涡流制冷原理

涡流制冷方式在工业领域的应用
Application of Vortex Cooling in Industry
作者：张王宗
单位：美国埃泰克气动技术国际公司中国办事处
Keywords: Expansion decalescence、Vortex、Temperature Separation Effects、Cold Fraction、Energy saver、Safety、High efficiency、Simpleness、
AiRTX (AirTX), Air Powered.
Abstract: Vortex tube is an easily used refrigerating device. Powered by compressed air, it produces separate hot and cold air streams. Vortex tubes have found an extensive application in numerous industria l fields because of its consistent performance, easy application and maintenance, and no moving parts.
关键词：膨胀吸热、涡流、冷热分离效果、制冷系数、节能、安全、高效、简便、埃泰克摘要：涡流管是利用一种能够把压缩气体分离为冷热两股温度不同气流的简单装置。

由于这种装置具有结构简单、工作稳定可靠、易于维修、无运动部件且温度变化范围大等优点，已被应用到许多工业领域。

引言：工业高温、多灰尘、多无线射频、多电磁辐射等恶劣环境的普遍存在，不同行业的工业的废气、尘埃、纤尘、腐蚀气体、易燃、易爆气体、电磁、无线射频对工业的动力、仪表控制系统设备的环境污染，钢铁厂加热炉、高炉炉顶，水泥厂回转窑窑头、篦冷机，热电厂燃烧炉，玻璃厂熔炼炉、油漆厂等特殊高温环境自动化电视监控系统，摄像机连续工作系统的运行。

所有这些行业的敏感的仪表、电气类控制元器件都因为温度、等异常恶劣环境而失去其最佳运行效能，因此环境的改善就显得非常重要。

目前国内的工业设备制冷现状：
制冷方法共有蒸汽压缩式制冷，蒸汽吸收式制冷，蒸汽喷射式制冷，吸附式制冷，空气膨胀制冷、涡流管制冷等七种。

各种制冷方法大体上可分为2类：1、输入功率制冷：如蒸汽压缩式制冷、热电制冷。

2、输入热量制冷：如吸收式制冷，蒸汽喷射式制冷、吸附式制冷，而这些制冷方式都有一定的优缺点和适用范围。

针对工业控制电气、仪表及其综合控制机柜的运行环境的改善，我国目前仍然沿用传统解决办法：
对于电子、电气、仪表控制屏柜，各种制冷方式的特点列表如下：
针对性屏蔽性电磁、射频辐射防暴防腐特征使用寿命动力及冷媒
通风栅无无无无长自然通风
风扇无无有无短电
空调无无有无短电、氟利昂
风扇+空调无无有无短电、氟利昂
压缩空气有有无有长压缩空气
半导体有无有无短电
循环冷水有无无无短冷却水
涡流管有有无有长压缩空气
说明：
1、表中所列出的“针对性”是针对电子、电气、仪表控制屏柜内发热元器件制冷而言的，是涡流制冷器有专门针对性、选择性制冷的意思，而对其他不发热元件，则可以不选择制冷。

2、屏蔽性是指涡流制冷器与电子、电气、仪表控制屏柜结合，可以将柜体内的环境与柜体外的环境独立开来，而在柜内形成干冷气体环境正压，把外界环境屏蔽在易发热元件之外。

从上表说明的各种不同制冷方式中，我们可以看出：
1、通风栅：只靠环境中的自然风，散热效果很有限，环境温度高时没效果，隔离和屏蔽恶劣环境效果差，空气对流带来灰尘积聚和污染气体，设备易发生故障，只针对那些对散热条件要求不高的电气、仪表控制设备，应用范围有限。

2、风扇：降温有限，环境温度高时没效果，空气对流带来灰尘积聚和污染气体，设备易发生故障。

对非常敏感的电气、仪表元件还存在无线射频干扰、电磁干扰的问题。

3、空调：大空间制冷，降温无针对性，存在局部高温，效果差，造价高昂，用电量高，需要频繁维护，而且有冷媒泄露污染环境（CFCs泄露破坏臭氧层，不符合《关于保护臭氧层的维也纳公约》的规定），并且在特殊环境（高频环境、50℃以上的高温环境）下易发故障或失去制冷效能。

4、空调＋风扇：空气对流带来灰尘积聚和腐蚀性气体，造价高昂，降温无针对性。

5、压缩空气直吹（如很多钢铁厂的薄板坯连铸连轧生产线上用压缩空气直吹其光电传感器），耗气量大而且制冷效果差。

6、半导体制冷：制冷范围小、功率小，易产生冷凝现象，无法将酸类、碱类、灰尘、纤尘、湿气、高危、高爆气体环境屏蔽或隔离在在受保护元件以外。

7、循环水：制冷效率好，但水冷系统设施投入很大，费用高，而且存在循环水管的结垢不
通畅，影响制冷效果，并有水管系统泄露导致运行故障，并存在很大制冷系统的检维修及清洗费用。

这种制冷方式使用范围小，只用在发热量特别大的设备如高频冶炼炉设备上。

总之传统办法均不能很好解决散热、灰尘、化学腐蚀和易爆气体所带来的问题。

必须找到一种能避免这些传统制冷方法的缺陷，而且有效地为工业系统提供局部制冷的最佳途径。

为重要工作的电气设备、电子仪器、仪表提供冷量。

涡流制冷及应用：
一、涡流现象及基本原理：
涡流管现象是1930年法国物理学家乔治.朗格发现的。

美国AiRTX气动技术国际公司则是最早将这种物理现象实际、有效的应用于工业制冷方案的公司之一。

流体环绕轴而旋转——象龙卷风一样——这种流体的流动现象就叫涡流。

涡流制冷技术又称为涡流膨胀制冷技术，从空压机压缩出来压缩空气首先通过涡流管喷嘴成切线送入圆柱型涡流发生腔, 这个发生器比产生旋转气流的热（长）管相比要大些，涡流发生腔位于涡流管的热端和冷端之间,并与它们相连.由涡流发生腔形成的涡流气流送入涡流管的热端,涡流气流紧贴涡流管的内表面,热空气不断从热端排出,热空气在热端产生一个流阻,这个流阻在涡流管中形成了足够的负压,这一负压迫使一部分空气经涡流管中心回流到冷端.这部分空气由于流向热端的膨胀气流的吸热而变的很冷,
当的高压空气进入涡流管，会使气体体积膨胀并吸热，再在涡流管中产生涡流。

压缩空气进入一个涡流发生器，接下来，旋转的气流被迫以1,000,000 rpm的旋转速度沿热管壁进入热管内部。

在热管的终端，一小部分空气通过针型阀以热空气方式泻出。

剩余的空气则以较低速度通过进入热管的旋转气流的中心返回。

热的、较慢速度旋转的气流通过进入热管的快速旋转的气流。

这股超速冷气流通过发生器中心并冷气排气口泻放冷气。

温度分离效果：
涡流管产生两种形式的涡流：自由涡流和强制涡流。

在自由涡流（象旋涡一样）中，其流体的角速度在涡流沿涡流管中心向前推进时被增大，越靠近涡流管中心部分的涡流，其旋转速度越快。

在强制涡流中，其速度是直接与涡流半径成比例关系——涡流越接近中心部位，其速度就越慢
在涡流管中，其外界（热）涡流气流是自由涡流，其内部（冷）涡流气流是强制涡流。

强制涡流的旋转运动受控于自由涡流（热涡流气流）。

这股包括热气和冷气流的湍流形成不同能量层，并被锁定在一个涡流管中形成旋转流动的流体群。

内层气流穿过外层气流的风洞中心，而且由于两层气体之间的黏滞性的关系导致内层气体比
外层气流的速度慢，也就是说，内层气流的速度在通过外层气流中心时被削弱了。

漩涡中心的气流则流向冷空气出口，通过吹气入口时会膨胀然后冷却。

因此，漩涡外层空气的增温是由于加速外层气流的黏滞性做功，而中心部分空气流往相反方向，则因扩散而降温。

而且还因为能量与速度的平方成正比，冷气流的减速是通过热传导来丧失其能量的。

这样以来能量就以热量传导的方式由内层气流向外层气流传递，也就是产生了内层冷气流。

制冷系数：
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该涡流管的制冷系数。

位于涡流管热气泻放端的针形阀门控制制冷系数。

例如，如果压缩空气输入量为15 m3/min，而且涡流管的制冷系数是70%，那么，涡流管冷气泻放端泻放出的冷气量是10.5 m3/min;热气泻放端泻放出的热气量将是4.5 m3/min。

制冷系数在60-80%范围内时，涡流管工作效率最大——输出功率(KWH)最大——因而这种工作状态的涡流管是机械加工工艺冷却、封闭的电气控制系统设备冷却、液浴冷却和操作人员身体制冷的理想选择。

低制冷系数(小于50%)则减少了气流量并产生了最低温度，这种情况则多用于冷却玻璃、实验室超低温试验和电子元件的测试
二、涡流管的特点及应用：
特点：
1、性能可靠、安全，
2、安装、拆卸方便，维护简便，无氟利昂等化学剂(CFCs/HCFCs)。

3、结构紧凑、质量轻，局部制冷，无电磁干扰，产品费用低。

4、涡旋致冷器本身没有运动部件，可长时间工作而不需要维修，也不会引起机械振动及电磁干扰。

5、经济实用。

涡旋制冷器的工质是空气，所以使用成本低且方便。

无任何电气连接，仅需压缩空气就能连续提供冷量。

6、适应性强。

采用涡旋致冷系统防护的环境温度可达90 ℃，可适用于露天放置及高温条件下工作的各种工业电视系统。

可适用于高温、高湿度、高污染、灰尘浓度高、高噪音、高危险性气体等环境恶劣的场合。

7、可以做成坚固的不锈钢结构，耐用，防撞击，寿命长。

8、涡流管可应不同的应用场合灵活地设计成不同的应用模式，如应用于局部密闭空间冷效比很高制冷型设备（屏柜制冷器）、极低出气温度的点制冷型（冷气枪）和人体空调服上的可调温涡流管。

涡流制冷的部分应用举例：
1、在机械加工中可替代冷却液，用于提高生产效率、工作精度、光洁度和工具寿命，且无污染。

不需使用冷却剂，用低温空气来冷却，不会有烟雾及高温热度，使工作环境变差。

机械加工时刀具温度上升，会加速磨损，使用低温空气冷却除可防止刀具破损，防止切削粉屑附着于刀具上。

钻孔加工时钻头寿命的延长。

2、冷却电气控制柜，以防止设备过热引起的设备控制失灵，使设备可靠运行。

控制盘内因热造成电气、电子控制组件之损害，与使用送风机或冷煤设备相比较，可保持盘内较干燥与环境清洁，并减少粉尘产生与无维修问题困扰。

3、摄像机防护罩内部制冷，可用于高温环境下摄像机冷却装置，结构简单、节能。

高温炉熔接装置等感应器或电气系统冷却。

工业用TV照相机冷却。

IC等电子部品冷却测试。

4、用作恒温仪，提供实验室样品试验所须低温，可制成实验室用恒温水槽。

恒温器的精确度测试时冷却。

5、工业焊缝制冷，高效、方便。

产生的冷空气能通过导管\万向管等对发热电机\部件\切割刀具\高温镜头\PCB\SMT\光融产品\变频控制柜等快速降温.保护设备，提高工艺质量,缩短流程时间. 防爆工业监视和高温工业监视系统
6、用于等离子喷涂，可防止又喷涂点上产生的高温可导致的涂层脱落、氧化，可改善涂层质量。

7、缝制作业时缝纫车针冷却，避免缝制时断线。

8、塑料容器加工时防止软化。

9、印刷工业的塑料网版加工时防止软化。

10、电子部品焊接作业时的急速冷却。

11、塑料板熔接后冷却。

12、 NC截断机切刀的冷却。

13、鼓风机轴承冷却。

14、各种组件烧结崁入对象时冷却。

15、纤维截断时因截断机发热使纤维溶化之防止。

16、树脂物件开孔时冷却。

17、订书制程中车针冷却防止断线。

18、轮胎侧面研磨切削时冷却。

19、贵重金属、宝饰加工冷却。

20、牛奶、饮料等纸包装缝合时冷却。

21、航天领域中卫星地面测试系统内的局部制冷。

结论：
涡流管以其小巧、灵活、坚固的结构，非常环境下的适应能力，独特的冷却方式，稳定可靠
的工作模式，以及安装方便，成本经济的产品特点决定了它在制冷领域具有它的独到之处，正因如此，它在很多工业应用场合发挥了独特的制冷功能。

随着科学技术的日新月异，新兴技术对制冷技术会提出更高的更新的要求，涡流制冷技术将会发挥越来越重要的作用。

结语：
本文只述及涡流制冷的基本原理以及在工业领域的基本应用，对涡流制冷的效率及制冷过程的定量分析没有作详细探讨和研究，望方家提出批评指正以便使我们在该领域的应用研究获得更为详实理论和实践依据，在此，我们感谢美国AiRTX公司及广大的业界同仁为我们提供的大力帮助。

参考文献：
［1］AiRTX corporation. Vortex Tubes and Spot Cooling Products
［2］
Guillaume D W,Jolly ⅢJ L.Demonstrating the achievement of lower tem peratures with two-stage vortex tube. Review of Scientific Instru ments
［3］
Lancelot A Fekete.Vortex tube separator may solve weight/space limitati ons.World Oil
［4］
Thomas J boratiory applications of the vortex tube. Journal of Chemical Education
［5］涡流管制冷及其在天然气工业中的应用.制冷学报
1.5.1 气体涡流制冷的机理分析
涡流冷却效应的实质是利用人工方法产生漩涡使气体分为冷热两部分。

利用分离出来的冷气流即可制冷。

涡流管结构
涡旋管是一个构造比较简单的管子，如图1所示，它主要是由喷嘴、涡流室、分离孔板及冷热两端的管子组成。

气体经涡流而分离成两部分是在涡流管的涡流
室内进行。

涡流室内部形状为阿基米德螺线，喷嘴是沿切线方向装在涡流室的边缘，其连接可以有不同的方法。

图1 涡流管结构及工作过程示意图
在涡流室的一侧装有一个分离孔板，其中心孔径约为管子内径的一半（或稍小一些），它与喷嘴中心线的距离大约为管子内径之半。

分离孔板之外即为冷端管子。

热端装在分离孔板的另一侧，在其外端装有一个控制阀，控制阀离开涡室的距离约为管子内径的10倍。

控制阀的开度可以用手动调节。

涡流管的工作过程
经过压缩并冷却到室温的气体(通常是用空气，也可以用其他气体如二氧化碳、氨等)进入喷嘴内膨胀以后以很高的速度切线方向进入涡流室，形成自由涡流，经过动能的交换并分离成温度不相同的两部分，中心部分的气流经孔板流出，即冷气流；边缘部分的气体从另一端经控制阀流出，即热气流。

所以涡流管可以同时得到冷热两种效应。

根据试验当高压气体的温度为室温时冷气流的温度可达（－50～－10）℃，热气流的温度可达（100～130）℃。

控制阀是用来改变热
端管子中气体的压力，因而可调节两部分气流的流量比，从而也改变了他们的温度。

在涡流室内气体的分离过程是相当复杂的，它的物理实质可说明如下。

压力为P1，温度为T1的高压气体，在喷嘴中膨胀到压力P2，此时，理论上当为等熵膨胀时可达到的温度是：
并且获得超声速的速度C2。

这样高速的气流沿切线方向进入涡流室，便在涡流室的周边部分形成自由涡流，其旋转质量角速度在涡流室边缘部分较小，而接近轴心部分则越来越大，于是在涡流室中沿半径方向形成了不同角速度的气流层。

由于气流层之间的摩擦，内层的角速度要降低而外层的角速度要提高，因而内层气流便将一部分动能传给外层气流。

涡流室中心部分的气体当经孔板流出时便具有了较低的温度T c; 而边缘部分的热气体当流经热端管子时，由于摩擦的存在，使动能又转化为热能，因而，经控制阀流出时便具有了较高的温度T h。

过程的T-s图
涡流管内部的这种过程表示在T-s图上，如图2所示。

图2 涡流管内部过程的T-s图
图中点4表示气体在压缩以前的状态，4－5为压缩机中的等熵压缩过程，5－1为在冷却器中的等压冷却过程。

点1表示高压气体进喷嘴以前的状态，在理想情况下经绝热膨胀到压力P2时温度降到T s ,膨胀后的状态用点2a表示。

点2表示涡流管出来的冷气流状态，其温度是t c ;点3表示热气流的状态，其温度为t h。

1－2及1－3'分别表示冷热两部分气流的分离过程，这一过程是不可逆的过程；3'－3为热气流经控制阀的节流过程，节流前后比焓值不变。

从涡流管出来的冷气流的温度t c总是高于T s，这是因为：（1）气体在喷嘴中不可能是等熵膨胀；（2）涡流室中内层的气体不可能将其动能全部传给外层的气体；（3）在涡流室内存在有向心的热量传递过程。

涡流管的特点
涡流管的优点是结构简单，维护方便，启动快，且能达到比较低的温度；其主要缺点是效率低。

故涡流管只宜用于那些不经常使用的小型低温试验设备。

应用回热原理及喷射器来降低涡流管冷气流的压力，不仅可以进一步降低涡流管所能获得的低温，而且还可以提高涡流管的经济性。

为了获得更低的温度还可以采用多级涡流管。

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