一种多管集束式涡流管冷热分离装置转让专利
申请号 : CN201210353592.6
文献号 : CN102840715B
文献日 : 2014-08-13
发明人 : 朱彻 , 胡大鹏 , 代玉强 , 邹久鹏 , 刘培启 , 王泽武 , 张礼鸣 , 张大为
申请人 : 大连理工大学
摘要 :
一种多管集束式涡流管冷热分离装置，属于压力气体节流降压、气体制冷和高低温分离应用技术领域。该装置构建了一个包容多个涡流管并且各自独立封闭的整体进气腔室、冷气收集腔和热端收集腔，能实现同时连续进气和完成冷热气分离的全过程。因装置扩大了整个腔室的空间容量，解决了在整个大装置中满足涡流管的基本适用条件和大流量处理需求间的矛盾。适用于需求处理量较大的场合，使之能够满足大幅度成倍地提高制冷量和制热量的要求。该装置可用于较大型的工业生产场合，是一种集致冷、致热于一身，并能实现冷、热量分离的装置。它适用于各种不同种类气体的制冷与加热，具备了组合式、集成式、撬装化及可拆卸等优点。
权利要求 :
1.一种多管集束式涡流管冷热分离装置，它包括多个单管涡流管制冷器，其特征在于：
它还包括一个冷气收集腔体（2）、进气腔体（6）和热端收集腔体（22），所述涡流管冷热分离装置采用多管集束式结构，2-50个涡流管共用一个进气腔体（6）中的进气腔（6a），各涡流管制冷器产生的冷气在冷气收集腔体（2）的冷气收集腔（2a）中汇合后，经冷气排气汇总管（1）排出，各涡流管制冷器产生的热气流在热端收集腔体（22）的热端收集腔（22a）中汇合后，经热流排气管（21）排出；所述多管集束式涡流管冷热分离装置设有位于进气腔（6a）中的喷嘴（32），喷嘴（32）经孔板（29）和设置在扩压板（4）上的扩压器（4a）与冷气收集腔（2a）连通，喷嘴（32）经热端管和气流调节阀与热端收集腔（22a）连通。
2.根据权利要求1所述的多管集束式涡流管冷热分离装置，其特征在于：所述喷嘴（32）设置在筒体壁上开设有1-9个通孔缺口（33a）的法兰筒座（33）内，在喷嘴（32）上设有相应的1-9个喷嘴口（32a）。
3.根据权利要求1所述的多管集束式涡流管冷热分离装置，其特征在于：所述进气腔体（6）与扩压板（4）和进气腔封盖（11）固定连接形成进气腔（6a），所述冷气收集腔体（2）与扩压板（4）固定连接形成冷气收集腔（2a）。
4.根据权利要求1所述的多管集束式涡流管冷热分离装置，其特征在于：所述热端收集腔体（22）与热腔端盖（24）固定连接形成热端收集腔（22a）。
5.根据权利要求1所述的多管集束式涡流管冷热分离装置，其特征在于：所述热端管采用左热端管（39）经管接头（40）固定连接右热端管（41），左热端管（39）的一端呈圆弧面与碗状面的喷嘴（32）一侧压紧连接，右热端管（41）的另一端则连接气流调节阀。
6.根据权利要求1所述的多管集束式涡流管冷热分离装置，其特征在于：所述气流调节阀包括阀座（34）和阀杆芯（38），热腔内套筒（35）的一端设置阀座（34），另一端通过定位阀套（26）设置阀杆芯（38），固定连接在热腔内套筒（35）上的右侧法兰（36）通过左侧法兰（17）和压紧件（19）把阀座（34）固定连接在右热端管（41）上，定位阀套（26）与热腔内套筒（35）的内筒壁面配合且定位。
7.根据权利要求6所述的多管集束式涡流管冷热分离装置，其特征在于：所述热腔内套筒（35）上设有与热端收集腔（22a）连通的短管（35a）。
8.根据权利要求3所述的多管集束式涡流管冷热分离装置，其特征在于：所述扩压板（4）之上均匀布置有2-50个扩压器，每一扩压器（4a）均为锥形孔，锥度为6-15度角，入口为小口径，出口为大径，呈锥形扩散状，紧贴扩压板是多个独立分散的孔板，孔板中的内孔直径仅为热端管口径的1/2 ~ 1/3。
9.根据权利要求1所述的多管集束式涡流管冷热分离装置，其特征在于：所述冷气收集腔体（2）、进气腔体（6）和热端收集腔体（22）的截面形状采用圆形、方形或矩形，圆形的直径范围为200-3000mm，方形或矩形的最大边长为3000mm，所述热端管长度范围为
300-4000mm。
说明书 :
一种多管集束式涡流管冷热分离装置
技术领域
[0001] 本发明涉及一种多管集束式涡流管冷热分离装置，属于压力气体节流降压、气体制冷和高低温分离应用技术领域。
背景技术
[0002] 涡流管技术是一种发展历史比较久远的技术，它一般是直接利用气体的压力能，最终将气体分离成冷、热两部分气流。工作时压力气体沿进气道进入涡流室外的环形储气缓冲腔内，在进、出气压差的作用下，经过单个或多个喷嘴并沿管壁切向高速射入涡流腔室中，在涡流室内产生强旋流运动，从而诱导出涡流效应，经过涡流变换后分离成两部分温度相差很大的气流，处于中心部位的气体温度较低，而外围外层的气体温度则高于入口气流温度，由于在热端调节阀与冷端分离孔板之间压力差的作用和影响下，中心处低温气体经冷端分离孔板后由冷端管流出，形成冷气流，而处于外层部位的气流温度较高，向相反方向的另一端经调节阀后流出，即形成热气流。调节阀的作用可用来改变热端和冷端管内气体的流量比、压力差以及温度。
[0003] 传统单作用式的涡流管一般都具有结构单一简单、无运动部件、操作方便、运行安全可靠、造价低、易维护等优点, 同时又具有制冷、制热等方面的功能，以往人们对涡流管的研究几乎都集中于这类单管式涡流管的特性研究，国内相关专利：93246501.3、200310117391.7、93227779.9、200810066874.1和200810198402.1等，基本上也均是不同结构形式的单一单管涡流管的专利，单管涡流管制冷器虽适用于一定的场合，因其结构特殊本身没有转动部件，且装置一般很小，可用于空间很小的地方。但也正是由于其装置本身体积容量过小，也导致其制冷量很小。对产能需求较大的场合，它的制冷量就明显难以满足使用要求了。单个涡流管的制冷量太小，这正是它们普遍存在的缺陷不足，也就极大地限制了它的应用范围。因为一套装置实际上只包含一个涡流管，另外由于一些涡流管受结构尺寸等的限制，使其冷、热分离的效果发挥的不是很好，制冷效率较低。并且由于整个装置体积较小，无论怎样放大，其制冷量都难以达到很大。
发明内容
[0004] 为了克服现有技术中存在的问题，本发明提供一种多管集束式涡流管冷热分离装置，该装置应能完成大流量处理，结构紧凑合理，装配操作方便，并能确保性能稳定的多管集束式涡流管制冷与制热生产装置。
[0005] 本发明的技术解决方案是：一种多管集束式涡流管冷热分离装置，它包括多个单管涡流管制冷器，它还包括一个冷气收集腔体、进气腔体和热端收集腔体，所述涡流管冷热分离装置采用多管集束式结构，2-50个涡流管共用一个进气腔体中的进气腔，各涡流管制冷器产生的冷气在冷气收集腔体的冷气收集腔中汇合后，经冷气排气汇总管排出，各涡流管制冷器产生的热气流在热端收集腔体的热端收集腔中汇合后，经热流排气管排出；所述多管集束式涡流管冷热分离装置设有位于进气腔中的喷嘴，喷嘴经孔板和设置在扩压板上的扩压器与冷气收集腔连通，喷嘴经热端管和气流调节阀与热端收集腔连通。
[0006] 所述喷嘴设置在筒体壁上开设有1-9个通孔缺口的法兰筒座内，在喷嘴上设有相应的1-9个喷嘴口。
[0007] 所述进气腔体与扩压板和进气腔封盖固定连接形成进气腔，所述冷气收集腔体与扩压板固定连接形成冷气收集腔。
[0008] 所述热端收集腔体与热腔端盖固定连接形成热端收集腔。
[0009] 所述热端管采用左热端管经管接头固定连接右热端管，左热端管的一端呈圆弧面与碗状面的喷嘴一侧压紧连接，右热端管的另一端则连接气流调节阀。
[0010] 所述气流调节阀包括阀座和阀杆芯，热腔内套筒的一端设置阀座，另一端通过定位阀套设置阀杆芯，固定连接在热腔内套筒上的右侧法兰通过左侧法兰和压紧件把阀座固定连接在右热端管上，定位阀套与热腔内套筒的内筒壁面配合且定位。
[0011] 所述热腔内套筒上设有与热端收集腔连通的短管。
[0012] 所述扩压板之上均匀布置有2-50个扩压器，每一扩压器均为锥形孔，锥度为6-15度角，入口为小口径，出口为大径，呈锥形扩散状，紧贴扩压板是多个独立分散的孔板，孔板中的内孔直径仅为热端管口径的1/2 ~ 1/3。
[0013] 所述冷气收集腔体、进气腔体和热端收集腔体的截面形状采用圆形、方形或矩形，圆形的直径范围为200-3000mm，方形或矩形的最大边长为3000mm，所述热端管长度范围为300-4000mm。
[0014] 采用上述技术方案的多管集束式涡流管冷热分离装置不同于单管涡流管，它可以解决单管式涡流管存在的诸多不足，通过扩大各个腔室的空间布局和容量，设计改变装置的构造形式。通过结构的创新确保整合后的本装置实现机理，更加具有实效。具体则是根据需要将多支结构尺寸相同的涡流管集中排列组合摆放在一个腔室中，实现同时连续进行和完成进气和冷热气分离的全过程，因扩大了整个装置腔室的空间容量，所以也必然增大其总的制冷量。适用于需求处理量较大的场合。使之能够满足大幅度成倍地提高制冷量和制热量的要求。该装置可用于较大型的工业生产场合，如油田气及天然气的集中生产开采及输送或大型楼宇的中央空调、除湿干燥等的使用。该装置具备了组合式、集成式及撬装化、可拆卸等优点。适用于各种不同种类气体的制冷与加热。
[0015] 本发明的有益效果是：
[0016] 1、多管集束式涡流管装置，解决了单管式涡流管存在的诸多不足，能够确保装置致冷致热机理的实现，可连续完成进气和冷热气分离的全过程，适用于需求处理量较大的场合；
[0017] 2、结构上合理实现了多管束的集成和组合排列，随着装置内腔室空间容量的增大，可完成大流量气体处理的要求，能够很好的满足成倍和大幅度地提高制冷量和制热量的需要；
[0018] 3、结构简单可行，可拆卸维修，可调整测试，装配操作方便并能确保性能稳定，具备了组合式、集成化及撬装化等优点；
[0019] 4、无运动部件，工作中振动轻微，运行可靠；
[0020] 5、适用于多种大型的工业应用场合，也适合各种不同种类气体的制冷与加热；
[0021] 6、便于分别汇总收集冷气和热气，以利于不同用途；
[0022] 7、方便各自保温和保冷，减少冷量损失，提高制冷制热效率，同时也便于降低噪音。
[0023] 8、制造加工的配合精度较易保证，结构尺寸范围宽，各组管间互相有配合，能够协同组装；
[0024] 附图说明
[0025] 图1是一种多管集束式涡流管冷热分离装置的结构图。
[0026] 图2是图1中的冷端放大图。
[0027] 图3是图1中的热端放大图。
[0028] 图4是图1中的Ⅰ放大图。
[0029] 图5是图4中的A-A剖视图。
[0030] 图6是采用圆形壳体的布置图。
[0031] 图7是采用方形壳体的布置图。
[0032] 图8是采用矩形壳体的布置图。
[0033] 图中，1、冷气排气汇总管，2、冷气收集腔体，2a、冷气收集腔，3、螺帽，4、扩压板，4a、扩压器，5、法兰，6、进气腔体，6a、进气腔，7、双头螺柱， 8、进气总管，9、双头螺柱，10、螺帽， 11、进气腔封盖，12、螺帽，13、热腔密封小端盖，14、O形密封圈，15、双头螺柱，16、螺帽，
17、左侧法兰，18、0形密封圈，19、压紧件，20、阻涡器，21、热流排气管，22、热端收集腔体，
22a、热端收集腔，23、双头螺柱，24、热腔端盖，25、双头螺柱，26、定位阀套，27、螺帽，28、O形密封圈，29、孔板， 30、0形密封圈，31、双头螺柱及螺母，32、喷嘴，32a、喷嘴口，33、法兰筒座，33a、通孔缺口，34、阀座，35、热腔内套筒，35a、短管，36、右侧法兰，37、丝对，38、阀杆芯，
39、左热端管，40、管接头，41、右热端管，42、圆形壳体，43、方形壳体，44、单管涡流管、45、矩形壳体。
17、左侧法兰，18、0形密封圈，19、压紧件，20、阻涡器，21、热流排气管，22、热端收集腔体，
22a、热端收集腔，23、双头螺柱，24、热腔端盖，25、双头螺柱，26、定位阀套，27、螺帽，28、O形密封圈，29、孔板， 30、0形密封圈，31、双头螺柱及螺母，32、喷嘴，32a、喷嘴口，33、法兰筒座，33a、通孔缺口，34、阀座，35、热腔内套筒，35a、短管，36、右侧法兰，37、丝对，38、阀杆芯，
39、左热端管，40、管接头，41、右热端管，42、圆形壳体，43、方形壳体，44、单管涡流管、45、矩形壳体。
具体实施方式
[0034] 下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明：
[0035] 图1、2、3示出了一种多管集束式涡流管冷热分离装置的结构。图中，一种多管集束式涡流管冷热分离装置包括多支单管式涡流管制冷器，它还包括一个冷气收集腔体2、进气腔体6和热端收集腔体22。进气腔体6与扩压板4和进气腔封盖11固定连接形成进气腔6a，冷气收集腔体2与扩压板4固定连接形成冷气收集腔2a。热端收集腔体22与热腔端盖24固定连接形成热端收集腔22a。
[0036] 涡流管冷热分离装置采用多管集束式结构，2-50个涡流管制冷器共用一个进气腔体6中的进气腔6a，各涡流管制冷器产生的冷气在冷气收集腔体2的冷气收集腔2a中汇合后，经冷气排气汇总管1排出，各涡流管制冷器产生的热气在热端的热端收集腔22a中汇合后，经热流排气管21排出；多管集束式涡流管冷热分离装置设有位于进气腔6a中的喷嘴32，喷嘴32经孔板29和设置在扩压板4上的扩压器4a与冷气收集腔2a连通，喷嘴32经热端管和气流调节阀与热端收集腔22a连通。
[0037] 热端管采用左热端管39经管接头40固定连接右热端管41，热端管的一端连接喷嘴32，另一端连接气流调节阀。气流调节阀包括阀座34、右侧法兰36和阀杆芯38，热腔内套筒35的一端设置阀座34，另一端通过定位阀套26设置限定阀杆芯38的位置，阀座34与阀杆芯38相互配合。固定连接在热腔内套筒35上的右侧法兰36通过左侧法兰17和压紧件19把阀座34固定连接在右热端管41上。热腔内套筒35上设有与热端收集腔22a连通的短管35a。定位阀套26与热腔内套筒35的内筒壁面配合且定位。
[0038] 图4、5示出了喷嘴的结构。压力气体通过进气总管8进入进气腔6a内，然后再分别通过分布在腔内各个法兰筒座33进入到其内每一个喷嘴32中，进入喷嘴32中的一部分转而通过孔板29和扩压板4。扩压板4上每一扩压器4a均为锥形孔，锥度为10度角，另在扩压板4上每一个扩压器4a的小孔端四周分别均布四个双头螺柱及螺母31，对位找正安装小的法兰筒座33，在法兰筒座33直管段的周边要挖出4个通孔33a，以便使气体进入喷嘴32内，该喷嘴32外轮廓为圆形，其中间为涡流室，涡流室内部形状为阿基米德螺线形或圆形，喷嘴32外围周边喷嘴口32a的数量为4个，且是沿涡流室内圆作切线向外延伸至喷嘴32的外缘。
[0039] 进气腔6a内采用一组多个外筒体开口供进气的法兰筒座33，在法兰筒座33右侧端加工出与热端管相配的螺纹，热端管通过此螺纹将喷嘴32、孔板29与扩压板4相连压紧。孔板29与喷嘴32是在涡流室压盖内由左热端管39的一端压紧下与扩压板4连接。在扩压板4的左侧设有冷气收集腔2a，其结构是冷气收集腔体2上的法兰5与扩压板4压紧连接，中间配有o形密封圈密封，冷端气体经收集汇总后经冷气排气汇总管1外输。
[0040] 一端加工有螺纹的左热端管39从进气腔封盖11的外侧旋入到进气腔体6的内侧，带有螺纹且已旋入进气腔体6的左热端管39将进一步向左进入进气腔6a内法兰筒座33上的螺纹孔内，左热端管39通过螺纹可以在进气腔体6内调进调出，以压紧贴近在扩压板4旁的孔板29和喷嘴32。而左热端管39与右热端管41之间须用管接头40通过螺纹连接起来，此管路既是进气腔6a与热端收集腔22a之间的连接件，也是热气流形成和通过的通道。
[0041] 右热端管41的右侧管端均加工出如同阶梯轴般的两段螺纹，两段螺纹分别位于热端收集腔体22的内外，热端收集腔体22外的台阶螺纹均与法兰内孔上的螺纹配合，起定位和密封作用，热端收集腔体22内的台阶螺纹与热端收集腔体22内的一组压紧件(含阻涡器20和阀座34)连接。
[0042] 热端收集腔体22内的结构采用了每支涡流管均通过左侧法兰17和右侧法兰36配对用螺帽16和丝对37连接，每对法兰中间夹有过渡组件，此过渡组件是阻涡器20和其两边的夹紧件19及阀座34，另外阀座34张开的锥形的密封面角度为60度角。
[0043] 多管集束式涡流管装置中每支涡流管都有一个自己独立的热腔室，该热腔由热腔内套筒35与配对法兰中的右侧法兰36焊接后加工完成。另外在与整个热端收集腔体22的敞口端内孔相配合的热腔端盖24上分别加工出对应的圆孔，圆孔的数量与涡流管的数量相同，此圆孔为一阶梯孔，阶梯孔的两层分别与热腔内套筒35和处于最右端调节阀的定位阀套26相配合，定位阀套26为一延长内伸的法兰盘，其内孔加工有螺纹，使之与阀杆芯38配合，用以调节阀门开度的大小，控制和调节热端以及冷端的压力和热流的流量，进而调节冷端的流量及冷、热两端的温度与温差。从各组涡流管束中每一个热腔腔室出口流出的热气流经总热端收集腔22a的汇总收集后，由热流排气管21向外传输。
[0044] 此装置中所有孔与管同心度要求高的孔的加工都须通过工装卡具连接装配后镗孔完成。整机装配时热端收集腔22a内的配对左侧法兰17和右侧法兰36、中间过渡组件夹紧件19、阻涡器20、热腔内套筒35及阀座34等件均是在装置外组装完成后再与已伸入到热端收集腔22a内的右热端管41的管端螺纹相连。左侧法兰17、夹紧件19、阻涡器20、阀座34、热腔内套筒35、右侧法兰36等先由螺栓连接在一起，再作为一整体放入到热端腔室，进气腔体6与热端管也是通过螺纹连接的。安装时的有些步骤须将多个涡流管同步进行。以往许多单管式涡流管的装置多为焊接封闭形式，不可拆卸。本发明多管集束式涡流冷热分离装置的所有部分均为可拆卸结构，可便于清洗和维修保养。
[0045] 图6、7、8示出了采用圆形、方形或矩形壳体单管涡流管的布置图。无论采用何种形状的壳体，单管涡流管在壳体内的布置均采用均匀的规整布置，并有利用拆装与维修。