制冷与低温技术原理4气体涡流制冷.pdf

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1、返回目录4气体涡流制冷4.1气体涡流制冷的机理分析涡流冷却效应的实质是利用人工方法产生漩涡使气体分为冷热两部分。利用分离出来的冷气流即可制冷。涡旋管是一个构造比较简单的管子，如图4-1所示，它主要是由喷嘴、涡流室、分离孔板及冷热两端的管子组成。气体分离成两部分是在涡流管的涡流室内进行。涡流室内部形状为阿基米德螺线，喷嘴沿切线方向装在涡流室的边缘，其连接可以有不同的方法。在涡流室的一侧装有一个分离孔板，其中心孔径约为管子内径的一半（或稍小一些），它与喷嘴中心线的距离大约为管子内径之半。分离孔板之外即为冷端管子。

2、热端装在分离孔板的另一侧，在其外端装有一个控制阀，控制阀离开涡流室的距离约为管子内径的10倍。经过压缩并冷却到室温的气体（通常是用空气，也可以用其他气体如二氧化碳、氨等）进入喷嘴内膨胀以后以很高的速度切线方向进入涡流室，形成自由涡流，经过动能的交换并分离成温度不相同的两部分，中心部分的气流经孔板流出，即冷气流；边缘部分的气体从另一端经控制阀流出，即热气流。所以涡流管可以同时得到冷热两种效应。根据试验，当高压气体的温度为室温时，冷气流的温度可达（-50~-10）℃，热气流的温度可达（100~130）℃，控制阀用

3、来改变热端管子中气体的压力，因而可调节两部分气流的流量比，以改变它们的温度。图4-1涡流管结构及工作过程示意图1-进气管；2-喷嘴；3-涡流室；4-孔板；5-冷端管子；6-热端管子；7-控制阀(点击观看详细图片)在涡流室内气体的分离过程是相当复杂的，它的物理实质可说明如下。压力为P1，温度为T1的高压气体，在喷嘴中膨胀到压力P2，此时，理论上为等熵膨胀时可达到的温度：k−1pk2T=Ts1p1并且获得超声速的速度C2。这样高速的气流沿切线方向进入涡流室，便在涡流室的周边部分形成自由涡流，其旋转

4、质量角速度在涡流室边缘部分较小，而接近轴心部分则越来越大，于是在涡流室中沿半径方向形成了不同角速度的气流层。由于气流层之间的摩擦，内层的角速度要降低而外层的角速度要提高，因而内层气流便将一部分动能传给外层气流。涡流室中心部分的气体当经孔板流出时便具有了较低的温度tc；而边缘部分的热气体当流经热端管子时，由于摩擦的存在，使动能又转化为热能，因而，经控制阀流出时便具有了较高的温度th。涡流管内部的这种过程表示在T-s图上，如图4-2所示。图中点4表示气体在压缩以前的状态，4-5为压缩机中的等熵压缩过程，5-1为在

5、冷却器中的等压冷却过程。点1表示高压气体进喷嘴以前的状态，在理想情况下经绝热膨胀到压力P2时温度降到ts，膨胀后的状态用点2a表示。点2表示涡流管出来的冷气流状态，其温度是tc；点3表示涡流管出来的热气流的状态，其温度为th。1-2及1−3′分别表示冷热两部分气流的分离过程，这一过程是不可逆的过程；3′−3为热气流经控制阀的节流过程，节流前后比焓值不变。从涡流管出来的冷气流的温度tc总是高于Ts，这是因为：（1）气体在喷嘴中不可能是等熵膨胀；（2）涡流室中内层的气体不可能将其动能全部传给外层的气体；（3）涡流

6、室内存在向心的热量传递过程。图4-2涡流管内部过程在T−s图上的描述4.2气体涡流制冷的计算令∆T=T1−TC――涡流管的冷却效应∆T=T−T――等熵膨胀温度效应S1S则涡流管冷却的有效性可用冷却效率η表示：c∆TT−Tc1cη==(4-1)c∆Tk−1spk2T1−1p1由质量连续方程有：q=q+q(4-2)m1mcmh式中q、q及q（kg/s）分别表示涡流管的高压气流以及从涡流管排除的冷气流及热气m1mcmh流的质量流量，用h1、h2及h3分别表示它们的比焓值，并忽略气

7、体流进流出时的能，则可写下涡流管的热平衡式qh=qh+qh(4-3)m11mc2mh3将式(4-2)代入式(4-3)，再将比焓用温度表示，并令∆Th=Th－T1――涡流管的加热效应；qqmcmcµ==――冷气流分量。cqq+qm1mcmh则热平衡式可以简化为：T=µT+(1−µ)T(4-4)1ccchT−T∆Th1hµ==(4-5)cT−T∆T+∆Thchc冷气流由Tc加热到T1所能吸收的热量即为涡流管的制冷量φ=qc(T−T)=µqc∆T(4-6)0mcp1ccm1pc1kg冷气流的单位制冷量为φ0q==c

8、∆T(4-7)0pcqmc这一数值在图4-2中用等压线下的面积2ab42表示。若对每kg高压气体而言，其单位制冷量应用φ0q==µc∆T=µq(4-8)01cpcc0qm1用同样的方法可以计算涡流管的制热量φ=qc(T−T)=(1−µ)qc∆T(4-9)hmhph1cm1ph以及按热气流和高压流计算的单位制热量φhq==c∆T(4-10)hphqmhφhq==(1−µ)c∆T(4-11)h1cphq