[发明专利]共容腔散热式气波制冷机

说明书

技术领域

本发明属于压力气体膨胀制冷技术领域，具体涉及一种气体制冷机械，即 共容腔散热式气波制冷机。

背景技术

膨胀制冷可以获得比用工质循环制冷更低的低温。利用气体自身的压力膨 胀制冷，在石油天然气开发处理等领域中极具应用价值。除了透平膨胀机之外， 热分离机和气波制冷机(中国专利87101903.5，89213744.4，90222999.0)等 也属于气体膨胀制冷机械。这类制冷机能够在较低的转速下高效地工作，从而 避免像低温透平膨胀机那样，必须在高转速下运行而带来的一系列不便。已有 的热分离机和气波制冷机，都是压力气体依次对各根末端封闭的接受管中的潴 留气做不定常膨胀功，使压力能转化为热能，再通过管壁散热的。入射压力气 体因膨胀做功而消耗了自身的能量，温度降低而实现制冷。

但传统的热分离机和气波制冷机，为满足在低转速下获取高效率、和高负 荷散热的需要，其接受管的长度都长达数米，不但使整机体积庞大，而且容易 振动，常会出现断管事故；并且由于较长振荡管的末端壁温较低，不能强力耗 散能量，管材功能率低；再是由于长接受管为圆截面，导致一定流量(一定宽 度)的射流喷嘴，转动分配射流的过程中，很难同时覆盖满两根以上的管口宽 度，则对于每一根接受管来说，射流不充满管口的时均比例较大，会卷吸更多 管内气体相互掺混而降低等熵性；还有就是压缩波或激波会从管子封闭的末端 反射回到入口端，加热新鲜的或者已经制冷了的气体，降低制冷效率，当射流 频率与接受管内气体振荡频率不一致时更甚；而更为严重的是：当处理的气体 含可冷凝重组分时，接受管封闭末端区域较低温度的环境极易凝液且滞留不出， 不断积累，最终导致制冷机失效。尽管发明了一些自动排液装置，但结构较为 复杂，实施并不方便。

尽管热分离机和气波制冷机的发展有30多年的历史，但以长长的接受管为 其显著特征，却一直没有改变。长管壁的热量散发于环境之中，虽然有不需要 额外冷却换热之便，但热量却得不到回收。而上述的体积大、振动断管、射流 掺混时均比例大、效率波动、积液等问题，则由这种结构所限，很难从根本上 解决。

发明内容

本发明的目的就是克服上述不足，提供一种由不必耗散热量的短接受管、 其末端开口续接贯通的共容腔散热空间、弹性缓冲容积和凝液储液空间为特征 的非定常膨胀制冷机——共容腔散热式气波制冷机。

本发明共容腔散热式气波制冷机实现功能的原理依据是：脉冲射流从一端 管口射进一根管段，在推动管内气体向前运动的同时，由于和管内气体的速度 和压力之差，会产生一系列的压缩波并汇聚成激波，将射流能量快速远传。随 射流分配器的旋转，造成该管段射流的间断，先前射流的能量和速度充分耗尽， 温度降低，再从管口返回就变成制冷气。在此过程中，射流前锋面向前运动的 距离，要远小于携带能量的压缩波向前传播的距离。因此，只要管段的长度长 于射流前锋面前行的距离，就能保证射流能量的耗散制冷和全部返排出该端管 口。对于长接受管来说，射流前锋面的前部，压缩波和激波向前传波的过程中， 强烈加热管内的滞留气体，再传给管壁散发到环境中，因此长接受管4/5以上的 长度尺寸，都是为了耗散热量所用的。当然长接受管可以降低气体刚性，易于 吸收射流的能量，但加接较大容积的缓冲腔也同样可以达到相同的目的。

如果热量不能充分耗散出去，就意味着激波或压缩波的能量没有消失耗尽， 在有限的空间内，它们总会从固壁边界经多次反射，回到接受管中，将能量再 次传给射流气体而使之回热，制冷效率降低。如果设法将激波或压缩波导入一 个能够充分耗散其能量的一周各接受管都共用的容积腔中，同样能起到、或是 超过长接受管4/5以上长度的散热作用。因此，将接受管缩短到只长于射流前锋 面前行的距离，不必耗散热量，而在其后续接贯通的共容腔作为散热空间，强 化散热或取热；且此共容腔可大大降低短接受管的刚性即振荡频率，与长接受 管等效。这些是本发明的原理依据，并且经过实验机实验获得验证，其效率高 于传统的长接受管散热的气波制冷机。