[实用新型]涡旋式冷热气体分离装置

说明书

技术领域

本实用新型一般性地涉及能量分离装置，更具体地涉及利用兰克-赫尔胥（Ranque-Hilsch）效应将气体分离成冷热气流的涡旋式冷热气体分离装置。

背景技术

历史上，兰克-赫尔胥效应的现象首先是在1930年由法国冶金工程师乔治·兰克(Georges Ranque)发现的。当时，乔治·兰克在实验中发现了旋风分离装置中的涡流冷却效应，即旋风分离装置中气流的中心温度和周边各层的温度不同，中心具有较低的温度，而外缘具有较高的温度。根据此现象，乔治·兰克随后设计出了人类历史上首个能够进行能量分离的涡流管装置，并于1931年在法国申请了专利。1933年，乔治·兰克在法国物理学会作了关于涡流管装置及其涡旋温度分离效应实验的专题报告。该报告指出，温度为20℃的压缩气体进入涡流管后，通过涡旋温度分离效应，从涡流管中流出的冷气流的温度约为－20℃～－10℃，而热气流的温度可达约100℃。当时，由于乔治·兰克对温度分离现象的阐述混淆了流体总温（滞止温度）与静温的概念，因而遭到了与会科学家的质疑，会议上对涡流管的冷热气体分离现象普遍否定，而这最终导致对涡旋温度分离效应以及相应涡流管装置的进一步研究被中断下来。

1945年，德国物理学家鲁道夫·赫尔胥(Rudolph Hilsch)发表了一篇令世人瞩目的有关涡流管的科学报告，其中运用了详细的资料证实了涡旋温度分离效应，并就涡流管的装置设计、应用、温度效应的定义等提出了一系列的研究成果和有价值的建议。至此，涡旋温度分离效应才被人们正式接受和确认。为纪念乔治·兰克和鲁道夫·赫尔胥在这一领域作出的杰出贡献，人们通常也将这种涡旋温度分离效应称为兰克-赫尔胥效应。

时至今日，世界上许多国家的科研机构、大学和企业对兰克-赫尔胥效应及其实现装置进行了大量的实验研究和理论探索。但是，无论在基础理论还是在装置结构上均进展甚微。

如图1所示，传统的涡流管10主要由喷嘴11、涡流发生腔12、涡流行进管（或称温度分离管）13、热气流出口14、冷气流出口15以及涡流阻挡回流椎体16构成。根据现有技术中的一种主流观点，工作时，涡流管10通过外设的气体压缩机（图1中未示出）将压缩气体经喷嘴11喷入涡流发生腔12；喷入涡流发生腔12的气体首先发生膨胀，然后以很高的速度沿切线方向进入涡流行进管13，以螺旋状涡流形式行进；行进的涡流在到达热气流出口14之前，受到涡流阻挡回流椎体16的阻挡，一部分气体将以旋涡直径相对较小的内芯涡流形式朝相反方向回流，未回流的气体将经由热气流出口14排出，而回流的气体将经由冷气流出口15排出。由于气体在涡流管中出现兰克-赫尔胥效应，因而经由热气流出口14排出的外层涡流气体的温度要高于冷气流出口15排出的内芯涡流气体的温度。故此，将经由热气流出口14排出的气流称为热气流，将经由冷气流出口15排出的气流称为冷气流。本领域技术人员均可认识到，这里所谓的热气流和冷气流不应被限制成要高于或低于某一绝对的温度值，而是将两个气流出口中流出的气体相互比较而言的。也就是说，在本领域中，术语“热气流”和“冷气流”的概念是清楚、确定的。

虽然这种涡流管装置在结构和操作上都非常简单，但是在该装置内发生的兰克-赫尔胥效应的能量交换过程却极其复杂。由于内摩擦的结果，使得传热过程不可逆。而且科学界一般认为气体在涡流管装置内进行的应该是某种复杂的三维可压缩湍流流动，因而在兰克-赫尔胥效应的应用上，至今不能给出能够精确预测涡流管装置性能的数学模型。在基础理论上，科学界对兰克-赫尔胥效应的解释也是众说纷纭，一直没有一种令人非常满意的理论解释，甚至某些理论自身的观点之间还相互矛盾。可以说，对兰克-赫尔胥效应的理论研究是目前科学界的一个重大难题。

对于兰克-赫尔胥效应的冷热气体分离原理，业界目前流行的是一种动能转换理论，其说法大致如下：