專利名稱：多級氣波制冷機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于壓力氣體的膨脹制冷技術(shù)領(lǐng)域。
利用氣體的壓力膨脹制冷，可以取得比用工質(zhì)循環(huán)制冷更低的低溫，在混合氣體的液化分離、石油氣中回收輕烴、天然氣液化以及產(chǎn)生低溫冷氣流源等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。除透平膨脹機(jī)之外，較低轉(zhuǎn)速(每分鐘1000～3000轉(zhuǎn))的熱分離機(jī)和氣波制冷機(jī)等以其操作維護(hù)簡便、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)而占有一席之地。
熱分離機(jī)和氣波制冷機(jī)靠壓力氣體射流依次對各根末端封閉的接受管內(nèi)的潴留氣做不定常膨脹功，在潴留氣中產(chǎn)生壓縮波與激波，轉(zhuǎn)化成熱散出；壓力氣體射流因膨脹作出功而減少了能量，使得自身變冷。這類制冷機(jī)憑此機(jī)理特點(diǎn)能夠在較低的轉(zhuǎn)速下高效地工作，從而避免了象低溫透平膨脹機(jī)那樣必須在高轉(zhuǎn)速下工作的一系列不便。
但目前的熱分離機(jī)類和氣波制冷機(jī)均屬于一次不定常膨脹制冷(象中國專利87101903.5，89213744.4，90222999.0等)，其適合的膨脹比一般均不大于4。如果需要更大的制冷溫降，或者有很高的余壓可供利用，它們便不能適應(yīng)，主要表現(xiàn)為等熵制冷效率急劇降低，其制冷溫降隨膨脹比的增加只有微小的增大。究其原因是由于這類機(jī)器的制冷原理所限制的，故沒有多大改進(jìn)的余地。
采用多臺機(jī)串聯(lián)制冷，則每一臺機(jī)的膨脹比可大為減小，雖可以滿足大膨脹比的要求，但投資要增大，占地要增加，且很可能匹配不好，使總體制冷效率提不高。
本實(shí)用新型的目的就是要提供一種在大膨脹比工況下仍能保持甚至提高制冷效率的單體不定常膨脹制冷機(jī)——多級氣波制冷機(jī)。
本實(shí)用新型多級氣波制冷機(jī)的技術(shù)解決方案為在機(jī)器的結(jié)構(gòu)上，使壓力氣體在機(jī)內(nèi)進(jìn)行兩次或者多次不定常膨脹，即形成單機(jī)多級。則每一級的膨脹比即可大為減小，各單級制冷效率可以顯著提高，從而使整機(jī)效率隨之提高。
該機(jī)只用一套轉(zhuǎn)動軸件，但相應(yīng)地卻裝有兩個或兩個以上同速旋轉(zhuǎn)的氣體射流分配器(以流道軸線或與軸線有一小角度的線段為旋轉(zhuǎn)半徑或?yàn)樾D(zhuǎn)母線，作圓周運(yùn)動的旋轉(zhuǎn)噴嘴)，和具有兩組或兩組以上輻射排列或圓周排列的數(shù)米長的末端封閉的接受管(接受管的中后段外壁散熱)，從第一射流分配器噴射出的氣流先進(jìn)入第一組接受管中不定常膨脹，對接受管內(nèi)的潴留氣做功而制冷，制冷氣返出接受管后再導(dǎo)入第二分配器中，從該分配器射出的氣流再進(jìn)第二組接受管，制冷后再返出，依次類推。這樣，氣體經(jīng)過兩次或兩次以上膨脹制冷后，可以產(chǎn)生很大的溫降。
采用多級膨脹制冷，則每一級的膨脹比便可以控制在2～3之間，這對于非定常膨脹制冷機(jī)是最為適宜的。而為了進(jìn)一步提高對應(yīng)此膨脹比值下各級的制冷效率，本實(shí)用新型多級氣波制冷機(jī)的技術(shù)解決方案還包括以下幾點(diǎn)結(jié)構(gòu)特征1.為減少欲制冷射流氣與接受管內(nèi)潴留氣之間的摻和，提高射流進(jìn)入接受管入口時的等熵性，旋轉(zhuǎn)氣體射流分配器噴嘴出口的開口形狀為沿旋向前端寬出的象形T字形而不為矩形，該T字形的對稱軸線與旋轉(zhuǎn)射流分配器的旋轉(zhuǎn)緯線平行。
2.為減小從接受管返出的已制冷氣流的流動損失，其流出所碰到的旋轉(zhuǎn)射流分配器的非噴氣圓周弧段設(shè)計(jì)成比噴嘴口旋轉(zhuǎn)半徑縮小的圓錐或曲圓錐面，其母線與旋轉(zhuǎn)軸線成35～55°角，制冷氣流經(jīng)其錐面反射70～110°角后導(dǎo)出。
3.為取得較好的管口瞬時邊界條件，能與接受管內(nèi)的運(yùn)動波系相匹配，提高制冷效率，本實(shí)用新型氣波制冷機(jī)旋轉(zhuǎn)射流分配器噴嘴出口開口沿旋向的前部和后部都設(shè)置了一段依次旋轉(zhuǎn)封擋接受管口的圓周弧面。
由于采用多級膨脹，克服了該類非定常膨脹制冷機(jī)在一次大膨脹比下所不能避免的射流在接受管入口處的急劇增加的能量損耗，因此其總體制冷效率比一次膨脹型機(jī)大為提高；加之研究采用了適宜于小膨脹比工況的射流噴嘴開口形狀，和適宜于返出氣流流動的反射圓錐或曲圓錐面，以及旋轉(zhuǎn)封擋接受管口的圓周弧面所造成的適宜邊界條件，更進(jìn)一步地提高了每一級的制冷效率。
由于該多級膨脹制冷機(jī)為單體機(jī)，故可比多機(jī)串聯(lián)節(jié)省許多投資和占地，且可以設(shè)計(jì)成各級都具有最佳的匹配狀態(tài)，不但穩(wěn)定高效，而且可靠性強(qiáng)。


圖1為實(shí)施本實(shí)用新型技術(shù)方案的一種雙級氣波制冷機(jī)的總體結(jié)構(gòu)簡圖。
圖2為本實(shí)用新型氣波制冷機(jī)的一種旋轉(zhuǎn)氣體射流分配器(包括其上噴嘴出口的開口形狀、噴嘴前部和后部的封擋接受管口的圓周弧面以及非噴氣圓錐形圓周弧段)的簡圖。
以下結(jié)合附圖對本實(shí)用新型的實(shí)施例做進(jìn)一步詳細(xì)的描述見
圖1，實(shí)施本實(shí)用新型的一種雙級氣波制冷機(jī)由機(jī)殼(19)、兩端蓋(12)(20)、轉(zhuǎn)軸(10)、滾動軸承(11)(21)、第一和第二旋轉(zhuǎn)射流分配器(4)(7)、旋轉(zhuǎn)動密封(13)(16)(18)、兩組輻射排列的接受管(5)(8)以及機(jī)架(14)所組成。其中，轉(zhuǎn)軸設(shè)有兩段空心軸段，空心軸段的圓周壁開孔，使氣體能夠流進(jìn)和流出空心流道，以將機(jī)內(nèi)空腔中的氣體導(dǎo)入旋轉(zhuǎn)射流分配器中；旋轉(zhuǎn)射流分配器上對稱布置有2～4個噴嘴流道，其噴嘴出口開口于分配器的外圓弧段的圓周面上，從軸向投影面看，流道軸線與徑向成一定的角度，射流分配器與轉(zhuǎn)軸以每分鐘1000～5000轉(zhuǎn)同速轉(zhuǎn)動；每組接受管的數(shù)量為20～100根，各管的末端封閉，開口端固裝于機(jī)殼圓周面上朝向圓心(徑向)或朝向略偏于圓心的鉆孔(孔數(shù)量與接受管數(shù)量相等)上，管的內(nèi)孔與機(jī)殼鉆孔對位成光滑連續(xù)流道，每一組中各接受管的管長基本相等，管長為1.5～4.5米；機(jī)殼鉆孔處的內(nèi)圓直徑略微大于射流分配器上噴嘴出口開口處外圓弧段的直徑。
壓力氣體由機(jī)身入口(1)進(jìn)入機(jī)內(nèi)空腔(3)，從轉(zhuǎn)軸(10)的圓周開孔進(jìn)到空心軸段(2)而導(dǎo)入第一旋轉(zhuǎn)射流分配器(4)中，從其上的噴嘴口噴出的高速氣流依次輪流入射到第一組各接受管(5)中，按圓周排列順序?qū)Ω鞴軆?nèi)的潴流氣體做不定常膨脹功，通過在潴流氣中產(chǎn)生壓縮波和激波將功轉(zhuǎn)化成熱量通過管壁向外界散發(fā)；其后射流分配器噴嘴依次轉(zhuǎn)離各個管口，膨脹做功制冷后的氣體便依次從第一組各接受管口返出，在射流分配器(4)的非噴氣圓周弧段(其瞬時對位的各接受管口不被封擋而排出制冷氣)的圓錐弧面(見圖2的(5)和(1))上反射約90°后進(jìn)入空腔(17)，完成了一級膨脹制冷。然后，氣體再從空腔(17)所對空心軸段的圓周開孔進(jìn)到該軸段的空心流道(6)而被導(dǎo)入第二二旋轉(zhuǎn)射流分配器(7)中，再通過其上的噴嘴口依次輪流射入第二組接受管(8)中，進(jìn)行與第一級同樣的制冷過程。最后，完成制冷的氣體進(jìn)入空腔(15)，然后從出口(9)流出。
為提高各級在小膨脹比下的制冷效率，本實(shí)用新型氣波制冷機(jī)的旋轉(zhuǎn)射流分配器噴嘴出口的開口形狀如圖2的(3)所示，象形T字形的對稱軸線與噴嘴盤的緯線平行，沿旋向的前端寬出，其前端寬度為后續(xù)寬的1.05～1.8倍，前寬區(qū)長度為噴嘴口總長的5～30％，噴嘴口總長為其后端寬度的0.8～3.2倍。
為取得能與接受管內(nèi)的運(yùn)動波系相匹配的管口瞬時邊界條件，提高制冷效率，本實(shí)用新型氣波制冷機(jī)旋轉(zhuǎn)射流分配器噴嘴出口開口沿旋向的前部和后部所設(shè)置的兩段依次旋轉(zhuǎn)封擋接受管口的圓周弧面，其弧長范圍是前部弧面(圖2(2))的弧長為噴嘴口長的0.6～2.2倍，后部弧面(圖2(4))的弧長為噴嘴口長的0.7～2.5倍。
本實(shí)用新型氣波制冷機(jī)的流量由第一旋轉(zhuǎn)射流分配器(4)上各噴嘴的總開口面積決定。經(jīng)過各級的膨脹，氣體的體積流量不斷增加，因此，第二級以后的各旋轉(zhuǎn)射流分配器上各噴嘴的總開口面積要依次按比例增加，根據(jù)各級所要求的膨脹比，每一后級的總開口面積為其前一級的1.5～4.5倍，各級旋轉(zhuǎn)射流分配器上每一噴嘴的開口面積按總面積均分或按180°角對稱。
相應(yīng)于體積流量的增加，后面級接受管的截面積、空心軸段圓周上的開孔面積和空心流道截面積，以及噴嘴流道截面積均須逐級增大，出機(jī)器的冷氣出口面積要比高壓氣入口面積大一倍以上。
本實(shí)用新型氣波制冷機(jī)轉(zhuǎn)軸(10)的旋轉(zhuǎn)動力的一部分或者全部來自于射流分配器噴嘴噴出來的方向與徑向成一定角度的射流的反推力。其轉(zhuǎn)軸的一頭可伸出機(jī)外，接以電機(jī)、阻尼器等穩(wěn)速裝置。
權(quán)利要求1.一種靠壓力氣體的不定常膨脹做功而制冷的低轉(zhuǎn)速膨脹制冷機(jī)，由機(jī)殼、端蓋、轉(zhuǎn)軸、滾動軸承、旋轉(zhuǎn)射流分配器、旋轉(zhuǎn)動密封、輻射排列或圓周排列的數(shù)米長的末端封閉的接受管以及機(jī)架所組成，其特征在于該機(jī)在結(jié)構(gòu)上使壓力氣體在機(jī)內(nèi)形成兩次或多次膨脹，即形成單機(jī)多級，該機(jī)只有一套轉(zhuǎn)動軸件，但相應(yīng)地卻具有兩個或兩個以上同速旋轉(zhuǎn)的氣體射流分配器，和具有兩組或兩組以上輻射或圓周排列的接受管。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制冷機(jī)，其特征在于其旋轉(zhuǎn)射流分配器噴嘴出口的開口形狀為沿旋向前端寬出的象形T字形，旋轉(zhuǎn)射流分配器的非噴氣圓周弧段為比噴嘴口旋轉(zhuǎn)半徑縮小的圓錐或曲圓錐面，旋轉(zhuǎn)射流分配器上噴嘴出口開口沿旋向的前部和后部都設(shè)置了一段依次旋轉(zhuǎn)封擋接受管口的圓周弧面。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的制冷機(jī)，其特征在于旋轉(zhuǎn)射流分配器噴嘴出口的開口象形T字形的對稱軸線與旋轉(zhuǎn)射流分配器的旋轉(zhuǎn)緯線平行。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的制冷機(jī)，其特征在于旋轉(zhuǎn)射流分配器噴嘴出口的開口沿旋向前端寬出的象形T字，其前端寬度為后續(xù)寬的1.05～1.8倍，前寬區(qū)長度為噴嘴口總長的5～30％，噴嘴口總長為其后端寬度的0.8～3.2倍。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的制冷機(jī)，其特征在于旋轉(zhuǎn)射流分配器的非噴氣圓周弧段的圓錐或曲圓錐面的母線與旋轉(zhuǎn)軸線成35～55°角。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的制冷機(jī)，其特征在于旋轉(zhuǎn)射流分配器噴嘴出口開口沿旋向的前部和后部所設(shè)置的兩段依次旋轉(zhuǎn)封擋接受管口的圓周弧面的弧長范圍是前部弧面的弧長為噴嘴口長的0.6～2.2倍，后部弧面的弧長為噴嘴口長的0.7～2.5倍。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制冷機(jī)，其特征在于該機(jī)轉(zhuǎn)軸中設(shè)有空心軸段，空心軸段的圓周壁開孔。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制冷機(jī)，每個旋轉(zhuǎn)射流分配器上對稱布置2～4個噴嘴，其特征在于每一噴嘴出口的開口面積按總面積均分或按180°角對稱分配。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制冷機(jī)，其特征在于第二級以后的各旋轉(zhuǎn)射流分配器上各噴嘴的出口開口總面積依次增加，每一后級的總開口面積為其前一級的1.5～4.5倍。
專利摘要一種單體的多級非定常膨脹制冷機(jī),壓力氣體在該機(jī)內(nèi)進(jìn)行多次膨脹制冷,大膨脹比工況下,每一級的膨脹比減小,可提高整機(jī)的制冷效率。該機(jī)只有一套轉(zhuǎn)動軸件,能在較低的轉(zhuǎn)速下工作,與同類型單級機(jī)串聯(lián)相比,具有制造、運(yùn)行成本低,操作維護(hù)簡便、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。該機(jī)適用于混合氣體的液化分離、石油氣中回收輕烴、天然氣液化以及產(chǎn)生低溫冷氣流源等領(lǐng)域。
文檔編號F25B9/08GK2274744SQ9622511
公開日1998年2月18日 申請日期1996年1月12日 優(yōu)先權(quán)日1996年1月12日
發(fā)明者胡大鵬, 鄒久朋, 方曜奇, 朱徹, 郭永來, 李占德 申請人:大連理工大學(xué)