CN1563856A - 多管式射流振荡制冷机及其制冷方法 - Google Patents
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Abstract
多管式射流振荡制冷机及其制冷方法属于压力气体的射流工程与膨胀制冷技术领域。其工作时呈静止状态，适合高压小流量气体工质的处理加工。它是利用激波振荡管冷热效应结合射流振荡技术达到制冷降温的目的。具有无转动元件，无外部动力驱动，完全利用气体压力能实现气体膨胀制冷，该机主要由主机体、静止的射流喷嘴、振荡接受管及声振荡器等组成。通过气体分配器与声振荡器共同作用实现气体的周期性偏转、射流，周期间歇性地射入周围呈发散状的接受管中，可产生高频振荡流并通过波系—激波、压缩波和膨胀波的交互作用和影响完成不定常膨胀做功和能量转换，实现气体制冷。该机结构简单，流量连续可调，适用于气液两相工质场合，并节省能源。
Description
技术领域
本发明属于压力气体的射流工程与膨胀制冷技术领域。
背景技术
气波制冷机和热分离机等(中国专利87101903.5，89213744.4，96115022.X等)，均属于一次和多次不定常膨胀制冷，且都是依靠电机驱动或利用气体的压力差带动气体分配器自旋，以一定的旋转速度将介质气体依次对环周向的各末端封闭的接受管射流，使管内的驻留气做不定常膨胀功。透平膨胀机更是在高转速下实现制冷。这些制冷机的制冷效率均较高，但由于结构一般较为复杂，内部有许多转动件，为防止制冷前后的气体掺混及外泄，一般都设置有各种形式的动密封及外密封，这就使该类机器承载受压能力大大降低。随着天然气集输技术的发展，天然气的处理向高压力方向发展，需要有可靠的高压气体膨胀制冷技术装备作为支持，另外大批化工厂、化肥厂生产过程中尾气的回收和利用也亟需高压小流量、运转性能稳定可靠的制冷装置。
发明内容
本发明的目的就是提供一种结构简单、操作维护简便、运行稳定可靠、适合于处理高压气体介质的多管式射流振荡制冷机及其制冷方法。
本发明的技术构思是：主要通过射流振荡制冷机的结构实现气体的射流振荡和利用激波振荡管冷热效应而达到制冷的目的。
本发明利用静止的气体分配器—射流喷嘴与声振荡器共同作用实现气体的周期性偏转、射流，间歇周期性地射入周围均布的接受管。射流振荡制冷机主要由喷嘴、接受管和气体分配器-声震荡器组成，射流振荡过程是利用流体在双稳附壁元件中的附壁、切换特性和脉动波在容腔和管道中的响应及传播特性完成的，在射流工程中用于产生流体控制脉动信号，声振荡器产生压力脉动信号，在脉动信号作用下，喷嘴喷出的气流周期性地在两个声振荡器间扫荡，实现气流间歇性地以一定频率射入振荡接受管，在射入半周期中，压缩振荡管中的循环气，在非射入半周期中，从流体二极管的间隙排出振荡管，并从出口排出。
射流振荡源是射流振荡制冷机工作的基础。本发明通过附壁双稳元件的切换形成振荡源，有以下几种形式：负载式振荡、正反馈式振荡、音波式振荡。
a)负载式振荡：由于负载的存在(负载的大小可改变)，输出流由于流阻变化、压力改变而使附壁流不能单边维持而是左右两边交替切换产生，频率改变。
b)正反馈式振荡：将输出口与同侧控制孔进行反馈，在形成往返交替切换的振荡中，反馈信号引起射流切换。切换的压力信号需有一定强度，反馈管口径大小对频率的大小影响较大。
c)音波式振荡：是将两边的控制孔连接起来，反复进行切换时的压力变化由反馈管传递到对侧而引起射流的连续切换。这种形式频率控制稳定，出口没有流容和流阻的影响。
由于射流振荡制冷机正常工作需有相对稳定的振荡频率，同时尽量保证出口流容且流阻影响较小，根据各振荡器的特点，选用音波式振荡器比较合理。声振荡器具有性能稳定、可靠、操作简易的特点，并可实现高频振荡，可达700HZ，这是旋转式波制冷机所很难实现的。
本发明中机器内部流场流动及射流工程是由气体动力学模拟计算设计，并通过多种新型射流元件和振荡腔形的反复试验验证、开发以及性能分析，来确保稳定的等熵效率；通过射流流场、振荡机理的深入研究和数值分析可得出如下结果：
1.振荡频率的大小影响管壁温度的分布，高低，同时影响向外界散发热量的多少，是影响机器效率的主要因素之一。
2.在振荡过程中，伴随着气体温度的变化，同时管壁温度从常温逐渐按某规律分布，由于其体同管间的传热膜系数远小于金属壁之间的导热系数，稳定后管壁温度基本上是沿某曲线分布的定值；
3.由于温度梯度的存在，热量沿管壁大量散发到外界，同时部分热量轴向沿管壁返回到冷气中；
4.在管内某定点，气体质点在该点附近振荡，温度、压力呈周期性转变。
本发明在机器结构设计上，实现了压力气体在机内的不定常膨胀。机器工作时，带有压力的进口来料气体通过喷嘴膨胀加速，由喷嘴出口高速喷出，在气体分配器的作用下依此周期性地射入前方辐射排布的多根数米长末端封闭的振荡接受管中，在周期性激振作用下管内气体接受射入气体的压力能，并通过波系—激波、压缩波和膨胀波的相互作用完成不定常膨胀和能量转换，实现气体制冷。
这个过程可形象地描述为如下：
(a)射入阶段。高速气流射向某一接受管的瞬间，射入的新鲜气体与接受管内原有的滞存气体之间形成一接触面，该接触面可视为一无质量的“活塞”；由于接触面两边速度和压力都不相等，为满足接触面相容条件(即接触面两边气体的速度和压力相等)，该“活塞”向前运动，在“活塞”的前方将出现同方向运动的激波。
(b)放热阶段。激波产生和扫过之处，气体连续受到压缩，温度和压力提高，经过多周期的作用，管内气体温度逐渐升高，并通过管壁散热，完成能量转换。由于射入气体对管内气体膨胀作功，根据热力学第一定律，射入气体总能下降，温度降低。
(c)排气阶段。在气体分配器和射流振荡源的共同作用下，射流偏转，停止向管内射气，由于管内压力大于管外压力，管内射入气体反向流出管口，经汇总后出机器外输，完成一个制冷循环。
本发明的技术解决方案是，一种多管式射流振荡制冷机，由振荡接受管(1)、机体(3)、声振荡器(8)和射流喷嘴(9)等部分组成；机体(3)上靠近喷嘴(9)一侧设置有进气通道(10)，在进气通道(10)的两侧设置的分流通道(7)与两个声振荡器(8)连接，两个分流通道(7)中心线与中间进气通道(10)中心线间的夹角对称同为的35°～45°；机芯(6)由射流喷嘴(9)、排气通道(18)和分隔气流走向的分流隔档(19)构成，置于机芯腔内，在机芯与机体腔室之间采用铅封方法防止内部相互串气，并在机芯上部通过带有O形圈(13)的密封压盖(12)与机体(3)紧固连接，密封内件，在机芯(6)的两边设置有2个出气孔(5)及与机体内腔室的连接通道，在靠近其接口的下方处设置了两个通冷气收集腔的排气孔，经冷气收集接管(15)连接到设置有外输口(11)的收集腔(16)；机体(3)中设置有3～15根长500～600mm、宽6～10mm、深60～80mm、截面为矩形的射流流道(4)，射流流道(4)呈发散状分布，靠近机芯(6)一端的流道间间距是渐缩的，至射进区一端射流流道(4)的间距为1～3mm，射流喷嘴(9)采用拉瓦尔喷管型式，射流流道(4)的另一端端口形式为圆形，通过接头体(2)与长度为4～12m的振荡接受管(1)连接。
机体(3)为板式结构，厚度为100～120mm。
振荡接受管(1)为无缝钢管。
振荡接受管(1)为无缝翅片管。
振荡接受管(1)采取收拢并留有间隔的排布紧固在机架上。
振荡接受管(1)采取将管盘成螺旋管状固定在机架上。
喷嘴出口的形状与稳流段相同，喷嘴口前伸到达的位置为机芯中心。
用来分隔声振荡器通路和冷气导出通道的分流档，它的前伸位置为所有射流流道中最靠边两根流道的中心线到机芯的连线。
使用一种多管式射流振荡制冷机进行制冷的方法是：通过射流喷嘴与声振荡器共同作用实现气体的周期性偏转、射流，周期间歇性地射入周围呈发散状的接受管中，可产生高频振荡流，并通过波系—激波、压缩波和膨胀波的交互作用和影响完成不定常膨胀做功和能量转换，实现气体制冷。工作过程为：
射流振荡过程首先是带压气体通过喷嘴膨胀加速，然后是利用与之匹配合适的双稳附壁元件的附壁、切换特性与脉动波在容腔和管道中的响应及传播特性完成周期性的间歇射流。此时气体从喷嘴高速喷出，依次射入各振荡接受管中，射入的气体与管内气体形成一接触面。此分界面相当于一个“活塞”，它随气体的进入和排出而作往复运动，由于气体的分配只在瞬间完成，即带压气体对原有气体不断有压缩扰动，从而不断有激波和膨胀波产生。激波扫过之处，气体受到压缩，温度和压力提高，使接受管形成热腔。与激波产生的同时一束膨胀波产生，作用于接触面后的气体，使该部分气体膨胀降温，形成冷腔。
射流喷嘴对该接受管射气结束后关闭接受管开口端，由于接触面与管口之间的气体随“活塞”向前运动，管口突然关闭会使气流速度骤然下降至零，导致在管口处产生一束右行膨胀波，使管口与接触面气体进一步膨胀，静温下降，而激波进一步压缩管内气体。此时，激波对气体作功的能量由管口与接触面之间的气体供给，又使该部分气体总温下降。当接受管管口与低压气体排气管接通时，进入排气阶段。由于接受管内外压力不平衡，同时又有一束膨胀波传至管内，使管口与接触面间气体静温再度下降，变成冷气排出管外，冷气排尽时，接触面到达管口。排气终止后，结束一个工作循环，被激波加热的气体通过管壁向外界散热。
参数为：1～50Mpa、机体0℃～-80℃、接受管100℃～400℃。
本发明所达到的有益效果是：
1.结构简单：射流振荡制冷机无电机驱动，其工作气体分配器工作是由声振荡器推动及配合实现的，因此机器上无任何旋转件，机器运转时不需特殊管理。
2.运行周期长：由于机器上无旋转件，因此无易损件，使用时如同静止设备，使用周期长，无需维修保养。
3.适应性强：适用于气液两相场合，允许带液量大，在高压和小流量场合，一般制冷机械已无法正常使用时，射流振荡制冷机仍能很好运转。
4.高频振荡：利用声振荡器可以实现高频振荡，可达700HZ，这是各种旋转式制冷机所很难实现的，保证了机器的效率。
5.流量连续可调：射流振荡制冷机流量调节如同阀门一样简单，因此该机适用于组成不同、流量、压力和膨胀比在较大范围内波动。
6.价低、节能：因结构简单，在保证使用的条件下，可节省大量开资。由于不需要外部动力驱动，因此对于外部边远地区或缺电等条件苛刻的场合，仍能很好使用。
7.解决了高压力、小流量天然气膨胀制冷难题。等熵效率最高可达45％。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。
图1为本发明的结构简图。
图2为本发明的机芯和射流喷嘴的结构示意简图。
图3为本发明的音波振荡器示意图。
图4为本发明的附壁式双稳元件示意图。
图5为本发明的激波振荡管制冷方法原理图。
图6为本发明的激波振荡管制冷方法原理图。
图7为本发明的激波振荡管制冷方法原理图。
图中，1.接受管，2.接头体，3.机体，4.流道，5.出气口，6.机芯，7.分流通道，8.声振荡器，9.射流喷嘴，10.进气口，11.机体内腔室，12.压盖，13.密封圈，14.双头螺柱，15，冷气收集接管，16.收集腔，17.机器外输口；18.排气通道，19.隔档，20.振荡器连接通道，21.射流喷嘴，22.音波振荡器，23.接触面，24.激波，25.右行膨胀波。
具体实施方式
一种多管式射流振荡制冷机，主要由机体(3)、振荡接受管(1)、机芯(6)、声振荡器(8)、射流喷嘴(9)等组成。
机体(3)是由尺寸为100～120mm厚度的金属板材加工而成，根据处理量的大小从其上表面向下分别铣削出3～15根长为500～600mm、宽为6～10mm、深为60～80mm，截面为矩形的射流流道(4)，流道内加工有一阶梯台，是专供焊接封装流道的镶条定位用，并借以确保流道尺寸。流道总体分布呈发散状，靠近机芯(6)一端的流道间间距是渐缩的，至射进区一端流道的间距一般为2mm，各流道之间呈尖劈收窄状，这将有利于射流喷嘴(9)射气充分不受阻。喷嘴一般采用拉瓦尔喷管型式，机体上所有流道的另一端则根据流道根数加工出相同数量的由矩形过渡到圆形，即所谓天方地圆，并与振荡接受管(1)上接头体(2)相配的接口形式，与可焊接或可拆卸接头连接；接受管(1)的长度一般在4～12米之间选取，管径及管长都是由处理量的大小以及气流的速度来确定，材质选取兼顾了导热传热性能和强度要求，由于本机器一般要适应高压场合，多选用无缝钢管，有时也会选择无缝翅片管；振荡接受管(1)一般采取收拢并留有间隔的排布紧固在机架上，也有时将管盘成螺旋管状固定，目的都是为了减小站地空间。在图1右侧一端的端面中心位置设置了进气口(10)，未经制冷的常温来料气体经此口进入制冷机内，在进气口的两侧设置了二条供气流往返的通道(7)及接口，通过管路与两个声振荡器(8)连接，并由中间阀门控制流量的大小。在机体右侧部分的中间位置自上向下加工出有极高制造精度圆孔形且半开不通透的机芯固定腔室，以放置机芯(6)及射流喷嘴(9)，机芯(6)既为静止形式的射流喷嘴和分隔气流走向的分流档，其细化结构如图2所示，机芯(6)设计成可取出可自由更换形式，故在机芯与机体腔室之间为防止互相串气泄漏，多处实施了钻孔铅封，并在机芯上部通过带有O形圈(13)的密封压盖(12)与机体(3)紧固连接，密封内件。在机芯(6)安装处的两边加工出二个上下通透的出气圆孔(5)及与机体内腔室的连接通道，又在靠近其接口的下方处分别加工了两个通冷气收集腔的排气孔，使冷气经接管(15)汇集到图1下面剖视图中的收集腔(16)，再经机器外输口(17)将经过制冷的低温气体外输使用。整机按受压容器进行强度设计计算，具体参数一般有：压力p范围：25Mpa，温度T范围：(1)机体：-40℃；(2)接受管：300℃。
使用一种多管式射流振荡制冷机进行制冷的方法是：通过射流喷嘴与声振荡器共同作用实现气体的周期性偏转、射流，周期间歇性地射入周围呈发散状的接受管中，可产生高频振荡流，并通过波系—激波、压缩波和膨胀波的交互作用和影响完成不定常膨胀做功和能量转换，实现气体制冷。
具体工作过程以单根管为例剖析简述如下：
射流振荡过程首先是带压气体通过喷嘴膨胀加速，然后是利用与之匹配合适的双稳附壁元件的附壁、切换特性与脉动波在容腔和管道中的响应及传播特性完成周期性的间歇射流。此时气体从喷嘴高速喷出，依次射入各振荡接受管中，射入的气体与管内气体形成一接触面。此分界面相当于一个“活塞”，它随气体的进入和排出而作往复运动，由于气体的分配只在瞬间完成，即带压气体对原有气体不断有压缩扰动，从而不断有激波和膨胀波产生。激波扫过之处，气体受到压缩，温度和压力提高，使接受管形成热腔。与激波产生的同时一束膨胀波产生，作用于接触面后的气体，使该部分气体膨胀降温，形成冷腔。
射流喷嘴对该接受管射气结束后关闭接受管开口端，由于接触面与管口之间的气体随“活塞”向前运动，管口突然关闭会使气流速度骤然下降至零，导致在管口处产生一束右行膨胀波，使管口与接触面气体进一步膨胀，静温下降，而激波进一步压缩管内气体。此时，激波对气体作功的能量由管口与接触面之间的气体供给，又使该部分气体总温下降。当接受管管口与低压气体排气管接通时，进入排气阶段。由于接受管内外压力不平衡，同时又有一束膨胀波传至管内，使管口与接触面间气体静温再度下降，变成冷气排出管外，冷气排尽时，接触面到达管口。排气终止后，结束一个工作循环，被激波加热的气体通过管壁向外界散热。
Claims (9)
1.多管式射流振荡制冷机，其特征在于，由振荡接受管(1)、机体(3)、声振荡器(8)和射流喷嘴(9)组成；机体(3)靠近喷嘴(9)一侧设置有进气通道(10)，在进气通道(10)的两侧设置的分流通道(7)与两个声振荡器(8)连接，两个分流通道(7)中心线与中间进气通道(10)中心线间的夹角对称同为的35°～45°；机芯(6)由射流喷嘴(9)和分隔气流走向的分流隔档(19)构成，置于机芯腔室(11)内，且在机芯(6)与机体腔室(11)之间设置密封，并在机芯上部通过带有O形圈(13)的密封压盖(12)与机体(3)紧固连接，密封内件，在机芯(6)附近两侧分别设置了一个排气孔(5)及与机体内腔室(11)的连接通道(18)，在排气孔(5)的下方处设置了两个通冷气收集腔(16)的排气管(15)，经冷气收集接管(15)连接到设置有外输口(17)的收集腔(16)；机体(3)上自上向下加工设置有3～15根长500～600mm、宽6～10mm、深60～80mm且截面为矩形的射流流道(4)，射流流道(4)呈发散状分布，靠近机芯(6)一端的流道间间距是渐缩的，至射入区一端射流流道(4)的间距为1～3mm，射流喷嘴(9)采用拉瓦尔喷管型式，射流流道(4)的另一端截面为圆形，通过接头体(2)与长度为4000～12000mm的振荡接受管(1)连接。
2.根据权利要求1所述的多管式射流振荡制冷机，其特征在于，机体(3)为板式结构，由100～120mm厚的金属板材制成。
3.根据权利要求1所述的多管式射流振荡制冷机，其特征在于，振荡接受管(1)为无缝钢管。
4.根据权利要求1或3所述的多管式射流振荡制冷机，其特征在于，振荡接受管(1)固定在机架上。
5.根据权利要求1所述的多管式射流振荡制冷机，其特征在于，喷嘴出口处前部到达的位置为机芯中心。
6.根据权利要求1所述的多管式射流振荡制冷机，其特征在于，用来分隔声振荡器通路(20)和冷气导出通道(18)的分流档(19)的前伸位置为射流流道(4)中最靠边两根流道的中心线到机芯(6)中心的连线。
7.根据权利要求1所述的多管式射流振荡制冷机，其特征在于，声振荡器(8)的内腔为空心体，连接处为收缩接管焊接结构。
8、根据权利要求1所述的多管式射流振荡制冷机，其特征在于，反馈式振荡器(8)的结构由中空管路制做，两边收口，与机体的二条振荡器通道相连。
9、根据使用权利要求1所述的多管式射流振荡制冷机进行制冷的方法，其特征在于，通过射流喷嘴与声振荡器共同作用实现气体的周期性偏转、射流，周期间歇性地射入周围呈发散状的接受管中，可产生高频振荡流，并通过波系—激波、压缩波和膨胀波的交互作用和影响完成不定常膨胀做功和能量转换，实现气体制冷，工作过程为：
射流振荡过程首先是带压气体通过喷嘴膨胀加速，气体从喷嘴高速喷出，依次射入各振荡接受管中，射入的气体与管内气体形成一接触面；此分界面随气体的进入和排出而作往复运动，产生激波和膨胀波；激波扫过之处，气体受到压缩，温度和压力提高，使接受管形成热腔；与激波产生的同时一束膨胀波产生，作用于接触面后的气体，使该部分气体膨胀降温，形成冷腔；
射流喷嘴对该接受管射气结束后关闭接受管开口端，使气流速度骤然下降至零，在管口处产生一束右行膨胀波，使管口与接触面气体进一步膨胀，静温下降，而激波进一步压缩管内气体；此时，激波对气体作功的能量由管口与接触面之间的气体供给，又使该部分气体总温下降；当接受管管口与低压气体排气管接通时，进入排气阶段；此时接受管内外压力不平衡，同时又有一束膨胀波传至管内，使管口与接触面间气体静温再度下降，变成冷气排出管外，冷气排尽时，接触面到达管口；排气终止后，结束一个工作循环，被激波加热的气体通过管壁向外界散热；
参数为：1～50Mpa、机体0℃～-80℃、接受管100℃～400℃。
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