專(zhuān)利名稱(chēng)：一種渦流管?chē)娮斓闹谱鞣椒?br> 技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明明屬于制冷領(lǐng)域，具體涉及一種渦流管?chē)娮臁?br> 背景技術(shù)：
渦流管，是一種將壓力能轉(zhuǎn)變?yōu)樗俣饶?，再通過(guò)渦流變換將進(jìn)氣流分為總溫不等的冷熱兩股氣流的分離裝置，它由一根兩端開(kāi)口的管子以及噴嘴、渦流室、分別位于渦流室兩側(cè)的熱端管和冷端出口、位于熱端管末端的熱端閥以及熱端出口、位于冷端出口和渦流室之間的冷端孔板構(gòu)成。其中噴嘴是渦流管中將壓力能轉(zhuǎn)變?yōu)樗俣饶艿年P(guān)鍵部件，噴嘴出口的速度越高，其出口處的熱力學(xué)溫度就越低，因而渦流管的制冷性能就越好，因此噴嘴設(shè)計(jì)的好壞直接影響到渦流管的制冷性能。
目前常規(guī)的渦流管均是在低冷流率(25％～35％)下具有最大的制冷溫度效應(yīng)，所以其單位制冷量小，其中渦流管所采用的現(xiàn)有噴嘴使能量損失大是致使目前單位制冷量小的重要原因之一。常規(guī)的渦流管?chē)娮炱拭嫒绺綀D1普通矩形噴嘴和附圖2阿基米德螺線形噴嘴，氣流在這些噴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，導(dǎo)致產(chǎn)生壁面損失和速度損失，而且氣流進(jìn)入渦流管以后，填充在噴嘴四周，然后分別進(jìn)入各個(gè)噴嘴流道1，由于噴嘴流道1是中心對(duì)稱(chēng)布置的，氣流沿周向進(jìn)入各流道，則必然有的流道氣流是順著其進(jìn)口進(jìn)入的，而有的流道氣流則是逆著流道進(jìn)入的，這樣，逆著流道進(jìn)入的部分氣流就會(huì)在流道進(jìn)氣處產(chǎn)生漩渦、分離，從而產(chǎn)生能量損失，使渦流管的制冷效果相對(duì)較差。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決現(xiàn)有渦流管能量損失大，單位制冷量小，能量分離效率低的問(wèn)題，本發(fā)明提出了一種渦流管?chē)娮?，這種噴嘴一方面可以提高渦流管的制冷溫度效應(yīng)；另一方面，可以提高渦流管達(dá)到最大制冷溫度效應(yīng)時(shí)的冷流率，從而提高渦流管的單位制冷量和制冷系數(shù)。具體結(jié)構(gòu)參見(jiàn)附圖3。
本發(fā)明渦流管?chē)娮欤?jiàn)附圖3，附圖4和附圖5，所述的噴嘴包括噴嘴進(jìn)氣前流道2、噴嘴流道1，渦流室3，其特征在于噴嘴流道1的型線采用了幾何軸對(duì)稱(chēng)，沿噴嘴流道1中心軸線按等馬赫梯度的方法設(shè)計(jì)；具體結(jié)構(gòu)為見(jiàn)附圖6和附圖7，流道1的槽深H為恒定值，噴嘴流道1一側(cè)的型線A′B′E′上的弧線B′E′與渦流室3的壁面外圓周外切，另一側(cè)弧線MAB上的弧線MA與噴嘴外圓周線內(nèi)切；直線BB′的寬度為流道出口處槽寬L0，直線AA′的寬度為流道進(jìn)口處槽寬Le，弧線A′B′與弧線AB關(guān)于其中心線OO′對(duì)稱(chēng)，并且這兩條弧線形成的流道的各個(gè)橫截面的槽寬Li滿(mǎn)足公式LiLo=FiFo]]>F＝L×HFiFo=MoMi(1+k-12Mi2)k+12(k-1)(1+k-12Mo2)k+12(k-1)]]>
Mi=Me+Mo-Meni]]>其中Mo為馬赫數(shù)，流道1出口處的馬赫數(shù)Mo取0.5～1，入口處的馬赫數(shù)Me=13Mo;]]>F為流道橫截面的面積，H為流道槽深，L為流道槽寬；k為工作介質(zhì)的絕熱指數(shù)；n為流道的等分?jǐn)?shù)，i為第i個(gè)等分點(diǎn)，其中Fo由下式確定Fo=GVo]]>Vo=2kk-1RTe[1-(pope)k-1k]]]>其中G為經(jīng)過(guò)噴嘴流道流體的體積流量，m3/s；Pe，Po為渦流管進(jìn)的進(jìn)口壓力和出口背壓，MPa；Te為渦流管的進(jìn)口溫度，K；k為工作介質(zhì)的絕熱指數(shù)；R為工作介質(zhì)的氣體常數(shù)，J/(kg.K)。
噴嘴流道1的型線A′B′E′與型線MAB滿(mǎn)足以下關(guān)系點(diǎn)E′、B均為渦流室3的壁面外圓周上的點(diǎn)，直線EE′是渦流室3的壁面外圓周和圓F的外切線，所述的圓F的圓心F為根據(jù)流道數(shù)量確定的在噴嘴外圓周線上的等分點(diǎn)，所述的圓F的半徑為噴嘴流道出口處的槽寬Lo；直線EE′與直線FB平行，點(diǎn)B′為直線BB′在直線EE′上的垂足。
點(diǎn)A′是噴嘴外圓周線上的點(diǎn)，點(diǎn)O′為直線BB′的中點(diǎn)，點(diǎn)O為直線A′A上的中點(diǎn)；點(diǎn)M為點(diǎn)F與與其相鄰的靠近點(diǎn)A的等分點(diǎn)之間的圓弧線上的中點(diǎn)。
本發(fā)明的進(jìn)氣前流道2還可以設(shè)計(jì)成與噴嘴流道1在同一個(gè)平面上，并且深度相同，采用沿中線等氣體流速設(shè)計(jì)，即保持噴嘴進(jìn)氣前流道2中心線的法向面上的速度與渦流管進(jìn)口速度一致，進(jìn)氣前流道2的具體形狀為流道2的寬度沿氣流方向逐漸縮小，在每個(gè)噴嘴流道1處進(jìn)氣前流道2的流通截面寬度Li′滿(mǎn)足公式Li′=L0′(1-1ei)]]>其中，L0′為進(jìn)氣前流道2入口處槽寬，e為噴嘴流道的個(gè)數(shù)，i＝1，2，……，e。
所述的噴嘴流道1的進(jìn)口處槽寬為出口處槽寬的2～4倍。
所述的噴嘴流道1的個(gè)數(shù)為3～4個(gè)。
本發(fā)明的設(shè)計(jì)原理為本發(fā)明渦流管?chē)娮爝M(jìn)氣前流道2采用沿中線等氣體流速設(shè)計(jì)，即保持噴嘴進(jìn)氣流道2中心線的法向面上的速度與渦流管進(jìn)口速度一致。這樣，一部分氣流進(jìn)入其中的一個(gè)噴嘴流道1后，剩余氣流的流量變小，因而沿流動(dòng)方向氣流的流通截面積根據(jù)流道中氣流流速相等而相應(yīng)縮小，保持氣體在噴嘴進(jìn)氣前流道2中速度為定值。在進(jìn)口后，本發(fā)明噴嘴的流道1采用了幾何軸對(duì)稱(chēng)，氣動(dòng)上沿噴嘴流道1的中心軸線按等馬赫梯度的設(shè)計(jì)方法以使氣流沿氣流軸向速度為等馬赫梯度增加，氣體流動(dòng)損失減小，從而盡可能的將渦流管進(jìn)氣氣體的壓力能轉(zhuǎn)變?yōu)樗俣饶埽岣邷u流管的制冷效率。
所以本發(fā)明具有兩方面的優(yōu)點(diǎn)，一方面可以提高渦流管的制冷溫度效應(yīng)；另一方面，可以提高渦流管達(dá)到最大制冷溫度效應(yīng)時(shí)的冷流率，從而提高渦流管的單位制冷量和制冷系數(shù)。實(shí)驗(yàn)證明，采用本發(fā)明改進(jìn)的渦流管的關(guān)鍵部件-噴嘴，達(dá)到了渦流管的最低冷端溫度出現(xiàn)在在高冷流率(35％～65％)下，而且最低冷端溫度比常規(guī)噴嘴渦流管的要低，從而大大提高了渦流管的單位制冷量，提高了渦流管的制冷性能。


圖1是現(xiàn)有普通矩形噴嘴剖面圖；圖2是現(xiàn)有阿基米德螺線形噴嘴剖面圖；圖3是本發(fā)明渦流管?chē)娮靾D；圖4是圖3的A-A剖面圖；圖5是圖3的B-B剖面圖；圖6噴嘴流道型線作法示意圖；圖7圖6局部放大圖；圖8是只改變噴嘴流道型線時(shí)噴嘴主視圖；圖9是只改變噴嘴流道型線時(shí)噴嘴右側(cè)視圖；圖10是同時(shí)改變噴嘴流道型線和噴嘴進(jìn)氣前流道時(shí)噴嘴與渦流管其它部件裝配圖；其中，圖1-10中1-噴嘴流道 2-噴嘴進(jìn)氣前流道 3-渦流室 4-冷端管5-熱端管 6-噴嘴。
體實(shí)施方式發(fā)明噴嘴的流道1采用了幾何軸對(duì)稱(chēng)，流道的出口與渦流室3的壁面相切。本實(shí)施例在設(shè)計(jì)噴嘴流道1的型線時(shí)，具體的過(guò)程如下對(duì)于處理氣量比較小的渦流管，其噴嘴采用3個(gè)流道，且各噴嘴流道1中的氣體流量相等，則各流道的流量一定，取噴嘴流道出口處的馬赫數(shù)Mo＝0.57，且認(rèn)為氣流在噴嘴進(jìn)氣前流道2中不存在流動(dòng)損失，則噴嘴流道1中流體的總溫、總壓與渦流管進(jìn)口氣流的總溫、總壓相等，知道渦流管出口背壓，即可由下式求得噴嘴流道1出口氣流速度VoVo=2kk-1RTe[1-(pope)k-1k]]]>其中Pe，Po為渦流管進(jìn)的進(jìn)口壓力和出口背壓，MPa；Te為渦流管的進(jìn)口溫度，K；k為工作介質(zhì)的絕熱指數(shù)；R為工作介質(zhì)的氣體常數(shù)，J/(kg.K)。
則噴嘴流道1出口處的橫截面積F0即可由下式求得Fo=GVo]]>其中G為經(jīng)過(guò)噴嘴流道流體的體積流量，m3/s。噴嘴流道1進(jìn)口和出口的橫截面積比Fe/Fo＝3，則噴嘴流道1進(jìn)氣處的面積也可求出。根據(jù)噴嘴流道1進(jìn)、出口面積和噴嘴流道的深度即可計(jì)算噴嘴流道1在進(jìn)、出口處的槽寬Le和L0，對(duì)噴嘴平面的外圓周進(jìn)行3等分，以所述的等分點(diǎn)為圓心，以半徑分別為L(zhǎng)o作圓，如附圖6，附圖7所示。直線EE′與圓R＝Lo及渦流室3所在的圓相切，連接E點(diǎn)和R＝Lo圓的圓心F點(diǎn)，并延長(zhǎng)到G點(diǎn)，使EG＝Lo，且與圓R＝L0的另一側(cè)相交于H點(diǎn)，直線GA′、直線FB和直線HJ均與所述公切線EE′平行，所述的直線GA′與噴嘴外圓周交于A′點(diǎn)，所述的直線FB與渦流室3的外圓周交于B點(diǎn)，過(guò)A′點(diǎn)與所述的直線HJ交于A點(diǎn)，AA′即為噴嘴流道1入口處的槽寬Le；過(guò)B點(diǎn)作所述公切線EE′的垂線，垂足為B′，BB′的長(zhǎng)度即為噴嘴流道1出口處的槽寬Lo，保持噴嘴流道1出口與渦流室3的壁面相切；連接A及與A點(diǎn)相鄰的等分點(diǎn)的中點(diǎn)M點(diǎn)，使弧AM與噴嘴外圓周內(nèi)切于M點(diǎn)，弧AM即為噴嘴流道1進(jìn)口處的型線。連接AA′和BB′的中點(diǎn)O和O′，則中線OO′即為噴嘴流道的中線，按照OO′的長(zhǎng)度將其均分n等分得到噴嘴流道的n等分面，按噴嘴流道進(jìn)氣處的馬赫數(shù)Me和出口處的馬赫數(shù)Mo將其按照n等分等梯度增加，從而求出各等分面上的馬赫數(shù)Mi，再按照如下公式FiFo=MoMi(1+k-12Mi2)k+12(k-1)(1+k-12Mo2)k+12(k-1)]]>求出各等分面與噴嘴流道出口的面積比，因?yàn)閲娮炝鞯栏魈幧疃认嗟?，所以噴嘴流道各等分面處的槽寬與噴嘴流道出口處槽寬之比等于相應(yīng)的面積比，知道噴嘴流道出口BB′處的槽寬后，即可求得各等分點(diǎn)處的槽寬，以噴嘴流道中線OO′為對(duì)稱(chēng)線，求出噴嘴流道在各等分面上兩側(cè)的點(diǎn)，連接上述各點(diǎn)即得出噴嘴流道型線。
下面結(jié)合

具體說(shuō)明本發(fā)明中的噴嘴的具體參數(shù)及實(shí)驗(yàn)效果實(shí)施例一本實(shí)施中與現(xiàn)有的普通噴嘴相比，只改變噴嘴流道1的型線，如附圖8，附圖9所示，本發(fā)明噴嘴6與渦流管冷端管4為一個(gè)整體，作為可更換部件，裝入渦流管相應(yīng)的位置。噴嘴流道出口處的馬赫數(shù)為0.57，入口處的馬赫數(shù)為0.19。
普通矩形噴嘴尺寸冷氣流孔孔徑5.6mm，渦流室直徑13mm，噴嘴外圓周直徑20mm，噴嘴流道槽寬L＝2mm，噴嘴流道槽深H＝1mm，噴嘴材料為有機(jī)玻璃。
阿基米德螺線形噴嘴尺寸及材質(zhì)同普通矩形噴嘴本發(fā)明噴嘴尺寸噴嘴流道入口處槽寬Le＝3mm，噴嘴流道出口處槽寬Lo＝1mm，其它尺寸與材質(zhì)同普通矩形噴嘴。
效果在進(jìn)氣壓力為0.4MPa(絕壓)，進(jìn)氣溫度為24℃，熱端管長(zhǎng)60mm，內(nèi)徑10mm，外徑18mm，采用噴嘴流道數(shù)為3。而在同樣的試驗(yàn)條件下，普通矩形噴嘴渦流管的制冷效應(yīng)好于阿基米德螺線型噴嘴渦流管的制冷效應(yīng)，而本發(fā)明噴嘴渦流管的制冷效應(yīng)要好于普通矩形噴嘴渦流管的制冷效應(yīng)。其中采用普通矩形噴嘴，其渦流管在冷流率為31％時(shí)冷端達(dá)到最低溫度4.8℃。本發(fā)明噴嘴渦流管在冷流率為40％時(shí)達(dá)到最低冷端溫度2.9℃；即本采用本發(fā)明噴嘴渦流管在冷流率提高9％的情況下，其冷端的最低溫度還比普通矩形噴嘴渦流管的最低溫度下降了1.9℃，其制冷溫度效應(yīng)比普通矩形噴嘴提高39.6％，其單位制冷量比普通矩形噴嘴提高了2440J/kg，提高了40.5％，其COP比普通矩形噴嘴提高了0.021，提高了42％。
實(shí)施例二同時(shí)改變噴嘴流道1型線和噴嘴進(jìn)氣前流道形狀。具體參見(jiàn)附圖3、4、5所示，噴嘴流道個(gè)數(shù)為3個(gè)，進(jìn)氣前流道2入口處槽寬L0′為7.2mm，噴嘴6與冷端管4之間通過(guò)羅紋連接。噴嘴與渦流管其它部件的裝配如附圖10所示。噴嘴其它尺寸同實(shí)施例一。
效果在進(jìn)氣壓力為0.4MPa(絕壓)，進(jìn)氣溫度為24℃，熱端管長(zhǎng)140mm，采用噴嘴流道數(shù)為3。本發(fā)明噴嘴渦流管在冷流率是56.2％，達(dá)到最低冷端溫度-5.5℃；而在同樣的試驗(yàn)條件下，采用普通矩形噴嘴，其渦流管在冷流率為48.5％時(shí)冷端達(dá)到最低溫度-0.7℃。本發(fā)明噴嘴渦流管在冷流率提高7.7％的情況下，其冷端的最低溫度還比普通矩形噴嘴渦流管的最低溫度下降了4.8℃，其制冷溫度效應(yīng)比普通矩形噴嘴提高37.4％，其單位制冷量比普通矩形噴嘴提高了4.9kJ/kg，提高了36％，其COP比普通矩形噴嘴提高了0.07，提高了77.8％。
權(quán)利要求
1.一種渦流管?chē)娮欤礆饬鞯牧飨?，包括噴嘴進(jìn)氣前流道(2)、噴嘴流道(1)，渦流室(3)，其特征在于噴嘴流道(1)的型線采用了幾何軸對(duì)稱(chēng)，沿噴嘴中心軸線按等馬赫梯度的方法設(shè)計(jì)；具體結(jié)構(gòu)為流道(1)的槽深為恒定值，噴嘴流道(1)一側(cè)的型線A′B′E′上的弧線B′E′與渦流室(3)的壁面外圓周外切，另一側(cè)弧線MAB上的弧線MA與噴嘴外圓周線內(nèi)切；直線B B′的寬度為出口處槽寬L0，直線AA′的寬度為進(jìn)口處槽寬，弧線A′B′與弧線AB關(guān)于其中心線OO′對(duì)稱(chēng)，并且這兩條弧線形成的流道的各個(gè)橫截面的槽寬Li滿(mǎn)足公式LiLo=FiFo]]>F＝L×HFiFo=MoMi(1+k-12Mi2)k+12(k-1)(1+k-12Mo2)k+12(k-1)]]>Mi=Me+Mo-Meni]]>其中Mo為流道(1)出口處的馬赫數(shù)，取值范圍0.5～1，Me為入口處的馬赫數(shù)；F為流道橫截面的面積，H為流道槽深，L為流道槽寬；k為工作介質(zhì)的絕熱指數(shù)；n為流道的等分?jǐn)?shù)；i為第i個(gè)等分點(diǎn)；其中Fo為出口處流道橫截面的面積，由下式確定Fo=GVo]]>Vo=2kk-1RTe[1-(PoPe)k-1k]]]>其中G為經(jīng)過(guò)噴嘴流道流體的體積流量；Pe，Po為渦流管的進(jìn)口壓力和出口背壓；Te為渦流管的進(jìn)口溫度；k為工作介質(zhì)的絕熱指數(shù)；R為工作介質(zhì)的氣體常數(shù)。噴嘴流道1的型線A′B′E′與型線MAB上的點(diǎn)的位置滿(mǎn)足以下關(guān)系點(diǎn)E′、B均為渦流室(3)的壁面外圓周上的點(diǎn)，直線EE′是渦流室(3)的壁面外圓周的切線，并與直線FB平行，點(diǎn)B′為直線BB′在直線EE′上的垂足，所述的直線FB上的點(diǎn)F為根據(jù)流道數(shù)量確定的在噴嘴外圓周線上的等分點(diǎn)；點(diǎn)A′是噴嘴外圓周線上的點(diǎn)，點(diǎn)O′為直線BB′的中點(diǎn)，點(diǎn)O為直線A′A上的中點(diǎn)；點(diǎn)M為點(diǎn)F與與其相鄰的靠近點(diǎn)A的等分點(diǎn)之間的圓弧線上的中點(diǎn)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種渦流管?chē)娮欤涮卣髟谟跍u流管?chē)娮爝M(jìn)氣前流道(2)與噴嘴流道(1)在同一個(gè)平面上，并且深度相同，進(jìn)氣前流道(2)采用沿中線等氣體流速設(shè)計(jì)，即保持噴嘴進(jìn)氣前流道(2)中心線的法向面上的速度與渦流管進(jìn)口速度一致，進(jìn)氣前流道(2)的具體形狀為流道(2)的寬度沿氣流方向逐漸縮小，在每個(gè)噴嘴流道(1)處進(jìn)氣前流道(2)的流通截面寬度Li′滿(mǎn)足公式Li′=L0′(1-1ei)]]>其中，Lo′為進(jìn)氣前流道(2)入口處槽寬，e為噴嘴流道(1)的個(gè)數(shù)，i＝1，2，……，e。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種渦流管?chē)娮?，其特征在于所述的噴嘴流?1)的進(jìn)口處槽寬為出口處槽寬的2～4倍。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的一種渦流管?chē)娮?，其特征在于所述的噴嘴流?1)的個(gè)數(shù)為3～4個(gè)。
全文摘要
本發(fā)明設(shè)計(jì)的渦流管?chē)娮鞂僦评漕I(lǐng)域。特征在于，噴嘴的流道(1)采用了幾何軸對(duì)稱(chēng)，氣動(dòng)上沿噴嘴流道的中心軸線按等馬赫梯度的設(shè)計(jì)方法以使氣流沿氣流軸向速度為等馬赫梯度增加，氣體流動(dòng)損失減?。粐娮爝M(jìn)氣前流道(2)采用與噴嘴流道(1)在同一個(gè)平面上，沿中線等氣體流速設(shè)計(jì)，即保持進(jìn)氣流道中心線的法向面上的速度與渦流管進(jìn)口速度一致。本發(fā)明一方面可以提高渦流管的制冷溫度效應(yīng)；另一方面，可以提高渦流管達(dá)到最大制冷溫度效應(yīng)時(shí)的冷流率，從而提高渦流管的單位制冷量和制冷系數(shù)。
文檔編號(hào)F25B9/04GK1687673SQ20051007528
公開(kāi)日2005年10月26日 申請(qǐng)日期2005年6月10日 優(yōu)先權(quán)日2005年6月10日
發(fā)明者馬重芳, 吳玉庭, 何曙, 葛滿(mǎn)初 申請(qǐng)人:北京工業(yè)大學(xué)