自動恒溫型渦旋制冷除濕器的設計

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摘要：探析自動恒溫型渦旋制冷除濕器的結構，對渦流管進行概述，詳細闡述渦流管的制冷性能指標以及渦流制冷管的選用，最后總結了渦流制冷管的選取方式。

關鍵詞：自動恒溫；渦流管；除濕器；結構分析

1自動恒溫型渦旋制冷除濕器結構分析

自動恒溫型渦旋制冷除濕器是由渦旋制冷管、熱交換器、保溫罩、膨脹式恒溫閥等組成。渦冷管以壓縮空氣為動力，當一定壓力（0.4MPa）的壓縮空氣射入渦流管噴嘴后膨脹加速，當加速后的氣流進入一個圓柱型渦流發生器，以上萬轉的旋轉速度沿熱管壁進入熱管經渦流交換后產生能量分離，一股是冷氣流出，另一股是熱氣流，通過尾嘴調節閥以熱空氣排出，尾嘴調節閥可調節冷氣的出口溫度和冷流率。一般入口壓力越大，制冷量越大，冷氣流溫度與壓縮空氣入口溫度差越大，耗氣量也越大。膨脹式恒溫閥是由感溫包、膨脹膜、頂針、閥芯、彈簧、調節螺桿等組成。膨脹式恒溫閥是通過感溫包的熱膨脹壓力與閥芯彈簧調節螺桿以胡克力（F=-k×△X）平衡時，當保溫罩內溫度升高時感溫包壓力加大，使得膨脹膜鼓起（膨脹頂針外移閥芯，使恒溫閥的通徑加大，制冷量增加。反之當保溫罩內溫度降低時，感溫包內壓力減小，使得膨脹膜收縮，使恒溫閥通徑減小，制冷量減少，從而實現自動恒溫。

2渦流管概述

渦流管（VortexTube）又稱渦流制冷管、渦旋管、渦旋制冷器等，一定壓力的壓縮空氣輸入渦流管渦旋發生器后膨脹加速后旋轉，氣流以1000000r/min的旋轉速度沿熱管壁進入熱管內部，熱管內氣流經渦流交換后產生能量轉換，氣流被分割成冷熱兩股氣流，在熱管的終端，一部分壓縮空氣通過調節閥以熱空氣的方式瀉出，剩余的壓縮空氣以較低速度通過進入熱管旋轉氣流的中心返回，這股冷氣流通過發生器中心形成超低溫冷氣匯集到冷氣端排出。冷氣端射出冷氣流在0.7MPa（7bar）、25℃干燥空氣的前提下最低冷氣溫度可達-45℃，溫度最大降幅可降至-70℃，另一端射出的熱氣流極限溫度可達+130℃。

3渦流管的制冷性能指標

渦流管冷氣端釋放的冷氣量占輸入壓縮空氣總量的體積百分比就叫做渦流管的冷氣比。冷氣比越高，表示冷氣流越大，冷氣比越低，表示冷氣流越小。指定相同冷氣溫度降幅下，冷氣比越高，冷氣量越多，渦流管制冷容量越大；反之，冷氣比越小，冷氣量越少，渦流管制冷容量越小。1）一般渦流管熱氣端裝有一個小型的可調節閥門，可以手動調節冷氣流的溫度和氣流量變化。冷氣流的溫度調得越低時，冷氣流降溫幅度越大，冷氣流就變得越小；冷氣流量調得越大時，冷氣流降溫幅度就變得越小，冷氣流的溫度越高。2）冷卻效果是冷氣流量和冷氣溫降的結合，所以判斷渦流管制冷性能優劣要看兩個參數。3）冷氣溫度（冷氣溫度降幅）：在相同冷氣流量比例時，冷氣流降溫幅度越大，表示渦流管制冷性能越佳；冷氣流降溫幅度越小，渦流管制冷性能越差。4）冷氣流量（冷氣流量比例）：在相同冷氣溫度降幅時，冷氣量與總進氣量比例越高，表示渦流管制冷性能越佳；冷氣量的比例越小，渦流管制冷性能越差。5）冷氣溫度降幅越高+冷氣比越大=渦流管的制冷性能越佳；實際使用時要考慮冷氣流和冷氣溫度的平衡，渦流管熱氣端的尾端配冷氣溫度調節旋鈕，可以方便地調節冷氣流的溫度和流量，客戶可根據實際工作需要調節合適溫度的冷氣流，以使實際冷卻效果達到最優。在實際應用中，許多低效渦流管冷端雖內部某點能測量到最低溫值，但由于冷氣量太少，外接氣管后少量冷氣沒有冷卻效果，而當調節加大冷氣流量時，冷氣溫度有大幅上升，失去應有的制冷效果。特別要注意的是渦流管內部測量到的最低溫值只是評判渦流管性能的一個參考指標，不能當作渦流管冷氣的實際應用溫度，所以在咨詢廠家渦流管性能時一定要搞清楚其承諾最大低溫降幅的測量點、測量方式，以及一定溫降時的冷氣比及其需要的外部條件，否則很可能被誤導而產生錯誤的理解判斷。

4渦流制冷管的選用

渦流管看似結構簡單，但是其生成原理特別復雜，相互關聯的影響因素近二十個，如何制造出高制冷效率的渦流管并不是一件容易的事。國內外市場上都有許多廠家進行渦流管的仿制生產，這些廠商由于無法掌握渦流管的結構特點及制造工藝，僅按樣品簡單仿制的渦流管雖也有一些制冷效果，但其存在制冷效率低、冷氣溫降幅度小、冷氣流量比例少、型號選擇有限等缺點，造成使用時耗氣多，用氣成本高，冷卻效果不佳。在冷卻效果要求較高和氣壓低氣量不足的應用場合很可能達不到實際需求冷卻效果而失效。即使在冷卻要求不高的場合可以應用，實際上由于其制冷效率極低導致消耗氣量大，長時間工作耗氣成本遠遠高于渦流管購買成本，整體成本反而變高，長期看選用高制冷效率渦流管是更劃算、成本最低的選擇。許多低效渦流管冷端內部中心某點雖也可能測量到-40℃最大溫降，但要注意的是渦流管內部中心測量到的最低溫值只是評判渦流管性能的一個參考指標，不能當作渦流管冷氣的實際應用溫度，一般要在冷氣端接50~100mm管后測量有較大冷氣流量比的低溫度才有實際冷卻效果。在實踐中，許多渦流管外接氣管后由于冷氣比太低和溫度降幅太少達不到應有的制冷效果。所以在咨詢廠家渦流管時一定要搞清楚其性能參數的準確定義，如溫度測量點（如渦流管內部中心最低溫度、接100mm管后冷氣流溫度）及測量方式、冷氣流的絕對溫度與相對溫度降幅、接管后一定溫降時的冷氣比例、需要的氣壓及環境溫度等外部條件。

5渦流管選用注意的問題

1）選用高制冷效率的渦流管不僅制冷效果更佳，而且成本更低。原理上看，渦流制冷的能效比不太高，低質量的渦流管的能效比就更低，制冷效果十分有限；高制冷效率的渦流管，可達到更佳的冷卻效果。購買渦流管是一次性投資，其實氣體長期的耗費成本遠遠大于渦流管的購買成本。2）滿足冷卻要求的前提下可選用耗氣量小的規格。滿足冷卻要求的前提下盡可能選擇進氣量較小的渦流管，降低使用成本，選較大進氣量渦流管，肯定能滿足冷卻要求，但氣量耗費大，增大使用成本。3）工廠空壓機的供氣流量和氣壓。工廠空壓機供氣流量有限時應選用相對應流量的渦流管，流量不足和氣壓很低時渦流管制冷效率會降低。4）具體冷卻場合需要的冷氣溫度。需冷氣溫度低時要選溫度降幅大的低溫型渦流管，勿需冷氣溫度低時可選冷氣比大的冷量型渦流管。5）冷氣溫度和環境溫度密切相關聯。同樣溫度下，冬天的冷氣溫度低，高溫夏天冷氣溫度會變高；選擇購買時最好要考慮到夏天的高溫情況，溫度降幅不大的渦流管冬天可能有冷卻效果，但在夏天很可能就沒有冷卻效果了。6）具體的使用環境、溫度、耐壓力要求。對于不銹鋼渦流管來說，沒有運動部件，耐用性極高，所以幾乎不需要考慮使用壽命的問題，主要考慮使用環境選擇合適材質的渦流管就可以了。7）辨明廠家所提供的性能參數的真實內涵。許多渦流管廠家提供的制冷量參數很可能是直接拷貝抄襲而來，有時甚至故意夸大和混淆參數性能，不認真評測很可能被誤導而產生錯誤的理解判斷。

作者：申于忠 田寶國 單位：江蘇揚農化工股份有限公司 揚州旭升電氣設備有限公司