一种全冷流率范围自适应防冻堵涡流管.pdf

本发明公开一种全冷流率范围自适应防冻堵涡流管，包括冷端输气管、核心组装室、热端输气部件、喷嘴和防冻堵冷端管。所述核心组装室前后连通冷端输气管与热段输气部件；核心组装室内前后为交换腔与进气腔，分别安装防冻堵冷端管与喷嘴。交换腔的外壁上具有热气进口与热气出口；进气腔的外壁上具有高压进气口。上述热端输气部件后部具有热气腔，内部设计又分离锥；热气腔通过热端回流管连通交换腔。上述防冻堵冷端管为多级短管构成，内部具有阶梯型管状流道，侧壁开有进气通道，使由气槽射入的气流方向与防冻堵冷端管内的气流方向相反。上述结构的优点为：解决了涡流管在低冷流率工作状态中的冻堵问题；在全冷流率范围可在设定的冷流率状态下正常运行。

权利要求书
1.  一种全冷流率范围自适应防冻堵涡流管，其特征在于：包括冷端输气管、核心组装室、热端输气部件、喷嘴和防冻堵冷端管；
所述核心组装室前后两端分别安装冷端输气管与热端输气部件；核心组装室内部设计有隔板，将核心组装室内部分割为前部交换腔和后部进气腔两个腔体；上述交换腔的外壁上具有热气进口与热气出口；进气腔的外壁上具有高压进气口；
所述热端输气部件包括热端管与热端回流管；其中，热端管后端设计有热气腔；热气腔内部中心位置设计有分离锥；热端回流管两端分别与热气腔和核心组装室的交换腔连通；
所述喷嘴安装在核心组装室的进气腔内，外壁与进气腔内壁间具有间隙；喷嘴前端具有凹槽，边缘周向上均设有进气通道；喷嘴前端与核心组装室内隔板贴紧，使凹槽内形成涡流室；喷嘴内孔两端分别与隔板上的中心孔以及热气腔连通；
所述防冻堵冷端管由n级短管构成，n≥2，n为偶数；第一～第四级短管由前至后同轴紧密相接构成整体防冻堵冷端管，内部作为气体交换通道；整体防冻堵冷端管设置在交换腔内，第一级短管端面配合嵌入隔板上的凹槽内，第四级短管的端面与冷端管出口相接；使气体交换通道两端分别与冷端输气管及隔板上的中心孔连通；上述n级短管前端面设有四条气槽；使防冻堵冷端管中，相邻两级短管间，以及第一级短管与冷端管间型成气流通道；且使气流进入第一级短管与冷端管间的气流通道后流出方向为防冻堵冷端管的径向；气流进入第二～四级短管间的气流通道后流出方向为沿短管内壁，朝向第一级短管，由此使从各气槽射入防冻堵冷端管内的气流方向与从冷端输气管进入防冻堵冷端管内的低温气体流向相反。

2.  如权利要求1所述一种全冷流率范围自适应防冻堵涡流管，其特征在于：所述分离锥为一端为椎体的圆柱结构，长度与热气腔轴向长度相等，最大直径与热端管内径相同，椎体的半角为45°～55°。

3.  如权利要求1所述一种全冷流率范围自适应防冻堵涡流管，其特征在于：所述热端回流管的轴线与核心组装室的轴线平行。

4.  如权利要求1所述一种全冷流率范围自适应防冻堵涡流管，其特征在于：所述喷嘴内孔为后部扩张的扩张孔。

5.  如权利要求1所述一种全冷流率范围自适应防冻堵涡流管，其特征在于：所述n级短管中，每级短管内孔均为后部扩张的扩张孔，扩张角为15°至20°；由此，使防冻堵冷端管的内壁构成连续的阶梯型流道。

6.  如权利要求1所述一种全冷流率范围自适应防冻堵涡流管，其特征在于：所述n为偶数，n级短管在插接定位后，相邻两级的气槽间具有45°夹角。

7.  如权利要求1所述一种全冷流率范围自适应防冻堵涡流管，其特征在于：所述n级短管前端面周向均设有四条气槽，且相邻两条气槽轴线成90°，相对两条气槽轴线共线。第一～第四级短管上的气槽宽度为其所在短管最小直径的10％～12％，气槽的深度为其所在短管最小直径的5％～10％。

8.  如权利要求1所述一种全冷流率范围自适应防冻堵涡流管，其特征在于：所述n级短管中，每级短管的前端面内圆处设计有环形定位凸台；第一级短管中的环形定位凸台用来与冷端输气管后端插接定位；其余各级短管中的环形定位凸台用来与前一级短管内孔配合插接定位；同时，设计第二、三、四级短管上的气槽沿短管径向，并延伸至环形定位凸台侧壁，使气槽两端分别与短管外壁以及环形凸台端面连通；而第一级短管上的气槽沿短管径向，并延伸至环形定位凸台侧壁，进一步延伸至环形凸台端面径向，使气槽两端分别与短管外壁以及环形凸台内壁连通。

说明书一种全冷流率范围自适应防冻堵涡流管
技术领域
本发明属于涡流管技术的应用领域，具体涉及一种可在全冷流率范围(10％至100％)内自适应实现防冻堵的涡流管设计，主要应用于制冷领域和天然气井口气体的降压输运领域。
背景技术
涡流管是一种结构简单、没有旋转部件的能量分离装置，具有一个进口和两个出口，气体从进口经过切向的喷嘴进入涡流管，在其中形成高速旋转的气流，进而分离成总温不等、流动方向相反的两股气流，分别从两端的冷、热出口流出。两端的温差可达100℃，冷端气流的温度可降至-50℃。
涡流管的主体是一根细长的圆管，其一端设有隔板，隔板的中心开有小孔与出口管道连通，成为涡流管的冷端出口，以使旋转气流的内层低温气体从此流出；另一端为涡流管的热端出口，旋转气流的外层高温气体从此流出，为了实现对流向两端的气流量分布的调节，常在热端设置阀门等结构，从而控制涡流管的温度分离性能。
涡流管的制冷作用在工业中有着很多应用，如冷却高温部件、气体样本除湿、温度传感器测试等等，均是对涡流管产生的低温气流加以利用。但是由于环境的影响，进气气源可能具有较高的湿度，伴随冷端的低温和涡流管本身非常狭长的结构，极易在低温区域形成冷凝水的冻结，进而发展成冻堵，影响涡流管的正常工作。在天然气工业中，涡流管也有很广泛的应用，其中新兴的一种应用是被使用在天然气井口气体的降压输运环节中。天然气井口气体中含有较高的水蒸气，为实现天然气由井口到下游输运网络的降压过程，传统的方法是采用节流降压，为了防止节流过程中温度大幅降低所导致的水蒸气和重烃类的结冰冻堵，一般采用加热炉对节流阀进行加热，而加热所消耗的能源是整个降压系统的主要开支。然而，利用涡流管技术，可将井口的高压气体直接通入涡流管的进口，压降在分离的过程中实现并产生冷、热两股气流，冷气流含湿量较低，热气流含湿量较高。冷端的气流经过大体积的空气换热器从环境中吸收热量，温度升高后与热端的气流混合后进入下游的低压管路。这样以涡流管为核心的系统可以节省供电的能耗，并因为其简单的结构，大大延长了人工检修的周期。但是尽管冷端气流据说较低的含湿量从而可以避免水蒸气的凝结冻堵，但是由于冷端极低的温度，冻堵仍然会在很大的冷流率范围内发生，这大大影响了这一系统的可靠性，并且会在调节过程中出现冻堵的现象。同时，涡流管的工作特性研究表明，其冷端温降随着冷流率的升高呈现先增大后减小的趋势，温降的峰值出现在冷流率20％至40％的区域，另一方面， 由于低冷流率的工作状态可以使空气换热器中的气流以较低的速度流动，从而提高换热效果，所以低冷流率工作状态亦是涡流管在天然气井口降压应用中的优先选择。但是，当涡流管在低冷流率状态工作时，由于冷端流速相对较小，且温度达到最低点，冻堵的风险大大增加，涡流管的制冷能力和防冻堵能力间存在着矛盾。
针对类似以上涡流管应用中存在的冻堵问题，虽然人们采取了一些措施对涡流管进行改进，但是这些措施虽然避免冻堵的发生，但都大大增高了涡流管冷端出口气体的温度，这会大幅降低涡流管的制冷作用以及在与空气换热器配合的系统中的表现。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提出一种全冷流率范围自适应防冻堵涡流管，解决了涡流管在低冷流率工作状态中的冻堵问题。
本发明一种全冷流率范围自适应防冻堵涡流管，其特征在于：包括冷端输气管、核心组装室、热端输气部件、喷嘴和防冻堵冷端管。
所述核心组装室前后两端分别安装冷端输气管与热端输气部件；核心组装室内部设计有隔板，将核心组装室内部分割为前部交换腔和后部进气腔两个腔体；上述交换腔的外壁上具有热气进口与热气出口；进气腔的外壁上具有高压进气口。
所述热端输气部件包括热端管与热端回流管；其中，热端管后端设计有热气腔；热气腔内部中心位置设计有分离锥；热端回流管两端分别与热气腔和核心组装室的交换腔连通。
所述喷嘴安装在核心组装室的进气腔内，外壁与进气腔内壁间具有间隙；喷嘴前端具有凹槽，边缘周向上均设有进气通道；喷嘴前端与核心组装室内隔板贴紧，使凹槽内形成涡流室；喷嘴内孔两端分别与隔板上的中心孔以及热气腔连通。
所述防冻堵冷端管由n级短管构成，n≥2，n为偶数；第一～第四级短管由前至后同轴紧密相接构成整体防冻堵冷端管，内部作为气体交换通道；整体防冻堵冷端管设置在交换腔内，第一级短管端面配合嵌入隔板上的凹槽内，第四级短管的端面与冷端管出口相接；使气体交换通道两端分别与冷端输气管及隔板上的中心孔连通；上述n级短管前端面设有四条气槽；使防冻堵冷端管中，相邻两级短管间，以及第一级短管与冷端管间型成气流通道；且使气流进入第一级短管与冷端管间的气流通道后流出方向为防冻堵冷端管的径向；气流进入第二～四级短管间的气流通道后流出方向为沿短管内壁，朝向第一级短管，由此使从各气槽射入防冻堵冷端管内的气流方向与从冷端输气管进入防冻堵冷端管内的低温气体流向相反。
本发明的优点为：
1、本发明防冻堵涡流管使涡流管在全冷流率范围(10％至90％，低于10％和高于90％的冷流率范围下，涡流管的工作性能大大降低)可以在设定的冷流率状态下正常运行。
2、本发明防冻堵涡流管的防冻堵冷端管在设计上充分利用了固壁传热、气体混合、高速 气体的可压缩性、高速气体对壁面的冲击等作用，提高了防冻堵的效率；
3、本发明防冻堵涡流管在实现防冻堵功能的同时，对冷端出气温度的升温较小，可以保证系统的制冷作用；
4、本发明防冻堵涡流管的防冻堵冷端管的内部注气射流流量是由冷、热两端的压差决定的；根据涡流管的工作特性，较低冷流率时，压差较小，注气流量较小；较高冷流率时，压差较大，注气流量较大，从而实现了冷端的流量和注气流量的主动匹配，实现了防冻堵功能的自适应调节。
附图说明
图1为本发明防冻堵涡流管整体外观示意图；
图2为本发明防冻堵涡流管整体装配示意图；
图3为本发明防冻堵涡流管结构剖视图；
图4为本发明防冻堵涡流管中喷嘴局部示意图；
图5为本发明防冻堵涡流管中防冻堵冷端管装配示意图；
图6为本发明防冻堵涡流管中防冻堵冷端管结构剖视图；
图7为本发明防冻堵涡流管中防冻堵冷端管的内流示意图。
图中：
1-冷端输气管      2-核心组装室        3-热端输气部件
4-喷嘴            5-防冻堵冷端管      201-隔板
202-交换腔        203-进气腔          204-热气进口
205-热气出口      206-高压进气口      301-热端管
302-热端回流管    303-热气腔          304-分离锥
305-出口          401-喷嘴内孔        402-凹槽
403-进气通道      501-短管            502-定位凸台
503-圆柱通孔      504-气槽
具体实施方式
本发明提出一种全冷流率范围自适应防冻堵涡流管，包括冷端输气管1、核心组装室2、热端输气部件3、喷嘴4和防冻堵冷端管5，如图1、图2、图3所示。
所述核心组装室2为圆筒结构粗管，前后两端具有连接法兰，分别用来安装冷端输气管1与热端输气部件3。核心组装室2内部周向上设计有一层具有中心孔的薄隔板201，通过薄隔板201将核心组装室2是内部分割为前部交换腔202和后部进气腔203两个腔体，分别安装防冻堵冷端管5与喷嘴4。上述交换腔202的外壁上具有热气进口204与热气出口205；进气腔203的外壁上具有高压进气口206，外接高压气源。
所述冷端输气管1后端周向具有连接法兰，与核心组装室2前端的连接法兰同轴相连；冷端输气管1的前端出口为本发明涡流管的冷气出口。
所述的热端输气部件3包括热端管301与热端回流管302。其中，热端管301前端周向具有连接法兰，后端设计有与热端管301导通且同轴的圆柱状热气腔303。热气腔303内部中心位置同轴设计有分离锥304；分离锥304为一端椎体的圆柱结构，其长度与热气腔303轴向长度相等，最大直径与热端管301内径相同，椎体的半角为45°～55°。上述结构热端管301与核心组装室2后端连接法兰同轴相连。热端回流管302两端弯曲，形成U型结构，分别通过热气腔302侧壁开设的出口305与核心组装室2的热气进口203，和热气腔302与核心组装室2的交换腔202连通；且使热端回流管302的轴线与核心组装室2的轴线平行。
所述喷嘴4同轴嵌入安装在核心组装室2的进气腔203内，外壁与进气腔203内壁间具有间隙，通过外壁周向上设计的环形凸台实现喷嘴4的径向定位。如图4所示，喷嘴4具有与喷嘴4前后端面连通的喷嘴内孔401，喷嘴内孔401与喷嘴4同轴，且喷嘴内孔401为后部扩张的扩张孔。喷嘴4前端具有圆形凹槽402，边缘周向上均设有进气通道403，且进气通道403均与凹槽402相切。上述结构喷嘴4前端与核心组装室2内隔板201贴紧，进而使凹槽402内形成涡流室。喷嘴4后端插接在热端管301前端定位槽内，密闭配合，构成了涡流管高温段的后半段。喷嘴内孔401两端分别与隔板201上的中心孔以及热气腔303连通，使隔板201上的中心孔与喷嘴4一同构成了涡流室的冷端开口，也是防冻堵冷端管5的进口，构成了涡流管高温段的前半段。
所述的防冻堵冷端管5由第一～第四级短管501构成，如图5所示，每级短管501的前端面内圆处设计有环形定位凸台502；第一级短管501中的环形定位凸台502用来与冷端输气管1后端插接定位；其余各级短管501中的环形定位凸台502用来与前一级短管501内孔配合插接定位。每级短管501内孔均为后部扩张的扩张孔，扩张角为15°至20°，且第四级短管中，扩张孔后部还具有一段圆柱通孔503。第一～第四级短管由前至后同轴紧密相接构成整体防冻堵冷端管5，由此使防冻堵冷端管5的内壁构成连续的阶梯型流道，作为气体交换通道，如图6所示。整体防冻堵冷端管5同轴设置在交换腔202内，使第一级短管501端面环形定位凸台502配合嵌入隔板201上的定位槽内；第四级短管501的端面与冷端输气管1入口相接。上述第一～第四级短管前端面周向均设有四条气槽504，且相邻两条气槽504轴线成90°，相对两条气槽504轴线共线。第一～第四级短管501上的气槽504宽度为其所在短管501最小直径的10％～12％，气槽504的深度为其所在短管501最小直径的5％～10％。其中，第二、三、四级短管501上的气槽504沿短管501径向，并延伸至环形定位凸台502侧壁，使气槽504两端分别与短管501外壁以及环形凸台502端面 连通；而第一级短管501上的气槽504沿短管501径向，并延伸至环形定位凸台502侧壁，进一步延伸至环形凸台502端面径向，使气槽504两端分别与短管501外壁以及环形凸台502内壁连通；由此，使防冻堵冷端管5中，相邻两级短管501间，以及第一级短管501与冷端输气管1间型成气流通道；且气体进入第一级短管501与冷端输气管1间的气流通道后，流出方向为防冻堵冷端管5的径向；气流进入第二～四级短管501间的气流通道后，流出方向为沿短管501内壁，朝向第一级短管501，由此使从各气槽504射入防冻堵冷端管5内的气流方向与从冷端输气管进入防冻堵冷端管5内的低温气体流向相反，如图7所示。上述第一～第四级短管501在插接定位后，相邻两级的气槽504间具有45°夹角。
通过上述结构防冻堵涡流管，来自高压气源的高压气体从热气进口204进入进气腔203，通过喷嘴4前端的进气通道403进入涡流室，涡流室中内层的低温气体通过防冻堵冷端管5的进口流入防冻堵冷端管5，外层的高温气体依次经喷嘴内孔401、热端管301与分离锥304进入热气腔303，并由热端回流管302进入交换腔202，最终由热气出口205排出进入下游管路。在高温气体进入交换腔202内后，一方面高温气体通过防冻堵冷端管5的外壁面与内部流过的低温气流发生热交换，提高低温气流在防冻堵冷端管5内近壁区的温度；另一方面，微量的热气通过防冻堵冷端管5上的气槽504进入防冻堵冷端管5的内部，并沿防冻堵冷端管5内壁面以与低温气体流向相反的方向喷射，形成高温逆向射流，进而与低温气流发生掺混和扰动；其中，气体的掺混可以提高低温气流在近壁区的总温；同时，高温逆向射流的扰动会在低温气流的近壁区产生涡结构，大大增加低温气流的湍流度，进而减弱了冷凝处的液态水和固态冰晶在壁面上的附着冻结并对已经附着的松散冰晶起到吹落的作用；且高温逆向射流还会降低近壁区低温气流的流动速度，使得近壁区气流的静温进一步提高，这种效应在冷端输气管1内具有较高流动速度(马赫数>0.3)时会产生很大的影响，冷端输气管1内的高速流动一般因为涡流管在较高的压力环境下工作而引起的。
根据上述方案的全冷流率范围自适应防冻堵涡流管，加工出了便于观察冻堵情况的涡流管，并在低压环境(进口压力为0.6Mpa)下进行实验室试验。
试验装置中核心组装室2和防冻堵冷端管5采用无色透明的有机玻璃作为加工材料，从而方便观察防冻堵冷端管5内的冻堵情况，热端回流管302采用了软管。热气进口204、冷端输气管1和热气出口205均连接有测量段和阀门，测量段用以对涡流管各端的压力、温度和流量进行即时的监测和记录，阀门用以调节冷、热两端的流量分配。气源的压力0.6Mpa，温度为13℃，湿度为100％。
打开高压气源，通过调节冷、热两端的阀门，使冷流率(冷端出气流量/进气流量)由100％逐渐降低，观察并用照相机记录防冻堵冷端管5的结冰情况，同时记录当时各端的温度和流量。
结果显示，此试验用涡流管在冷流率为40％至100％时，其冷端输气管1内未发生任何结冰现象；冷流率为10％至40％时，其冷端输气管1内有结冰的现象，但是涡流管仍然正常工作，且不会因为结冰的累积而堵塞(如堵塞，冷流率会在设定值处自动发生变化)；冷流率低于10％时，湿空气的结晶和融化吹散平衡将被打破，涡流管无法正常工作。在此过程中，冷端输气管1输出气体的温度最高温度为4.1℃，冷流率低于53％时，冷端输气管的输出气体温度均在0℃以下，保证了涡流管制冷能力。