自动恒温型涡旋制冷除湿器的设计

自动恒温型涡旋制冷除湿器的设计

　　摘要：探析自动恒温型涡旋制冷除湿器的结构，对涡流管进行概述，详细阐述涡流管的制冷性能指标以及涡流制冷管的选用，最后总结了涡流制冷管的选取方式。

　　关键词：自动恒温；涡流管；除湿器；结构分析

　　1自动恒温型涡旋制冷除湿器结构分析

　　自动恒温型涡旋制冷除湿器是由涡旋制冷管、热交换器、保温罩、膨胀式恒温阀等组成。涡冷管以压缩空气为动力，当一定压力（0.4MPa）的压缩空气射入涡流管喷嘴后膨胀加速，当加速后的气流进入一个圆柱型涡流发生器，以上万转的旋转速度沿热管壁进入热管经涡流交换后产生能量分离，一股是冷气流出，另一股是热气流，通过尾嘴调节阀以热空气排出，尾嘴调节阀可调节冷气的出口温度和冷流率。一般入口压力越大，制冷量越大，冷气流温度与压缩空气入口温度差越大，耗气量也越大。膨胀式恒温阀是由感温包、膨胀膜、顶针、阀芯、弹簧、调节螺杆等组成。膨胀式恒温阀是通过感温包的热膨胀压力与阀芯弹簧调节螺杆以胡（F=-k×△X）平衡时，当保温罩内温度升高时感温包压力加大，使得膨胀膜鼓起（膨胀顶针外移阀芯，使恒温阀的通径加大，制冷量增加。反之当保温罩内温度降低时，感温包内压力减小，使得膨胀膜收缩，使恒温阀通径减小，制冷量减少，从而实现自动恒温。

　　2涡流管概述

　　涡流管（VortexTube）又称涡流制冷管、涡旋管、涡旋制冷器等，一定压力的压缩空气输入涡流管涡旋发生器后膨胀加速后旋转，气流以r/min的旋转速度沿热管壁进入热管内部，热管内气流经涡流交换后产生能量转换，气流被分割成冷热两股气流，在热管的终端，一部分压缩空气通过调节阀以热空气的方式泻出，剩余的压缩空气以较低速度通过进入热管旋转气流的中心返回，这股冷气流通过发生器中心形成超低温冷气汇集到冷气端排出。冷气端射出冷气流在0.7MPa（7bar）、25℃干燥空气的前提下最低冷气温度可达-45℃，温度最大降幅可降至-70℃，另一端射出的热气流极限温度可达+130℃。

　　3涡流管的制冷性能指标

　　涡流管冷气端释放的冷气量占输入压缩空气总量的体积百分比就叫做涡流管的冷气比。冷气比越高，表示冷气流越大，冷气比越低，表示冷气流越小。指定相同冷气温度降幅下，冷气比越高，冷气量越多，涡流管制冷容量越大；反之，冷气比越小，冷气量越少，涡流管制冷容量越小。1）一般涡流管热气端装有一个小型的可调节阀门，可以手动调节冷气流的温度和气流量变化。冷气流的温度调得越低时，冷气流降温幅度越大，冷气流就变得越小；冷气流量调得越大时，冷气流降温幅度就变得越小，冷气流的温度越高。2）冷却效果是冷气流量和冷气温降的结合，所以判断涡流管制冷性能优劣要看两个参数。3）冷气温度（冷气温度降幅）：在相同冷气流量比例时，冷气流降温幅度越大，表示涡流管制冷性能越佳；冷气流降温幅度越小，涡流管制冷性能越差。4）冷气流量（冷气流量比例）：在相同冷气温度降幅时，冷气量与总进气量比例越高，表示涡流管制冷性能越佳；冷气量的比例越小，涡流管制冷性能越差。5）冷气温度降幅越高+冷气比越大=涡流管的制冷性能越佳；实际使用时要考虑冷气流和冷气温度的平衡，涡流管热气端的尾端配冷气温度调节旋钮，可以方便地调节冷气流的温度和流量，客户可根据实际工作需要调节合适温度的冷气流，以使实际冷却效果达到最优。在实际应用中，许多低效涡流管冷端虽内部某点能测量到最低温值，但由于冷气量太少，外接气管后少量冷气没有冷却效果，而当调节加大冷气流量时，冷气温度有大幅上升，失去应有的制冷效果。特别要注意的是涡流管内部测量到的最低温值只是评判涡流管性能的一个参考指标，不能当作涡流管冷气的实际应用温度，所以在咨询厂家涡流管性能时一定要搞清楚其承诺最大低温降幅的测量点、测量方式，以及一定温降时的冷气比及其需要的外部条件，否则很可能被误导而产生错误的理解判断。

　　4涡流制冷管的选用

　　涡流管看似结构简单，但是其生成原理特别复杂，相互关联的影响因素近二十个，如何制造出高制冷效率的涡流管并不是一件容易的事。国内外市场上都有许多厂家进行涡流管的仿制生产，这些厂商由于无法掌握涡流管的结构特点及制造工艺，仅按样品简单仿制的涡流管虽也有一些制冷效果，但其存在制冷效率低、冷气温降幅度小、冷气流量比例少、型号选择有限等缺点，造成使用时耗气多，用气成本高，冷却效果不佳。在冷却效果要求较高和气压低气量不足的应用场合很可能达不到实际需求冷却效果而失效。即使在冷却要求不高的场合可以应用，实际上由于其制冷效率极低导致消耗气量大，长时间工作耗气成本远远高于涡流管购买成本，整体成本反而变高，长期看选用高制冷效率涡流管是更划算、成本最低的选择。许多低效涡流管冷端内部中心某点虽也可能测量到-40℃最大温降，但要注意的是涡流管内部中心测量到的最低温值只是评判涡流管性能的一个参考指标，不能当作涡流管冷气的实际应用温度，一般要在冷气端接50~100mm管后测量有较大冷气流量比的低温度才有实际冷却效果。在实践中，许多涡流管外接气管后由于冷气比太低和温度降幅太少达不到应有的制冷效果。所以在咨询厂家涡流管时一定要搞清楚其性能参数的准确定义，如温度测量点（如涡流管内部中心最低温度、接100mm管后冷气流温度）及测量方式、冷气流的绝对温度与相对温度降幅、接管后一定温降时的冷气比例、需要的气压及环境温度等外部条件。

　　5涡流管选用注意的问题

　　1）选用高制冷效率的涡流管不仅制冷效果更佳，而且成本更低。原理上看，涡流制冷的能效比不太高，低质量的涡流管的能效比就更低，制冷效果十分有限；高制冷效率的涡流管，可达到更佳的冷却效果。购买涡流管是一次性投资，其实气体长期的耗费成本远远大于涡流管的购买成本。2）满足冷却要求的前提下可选用耗气量小的规格。满足冷却要求的前提下尽可能选择进气量较小的涡流管，降低使用成本，选较大进气量涡流管，肯定能满足冷却要求，但气量耗费大，增大使用成本。3）工厂空压机的供气流量和气压。工厂空压机供气流量有限时应选用相对应流量的涡流管，流量不足和气压很低时涡流管制冷效率会降低。4）具体冷却场合需要的冷气温度。需冷气温度低时要选温度降幅大的低温型涡流管，勿需冷气温度低时可选冷气比大的冷量型涡流管。5）冷气温度和环境温度密切相关联。同样温度下，冬天的冷气温度低，高温夏天冷气温度会变高；选择购买时最好要考虑到夏天的高温情况，温度降幅不大的涡流管冬天可能有冷却效果，但在夏天很可能就没有冷却效果了。6）具体的使用环境、温度、耐压力要求。对于不锈钢涡流管来说，没有运动部件，耐用性极高，所以几乎不需要考虑使用寿命的问题，主要考虑使用环境选择合适材质的涡流管就可以了。7）辨明厂家所提供的性能参数的真实内涵。许多涡流管厂家提供的制冷量参数很可能是直接拷贝抄袭而来，有时甚至故意夸大和混淆参数性能，不认真评测很可能被误导而产生错误的理解判断。

　　作者：申于忠田宝国单位：江苏扬农化工扬州旭升电气

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