本发明专利技术涉及涡旋式冷热气体分离装置，其中一种包括：具有圆筒形内壁表面的机体，圆筒形内壁表面限定了具有第一端和第二端的圆筒形内腔；在第一端处附接到机体的进气及搅动风扇装置，将外部气体吸入圆筒形内腔中并搅动形成朝第二端行进的第一涡流；热气流排出口，其位于或邻近第二端的边缘处，将行进到热气流排出口的第一涡流的部分气体排出到圆筒形内腔外；位于第二端的涡流回流装置，其将第一涡流的未被排出热气流排出口的剩余气体回流成穿过第一涡流的气旋内芯朝圆筒形内腔的第一端行进的第二涡流；冷气流排出口，其位于圆筒形内腔第一端的径向中心或邻近并围绕该径向中心，从热气流排出口排出的气体温度高于从冷气流排出口中排出的气体温度。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术一般性地涉及能量分离装置，更具体地涉及利用兰克-赫尔胥(Ranque-Hilsch)效应将气体分离成冷热气流的润旋式冷热气体分离装置。
技术介绍
历史上，兰克-赫尔胥效应的现象首先是在1930年由法国冶金工程师乔治 兰克(Georges Ranque)发现的。当时,乔治 兰克在实验中发现了旋风分离装置中的润流冷却效应，即旋风分离装置中气流的中心温度和周边各层的温度不同，中心具有较低的温度，而外缘具有较高的温度。根据此现象，乔治 兰克随后设计出了人类历史上首个能够进行能量分离的涡流管装置，并于1931年在法国申请了专利。1933年，乔治 兰克在法国物理学会作了关于涡流管装置及其涡旋温度分离效应实验的专题报告。该报告指出，温度为20°C的压缩气体进入涡流管后，通过涡旋温度分离效应，从涡流管中流出的冷气流的温度约为一20°C 一 10°C，而热气流的温度可达约100°C。当时，由于乔治 兰克对温度分离现象的阐述混淆了流体总温(滞止温度)与静温的概念，因而遭到了与会科学家的质疑，会议上对涡流管的冷热气体分离现象普遍否定，而这最终导致对涡旋温度分离效应以及相应涡流管装置的进一步研究被中断下来。1945年，德国物理学家鲁道夫 赫尔胥(Rudolph Hilsch)发表了一篇令世人瞩目的有关涡流管的科学报告，其中运用了详细的资料证实了涡旋温度分离效应，并就涡流管的装置设计、应用、温度效应的定义等提出了一系列的研究成果和有价值的建议。至此，涡旋温度分离效应才被人们正式接受和确认。为纪念乔治 兰克和鲁道夫 赫尔胥在这一领域作出的杰出贡献，人们通常也将这种涡旋温度分离效应称为兰克-赫尔胥效应。时至今日，世界上许多国家的科研机构、大学和企业对兰克-赫尔胥效应及其实现装置进行了大量的实验研究和理论探索。但是，无论在基础理论还是在装置结构上均进展甚微。如图I所示，传统的涡流管10主要由喷嘴11、涡流发生腔12、涡流行进管(或称温度分离管)13、热气流出口 14、冷气流出口 15以及涡流阻挡回流椎体16构成。根据现有技术中的一种主流观点，工作时，涡流管10通过外设的气体压缩机(图I中未示出)将压缩气体经喷嘴11喷入涡流发生腔12 ;喷入涡流发生腔12的气体首先发生膨胀，然后以很高的 速度沿切线方向进入涡流行进管13，以螺旋状涡流形式行进；行进的涡流在到达热气流出口 14之前，受到涡流阻挡回流椎体16的阻挡，一部分气体将以旋涡直径相对较小的内芯涡流形式朝相反方向回流，未回流的气体将经由热气流出口 14排出，而回流的气体将经由冷气流出口 15排出。由于气体在涡流管中出现兰克-赫尔胥效应，因而经由热气流出口 14排出的外层涡流气体的温度要高于冷气流出口 15排出的内芯涡流气体的温度。故此，将经由热气流出口 14排出的气流称为热气流，将经由冷气流出口 15排出的气流称为冷气流。本领域技术人员均可认识到，这里所谓的热气流和冷气流不应被限制成要高于或低于某一绝对的温度值，而是将两个气流出口中流出的气体相互比较而言的。也就是说，在本领域中，术语“热气流”和“冷气流”的概念是清楚、确定的。虽然这种涡流管装置在结构和操作上都非常简单，但是在该装置内发生的兰克-赫尔胥效应的能量交换过程却极其复杂。由于内摩擦的结果，使得传热过程不可逆。而且科学界一般认为气体在涡流管装置内进行的应该是某种复杂的三维可压缩湍流流动，因而在兰克-赫尔胥效应的应用上，至今不能给出能够精确预测涡流管装置性能的数学模型。在基础理论上，科学界对兰克-赫尔胥效应的解释也是众说纷纭，一直没有一种令人非常满意的理论解释，甚至某些理论自身的观点之间还相互矛盾。可以说，对兰克-赫尔胥效应的理论研究是目前科学界的一个重大难题。对于兰克-赫尔胥效应的冷热气体分离原理，业界目前流行的是一种动能转换理 论，其说法大致如下 涡流管装置中的气流进行着复杂的运动，外层涡流气体向热气流出口运动，内芯涡流气体向冷气流出口运动，这两个涡流以相同的方向旋转，尤为重要的是这两个涡流以同样的角速度旋转，虽然在两个涡流气体之间从起始端至末端的交界处存在强烈的乱流，但是从旋转运动的角度来说，这两个涡流可视为一个整体。内芯涡流受制于外层涡流，故内芯涡流为被动涡，而外层涡流为驱动涡。以浴缸中产生的水旋涡流为例来形象地说明，在排水时，水向出口芯部运动，其旋转速度为了保持角运动量因而会增加。由于水旋涡流中的粒子切向线速度与涡流半径成反比。因此，在水旋涡流中的粒子向出口芯部运动时，当驱动涡半径减至一半时，粒子沿旋涡的切向线速度增加一倍，而维持一定旋转角速度的被动涡的粒子沿旋涡的切向线速度则减少一半。驱动涡的粒子与被动涡的粒子相比，以快其四倍的线速度流入排污口。因为运动能量和线速度的平方成正比。在这个例子中，被动涡在流入排污口处的粒子的运动能量只有驱动涡在流入排污口处的粒子的运动能量的1/16。流行的传统理论认为，在进行冷热气体分离的涡流管中，情况和上面的例子类似，被动涡气体和驱动涡气体的运动能量之差(合计为可以利用的运动能量的15/16)向何处去了呢？这种传统理论认为这正是探讨兰克-赫尔胥效应中冷热气体分离原理的关键所在，即，运动能量之差将以热量的方式从位于内芯的被动涡传递到了位于外层的驱动涡中。这样，被动涡气体就变成了冷气流，而驱动涡气体则变成了热气流！它们的能量关系符合热量守恒定律和能量守恒定律。显然，上述理论并没有从流体温度的微观本质上直接回答问题，而只是给出了一个在热量守恒定律和能量守恒定律这种宏观层面上的笼统解释。由于对兰克-赫尔胥效应微观本质认识上的不深入，也导致了长期以来利用兰克-赫尔胥效应实现冷热气体分离的装置都仅仅局限于如前所述的涡流管基本结构。而且，人们并不清楚该结构中何种几何尺寸关系能够获得最大的冷热气流温差，即不清楚何种几何尺寸关系能够获得最佳的冷热气体分离效果。然而，即使对于传统的涡流管基本结构而言，设计变量也高达至少15个以上，并且这些变量每个均有无穷多的选择。由于每个变量以及各个变量之间的关系对于涡流管效果的影响基本上都是未知或不确定的，故涡流管装置的基本结构长时间以来一直改进不大。特别地，传统的涡流管装置都要求使用压力很大的压缩气体，并且要求将压缩气体喷入涡流发生腔12使其发生高速膨胀，继而使高速膨胀的气体进入直径较小的涡流行进管13中产生高速涡流，并最终利用兰克-赫尔胥效应实现冷热气体分离。在现有的不够清晰的理论指导下，本领域技术人员普遍 认为在涡流管装置中，涡流行进管13的内直径不宜过大，因为本领域技术人员普遍认为，为了获得冷热气流的最大温差，涡流行进管13的长度与内直径之比(该比值通常也被简称为涡流管的长径比)应该较大，并且还进一步认为该长径比优选要大于10，甚至大于45。也就是说，在本领域现有技术的状态下，技术人员普遍认为在能够产生涡流和实现内芯涡流回流的条件下，涡流行进管13的长度优选应该较长，而涡流行进管13的内直径优选应该较小。此外，现有技术的涡流管一般都需要使用气体压缩机或类似装置来提供压缩气体。这种涡流管，其总成设备较大，输出较小，应用领域存在较大局限。典型地，市售涡流管的细小直径一般为30 mm左右，长度为300 mm左右，内部容积很小。工作时，压缩本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：姚镇，姚其槐，
申请(专利权)人：北京星旋世纪科技有限公司，
类型：发明
国别省市：
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