CN2802383Y

CN2802383Y - 一种涡流管喷嘴

Info

Publication number: CN2802383Y
Application number: CN 200520108956
Authority: CN
Inventors: 马重芳; 吴玉庭; 何曙; 葛满初
Original assignee: Beijing University of Technology
Current assignee: Beijing University of Technology
Priority date: 2005-06-10
Filing date: 2005-06-10
Publication date: 2006-08-02
Anticipated expiration: 2015-06-10

Abstract

本实用新型设计的涡流管喷嘴属制冷领域。特征在于，喷嘴的流道(1)采用了几何轴对称，气动上沿喷嘴流道的中心轴线按等马赫梯度的设计方法以使气流沿气流轴向速度为等马赫梯度增加，气体流动损失减小；喷嘴进气前流道(2)采用与喷嘴流道(1)在同一个平面上，沿中线等气体流速设计，即保持进气流道中心线的法向面上的速度与涡流管进口速度一致。本实用新型一方面可以提高涡流管的制冷温度效应；另一方面，可以提高涡流管达到最大制冷温度效应时的冷流率，从而提高涡流管的单位制冷量和制冷系数。

Description

一种涡流管喷嘴

技术领域

本实用新型属于制冷领域，具体涉及一种涡流管喷嘴。

背景技术

涡流管，是一种将压力能转变为速度能，再通过涡流变换将进气流分为总温不等的冷热两股气流的分离装置，它由一根两端开口的管子以及喷嘴、涡流室、分别位于涡流室两侧的热端管和冷端出口、位于热端管末端的热端阀以及热端出口、位于冷端出口和涡流室之间的冷端孔板构成。其中喷嘴是涡流管中将压力能转变为速度能的关键部件，喷嘴出口的速度越高，其出口处的热力学温度就越低，因而涡流管的制冷性能就越好，因此喷嘴设计的好坏直接影响到涡流管的制冷性能。

目前常规的涡流管均是在低冷流率(25％～35％)下具有最大的制冷温度效应，所以其单位制冷量小，其中涡流管所采用的现有喷嘴使能量损失大是致使目前单位制冷量小的重要原因之一。常规的涡流管喷嘴剖面如附图1普通矩形喷嘴和附图2阿基米德螺线形喷嘴，气流在这些喷嘴流道的入口部分速度增加慢，而在流道的出口部分速度增加快，导致产生壁面损失和速度损失，而且气流进入涡流管以后，填充在喷嘴四周，然后分别进入各个喷嘴流道1，由于喷嘴流道1是中心对称布置的，气流沿周向进入各流道，则必然有的流道气流是顺着其进口进入的，而有的流道气流则是逆着流道进入的，这样，逆着流道进入的部分气流就会在流道进气处产生漩涡、分离，从而产生能量损失，使涡流管的制冷效果相对较差。

实用新型内容

为了解决现有涡流管能量损失大，单位制冷量小，能量分离效率低的问题，本实用新型提出了一种涡流管喷嘴，这种喷嘴一方面可以提高涡流管的制冷温度效应；另一方面，可以提高涡流管达到最大制冷温度效应时的冷流率，从而提高涡流管的单位制冷量和制冷系数。具体结构参见附图3。

本实用新型涡流管喷嘴，见附图3，附图4和附图5，所述的喷嘴包括喷嘴进气前流道2、喷嘴流道1，涡流室3，其特征在于：喷嘴流道1的型线采用了几何轴对称，沿喷嘴流道1中心轴线按等马赫梯度的方法设计；具体结构为：见附图6和附图7，流道1的槽深H为恒定值，喷嘴流道1一侧的型线A′B′E′上的弧线B′E′与涡流室3的壁面外圆周外切，另一侧弧线MAB上的弧线MA与喷嘴外圆周线内切；直线B B′的宽度为流道出口处槽宽L₀，直线A A′的宽度为流道进口处槽宽L_e，弧线A′B′与弧线AB关于其中心线OO′对称，并且这两条弧线形成的流道的各个横截面的槽宽L_i满足公式：

\frac{L_{i}}{L_{o}} = \frac{F_{i}}{F_{o}}

F＝L×H

\frac{F_{i}}{F_{o}} = \frac{M_{o}}{M_{i}} \frac{{(1 + \frac{k - 1}{2} {M_{i}}^{2})}^{\frac{k + 1}{2 (k - 1)}}}{{(1 + \frac{k - 1}{2} {M_{o}}^{2})}^{\frac{k + 1}{2 (k - 1)}}}

M_{i} = M_{e} + \frac{M_{o} - M_{e}}{n} i

其中M_o为马赫数，流道1出口处的马赫数M_o取0.5～1，入口处的马赫数

M_{e} = \frac{1}{3} M_{o};

F为流道横截面的面积，H为流道槽深，L为流道槽宽；k为工作介质的绝热指数；n为流道的等分数，i为第i个等分点，其中F_o由下式确定：

F_{o} = \frac{G}{V_{o}}

V_{o} = \sqrt{2 \frac{k}{k - 1} R T_{e} [1 - {(\frac{P_{o}}{P_{e}})}^{\frac{k - 1}{k}}]}

其中G为经过喷嘴流道流体的体积流量，m³/s；P_e，P_o为涡流管进的进口压力和出口背压，MPa；T_e为涡流管的进口温度，K；k为工作介质的绝热指数；R为工作介质的气体常数，J/(kg.K)。

喷嘴流道1的型线A′B′E′与型线MAB满足以下关系：

点E′、B均为涡流室3的壁面外圆周上的点，直线EE′是涡流室3的壁面外圆周和圆F的外切线，所述的圆F的圆心F为根据流道数量确定的在喷嘴外圆周线上的等分点，所述的圆F的半径为喷嘴流道出口处的槽宽L_o；直线EE′与直线FB平行，点B′为直线BB′在直线EE′上的垂足。

点A′是喷嘴外圆周线上的点，点O′为直线BB′的中点，点O为直线A′A上的中点；点M为点F与与其相邻的靠近点A的等分点之间的圆弧线上的中点。

本实用新型的进气前流道2还可以设计成与喷嘴流道1在同一个平面上，并且深度相同，采用沿中线等气体流速设计，即保持喷嘴进气前流道2中心线的法向面上的速度与涡流管进口速度一致，进气前流道2的具体形状为：流道2的宽度沿气流方向逐渐缩小，在每个喷嘴流道1处进气前流道2的流通截面宽度L_i′满足公式：

{L_{i}}^{'} = {L_{0}}^{'} (1 - \frac{1}{e} i)

其中，L₀′为进气前流道2入口处槽宽，e为喷嘴流道的个数，i＝1，2，……，e。

所述的喷嘴流道1的进口处槽宽为出口处槽宽的2～4倍。

所述的喷嘴流道1的个数为3～4个。

本实用新型的设计原理为：本实用新型涡流管喷嘴进气前流道2采用沿中线等气体流速设计，即保持喷嘴进气流道2中心线的法向面上的速度与涡流管进口速度一致。这样，一部分气流进入其中的一个喷嘴流道1后，剩余气流的流量变小，因而沿流动方向气流的流通截面积根据流道中气流流速相等而相应缩小，保持气体在喷嘴进气前流道2中速度为定值。在进口后，本实用新型喷嘴的流道1采用了几何轴对称，气动上沿喷嘴流道1的中心轴线按等马赫梯度的设计方法以使气流沿气流轴向速度为等马赫梯度增加，气体流动损失减小，从而尽可能的将涡流管进气气体的压力能转变为速度能，提高涡流管的制冷效率。

所以本实用新型具有两方面的优点，一方面可以提高涡流管的制冷温度效应；另一方面，可以提高涡流管达到最大制冷温度效应时的冷流率，从而提高涡流管的单位制冷量和制冷系数。实验证明，采用本实用新型改进的涡流管的关键部件-喷嘴，达到了涡流管的最低冷端温度出现在在高冷流率(35％～65％)下，而且最低冷端温度比常规喷嘴涡流管的要低，从而大大提高了涡流管的单位制冷量，提高了涡流管的制冷性能。

附图说明

图1是现有普通矩形喷嘴剖面图；

图2是现有阿基米德螺线形喷嘴剖面图；

图3是本实用新型涡流管喷嘴图；

图4是图3的A-A剖面图；

图5是图3的B-B剖面图；

图6喷嘴流道型线作法示意图；

图7图6局部放大图；

图8是只改变喷嘴流道型线时喷嘴主视图；

图9是只改变喷嘴流道型线时喷嘴右侧视图；

图10是同时改变喷嘴流道型线和喷嘴进气前流道时喷嘴与涡流管其它部件装配图；

其中，图1-10中：

1-喷嘴流道 2-喷嘴进气前流道 3-涡流室 4-冷端管5-热端管 6-喷嘴。

具体实施方式

实用新型喷嘴的流道1采用了几何轴对称，流道的出口与涡流室3的壁面相切。本实施例在设计喷嘴流道1的型线时，具体的过程如下：对于处理气量比较小的涡流管，其喷嘴采用3个流道，且各喷嘴流道1中的气体流量相等，则各流道的流量一定，取喷嘴流道出口处的马赫数M_o＝0.57，且认为气流在喷嘴进气前流道2中不存在流动损失，则喷嘴流道1中流体的总温、总压与涡流管进口气流的总温、总压相等，知道涡流管出口背压，即可由下式求得喷嘴流道1出口气流速度Vo：

V_{o} = \sqrt{2 \frac{k}{k - 1} R T_{e} [1 - {(\frac{P_{o}}{P_{e}})}^{\frac{k - 1}{k}}]}

其中P_e，P_o为涡流管进的进口压力和出口背压，MPa；T_e为涡流管的进口温度，K；k为工作介质的绝热指数；R为工作介质的气体常数，J/(kg.K)。

则喷嘴流道1出口处的横截面积F_o即可由下式求得：

F_{o} = \frac{G}{V_{o}}

其中G为经过喷嘴流道流体的体积流量，m³/s。喷嘴流道1进口和出口的横截面积比F_e/F_o＝3，则喷嘴流道1进气处的面积也可求出。根据喷嘴流道1进、出口面积和喷嘴流道的深度即可计算喷嘴流道1在进、出口处的槽宽L_e和L₀，对喷嘴平面的外圆周进行3等分，以所述的等分点为圆心，以半径分别为L_o作圆，如附图6，附图7所示。直线EE′与圆R＝L_o及涡流室3所在的圆相切，连接E点和R＝L_o圆的圆心F点，并延长到G点，使EG＝L_o，且与圆R＝L₀的另一侧相交于H点，直线GA′、直线FB和直线HJ均与所述公切线EE′平行，所述的直线GA′与喷嘴外圆周交于A′点，所述的直线FB与涡流室3的外圆周交于B点，过A′点与所述的直线HJ交于A点，AA′即为喷嘴流道1入口处的槽宽L_e；过B点作所述公切线EE′的垂线，垂足为B′，BB′的长度即为喷嘴流道1出口处的槽宽L_o，保持喷嘴流道1出口与涡流室3的壁面相切；连接A及与A点相邻的等分点的中点M点，使弧AM与喷嘴外圆周内切于M点，弧AM即为喷嘴流道1进口处的型线。连接AA′和BB′的中点O和O′，则中线OO′即为喷嘴流道的中线，按照OO′的长度将其均分n等分得到喷嘴流道的n等分面，按喷嘴流道进气处的马赫数M_e和出口处的马赫数M_o将其按照n等分等梯度增加，从而求出各等分面上的马赫数M_i，再按照如下公式

\frac{F_{i}}{F_{o}} = \frac{M_{o}}{M_{i}} \frac{{(1 + \frac{k - 1}{2} {M_{i}}^{2})}^{\frac{k + 1}{2 (k - 1)}}}{{(1 + \frac{k - 1}{2} {M_{o}}^{2})}^{\frac{k + 1}{2 (k - 1)}}}

求出各等分面与喷嘴流道出口的面积比，因为喷嘴流道各处深度相等，所以喷嘴流道各等分面处的槽宽与喷嘴流道出口处槽宽之比等于相应的面积比，知道喷嘴流道出口BB′处的槽宽后，即可求得各等分点处的槽宽，以喷嘴流道中线OO′为对称线，求出喷嘴流道在各等分面上两侧的点，连接上述各点即得出喷嘴流道型线。

下面结合附图说明具体说明本实用新型中的喷嘴的具体参数及实验效果：

实施例一：

本实施中与现有的普通喷嘴相比，只改变喷嘴流道1的型线，如附图8，附图9所示，本实用新型喷嘴6与涡流管冷端管4为一个整体，作为可更换部件，装入涡流管相应的位置。喷嘴流道出口处的马赫数为0.57，入口处的马赫数为0.19。

普通矩形喷嘴尺寸：冷气流孔孔径5.6mm，涡流室直径13mm，喷嘴外圆周直径20mm，喷嘴流道槽宽L＝2mm，喷嘴流道槽深H＝1mm，喷嘴材料为有机玻璃。

阿基米德螺线形喷嘴：尺寸及材质同普通矩形喷嘴

本实用新型喷嘴尺寸：喷嘴流道入口处槽宽L_e＝3mm，喷嘴流道出口处槽宽L_o＝1mm，其它尺寸与材质同普通矩形喷嘴。

效果：

在进气压力为0.4MPa(绝压)，进气温度为24℃，热端管长60mm，内径10mm，外径18mm，采用喷嘴流道数为3。而在同样的试验条件下，普通矩形喷嘴涡流管的制冷效应好于阿基米德螺线型喷嘴涡流管的制冷效应，而本实用新型喷嘴涡流管的制冷效应要好于普通矩形喷嘴涡流管的制冷效应。其中采用普通矩形喷嘴，其涡流管在冷流率为31％时冷端达到最低温度4.8℃。本实用新型喷嘴涡流管在冷流率为40％时达到最低冷端温度2.9℃；即本采用本实用新型喷嘴涡流管在冷流率提高9％的情况下，其冷端的最低温度还比普通矩形喷嘴涡流管的最低温度下降了1.9℃，其制冷温度效应比普通矩形喷嘴提高39.6％，其单位制冷量比普通矩形喷嘴提高了2440J/kg，提高了40.5％，其COP比普通矩形喷嘴提高了0.021，提高了42％。

实施例二：

同时改变喷嘴流道1型线和喷嘴进气前流道形状。具体参见附图3、4、5所示，喷嘴流道个数为3个，进气前流道2入口处槽宽L₀′为7.2mm，喷嘴6与冷端管4之间通过罗纹连接。喷嘴与涡流管其它部件的装配如附图10所示。喷嘴其它尺寸：同实施例一。

效果：

在进气压力为0.4MPa(绝压)，进气温度为24℃，热端管长140mm，采用喷嘴流道数为3。本实用新型喷嘴涡流管在冷流率是56.2％，达到最低冷端温度-5.5℃；而在同样的试验条件下，采用普通矩形喷嘴，其涡流管在冷流率为48.5％时冷端达到最低温度-0.7℃。本实用新型喷嘴涡流管在冷流率提高7.7％的情况下，其冷端的最低温度还比普通矩形喷嘴涡流管的最低温度下降了4.8℃，其制冷温度效应比普通矩形喷嘴提高37.4％，其单位制冷量比普通矩形喷嘴提高了4.9kJ/kg，提高了36％，其COP比普通矩形喷嘴提高了0.07，提高了77.8％。

Claims

1、一种涡流管喷嘴，按气流的流向，包括喷嘴进气前流道(2)、喷嘴流道(1)，涡流室(3)，其特征在于：喷嘴流道(1)的型线采用了几何轴对称，沿喷嘴中心轴线按等马赫梯度的方法设计；具体结构为：流道(1)的槽深为恒定值，喷嘴流道(1)一侧的型线A′B′E′上的弧线B′E′与涡流室(3)的壁面外圆周外切，另一侧弧线MAB上的弧线MA与喷嘴外圆周线内切；直线BB′的宽度为出口处槽宽L₀，直线AA′的宽度为进口处槽宽，弧线A′B′与弧线AB关于其中心线OO′对称，并且这两条弧线形成的流道的各个横截面的槽宽L_i满足公式：

\frac{L_{i}}{L_{o}} = \frac{F_{i}}{F_{o}}

F＝L×H

\frac{F_{i}}{F_{o}} = \frac{M_{o}}{M_{i}} \frac{{(1 + \frac{k - 1}{2} {M_{i}}^{2})}^{\frac{k + 1}{2 (k - 1)}}}{{(1 + \frac{k - 1}{2} {m_{o}}^{2})}^{\frac{k + 1}{2 (k - 1)}}}

M_{i} = M_{e} + \frac{M_{o} - M_{e}}{n} i

其中M_o为流道(1)出口处的马赫数，取值范围：0.5～1，M_e为入口处的马赫数；F为流道横截面的面积，H为流道槽深，L为流道槽宽；k为工作介质的绝热指数；n为流道的等分数；i为第i个等分点；其中F_o为出口处流道横截面的面积，由下式确定：

F_{o} = \frac{G}{V_{o}}

V_{o} = \sqrt{2 \frac{k}{k - 1} {RT}_{e} [1 - {(\frac{p_{o}}{p_{e}})}^{\frac{k - 1}{k}}]}

其中G为经过喷嘴流道流体的体积流量；P_e，P_o为涡流管的进口压力和出口背压；T_e为涡流管的进口温度；k为工作介质的绝热指数；R为工作介质的气体常数。

喷嘴流道(1)的型线A′B′E′与型线MAB上的点的位置满足以下关系：

点E′、B均为涡流室(3)的壁面外圆周上的点，直线EE′是涡流室(3)的壁面外圆周的切线，并与直线FB平行，点B′为直线BB′在直线EE′上的垂足，所述的直线FB上的点F为根据流道数量确定的在喷嘴外圆周线上的等分点；

点A′是喷嘴外圆周线上的点，点O′为直线B B′的中点，点O为直线A′A上的中点；点M为点F与与其相邻的靠近点A的等分点之间的圆弧线上的中点。

2、根据权利要求1所述的一种涡流管喷嘴，其特征在于：涡流管喷嘴进气前流道(2)与喷嘴流道(1)在同一个平面上，并且深度相同，进气前流道(2)采用沿中线等气体流速设计，即保持喷嘴进气前流道(2)中心线的法向面上的速度与涡流管进口速度一致，进气前流道(2)的具体形状为：流道(2)的宽度沿气流方向逐渐缩小，在每个喷嘴流道(1)处进气前流道(2)的流通截面宽度L_i′满足公式：

L_{i}^{'} = L_{0}^{'} (1 - \frac{1}{e} i)

其中，L₀′为进气前流道(2)入口处槽宽，e为喷嘴流道(1)的个数，i＝1，2，……，e。

3、根据权利要求1所述的一种涡流管喷嘴，其特征在于：所述的喷嘴流道(1)的进口处槽宽为出口处槽宽的2～4倍。

4、根据权利要求1或3所述的一种涡流管喷嘴，其特征在于：所述的喷嘴流道(1)的个数为3～4个。