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