[实用新型]多级气波制冷机

说明书

本实用新型属于压力气体的膨胀制冷技术领域。

利用气体的压力膨胀制冷，可以取得比用工质循环制冷更低的低温，在混合气体的液化分离、石油气中回收轻烃、天然气液化以及产生低温冷气流源等领域应用广泛。除透平膨胀机之外，较低转速(每分钟1000～3000转)的热分离机和气波制冷机等以其操作维护简便、可靠性高等优点而占有一席之地。

热分离机和气波制冷机靠压力气体射流依次对各根末端封闭的接受管内的潴留气做不定常膨胀功，在潴留气中产生压缩波与激波，转化成热散出；压力气体射流因膨胀作出功而减少了能量，使得自身变冷。这类制冷机凭此机理特点能够在较低的转速下高效地工作，从而避免了象低温透平膨胀机那样必须在高转速下工作的一系列不便。

但目前的热分离机类和气波制冷机均属于一次不定常膨胀制冷(象中国专利87101903.5，89213744.4，90222999.0等)，其适合的膨胀比一般均不大于4。如果需要更大的制冷温降，或者有很高的余压可供利用，它们便不能适应，主要表现为等熵制冷效率急剧降低，其制冷温降随膨胀比的增加只有微小的增大。究其原因是由于这类机器的制冷原理所限制的，故没有多大改进的余地。

采用多台机串联制冷，则每一台机的膨胀比可大为减小，虽可以满足大膨胀比的要求，但投资要增大，占地要增加，且很可能匹配不好，使总体制冷效率提不高。

本实用新型的目的就是要提供一种在大膨胀比工况下仍能保持甚至提高制冷效率的单体不定常膨胀制冷机——多级气波制冷机。

本实用新型多级气波制冷机的技术解决方案为：

在机器的结构上，使压力气体在机内进行两次或者多次不定常膨胀，即形成单机多级。则每一级的膨胀比即可大为减小，各单级制冷效率可以显著提高，从而使整机效率随之提高。

该机只用一套转动轴件，但相应地却装有两个或两个以上同速旋转的气体射流分配器(以流道轴线或与轴线有一小角度的线段为旋转半径或为旋转母线，作圆周运动的旋转喷嘴)，和具有两组或两组以上辐射排列或圆周排列的数米长的末端封闭的接受管(接受管的中后段外壁散热)，从第一射流分配器喷射出的气流先进入第一组接受管中不定常膨胀，对接受管内的潴留气做功而制冷，制冷气返出接受管后再导入第二分配器中，从该分配器射出的气流再进第二组接受管，制冷后再返出，依次类推。这样，气体经过两次或两次以上膨胀制冷后，可以产生很大的温降。

采用多级膨胀制冷，则每一级的膨胀比便可以控制在2～3之间，这对于非定常膨胀制冷机是最为适宜的。而为了进一步提高对应此膨胀比值下各级的制冷效率，本实用新型多级气波制冷机的技术解决方案还包括以下几点结构特征：

1.为减少欲制冷射流气与接受管内潴留气之间的掺和，提高射流进入接受管入口时的等熵性，旋转气体射流分配器喷嘴出口的开口形状为沿旋向前端宽出的象形T字形而不为矩形，该T字形的对称轴线与旋转射流分配器的旋转纬线平行。

2.为减小从接受管返出的已制冷气流的流动损失，其流出所碰到的旋转射流分配器的非喷气圆周弧段设计成比喷嘴口旋转半径缩小的圆锥或曲圆锥面，其母线与旋转轴线成35～55°角，制冷气流经其锥面反射70～110°角后导出。

3.为取得较好的管口瞬时边界条件，能与接受管内的运动波系相匹配，提高制冷效率，本实用新型气波制冷机旋转射流分配器喷嘴出口开口沿旋向的前部和后部都设置了一段依次旋转封挡接受管口的圆周弧面。

由于采用多级膨胀，克服了该类非定常膨胀制冷机在一次大膨胀比下所不能避免的射流在接受管入口处的急剧增加的能量损耗，因此其总体制冷效率比一次膨胀型机大为提高；加之研究采用了适宜于小膨胀比工况的射流喷嘴开口形状，和适宜于返出气流流动的反射圆锥或曲圆锥面，以及旋转封挡接受管口的圆周弧面所造成的适宜边界条件，更进一步地提高了每一级的制冷效率。

由于该多级膨胀制冷机为单体机，故可比多机串联节省许多投资和占地，且可以设计成各级都具有最佳的匹配状态，不但稳定高效，而且可靠性强。

图1为实施本实用新型技术方案的一种双级气波制冷机的总体结构简图。

图2为本实用新型气波制冷机的一种旋转气体射流分配器(包括其上喷嘴出口的开口形状、喷嘴前部和后部的封挡接受管口的圆周弧面以及非喷气圆锥形圆周弧段)的简图。

下面结合附图对本实用新型的实施例做进一步详细的描述：