渦流制冷原理

1、渦流制冷方式在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用Application of Vortex Cooling in Industry作者：張王宗單位：美國埃泰克氣動技術(shù)國際公司中國辦事處Keywords:Expansion decalescence、Vortex、Temperature Separation Effects、Cold Fraction、Energy saver、Safety、High efficiency、Simpleness、AiRTX (AirTX), Air Powered.Abstract: Vortex tube is an easily used refrigerating device

2、. Poweredby compressed air, it produces separate hot and cold air streams.Vortex tubes have found an extensive application in numerous industrial fields because of its consistent performance, easy application and maintenance, and no moving parts.關(guān)鍵詞：膨脹吸熱、渦流、冷熱分離效果、制冷系數(shù)、節(jié)能、安全、高效、簡便、埃泰克 摘要：渦流管是利用一種能夠把

3、壓縮氣體分離為冷熱兩股溫度不同氣流的簡單裝置。由于這 種裝置具有結(jié)構(gòu)簡單、工作穩(wěn)定可靠、易于維修、無運(yùn)動部件且溫度變化范圍大等優(yōu)點(diǎn)，已 被應(yīng)用到許多工業(yè)領(lǐng)域。引言：工業(yè)高溫、多灰塵、多無線射頻、多電磁輻射等惡劣環(huán)境的普遍存在，不同行業(yè)的工 業(yè)的廢氣、塵埃、纖塵、腐蝕氣體、易燃、易爆氣體、電磁、無線射頻對工業(yè)的動力、儀表 控制系統(tǒng)設(shè)備的環(huán)境污染，鋼鐵廠加熱爐、高爐爐頂，水泥廠回轉(zhuǎn)窯窯頭、篦冷機(jī)，熱電廠 燃燒爐，玻璃廠熔煉爐、油漆廠等特殊高溫環(huán)境自動化電視監(jiān)控系統(tǒng)，攝像機(jī)連續(xù)工作系統(tǒng) 的運(yùn)行。所有這些行業(yè)的敏感的儀表、電氣類控制元器件都因?yàn)闇囟?、等異常惡劣環(huán)境而失 去其最佳運(yùn)行效能，因此環(huán)境的改善

4、就顯得非常重要。目前國內(nèi)的工業(yè)設(shè)備制冷現(xiàn)狀：制冷方法共有蒸汽壓縮式制冷，蒸汽吸收式制冷，蒸汽噴射式制冷，吸附式制冷，空氣膨脹 制冷、渦流管制冷等七種。各種制冷方法大體上可分為2類：1、輸入功率制冷：如蒸汽壓 縮式制冷、熱電制冷。2、輸入熱量制冷：如吸收式制冷，蒸汽噴射式制冷、吸附式制冷， 而這些制冷方式都有一定的優(yōu)缺點(diǎn)和適用范圍。針對工業(yè)控制電氣、儀表及其綜合控制機(jī)柜的運(yùn)行環(huán)境的改善，我國目前仍然沿用傳統(tǒng)解決 辦法：對于電子、電氣、儀表控制屏柜，各種制冷方式的特點(diǎn)列表如下： 針對性屏蔽性電磁、射頻輻射防暴防腐特征使用壽命動力及冷媒 通風(fēng)柵無無無 無 長自然通風(fēng) 風(fēng)扇無 無有無 短 電空調(diào)無 無

5、有無 短 電、氟利昂風(fēng)扇+空調(diào)無無 有 無短 電、氟利昂壓縮空氣有 有無 有長壓縮空氣半導(dǎo)體有無有 無 短電循環(huán)冷水有 無無 無短冷卻水渦流管有有無 有 長壓縮空氣說明：1、 表中所列出的“針對性”是針對電子、電氣、儀表控制屏柜內(nèi)發(fā)熱元器件制冷而言的， 是渦流制冷器有專門針對性、選擇性制冷的意思，而對其他不發(fā)熱元件，則可以不選擇制冷。 2、屏蔽性是指渦流制冷器與電子、電氣、儀表控制屏柜結(jié)合，可以將柜體內(nèi)的環(huán)境與柜體 外的環(huán)境獨(dú)立開來，而在柜內(nèi)形成干冷氣體環(huán)境正壓，把外界環(huán)境屏蔽在易發(fā)熱元件之外。從上表說明的各種不同制冷方式中，我們可以看出：1、通風(fēng)柵：只靠環(huán)境中的自然風(fēng)，散熱效果很有限，環(huán)境溫

6、度高時(shí)沒效果，隔離和屏蔽惡 劣環(huán)境效果差，空氣對流帶來灰塵積聚和污染氣體，設(shè)備易發(fā)生故障，只針對那些對散熱條 件要求不高的電氣、儀表控制設(shè)備，應(yīng)用范圍有限。2、風(fēng)扇：降溫有限，環(huán)境溫度高時(shí)沒效果，空氣對流帶來灰塵積聚和污染氣體，設(shè)備易發(fā) 生故障。對非常敏感的電氣、儀表元件還存在無線射頻干擾、電磁干擾的問題。3、空調(diào)：大空間制冷，降溫?zé)o針對性，存在局部高溫，效果差，造價(jià)高昂，用電量高，需 要頻繁維護(hù)，而且有冷媒泄露污染環(huán)境（CFCs泄露破壞臭氧層，不符合關(guān)于保護(hù)臭氧層 的維也納公約的規(guī)定），并且在特殊環(huán)境（高頻環(huán)境、50以上的高溫環(huán)境）下易發(fā)故障 或失去制冷效能。4、空調(diào)風(fēng)扇：空氣對流帶來灰塵積

7、聚和腐蝕性氣體，造價(jià)高昂，降溫?zé)o針對性。5、壓縮空氣直吹（如很多鋼鐵廠的薄板坯連鑄連軋生產(chǎn)線上用壓縮空氣直吹其光電傳感器）， 耗氣量大而且制冷效果差。6、半導(dǎo)體制冷：制冷范圍小、功率小，易產(chǎn)生冷凝現(xiàn)象，無法將酸類、堿類、灰塵、纖塵、 濕氣、高危、高爆氣體環(huán)境屏蔽或隔離在在受保護(hù)元件以外。7、循環(huán)水：制冷效率好，但水冷系統(tǒng)設(shè)施投入很大，費(fèi)用高，而且存在循環(huán)水管的結(jié)垢不通暢，影響制冷效果，并有水管系統(tǒng)泄露導(dǎo)致運(yùn)行故障，并存在很大制冷系統(tǒng)的檢維修及清 洗費(fèi)用。這種制冷方式使用范圍小，只用在發(fā)熱量特別大的設(shè)備如高頻冶煉爐設(shè)備上?？傊畟鹘y(tǒng)辦法均不能很好解決散熱、灰塵、化學(xué)腐蝕和易爆氣體所帶來的問題。必須

8、找到一 種能避免這些傳統(tǒng)制冷方法的缺陷，而且有效地為工業(yè)系統(tǒng)提供局部制冷的最佳途徑。為重 要工作的電氣設(shè)備、電子儀器、儀表提供冷量。渦流制冷及應(yīng)用：一、渦流現(xiàn)象及基本原理：渦流管現(xiàn)象是1930年法國物理學(xué)家喬治.朗格發(fā)現(xiàn)的。美國AiRTX氣動技術(shù)國際公司則是最 早將這種物理現(xiàn)象實(shí)際、有效的應(yīng)用于工業(yè)制冷方案的公司之一。流體環(huán)繞軸而旋轉(zhuǎn)象龍卷風(fēng)一樣這種流體的流動現(xiàn)象就叫渦流。渦流制冷技術(shù)又稱為渦流膨脹制冷技術(shù)，從空壓機(jī)壓縮出來壓縮空氣首先通過渦流管噴嘴成 切線送入圓柱型渦流發(fā)生腔, 這個(gè)發(fā)生器比產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)氣流的熱（長）管相比要大些，渦流 發(fā)生腔位于渦流管的熱端和冷端之間,并與它們相連.由渦流發(fā)生腔

9、形成的渦流氣流送入渦 流管的熱端,渦流氣流緊貼渦流管的內(nèi)表面,熱空氣不斷從熱端排出,熱空氣在熱端產(chǎn)生一個(gè) 流阻,這個(gè)流阻在渦流管中形成了足夠的負(fù)壓,這一負(fù)壓迫使一部分空氣經(jīng)渦流管中心回流 到冷端.這部分空氣由于流向熱端的膨脹氣流的吸熱而變的很冷,當(dāng)?shù)母邏嚎諝膺M(jìn)入渦流管，會使氣體體積膨脹并吸熱，再在渦流管中產(chǎn)生渦流。壓縮空氣進(jìn) 入一個(gè)渦流發(fā)生器，接下來，旋轉(zhuǎn)的氣流被迫以1,000,000 rpm的旋轉(zhuǎn)速度沿?zé)峁鼙谶M(jìn)入 熱管內(nèi)部。在熱管的終端，一小部分空氣通過針型閥以熱空氣方式瀉出。剩余的空氣則以較 低速度通過進(jìn)入熱管的旋轉(zhuǎn)氣流的中心返回。熱的、較慢速度旋轉(zhuǎn)的氣流通過進(jìn)入熱管的快 速旋轉(zhuǎn)的氣流。這

10、股超速冷氣流通過發(fā)生器中心并冷氣排氣口瀉放冷氣。溫度分離效果：渦流管產(chǎn)生兩種形式的渦流：自由渦流和強(qiáng)制渦流。在自由渦流（象旋渦一樣）中，其流體 的角速度在渦流沿渦流管中心向前推進(jìn)時(shí)被增大，越靠近渦流管中心部分的渦流，其旋轉(zhuǎn)速 度越快。在強(qiáng)制渦流中，其速度是直接與渦流半徑成比例關(guān)系渦流越接近中心部位，其 速度就越慢在渦流管中，其外界（熱）渦流氣流是自由渦流，其內(nèi)部（冷）渦流氣流是強(qiáng)制渦流。強(qiáng)制 渦流的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動受控于自由渦流（熱渦流氣流）。這股包括熱氣和冷氣流的湍流形成不同能 量層，并被鎖定在一個(gè)渦流管中形成旋轉(zhuǎn)流動的流體群。內(nèi)層氣流穿過外層氣流的風(fēng)洞中心，而且由于兩層氣體之間的黏滯性的關(guān)系導(dǎo)致內(nèi)

11、層氣體比 外層氣流的速度慢，也就是說，內(nèi)層氣流的速度在通過外層氣流中心時(shí)被削弱了。漩渦中心 的氣流則流向冷空氣出口，通過吹氣入口時(shí)會膨脹然后冷卻。因此，漩渦外層空氣的增溫是 由于加速外層氣流的黏滯性做功，而中心部分空氣流往相反方向，則因擴(kuò)散而降溫。而且還 因?yàn)槟芰颗c速度的平方成正比，冷氣流的減速是通過熱傳導(dǎo)來喪失其能量的。這樣以來能量 就以熱量傳導(dǎo)的方式由內(nèi)層氣流向外層氣流傳遞，也就是產(chǎn)生了內(nèi)層冷氣流。制冷系數(shù)：渦流管冷氣端釋放的冷氣量占輸入壓縮空氣總量的體積百分比就叫該渦流管的制冷系數(shù)。位 于渦流管熱氣瀉放端的針形閥門控制制冷系數(shù)。例如，如果壓縮空氣輸入量為15 m3/min， 而且渦流管的

12、制冷系數(shù)是 70%，那么，渦流管冷氣瀉放端瀉放出的冷氣量是10.5 m3/min; 熱氣瀉放端瀉放出的熱氣量將是4.5 m3/min。制冷系數(shù)在60-80%范圍內(nèi)時(shí)，渦流管工作效率最大輸出功率（KWH）最大一一因而這種工 作狀態(tài)的渦流管是機(jī)械加工工藝?yán)鋮s、封閉的電氣控制系統(tǒng)設(shè)備冷卻、液浴冷卻和操作人員 身體制冷的理想選擇。低制冷系數(shù)（小于50%）則減少了氣流量并產(chǎn)生了最低溫度，這種情況 則多用于冷卻玻璃、實(shí)驗(yàn)室超低溫試驗(yàn)和電子元件的測試二、渦流管的特點(diǎn)及應(yīng)用：特點(diǎn)：1、性能可靠、安全，2、安裝、拆卸方便，維護(hù)簡便，無氟利昂等化學(xué)劑（CFCs/HCFCs）。3、結(jié)構(gòu)緊湊、質(zhì)量輕，局部制冷，無電磁

13、干擾，產(chǎn)品費(fèi)用低。4、渦旋致冷器本身沒有運(yùn)動部件，可長時(shí)間工作而不需要維修，也不會引起機(jī)械振動及電 磁干擾。5、經(jīng)濟(jì)實(shí)用。渦旋制冷器的工質(zhì)是空氣，所以使用成本低且方便。無任何電氣連接，僅需 壓縮空氣就能連續(xù)提供冷量。6、適應(yīng)性強(qiáng)。采用渦旋致冷系統(tǒng)防護(hù)的環(huán)境溫度可達(dá) 90 ， 可適用于露天放置及 高溫條件下工作的各種工業(yè)電視系統(tǒng)?？蛇m用于高溫、高濕度、高污染、灰塵濃度高、高噪 音、高危險(xiǎn)性氣體等環(huán)境惡劣的場合。7、可以做成堅(jiān)固的不銹鋼結(jié)構(gòu)，耐用，防撞擊，壽命長。8、渦流管可應(yīng)不同的應(yīng)用場合靈活地設(shè)計(jì)成不同的應(yīng)用模式，如應(yīng)用于局部密閉空間冷效 比很高制冷型設(shè)備（屏柜制冷器）、極低出氣溫度的點(diǎn)制冷型

14、（冷氣槍）和人體空調(diào)服上的 可調(diào)溫渦流管。渦流制冷的部分應(yīng)用舉例：1、在機(jī)械加工中可替代冷卻液，用于提高生產(chǎn)效率、工作精度、光潔度和工具壽命，且無 污染。不需使用冷卻劑，用低溫空氣來冷卻，不會有煙霧及高溫?zé)岫龋构ぷ鳝h(huán)境變差。機(jī)械加工時(shí)刀具溫度上升，會加速磨損，使用低溫空氣冷卻除可防止刀具破損， 防止切削粉屑附著于刀具上。鉆孔加工時(shí)鉆頭壽命的延長。2、冷卻電氣控制柜，以防止設(shè)備過熱引起的設(shè)備控制失靈，使設(shè)備可靠運(yùn)行。控制盤內(nèi)因 熱造成電氣、電子控制組件之損害，與使用送風(fēng)機(jī)或冷煤設(shè)備相比較，可保持盤內(nèi)較干燥與 環(huán)境清潔，并減少粉塵產(chǎn)生與無維修問題困擾。3、攝像機(jī)防護(hù)罩內(nèi)部制冷，可用于高溫環(huán)境下攝

15、像機(jī)冷卻裝置，結(jié)構(gòu)簡單、節(jié)能。高溫爐 熔接裝置等感應(yīng)器或電氣系統(tǒng)冷卻。工業(yè)用TV照相機(jī)冷卻。IC等電子部品冷卻測試。 4、用作恒溫儀，提供實(shí)驗(yàn)室樣品試驗(yàn)所須低溫，可制成實(shí)驗(yàn)室用恒溫水槽。恒溫器的精確 度測試時(shí)冷卻。5、工業(yè)焊縫制冷，高效、方便。產(chǎn)生的冷空氣能通過導(dǎo)管萬向管等對發(fā)熱電機(jī)部件切割 刀具高溫鏡頭PCBSMT光融產(chǎn)品變頻控制柜等快速降溫.保護(hù)設(shè)備，提高工藝質(zhì)量,縮短 流程時(shí)間. 防爆工業(yè)監(jiān)視和高溫工業(yè)監(jiān)視系統(tǒng)6、用于等離子噴涂，可防止又噴涂點(diǎn)上產(chǎn)生的高溫可導(dǎo)致的涂層脫落、氧化，可改善涂層 質(zhì)量。縫制作業(yè)時(shí)縫紉車針冷卻，避免縫制時(shí)斷線。塑料容器加工時(shí)防止軟化。印刷工業(yè)的塑料網(wǎng)版加工時(shí)防止

16、軟化。10、電子部品焊接作業(yè)時(shí)的急速冷卻。11、塑料板熔接后冷卻。12、NC截?cái)鄼C(jī)切刀的冷卻。13、鼓風(fēng)機(jī)軸承冷卻。14、各種組件燒結(jié)崁入對象時(shí)冷卻。15、纖維截?cái)鄷r(shí)因截?cái)鄼C(jī)發(fā)熱使纖維溶化之防止。16、樹脂物件開孔時(shí)冷卻。17、訂書制程中車針冷卻防止斷線。18、輪胎側(cè)面研磨切削時(shí)冷卻。19、貴重金屬、寶飾加工冷卻。20、牛奶、飲料等紙包裝縫合時(shí)冷卻。21、航天領(lǐng)域中衛(wèi)星地面測試系統(tǒng)內(nèi)的局部制冷。結(jié)論：渦流管以其小巧、靈活、堅(jiān)固的結(jié)構(gòu)，非常環(huán)境下的適應(yīng)能力，獨(dú)特的冷卻方式，穩(wěn)定可靠 的工作模式，以及安裝方便，成本經(jīng)濟(jì)的產(chǎn)品特點(diǎn)決定了它在制冷領(lǐng)域具有它的獨(dú)到之處， 正因如此，它在很多工業(yè)應(yīng)用場合發(fā)

17、揮了獨(dú)特的制冷功能。隨著科學(xué)技術(shù)的日新月異，新興 技術(shù)對制冷技術(shù)會提出更高的更新的要求，渦流制冷技術(shù)將會發(fā)揮越來越重要的作用。 結(jié)語：本文只述及渦流制冷的基本原理以及在工業(yè)領(lǐng)域的基本應(yīng)用，對渦流制冷的效率及 制冷過程的定量分析沒有作詳細(xì)探討和研究，望方家提出批評指正以便使我們在該領(lǐng)域的應(yīng) 用研究獲得更為詳實(shí)理論和實(shí)踐依據(jù)，在此，我們感謝美國AiRTX公司及廣大的業(yè)界同仁為 我們提供的大力幫助。參考文獻(xiàn)：1AiRTX corporation. Vortex Tubes and Spot Cooling ProductsGuillaume D W,Jolly III J L.Demonstrati

18、ng the achievement of lower tem peratures with two-stage vortex tube.Review of Scientific InstrumentsLancelot A Fekete.Vortex tube separator may solve weight/space limitati ons.World OilThomas J Bruno.Laboratiory applications of the vortex tube. Journal of Chemical Education5渦流管制冷及其在天然氣工業(yè)中的應(yīng)用.制冷學(xué)報(bào)1.

19、5.1氣體渦流制冷的機(jī)理分析渦流冷卻效應(yīng)的實(shí)質(zhì)是利用人工方法產(chǎn)生漩渦使氣體分為冷熱兩部分。利用 分離出來的冷氣流即可制冷。渦流管結(jié)構(gòu)渦旋管是一個(gè)構(gòu)造比較簡單的管子，如圖1所示，它主要是由噴嘴、渦流室、 分離孔板及冷熱兩端的管子組成。氣體經(jīng)渦流而分離成兩部分是在渦流管的渦流室內(nèi)進(jìn)行。渦流室內(nèi)部形狀為阿基米德螺線，噴嘴是沿切線方向裝在渦流室的邊緣，其連接可以有不同的方法。圖1 渦流管結(jié)構(gòu)及工作過程示意圖在渦流室的一側(cè)裝有一個(gè)分離孔板，其中心孔徑約為管子內(nèi)徑的一半（或稍 小一些），它與噴嘴中心線的距離大約為管子內(nèi)徑之半。分離孔板之外即為冷端 管子。熱端裝在分離孔板的另一側(cè)，在其外端裝有一個(gè)控制閥，控

20、制閥離開渦室 的距離約為管子內(nèi)徑的10倍。控制閥的開度可以用手動調(diào)節(jié)。渦流管的工作過程經(jīng)過壓縮并冷卻到室溫的氣體（通常是用空氣，也可以用其他氣體如二氧化 碳、氨等）進(jìn)入噴嘴內(nèi)膨脹以后以很高的速度切線方向進(jìn)入渦流室，形成自由渦 流，經(jīng)過動能的交換并分離成溫度不相同的兩部分，中心部分的氣流經(jīng)孔板流出， 即冷氣流；邊緣部分的氣體從另一端經(jīng)控制閥流出，即熱氣流。所以渦流管可以 同時(shí)得到冷熱兩種效應(yīng)。根據(jù)試驗(yàn)當(dāng)高壓氣體的溫度為室溫時(shí)冷氣流的溫度可達(dá) （一50- 10），熱氣流的溫度可達(dá)（100130）?？刂崎y是用來改變熱 端管子中氣體的壓力，因而可調(diào)節(jié)兩部分氣流的流量比，從而也改變了他們的溫 度。在渦流室內(nèi)氣體的分離過程是相當(dāng)復(fù)雜的，它的物理實(shí)質(zhì)可說明如下。壓力 為P1,溫度為T1的高壓氣體，在噴嘴中膨脹到壓力P2，此時(shí)，理論上當(dāng)為等熵 膨脹時(shí)可達(dá)到的溫度是：T2 = 7()Pi并且獲得超聲速的速度C2。這樣高速的氣流沿切線方向進(jìn)入渦流室，便在 渦流室的周邊部分形成自由渦流，其旋轉(zhuǎn)質(zhì)量角速度在渦流室邊緣部分較小，而 接近軸心部分則越來越大，于是在渦流室中沿半徑