轴线成35～55°角制冷气流经其锥面反射70～110°角后导出。
3.为取得较好的管口瞬时边界条件，能与接受管内的运动波系相匹配，提高制冷效率，本发明气波制冷机旋转射流分配器喷嘴出口开口沿旋向的前部和后部都设置了一段依次旋转封挡接受管口的圆周弧面。
由于采用多级膨胀，克服了该类非定常膨胀制冷机在一次大膨胀比下所不能避免的射流在接受管入口处的急剧增加的能量损耗，因此其总体制冷效率比一次膨胀型机大为提高；加之研究采用了适宜于小膨胀比工况的射流喷嘴开口形状，和适宜于返出气流流动的反射圆锥或曲圆锥面，以及旋转封挡接受管口的圆周弧面所造成的适宜边界条件，更进一步地提高了每一级的制冷效率。
由于该多级膨胀制冷机为单体机，故可比多机串联节省许多投资和占地，且可以设计成各级都具有最佳的匹配状态，不但稳定高效，而且可靠性强。
图1为实施本发明技术方案的一种双级气波制冷机的总体结构简图。
图2为本发明气波制冷机的一种旋转气体射流分配器(包括其上喷嘴出口的开口形状、喷嘴前部和后部的封挡接受管口的圆周弧面以及非喷气圆锥形圆周弧段)的简图。
下面结合附图对本发明的实施例做进一步详细的描述：
见图1，实施本发明的一种双级气波制冷机由机壳(19)、两端盖(12)(20)、转轴(10)、滚动轴承(11)(21)、第一和第二旋转射流分配器(4)(7)、旋转动密封(13)(16)(18)、两组辐射排列的接受管(5)(8)以及机架(14)所组成。其中，转轴设有两段空心轴段，空心轴段的圆周壁开孔。使气体能够流进和流出空心流道，以将机内空腔中的气体导入旋转射流分配器中；旋转射流分配器上对称布置有2～4个喷嘴流道，其喷嘴出口开口于分配器的外圆弧段的圆周面上，从轴向投影面看．流道轴线与径向成一定的角度。射流分配器与转轴以每分钟1000～5000转同速转动；每组接受管的数量为20～100根，各管的末端封闭，开口端固装于机壳圆周面上朝向圆心(径向)或朝向略偏于圆心的钻孔(孔数量与接受管数量相等)上，管的内孔与机壳钻孔对位成光滑连续流道，每一组中各接受管的管长基本相等，管长为1.5～4.5米；机壳钻孔处的内圆直径略微大于射流分配器上喷嘴出口开口处外圆弧段的直径。
压力气体由机身入口(1)进入机内空腔(3)，从转轴(10)的圆周开孔进到空心轴段(2)而导入第一旋转射流分配器(4)中，从其上的喷嘴口喷出的高速气流依次轮流入射到第一组各接受管(5)中，按圆周排列顺序对各管内的潴流气体做不定常膨胀功，通过在潴流气中产生压缩波和激波将功转化成热量通过管壁向外界散发；其后射流分配器喷嘴依次转离各个管口，膨胀做功制冷后的气体便依次从第一组各接受管口返出，在射流分配器(4)的非喷气圆周弧段(其瞬时对位的各接受管口不被封挡而排出制冷气)的圆锥弧面(见图2的(5)(1))上反射约90。后进入空腔(17)，完成了一级膨胀制冷。然后，气体再从空腔(17)所对空心轴段的圆周开孔进到该轴段的空心流道(6)而被导入第二旋转射流分配器(7)中，再通过其上的喷嘴口依次轮流射入第二组接受管(8)中，进行与第一级同样的制冷过程。最后，完成制冷的气体进入空腔(15)，然后从出口(9)流出。
为提高各级在小膨胀比下的制冷效率，本发明气波制冷机的旋转射流分配器喷嘴出口的开口形状如图2的(3)所示，象形T字形的对称轴线与喷嘴盘的纬线平行，沿旋向的前端宽出，其前端宽度为后续宽的1.05～1.8倍，前宽区长度为喷嘴口总长的5～30％，喷嘴口总长为其后端宽度的0.8～3.2倍。
为取得能与接受管内的运动波系相匹配的管口瞬时边界条件，提高制冷效率，本发明气波制冷机旋转射流分配器喷嘴出口开口沿旋向的前部和后部所设置的两段依次旋转封挡接受管口的圆周弧面，其弧长范围是：前部弧面(图2(2))的弧长为喷嘴口长的0.6～2.2倍，后部弧面(图2(4))的弧长为喷嘴口长的0.7～2.5倍。
本发明气波制冷机的流量由第一旋转射流分配器(4)上各喷嘴的总开口面积决定。经过各级的膨胀，气体的体积流量不断增加，因此，第二级以后的各旋转射流分配器上各喷嘴的总开口面积要依次按比例增加，根据各级所要求的膨胀比，每一后级的总开口面积为其前一级的1.5～4.5倍，各级旋转射流分配器上每一喷嘴的开口面积按总面积均分或按180°角对称。
相应于体积流量的增加，后面级接受管的截面积、空心轴段圆周上的开孔面积和空心流道截面积，以及喷嘴流道截面积均须逐级增大，出机器的冷气出口面积要比高压气入口面积大一倍以上。
本发明气波制冷机转轴(10)的旋转动力的一部分或者全部来自于射流分配器喷嘴喷出来的方向与径向成一定角度的射流的反推力。其转轴的一头可伸出机外，接以电机、阻尼器等稳速装置。
Claims (10)
1.一种靠压力气体的不定常膨胀做功而制冷的低转速膨胀制冷机，由机壳、端盖、转轴、滚动轴承、旋转射流分配器、旋转动密封、辐射排列或圆周排列的数米长的末端封闭的接受管以及机架所组成，其特征在于：该机在结构上使压力气体在机内形成两次或多次不定常膨胀，即形成单机多级。
2.根据权利要求1所述的制冷机，其特征在于：该机只有一套转动轴件，但相应地却具有两个或两个以上同速旋转的气体射流分配器，和具有两组或两组以上的接受管，从第一射流分配器上喷嘴口喷射出的气流先进入第一组接受管中不定常膨胀做功制冷，返出接受管后再导入第二分配器中，从该分配器喷嘴口射出的气流再进第二组接受管，制冷后再返出，依次类推。
3.根据权利要求2所述的制冷机，其特征在于：其旋转射流分配器喷嘴出口的开口形状为沿旋向前端宽出的象形T字形，旋转射流分配器的非喷气圆周弧段为比喷嘴口旋转半径缩小的圆锥或曲圆锥面，旋转射流分配器上喷嘴出口开口沿旋向的前部和后部都设置了一段依次旋转封挡接受管口的圆周弧面。
4.根据权利要求1或3所述的制冷机，其特征在于：旋转射流分配器喷嘴出口的开口象形T字形的对称轴线与旋转射流分配器的旋转纬线平行。
5.根据权利要求1或3所述的制冷机，其特征在于：旋转射流分配器喷嘴出口的开口沿旋向前端宽出的象形T字，其前端宽度为后续宽的1.05～1.8倍，前宽区长度为喷嘴口总长的5～30％，喷嘴口总长为其后端宽度的0.8～3.2倍。
6.根据权利要求1或3所述的制冷机，其特征在于：旋转射流分配器的非喷气圆周弧段的圆锥或曲圆锥面的母线与旋转轴线成35～55°角。
7.根据权利要求1或3所述的制冷机，其特征在于：旋转射流分配器喷嘴出口开口沿旋向的前部和后部所设置的两段依次旋转封挡接受管口的圆周弧面的弧长范围是：前部弧面的弧长为喷嘴口长的0.6～2.2倍，后部弧面的弧长为喷嘴口长的0.7～2.5倍。
8.根据权利要求1或2所述的制冷机，其特征在于：该机转轴中设有空心轴段，空心轴段的圆周壁开孔。
9.根据权利要求1或2所述的制冷机，每个旋转射流分配器上对称布置2～4个喷嘴，其特征在于：每一喷嘴出口的开口面积按总面积均分或按180°角对称分配。
10.根据权利要求1或2所述的制冷机，其特征在于：第二级以后的各旋转射流分配器上各喷嘴的出口开口总面积依次增加，每一后级的总开口面积为其前一级的1.5～4.5倍。
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