专利名称：一种热管式涡流管的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及涡流管能量分离和重力式热管换热器机理，属于压力 气体节流降压和低温分离技术领域。
技术背景涡流管是一种直接利用压力气体制冷、制热，并实现冷、热量分离的 装置。它先将气体压力能转化为动能，再通过旋转涡流内、外层的能量交 换，分成总焓不相等的冷、热两股气流。涡流管一般由入口管、 一至数个 切向喷嘴、涡流腔、冷、热端出口管等组成。工作时，高压气体经入口管 流入切向喷嘴，产生高速气流，然后进入涡流腔。在相等的动量矩下，旋 涡内层角速度远大于外层，靠动量交换将动能传至外层，自身焓降低，而 外层的焓上升。分别从中心和外周处将气体导出，就可以得到冷、热两股 气流。与此同时，出口气体的压力比入口有较大的降低，相当于有节流阀 的节流作用。传统的涡流管具有结构简单、无运动件、造价低、流量可调、操作方 便易维护、运行安全可靠等优点，又具有制冷、制热、分离、抽真空等多 方面的功能。但是存在的问题也很多(1)因喷嘴喉部高流速区的温度太 低而造成冰堵，是难以推广到高压气含水分场合应用的主要原因。(2)热 端能量常得不到充分的利用。(3)作为制冷器的效率不高。当高压气体通过节流阀降压时，因节流效应而降温，如果气体中含有 凝点较高的成分如水分等，就很容易因降温而冻堵。因此，在天然气和石 油伴生气等开采和输送的过程中，在节流降压之前，通常先须将高压气体 用燃油或燃气炉加热，既浪费能源又增加了设备的投资。 发明内容本实用新型的目的是提供一种体积小、全静止结构、在节流降压防冻 堵方面有着明显优势的热管式涡流管，同时，它还能很好地适用于带液气 体的节流降压，以及在制冷的同时， 一并进行气液分离。本实用新型一种热管式涡流管与其节流降压技术的原理为利用涡流 管热流端产生的高温作为热源，设置一重力式热管换热器。其蒸发段为涡 流管的热端，冷凝段则设置在喷嘴流道壁的周边。涡流管工作时，在切向 喷嘴处局部地区，因静温过低，致使气流中凝点较高组分在壁面冻结，而 热管则将涡流管热端产生的热量传递到喷嘴壁面，使冻结融化或不冻，实 现在高压力比节流情况下不产生冻堵的目的。本实用新型的技术解决方案为热管式涡流管，由外壳上段2、密封 挡板3、入口管4、喷嘴流道盘7、径向喷嘴流道8、喷嘴盘下封盖9、外 壳下段10、涡流腔管11、排污口 14、连通管21、涡流腔22和冷孔板25 等组成，其特征在于，利用了涡流管延长段和热流出口管即涡流腔管ll的 管外壁，和热管外套12围封成了一段外夹套，形成环形截面的空腔作为热 管的蒸发室即热管腔18，内盛可蒸发的工质，涡流腔管11向下安放，热 管腔18的上部是喷嘴流道盘7，在喷嘴流道盘7上有连通管21贯通到喷 嘴盘上表面空腔23。热管腔18的内围是涡流管延长段和热流出口管即涡 流腔管ll的外壁。热管腔18内的工质蒸发之后由于密度减小而上浮，可 以直接与加工有径向喷嘴流道和涡流腔的扁盘型元件的下端面接触，放热 冷凝并贴壁流下，实现循环。为了增加喷嘴流道周围的冷凝换热面积，本 实用新型还采用在喷嘴流道元件的固体实体上开孔的方法，将蒸发的工质 引导到喷嘴流道元件的上端面和在开孔的内侧壁面进行冷凝，在上端面冷 凝的工质再通过开孔流回到下面热管的蒸发室。热管中工质的蒸发热源来自于涡流管延长段和热流出口管内的热股 流，热股流的热量是通过管段管壁传给外夹套环形截面热管腔中的工质的。由于本实用新型以节流降压为主要应用目的，因此其压降比一般会显 著大于气体的临界膨胀比，故该涡流管采用机械能损失尽量小的拉伐尔超 音速喷嘴，流道渐扩段最大截面积大于喉部，使压力能尽量转化为动能， 以增强降压效果和漩涡的强度。由于漩涡强度越强，热流温度越高，因此 可以更强烈地加热超音速喷嘴的低温易冻堵段。本实用新型一种热管式涡流管虽然是以涡流管的原理进行降压的，但 高、低温流体焓的总和与来流相等，髙、低温流体混合后的温度依然是节 流降压所能获得的温度，因此，气体中的易凝重组分就可以在涡流管之后 采用分离器进行分离，其效果跟节流阀节流是相同的。还可以将两股流进
行无混合热交换，再分离热股流变冷后的凝液。由于热股流中重组分的分 压较高，采用此种工艺过程可以分离出比节流阀节流降压更多的重组分凝 液。本实用新型所达到的有益效果是(1)高压力比下顺利降压，没有冻 堵现象；(2)可实现轻重组分的分离。
以下结合附图和具体实施方式
对本实用新型做进一步说明。
图1是本实用新型热管式涡流管的一种实施结构的示意图。图2是本实用新型热管式涡流管的径向喷嘴流道剖面和连通管位置图。图中，1、冷气出口法兰，2、外壳上段，3、密封挡板，4、入口管，5、 高压气入口， 6、入口法兰，7、喷嘴流道盘，8、径向喷嘴流道，9、喷嘴 盘下封盖，10、外壳下段，11、涡流腔管，12、热管外套，13、工质注入 孔，14、排污口， 15、热气出口接管，16、热气出口法兰，17、热气出口， 18、热管腔，19、抽气孔，20、热管蒸发段，21、连通管，22、涡流腔， 23、喷嘴盘上表面空腔，24、进气缓冲腔，25、冷孔板，26、冷气出口，27、 连通孑L。
具体实施方式
本实用新型一种热管式涡流管的一种具体实施方案为外壳分成两段， 采用机加工加焊接结构，上段侧面焊接入口管4，壳内部加工出定位内孔，将内芯组件定位装入。内芯组件包括冷孔板25、密封挡板3、喷嘴流道盘 7、连通管21、喷嘴盘下封盖9、涡流腔管ll、热气出口接管15和热气出 口法兰16。组件的各个部分要分别机加工，然后对位进行可靠的焊接密封， 或以0型圈加密封胶密封，以使热管的各循环腔和回路的所有缝隙，与来 气、冷热股流气实现可靠的隔绝密封。内芯组件焊接或装接完成后，再将 冷孔板25的插入定位段和热气出口接管15的外圆定位段同心地机加工到 配合尺寸。
外壳的上、下半段在装配压紧内芯组件后封焊或用法兰连接，热管外套12上端与下壳^^接牢，下端内孔与热气出口接管15的外圆配合，装配 定位后封焊。热管外套12需要开三个接口， 一个是抽气孔19，可以接真 空泵抽出热管内幵始或工作中从密封处泄漏的不凝性气体，如工艺气、空 气等； 一个是工质注入孔13;下半段的最低部还设有排污口 14。从涡流腔内涡流的对称性考虑，超音速的径向喷嘴流道8不只一个且 对称于圆周布置。在喷嘴流道盘7的下端面按圆周对称铣加工出数个一定 深度的外形线为縮放拉伐尔喷嘴形的径向喷嘴流道8,以使气体加速到膨 胀比所对应的超音速，和达到降压减压的目的。而连通孔27是为插入焊接 连通管21所用，以使蒸发工质能够上升到喷嘴上面空腔，冷凝后又能够流 下来。工作原理高压气体从高压气入口 5进到进气缓冲腔24内，然后进入 径向喷嘴流道8，加速后进入涡流腔22中。经过能量交换，冷股气流从涡 流腔22的中心出口上升到冷气出口 26，热股气流则沿着涡流腔管11内旋 转下降到热气出口 17，并将热量传递给管壁，在涡流腔管11外部的热管 腔18中的工质吸收了管壁热量之后蒸发上升到热管蒸发段20，部分碰到 喷嘴流道底板壁之后放热冷凝，沿壁面流下，其余的蒸汽穿过连通管21 进到喷嘴上表面空腔23中，放热冷凝后的工质液体再从连通管21的内壁 下到热管蒸发段20、热管腔18中循环使用。吸收了涡流腔管11管壁热量 的工质蒸发上升，在冷凝过程中放出潜热，将喷嘴流道壁体加热，就可以 消除在喷嘴壁面结冰，发生冻堵的可能。
权利要求1. 一种热管式涡流管，由密封挡板(3)、入口管(4)、喷嘴流道盘(7)、径向喷嘴流道(8)、喷嘴下封盖(9)、热管端盖(10)、涡流腔管(11)、工质注入孔(13)、排污口(14)、连通管(21)、涡流腔(22)和冷孔板(25)组成，其特征在于，利用了涡流管延长段和热流出口管即涡流腔管(11)的管外壁，和外壳套即热管外套(12)围封成了一段外夹套，形成环形截面的空腔作为热管的蒸发室即热管腔(18)，内盛可蒸发的工质，涡流腔管(11)向下安放，热管腔(18)的上部是喷嘴流道盘(7)，在喷嘴流道盘上有连通管(21)贯通到盘上表面空腔(23)。
2. 根据权利要求1所述的一种热管式涡流管，其特征在于，热管腔(18) 的内围是涡流管延长段和热流出口管即涡流腔管(11)的外壁。
3. 根据权利要求1所述的一种热管式涡流管，其特征在于，喷嘴流道 盘(7)上的径向喷嘴流道(8)不只一个且对称于圆周布置。
4. 根据权利要求1所述的一种热管式涡流管，其特征在于，径向喷嘴 流道(8)采用拉伐尔超音速喷嘴，流道渐扩段最大截面积大于喉部。
5. 根据权利要求1所述的一种热管式涡流管，其特征在于，冷孔板(25)、 密封挡板(3)、喷嘴流道盘(7)、连通管(21)、喷嘴下封盖(9)和涡流腔管(11)， 各个对位安装的所有缝隙，都进行可靠的焊接密封，或以O型圈加密封胶 密封。
专利摘要一种热管式涡流管，属于压力气体节流降压和低温分离技术领域。热管式涡流管的热流出口管向下安放，围绕其管外增加了重力式热管换热器，利用涡流管延长段和热流出口管的一段管壁和套封外壳围成一段外夹套，形成环形截面的空腔作为热管的蒸发室，内盛可蒸发的工质，可将涡流管热股流的热量通过热管的高效传热循环，传递到涡流管喷嘴流道的壁面进行加热，可以防止喷嘴壁面的冰堵现象发生。本实用新型热管式涡流管可用于天然气等含有冷冻组分的压力气体的节流降压场合，代替节流阀节流降压而不会产生冻堵，也可以用于油气等含有可冷凝重组分的气体用涡流管制冷，冷股流干气与热股流换热，再进行冷凝液分离的过程。
文档编号F28D15/02GK201215415SQ20082001250
公开日2009年4月1日 申请日期2008年4月30日 优先权日2008年4月30日
发明者代玉强, 彻 朱, 胡大鹏, 邱中华, 邹久朋, 马庆芬 申请人:大连理工大学