一种共容腔散热式气波制冷机的制作方法

专利名称：一种共容腔散热式气波制冷机的制作方法
技术领域：
本实用新型属于压力气体膨胀制冷技术领域，具体涉及一种气体制冷机械，即一 种共容腔散热式气波制冷机。
背景技术：
膨胀制冷可以获得比用工质循环制冷更低的低温。利用气体自身的压力膨胀制 冷，在石油天然气开发处理等领域中极具应用价值。除了透平膨胀机之外，热分离机和气波 制冷机(中国专利87101903. 5,89213744. 4,90222999. 0)等也属于气体膨胀制冷机械。这 类制冷机能够在较低的转速下高效地工作，从而避免像低温透平膨胀机那样，必须在高转 速下运行而带来的一系列不便。已有的热分离机和气波制冷机，都是压力气体依次对各根 末端封闭的接受管中的潴留气做不定常膨胀功，使压力能转化为热能，再通过管壁散热的。 入射压力气体因膨胀做功而消耗了自身的能量，温度降低而实现制冷。但传统的热分离机和气波制冷机，为满足在低转速下获取高效率、和高负荷散热 的需要，其接受管的长度都长达数米，不但使整机体积庞大，而且容易振动，常会出现断管 事故；并且由于较长振荡管的末端壁温较低，不能强力耗散能量，管材功能率低；再是由于 长接受管为圆截面，导致一定流量(一定宽度)的射流喷嘴，转动分配射流的过程中，很难 同时覆盖满两根以上的管口宽度，则对于每一根接受管来说，射流不充满管口的时均比例 较大，会卷吸更多管内气体相互掺混而降低等熵性；还有就是压缩波或激波会从管子封闭 的末端反射回到入口端，加热新鲜的或者已经制冷了的气体，降低制冷效率，当射流频率 与接受管内气体振荡频率不一致时更甚；而更为严重的是当处理的气体含可冷凝重组分 时，接受管封闭末端区域较低温度的环境极易凝液且滞留不出，不断积累，最终导致制冷机 失效。尽管发明了一些自动排液装置，但结构较为复杂，实施并不方便。尽管热分离机和气波制冷机的发展有30多年的历史，但以长长的接受管为其显 著特征，却一直没有改变。长管壁的热量散发于环境之中，虽然有不需要额外冷却换热之 便，但热量却得不到回收。而上述的体积大、振动断管、射流掺混时均比例大、效率波动、积 液等问题，则由这种结构所限，很难从根本上解决。
发明内容本实用新型的目的就是克服上述不足，提供一种由不必耗散热量的短接受管、其 末端开口续接贯通的共容腔散热空间、弹性缓冲容积和凝液储液空间为特征的非定常膨胀 制冷机——一种共容腔散热式气波制冷机。本实用新型一种共容腔散热式气波制冷机实现功能的原理依据是脉冲射流从一 端管口射进一根管段，在推动管内气体向前运动的同时，由于和管内气体的速度和压力之 差，会产生一系列的压缩波并汇聚成激波，将射流能量快速远传。随射流分配器的旋转，造 成该管段射流的间断，先前射流的能量和速度充分耗尽，温度降低，再从管口返回就变成制 冷气。在此过程中，射流前锋面向前运动的距离，要远小于携带能量的压缩波向前传播的距离。因此，只要管段的长度长于射流前锋面前行的距离，就能保证射流能量的耗散制冷和全 部返排出该端管口。对于长接受管来说，射流前锋面的前部，压缩波和激波向前传波的过程 中，强烈加热管内的滞留气体，再传给管壁散发到环境中，因此长接受管4/5以上的长度尺 寸，都是为了耗散热量所用的。当然长接受管可以降低气体刚性，易于吸收射流的能量，但 加接较大容积的缓冲腔也同样可以达到相同的目的。如果热量不能充分耗散出去，就意味着激波或压缩波的能量没有消失耗尽，在有 限的空间内，它们总会从固壁边界经多次反射，回到接受管中，将能量再次传给射流气体而 使之回热，制冷效率降低。如果设法将激波或压缩波导入一个能够充分耗散其能量的一周 各接受管都共用的容积腔中，同样能起到、或是超过长接受管4/5以上长度的散热作用。因 此，将接受管缩短到只长于射流前锋面前行的距离，不必耗散热量，而在其后续接贯通的共 容腔作为散热空间，强化散热或取热；且此共容腔可大大降低短接受管的刚性即振荡频率， 与长接受管等效。这些是本实用新型的原理依据，并且经过实验机实验获得验证，其效率高 于传统的长接受管散热的气波制冷机。本实用新型为实现上述目的而采取的技术解决方案是一种共容腔散热式气波制 冷机，主要由进气腔6、进气管7、机内旋转密封9、主轴10、机体11、旋转射流分配器14、短 接受管16、接受管圆筒17、共容腔20、换热单元21、冷气出口腔24和冷气出口管25组成， 旋转射流分配器14使射流依次对齐到各根短接受管16始端的管口并进入管中制冷再返回 排出，其特征在于圆周排布的短接受管16的非射流入口端即末端也是开口的，且此末端 开口与共容腔20相连通，共容腔20内装有换热单元21，换热单元21吸收从短接受管16中 传到共容腔20中的压缩波或激波的能量。所述的短接受管16的截面为窄扇型或深槽型，如此按圆周排布的短接受管16的 管口宽度小，可降低射流不充满管口的时均比例。短接受管16可以这样形成在厚壁的接受管圆筒17的外表面加工出多条沟槽，再 用高度比槽深度小的长塞条从外表面悬吊塞入沟槽中并浸焊密封，则沟槽的剩余空间就形 成了短接受管16。短接受管16可以这样形成在两套筒围成的圆环截面的通流道中，插入一片片沿 径向竖起、长度与流道等长的薄塞条，将圆环通道均分成多个峡窄的扇型或槽型通道，即形 成各短接受管16。短接受管16是沿着接受管圆筒17的圆周母线方向、或与母线成0 30°的夹角 方向加工的。接受管圆筒17的长度，即短接受管16的长度在200 1800毫米之间，短接受管 16截面的径向高度，即接受管圆筒17的开槽深度减去塞条高度，在2 100毫米范围之间， 短接受管16截面的宽度即开槽宽度在1 50毫米之间；长塞条的宽度与开槽宽度相等，长 塞条高度在1 40毫米之间，长塞条长度与接受管圆筒17上表面加工出的沟槽的长度相 等；接受管圆筒17的直径在60 5000毫米的范围之间，接受管圆筒17外圆周面的开槽数 量，即短接受管16的数量在10 500之间。共容腔20可以采用与常规换热器外壳相似的形式，一端与接受管圆筒17对接，另 一端封闭；共容腔20内的换热单元21可以为多根U型管，其弯管端靠向接受管圆筒17，管 内通冷却水或冷风带走热量。[0015]本实用新型一种共容腔散热式气波制冷机的有益效果如下1.大大缩短接受管长。伴随长管所带来的整机体积大、振动断管等问题也就随之 消失。2.共容腔内可以安装强化换热结构。这使得压缩波或激波的能量更容易耗散，不 会反射回到射流制冷气中，因此制冷效率可以明显提高，而且其效率随射流频率变化波动 的情况也大为减小，不再需要像通常的气波机或热分离机那样，运行中要用变频器调节电 机转速，来保持高效的射流频率即射流分配器喷嘴的转速。3.凝液的排出变得十分简单。由于所有接受管的末端均开口连通于一个共容腔， 故可依靠重力将凝液汇集于一起，存储于共容腔底部的凝液容积中，定期排放。4.降低了接受管入口段射流与管内气体的掺混。由于容易加工采用窄扇形或深槽 形截面、圆周排布数量更多的短接受管，使一定流量(一定宽度)的射流喷嘴，能同时覆盖 满多根接受管的管口，射流不充满管口的时均比例减小，卷吸管内气体相互掺混量减少，更 易形成理想的气体活塞接触界面，从而提高射流膨胀流动的等熵性。5.热量容易回收利用。由于是集中到一个共容腔中换热，因此除了空冷，水冷或热 管等都可以实施，被加热的流体可以引出，利用其吸收的热量。6.可在低转速下高效运行。由于射流喷嘴能同时对齐数根窄密排列的管口，使得 分配器喷嘴在低转速切换分配射流的情况下，卷吸掺混的程度增加不大；还由于共容腔的 连通，大大降低了每根短接受管的气体压缩刚性，管内气体振荡频率显著降低，射流频率也 可以随之减小，气体分配器喷嘴的转速也就跟着降低，即可以在更低的转速下运行，能显著 延长转动轴承的寿命。
以下结合附图和具体实施例对本实用新型做进一步说明。
图1为本实用新型一种共容腔散热式气波制冷机一个实施例的总体结构简图。图中，1、调速稳速电机，2、连轴节，3、轴端密封，4、外滚动轴承，5、外轴承座，6、进 气腔，7、进气管，8、主轴侧向导入开口，9、机内旋转密封，10、主轴，11、机体，12、内滚动轴 承，13、主轴侧向导出开口，14、旋转射流分配器，15、喷嘴流道，16、短接受管，17、接受管圆 筒，18、密封连接外壳，19、共容腔外壳，20、共容腔，21、换热单元，22、换热介质出口，23、换 热介质入口，24、冷气出口腔，25、冷气出口管，26、端盖。
具体实施方式
下面介绍本实用新型一种共容腔散热式气波制冷机的一种典型的实施方式，但不 局限于这一种方式。一种共容腔散热式气波制冷机，主要由进气腔6、进气管7、机内旋转密封9、主轴 10、机体11、旋转射流分配器14、短接受管16、接受管圆筒17、共容腔20、换热单元21、冷气 出口腔24和冷气出口管25组成，旋转射流分配器14使射流依次对齐到各根短接受管16 始端的管口并进入管中制冷再返回排出，其特征在于圆周排布的短接受管16的非射流入 口端即末端也是开口的，且此末端开口与共容腔20相连通，共容腔20内装有换热单元21， 换热单元21吸收从短接受管16中传到共容腔20中的压缩波或激波的能量。[0027]压力气体从进气管7进到机体11内的进气腔6中，通过主轴10空心段的主轴侧 向导入开口 8导入主轴10空心段，然后再从主轴侧向导出开口 13进到旋转射流分配器14 中。旋转射流分配器14上有数个圆周对称的喷嘴流道15，其开口端面贴近于接受管圆筒 17的内端面，即短接受管16的一端开口。旋转射流分配器14其余的圆周部分则空缺，从 而使短接受管16的这端开口，在喷嘴流道15转离后，能直接连通于密封连接外壳18内的 冷气出口腔24。从旋转射流分配器14上喷嘴流道15开口喷出的射流，进到紧贴的，当时 开口对齐于喷嘴流道15开口位置的那根(或数根)短接受管16中，压缩短接受管16内已 存的气体，产生压缩波并汇聚成激波，向短接受管16的另一开口传播，各个短接受管16的 另一开口均连通于一个公共的容积——共容腔20。在共容腔20中，安装有取走热量的换热 单元21，将激波和压缩波产生的热量强力吸收，使波的能量迅速衰没，不会再返回短接受管 16中，加热已做功致冷的射流气。共容腔20只与每根短接受管16的末端开口连通，没有其他的出口通道。由于不 断有射流气射入短接受管16，系统增加的质量只能再从短接受管16中回返出，进到冷气出 口腔24。由于过程是非常快速的，在射流分配器14的喷嘴流道15开口转离某短接受短管 16管口的瞬间，该接受管内提升的压力和压力梯度都没有均衡，因此向该管前一瞬间入射 的已制冷的射流气，基本都会被管内压力梯度和管内与排气腔之间的压差所推动，从射流 进入的那端管口再返出，排气到冷气出口腔24，通过冷气出口管25流出制冷机；另有少量 的压力波会从另一端与共容腔20连通的管口传出，到相邻的其他管口，推动相邻的已完成 排气的短接受管16内的气体再回返，使相邻接受管的排气彻底。在本实施方式中，短接受管16的形成是在接受管圆筒17的外圆周面，沿着圆周母 线方向、或与母线成0 30°的夹角方向，加工出一道道互相平行的沟槽，再用与沟槽宽度 相等、但高度小于沟槽深度的长塞条，悬空塞入沟槽中，其顶面保持与接受管圆筒17外圆 周面平齐，再浸焊接缝以密封，这样沟槽的上面被严密封堵，接受管圆筒17的部就形成了 一圈圆周排列的、截面为矩型或窄扇型的短接受管16。一般接受管圆筒17的长度，即短接受管16的轴向投影长度在200 1800毫米的 范围，短接受管16截面的径向高度，即接受管圆筒17的开槽深度减去塞条高度，在2 100 毫米范围之间，短接受管16截面的宽度即开槽宽度在1 50毫米之间；长塞条的宽度与开 槽宽度相等，长塞条高度在1 40毫米之间，长度与接受管圆筒17上表面加工出的沟槽的 长度相等，接受管圆筒17的直径在60 5000毫米的范围之间，接受管圆筒17外圆周面的 开槽数量、即短接受管16的数量，在10 500之间。本实施方式中，共容腔20采用与通常的换热器相类似的形式，一端与接受管圆筒 17对接，另一端封闭。在共容腔20内，安装取走热量的换热单元21，本实施方式为多根U 型管，其弯管端靠向接受管圆筒17，管内通冷却水或冷风带走热量。压力不高时，换热单元 21也可采用高效的板翅式换热单元，还可采用带翅片管的热管，以高效吸热并加以利用。共容腔20的底部能存储制冷机工作时的凝液，定期排放，从根本上解决气体含可 冷凝重组分时，机内凝液积累滞留不出，制冷失效的问题。
权利要求1.一种共容腔散热式气波制冷机，主要由进气腔(6)、进气管(7)、机内旋转密封(9)、 主轴(10)、机体(11)、旋转射流分配器(14)、短接受管(16)、接受管圆筒(17)、共容腔 (20)、换热单元、冷气出口腔04)和冷气出口管0 组成，旋转射流分配器(14)使射 流依次对齐到各根短接受管(16)始端的管口并进入管中制冷再返回排出，其特征在于圆 周排布的短接受管(16)的非射流入口端即末端也是开口的，且此末端开口与共容腔OO) 相连通，共容腔OO)内装有换热单元(21)，换热单元吸收从短接受管(16)中传到共 容腔OO)中的压缩波或激波的能量。
2.根据权利要求1所述的一种共容腔散热式气波制冷机，其特征在于所述的短接受 管(16)的截面为窄扇型或深槽型。
3.根据权利要求1或2所述的一种共容腔散热式气波制冷机，其特征在于短接受管 (16)是沿着接受管圆筒(17)的圆周母线方向，或与母线成O 30°的夹角方向加工的。
4.根据权利要求1或2所述的一种共容腔散热式气波制冷机，其特征在于接受管圆 筒(17)的长度，即短接受管(16)的轴向投影长度在200 1800毫米之间，短接受管(16) 截面的径向高度，即接受管圆筒(17)的开槽深度减去塞条高度，在2 100毫米范围之间， 短接受管(16)截面的宽度即开槽宽度在1 50毫米之间；长塞条的宽度与开槽宽度相等， 长塞条高度在1 40毫米之间，长塞条长度与接受管圆筒(17)外表面加工出的沟槽的长 度相等；接受管圆筒(17)的直径在60 5000毫米的范围之间，接受管圆筒(17)外圆周面 的开槽数量，即短接受管(16)的数量在10 500之间。
5.根据权利要求1所述的一种共容腔散热式气波制冷机，其特征在于共容腔00)可 以采用与常规换热器外壳相似的形式，一端与接受管圆筒(17)对接，另一端封闭；共容腔 (20)内的换热单元可以为多根U型管，其弯管端靠向接受管圆筒(17)，管内通冷却水 或冷风带走热量。
专利摘要本实用新型一种共容腔散热式气波制冷机属于气体膨胀制冷低温技术领域，利用压力气体射流到接受管中，产生运动波耗散能量实现制冷，主要由机体、旋转射流分配器、短接受管、接受管圆筒、共容腔、换热单元等组成，其特征在于，短接受管的末端是开口的，且与共容腔相连通，共容腔内装有换热单元，换热单元吸收从短接受管中传到共容腔中的压缩波或激波的能量。本实用新型采用短接受管续接共容腔的散热和缓冲结构，因而整机体积小，不会振动断管，制冷效率高，变化波动小，制冷气凝液的排出十分方便，且过程中转换的热量容易回收利用。本实用新型可广泛应用于混合气体的冷凝分离、石油气中轻烃回收、天然气低温脱水以及低温冷气源供给等领域。
文档编号F25B9/00GK201885477SQ20102011025
公开日2011年6月29日 申请日期2010年2月6日 优先权日2010年2月6日
发明者代玉强, 刘凤霞, 刘培启, 朱彻, 胡大鹏, 赵家权, 邹久朋 申请人:大连理工大学