CN107687717A - 一种立式多管集束式强制冷却涡流管冷热分离装置 - Google Patents

Abstract

一种立式多管束式强制冷却涡流管冷热分离装置，属于压力气体制冷和高低温分离应用技术领域。该装置包含多个涡流管并具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。立式结构采用循环水强制冷却方式能够显著改善和提高效率。因集束装置扩大了整体空间容量，解决了在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。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,是一种集制冷、制热于一身，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。

Description

一种立式多管集束式强制冷却涡流管冷热分离装置

技术领域

本发明涉及一种立式多管束式强制冷却涡流管冷热分离装置，其属于压力气体节流降压、气相介质制冷和高低温分离应用技术领域。

背景技术

涡流管技术是一种直接利用气体的压力能，最终将气体分离成冷、热两种气流的技术。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，中心处的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，旋转后会向相反方向的另一端流动，经调节阀后流出，即形成热气流。调节阀的作用可用来改变冷、热气体的流量比、压差以及温度。

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、运行安全可靠及易维护等优点, 同时又具有制冷、制热等方面的功能，以往大家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： 200810066874.1 、200810198402.1和zl200810011256.7等，均是单一单管涡流管的专利，单管涡流管制冷装置虽适用于很多场合，因其结构特殊，本身没有转动部件，且装置一般很小。但也正是由于其装置本身体积过于小，也导致其制冷处理量很小，无论再怎样放大，其制冷量都不可能达到很大。在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。这正是单个涡流管普遍存在的缺陷不足，并极大限制了它的应用范围。因为一套单作用式的装置实际上只包含一个涡流管，就只有那有限的处理量，另外由于单支涡流管受结构尺寸等的限制，可能使其冷、热分离的效果发挥的不好，制冷效率较低。大连理工大学化工机械学院朱彻等的发明专利Zl201210353592.6所开发的多管集束式涡流管装置极大改变了这种状况。但此种卧式结构的装置在安装、调试、拆卸和维修过程中也确有许多的不方便，因装置中各单个零件的重量都不轻，若无法利用吊车等机械工具则安装保持水平平衡都很困难，故固安装较为不易；此外卧式占地也比较大，不如立式结构节省空间；另外涡流管制冷与制热是相辅相成的，从能量守恒的理论来解释就是如要获得足够的尽可能多所需要的冷量，必然要产生相应的热量，内部产生的热量越多，对应得到的冷量也就越多，还有重要的一点就是做好对热端流体的散热冷却将会极大程度地提高制冷温度和效率。在此之前的热端流体的散热只是靠风冷来自然冷却，冷却效果不好，冷却效率极低，而如若采用循环水冷强制冷却方式和手段则能显著改善和提升其效率效果。另以往其它制冷装置中的热量是较难收集和回收利用的。

发明内容

为了克服现有技术中存在的问题，本发明提供一种立式多管束式强制冷却涡流管冷热分离装置，该装置既能完成大流量处理，结构紧凑合理，装配操作较为方便，还能确保装置的性能稳定及效率较高。

本发明的技术解决方案是：一种立式多管束式强制冷却涡流管冷热分离装置，它采用立式多管集束式结构，自上而下分别包括热端收集腔、水缸套腔室、进气腔和冷气收集腔，所述热端收集腔由热腔筒体与热腔下端盖、热腔上法兰和热腔上端盖固定连接构成；水缸套腔室由水缸套筒体、可更换筒体短节、连接法兰、进气腔封盖、水缸套上法兰和热腔下端盖固定连接构成；进气腔由进气腔体与扩压板和进气腔封盖连接固定构成；冷气收集腔设在扩压板的下方，在冷气收集腔体与扩压板之间配有o形密封圈后固定连接构成，冷端气体收集后经冷气排出汇总管排出后外输；所述立式多管集束式结构采用2-50个涡流管冷热分离器，各涡流管冷热分离器所产生的全部冷气在由冷气收集腔体构成的冷气收集腔中汇合后，再经冷气排出汇总管从冷气流出口排出，所有涡流管冷热分离器所产生的热气则由热腔筒体、热腔上法兰和热腔上端盖构成的热端收集腔中汇合后，经热流排放总管从热气流出口处排出；首先进入工作的压力气体必须先从气体总进口处进入到进气腔室中，而每个涡流管冷热分离器均在进气腔中设有盛装并固定喷嘴和孔板的涡流腔室筒座，喷嘴经孔板与设置在扩压板上的扩压器和冷气收集腔连通，此外喷嘴还经热端管和气流调节阀与热端收集腔连通。

所述热端管是由热端管下段经活接头与热端管上段连接，热端管下段的下端与厚壁螺纹接管焊接后再通过内套管的过渡向下压紧喷嘴，热端管上段与热端厚壁螺纹接管连接后与气流调节阀相通；所述气流调节阀包含阀门筒体、阀门上法兰、阀门下法兰、压紧件、阀座、阀杆芯和阀门定位封盖，阀门筒体的下端与阀门上法兰焊接在一起，并在其内设有阀座，另一端通过阀门定位封盖限制定位阀杆芯，阀座与阀杆芯相互配合以开关此阀门，阀门筒体与阀门上法兰一起通过阀门下法兰和压紧件把阀座固定连接在热端厚壁螺纹接管上，阀门筒体上设有与热端收集腔相通的热流排放分支管。

所述压力气体通过进气总管进入进气腔室内，然后再分别通过分布在腔内各个喷嘴进入到每一个涡流管中；所述喷嘴外轮廓为圆形，其中间为涡流室，涡流室内部形状为阿基米德螺线，喷嘴外围周边喷孔的数量为1-9个；进气腔室内设置多个供进气的涡流腔室筒座，在涡流腔室筒座周边的直管段上挖出4个矩形通孔，使气体进入喷嘴内，且是沿涡流室内圆切线方向向外延伸至喷嘴的外缘；在涡流腔室筒座的上端加工出与热端管相配的螺纹，热端管连接的厚壁螺纹接管通过此螺纹在进气腔体内调节，将内套管压住，进而将喷嘴、孔板与扩压板压紧相连。

所述涡流管冷热分离器都设有一个独立的热腔室，热腔室由阀门筒体与配对法兰中的阀门上法兰焊接后加工完成，热端收集腔内的结构采用螺栓连接配对的阀门下法兰和阀门上法兰，每对法兰中间夹有过渡组件，过渡组件是阻涡器和其两边的夹紧件及阀座，另外阀座张开的锥形的密封面角度为50-75度角；所述热端收集腔上部的敞口端制作有起定位配合作用的热腔上端盖，并在热腔上端盖上分别加工出与对应涡流管冷热分离器的数量和位置尺寸严格相同的圆孔，此圆孔为一阶梯孔，阶梯孔的两层分别与阀门筒体和位于最上端的阀门定位封盖相配合，阀门定位封盖为一延长内伸的法兰盘，其内孔加工有与阀杆芯配合、调节开度的螺纹，从各组涡流管冷热分离器中每一个热腔腔室出口流出的热气流经总热端收集腔的汇总收集后，由热流排气管向外输出

本发明的有益效果是：

1、立式多管束式强制冷却涡流管冷热分离装置，可以解决单管式涡流管存在的诸多不足，能够确保装置致冷及致热机理的实现，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；

2、结构上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；

3、强制水冷较之自然风冷对热端管的冷却效果要强很多；

4、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；

5、无运动部件，振动轻微，运行可靠；

6、适用于多种大型的工业应用场合，适用于各种不同种类气体的制冷与制热；

7、便于汇总收集冷气和热气，以集中利用；

8、便于保温和保冷，减少冷量损失，提高制冷及制热效率，同时也便于降低噪音；

9、制造加工配合精度较容易保证，结构尺寸范围宽，各组管间互相有配合，能够协同组装。

附图说明

图1是一种立式多管束式强制冷却涡流管冷热分离装置的结构主视图。

图2是一种立式多管束式强制冷却涡流管冷热分离装置头部的结构俯视图。

图3是一种立式多管束式强制冷却涡流管冷热分离装置的上段结构图。

图4是一种立式多管束式强制冷却涡流管冷热分离装置的中段结构图。

图5是一种立式多管束式强制冷却涡流管冷热分离装置的下段结构图。

图6是图1中的B放大图。

图7是图6中的A-A剖视图。

图中，1、冷气排出汇总管，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、内套管，6、进气腔体，6a、进气腔室，7、厚壁螺纹接管， 8、进气总管，9、进气腔封盖，10、热端管下段，11活接头，12、热端管上段，13、水缸套出口水管， 14、热端厚壁螺纹接管，15、热腔密封小端盖，16、水缸套上法兰， 17、热腔下端盖， 18、热腔筒体，18a、热端收集腔，19、阀门下法兰， 20、压紧件，21、阻涡器， 22、热流排放总管， 23、热流排放分支管，24、热腔上法兰，25、阀杆芯，26、热腔上端盖， 27、阀门定位封盖，28、阀门筒体，29、阀门上法兰， 30、阀座，31、整流器，32、人孔， 33、水缸套筒体，33a、水缸套腔室，34、水缸套进口水管， 35、涡流腔室筒座，35a、矩形通孔，36、喷嘴， 37、孔板，38、o型密封圈，39、装置底座，40、可更换筒体短节，41、连接法兰，a、气体总进口，b、冷却水出口，c、热气流出口，d、冷却水进口，e、人孔，f、冷气流出口。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明：

图1、2、3、4、5示出了一种立式多管束式强制冷却涡流管冷热分离装置的结构图。图中，该装置整体呈立式多管集束捆绑式结构，自上而下分别由热端收集腔18a、水缸套腔室33a、进气腔室6a和冷气收集腔2a四大腔室组成，热端收集腔18a是由热腔筒体18与热腔下端盖17、热腔上法兰24和热腔上端盖26固定连接构成的；水缸套腔室33a由水缸套筒体33、可更换筒体短节40、连接法兰41、进气腔封盖9、水缸套上法兰16和热腔下端盖17固定连接构成；进气腔室6a由进气腔体6与扩压板4和进气腔封盖9连接固定构成；冷气收集腔2a设在扩压板4的下方是由冷气收集腔体2与扩压板4固定连接构成，中间配有o形密封圈密封，冷端气体收集后经冷气排出汇总管1排出后外输。

由于本装置是采用多管集束式结构形式，可以将2-50个涡流管冷热分离器一同安装在此装置内，各涡流管冷热分离器所产生的全部冷气在由冷气收集腔体2构成的冷气收集腔2a中汇合后，再经冷气排出汇总管1从冷气流出口f排出，所有涡流管冷热分离器所产生的热气则由热腔筒体18、热腔上法兰24和热腔上端盖26等组成的热端收集腔18a中汇合后，经热流排放总管22从热气流出口c处排出；首先用于进入本装置进行工作的压力气体必须先从装置的气体总进口a处进入到进气腔室6a中，而装置内的每个涡流管冷热分离器均在进气腔6a中设有盛装固定喷嘴36和孔板37的涡流腔室筒座35，喷嘴36经孔板37与设置在扩压板4上的扩压器4a和冷气收集腔2a连通，此外喷嘴36还经热端管和气流调节阀与热端收集腔18a连通。

热端管是由热端管下段10经活接头11与热端管上段12三部分连接组成的，热端管下段10的下端与厚壁螺纹接管7焊接后再通过内套管5的过渡向下压紧喷嘴36，热端管上段12与热端厚壁螺纹接管14连接后与气流调节阀相通，气流调节阀是由包括阀门筒体28、阀门上法兰29、阀门下法兰19、压紧件20、阀座30、阀杆芯25、阀门定位封盖27等件组成的，阀门筒体28的下端与阀门上法兰29焊接在一起，并在其内设有阀座30，另一端通过阀门定位封盖27限制定位阀杆芯25，阀座30与阀杆芯25相互配合以开关此阀门。阀门筒体28与阀门上法兰29一起通过阀门下法兰19和压紧件20把阀座30等固定连接在热端厚壁螺纹接管14上，阀门筒体28上设有与热端收集腔18a相通的热流排放分支管23。

图6、7示出了喷嘴的结构。压力气体通过进气总管8进入进气腔室6a内，然后再分别通过分布在腔内各个喷嘴36进入到每一个涡流管中。扩压板4上每一扩压器4a均为锥形孔，锥度为6-15度角，另在扩压板4上每一个扩压器4a小孔端的四周分别均布四个双头螺柱及螺母，对位找正安装小的涡流腔室筒座35，在涡流腔室筒座35直管段的周边要挖出4个矩形通孔35a，以便使气体进入喷嘴36内，该喷嘴36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，喷嘴36外围周边涡流喷孔35a的数量为4个，且是沿涡流室内圆切线方向向外延伸至喷嘴36的外缘。

进气腔室6a内设置了一组多个外筒体开口供进气的涡流腔室筒座35，在该涡流腔室筒座35的上端加工出与热端管相配的螺纹，热端管连接的厚壁螺纹接管7通过此螺纹可以在进气腔体6内调进调出，将内套管5压住，进而将喷嘴36、孔板37与扩压板4压紧相连。

而热端管下端10与热端管上端12之间必须用管接头11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。

热端收集腔18a内的结构分布采用了每支涡流管均通过配对的阀门下法兰19和阀门上法兰29用丝对和螺帽连接，每对法兰中间夹有过渡组件，此过渡组件是阻涡器21和其两边的夹紧件20及阀座30，另外阀座30张开的锥形的密封面角度为50-75度角。

立式多管束式强制冷却涡流管冷热分离装置中每支涡流管分离器都有一个自己独立的热腔室，该热腔由阀门筒体28与配对法兰中的阀门上法兰29焊接后加工完成。而在热端收集腔18a上部的敞口端制作有起定位配合作用的热腔上端盖26，并在热腔上端盖26上分别加工出与对应涡流管的数量和位置尺寸严格相同的圆孔，此圆孔为一阶梯孔，阶梯孔的两层分别与阀门筒体28和位于最上端的阀门定位封盖27相配合，阀门定位封盖27为一延长内伸的法兰盘，其内孔加工有螺纹，使之与阀杆芯25配合，以调节开度大小，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的汇总收集后，由热流排气管21向外输出。

整机装配前，热端收集腔18a内的配对阀门下法兰19和阀门上法兰29、中间过渡组件即夹紧件20及阀座30、阻涡器21、阀门筒体28等件均是先在机外组装完成，即先将阀门下法兰19、夹紧件20、阻涡器21、阀座30、阀门筒体28等先是通过丝对螺栓连接在一起，然后再作为整体与已伸入到热端收集腔18a内的热端管管端螺纹相连，进气腔体6与热端管也是通过螺纹连接的，安装时多组涡流管要同步进行。

Claims (4)

1.一种立式多管束式强制冷却涡流管冷热分离装置，它采用立式多管集束式结构，自上而下分别包括热端收集腔（18a）、水缸套腔室（33a）、进气腔（6a）和冷气收集腔（2a），其特征在于：所述热端收集腔（18a）由热腔筒体（18）与热腔下端盖（17）、热腔上法兰（24）和热腔上端盖（26）固定连接构成；水缸套腔室（33a）由水缸套筒体（33）、可更换筒体短节（40）、连接法兰（41）、进气腔封盖（9）、水缸套上法兰（16）和热腔下端盖（17）固定连接构成；进气腔（6a）由进气腔体（6）与扩压板（4）和进气腔封盖（9）连接固定构成；冷气收集腔（2a）设在扩压板（4）的下方，在冷气收集腔体（2）与扩压板（4）之间配有o形密封圈后固定连接构成，冷端气体收集后经冷气排出汇总管（1）排出后外输；所述立式多管集束式结构采用2-50个涡流管冷热分离器，各涡流管冷热分离器所产生的全部冷气在由冷气收集腔体（2）构成的冷气收集腔（2a）中汇合后，再经冷气排出汇总管（1）从冷气流出口（f）排出，所有涡流管冷热分离器所产生的热气则由热腔筒体（18）、热腔上法兰（24）和热腔上端盖（26）构成的热端收集腔（18a）中汇合后，经热流排放总管（22）从热气流出口（c）处排出；首先进入工作的压力气体必须先从气体总进口（a）处进入到进气腔室（6a）中，而每个涡流管冷热分离器均在进气腔（6a）中设有盛装并固定喷嘴（36）和孔板（37）的涡流腔室筒座（35），喷嘴（36）经孔板（37）与设置在扩压板（4）上的扩压器（4a）和冷气收集腔（2a）连通，此外喷嘴（36）还经热端管和气流调节阀与热端收集腔（18a）连通。

2.根据权利要求1所述的一种立式多管束式强制冷却涡流管冷热分离装置，其特征在于：所述热端管是由热端管下段（10）经活接头（11）与热端管上段（12）连接，热端管下段（10）的下端与厚壁螺纹接管（7）焊接后再通过内套管（5）的过渡向下压紧喷嘴（36），热端管上段（12）与热端厚壁螺纹接管（14）连接后与气流调节阀相通；所述气流调节阀包含阀门筒体（28）、阀门上法兰（29）、阀门下法兰（19）、压紧件（20）、阀座（30）、阀杆芯（25）和阀门定位封盖（27），阀门筒体（28）的下端与阀门上法兰（29）焊接在一起，并在其内设有阀座（30），另一端通过阀门定位封盖（27）限制定位阀杆芯（25），阀座（30）与阀杆芯（25）相互配合以开关此阀门，阀门筒体（28）与阀门上法兰（29）一起通过阀门下法兰（19）和压紧件（20）把阀座（30）固定连接在热端厚壁螺纹接管（14）上，阀门筒体（28）上设有与热端收集腔（18a）相通的热流排放分支管（23）。

3.根据权利要求1所述的一种立式多管束式强制冷却涡流管冷热分离装置，其特征在于：所述压力气体通过进气总管（8）进入进气腔室（6a）内，然后再分别通过分布在腔内各个喷嘴（36）进入到每一个涡流管中；所述喷嘴（36）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，喷嘴（36）外围周边喷孔的数量为1-9个；进气腔室（6a）内设置多个供进气的涡流腔室筒座（35），在涡流腔室筒座（35）周边的直管段上挖出4个矩形通孔（35a），使气体进入喷嘴（36）内，且是沿涡流室内圆切线方向向外延伸至喷嘴（36）的外缘；在涡流腔室筒座（35）的上端加工出与热端管相配的螺纹，热端管连接的厚壁螺纹接管（7）通过此螺纹在进气腔体（6）内调节，将内套管（5）压住，进而将喷嘴（36）、孔板（37）与扩压板（4）压紧相连。

4.根据权利要求1所述的一种立式多管束式强制冷却涡流管冷热分离装置，其特征在于：所述涡流管冷热分离器都设有一个独立的热腔室，热腔室由阀门筒体（28）与配对法兰中的阀门上法兰（29）焊接后加工完成，热端收集腔（18a）内的结构采用螺栓连接配对的阀门下法兰（19）和阀门上法兰（29），每对法兰中间夹有过渡组件，过渡组件是阻涡器（21）和其两边的夹紧件（20）及阀座（30），另外阀座（30）张开的锥形的密封面角度为50-75度角；所述热端收集腔（18a）上部的敞口端制作有起定位配合作用的热腔上端盖（26），并在热腔上端盖（26）上分别加工出与对应涡流管冷热分离器的数量和位置尺寸严格相同的圆孔，此圆孔为一阶梯孔，阶梯孔的两层分别与阀门筒体（28）和位于最上端的阀门定位封盖（27）相配合，阀门定位封盖（27）为一延长内伸的法兰盘，其内孔加工有与阀杆芯（25）配合、调节开度的螺纹，从各组涡流管冷热分离器中每一个热腔腔室出口流出的热气流经总热端收集腔的汇总收集后，由热流排气管（21）向外输出。