涡流制冷方式在工业领域的应用

涡流制冷方式在工业领域的应用

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，摄像机连续匚作系统

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类：、输入功率制冷：如蒸汽压

缩式制冷、热电制冷。、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•定的优缺点和合用范围。

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H前仍然沿用传统解决

办法：

对「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：

、表中所列出的“针定性”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。

、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：

、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

件要求小高的电气、仪表控制设备，应用范围有限。

、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。

、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（泄露破坏臭辄层，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、5（rc以上的高温环境）下易发故障

或者失去制冷效能。

、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（如不少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，

、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者隔离在在受保护元件以外。

、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，只用在发热量特殊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、化学腐蚀利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：

涡流管现象是年法国物理学家乔治朗格发现的。美国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-O

流体环绕轴而旋转一一象龙卷风•样一一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包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为了足够的负压这一负压迫使一部份空气经涡流管中心回流

到冷端这部份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，旋转的气流被迫以的旋转速度沿热管壁注入热

管内部。在热管的终端，一小部份空气通过针型阀以热空气方式汨出。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，越挨近涡流管中心部份的涡流，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一一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

外层气流的速度慢，也就是说，内层气流的速度在通过外层气流中心时被削弱了。旋湎中心

的气流则流向冷空气出口，通过吹气入口时会膨胀然后冷却。因此，旋涡外层空气的增温是

由于加速外层气流的黏滞性做功，而中心部份空气流往相反方向，则因扩散而降温。而且还

因为能量与速度的平方成正比，冷气流的减速是通过热传导来丧失其能量的。这样以来能量

就以热量传导的方式由内层气流向外层气流传递，也就是产生了内层冷气流。

制冷系数：

涡流管冷气端释放的冷气量占输入压缩空气总量的体积百分比就叫该涡流管的制冷系数。位

于涡流管热气泻放端的针形阀门控制制冷系数。例如，如果压缩空气输入量为，

而且涡流管的制冷系数是，那末，涡流管冷气泻放瑞泻放出的冷气量是

热气泻放端泻放出的热气量将是。

制冷系数在范围内时，涡流管工作效率最大一一输出功率最大一一于是这种工

作状态的涡流管是机械加工工艺冷却、封闭的电气控制系统设备冷却、液浴冷却和操作人员

身体制冷的理想选择。低制冷系数小于则减少了气流量并产生了最低温度，这种情况

则多用于冷却玻璃、实验室超低温试验和电子元件的测试

二、涡流管的特点及应用：

特点：

、性能可靠、安全，

、安装、拆卸方便，维护简便，无氟利昂等化学剂。

、结构紧凑、质量轻，局部制冷，无电磁干扰，产品费用低。

、涡旋致冷器本身没有运动部件，可长期工作而不需要维修，也不会引起机械振动及电

磁干扰。

、经济实用。涡旋制冷器的工质是空气，所以使用成本低且方便。无任何电气连接，仅需

压缩空气就能连续提供冷量。

、适应性强。采用涡旋致冷系统防护的环境温度可达℃,可合用于露天放置及高温

条件下工作的各种工业电视系统。可合用于高温、高湿度、高污染、灰尘浓度高、高噪音、

高危（wei）险性气体等环境恶劣的场合。

、可以做成坚固的不锈钢结构，耐用，防撞击，寿命长。

、涡流管可应不同的应用场合灵便地设计成不同的应用模式，如应用于局部密闭空间冷效

比很高制冷型设备（屏柜制冷器）、极低出气温度的点制冷型（冷气枪）和人体空调服上的

可调温涡流管。

涡流制冷的部份应用举例：

、在机械加工中可替代冷却液，用于提高生产效率、工作精度、光洁度和工具寿命，且无

污染。不需使用冷却剂，用低温空气来冷却，不会有烟雾及高温热度，使工作环境变

差。机械加工时刀具温度上升，会加速磨损，使用低温空气冷却除可防止刀具破损，防止切

削粉屑附着于刀具上。钻孔加工时钻头寿命的延长。

、冷却电气控制柜，以防止设备过热引起的设备控制失灵，使设备可靠运行。控制盘内因

热造成电气、电子控制组件之伤害，与使用送风机或者冷煤设备相比较，可保持盘内较干燥

与环境清洁，并减少粉尘产生与无维修问题困扰。

、摄像机防护罩内部制冷，可用于高温环境下摄像机冷却装置，结构简单、节能。高温炉

熔接装置等感应器或者电气系统冷却。工业用照像机冷却。等电子部品冷却测试。

、用作恒温仪，提供实验室样品试验所须低温，可制成实验室用恒温水槽。恒温器的精确

度测试时冷却。

、工业焊缝制冷，高效、方便。产生的冷空气能通过导管万向管等对发热机电部件切割

刀具高温镜头光融产品变频控制柜等快速降温保护设备，提高工艺质量缩短

流程时间防爆工业监视和高温工业监视系统

、用于等离子喷涂，可防止又喷涂点上产生的高温可导致的涂层脱落、氧化，可改善涂层

质量。

、缝制作业时缝纫车针冷却，避免缝制时断线。

、塑料容器加工时防止软化。

、印刷工业的塑料网版加工时防止软化。

、电子部品焊接作业时的急速冷却。

、塑料板熔接后冷却。

、截断机切刀的冷却。

、鼓风机轴承冷却。

、各种组件烧结拨入对象时冷却。

、纤维截断时因截断机发热使纤维溶化之防止。

、树脂物件开孔时冷却。

、订书制程中车针冷却防止断线。

、轮胎侧面研磨切削时冷却。

、贵重金属、宝饰加工冷却。

、牛奶、饮料等纸包装缝合时冷却。

、航天领域中卫星地面测试系统内的局部制冷,

结论：

涡流管以其小巧、灵便、坚固的结构，非常环境下的适应能力，独特的冷却方式，稳定可靠

的工作模式，以及安装方便，成本经济的产品特点决定了它在制冷领域具有它的独到之处，

正因如此，它在不少工业应用场合发挥了独特的制冷功能。随着科学技术的口新月异，新兴

技术对制冷技术会提出更高的更新的要求，涡流制冷技术将会发挥越来越重要的作用。

结语：

本文只述及涡流制冷的基本原理以及在工业领域的基本应用，对涡流制冷的效率及制冷

过程的定量分析没有作详细探讨和研究，望方家提出批评指正以便使我们在该领域的应用研

究获得更为详实理论和实践依据，在此，我们感谢美国公司及泛博的业界同仁为我们

提供的大力匡助。

参考文献：

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III

[]涡流管制冷及其在天然气工业中的应用制冷学报

1.5.1气体涡流制冷的机理分析

♦涡流管结构

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图涡流管结构及工作过程示意图

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♦涡流管的工作过程