渦流管制冷空調(diào)衣的設(shè)計與設(shè)備選型

李 臣 陳浩男

（江蘇海事職業(yè)技術(shù)學(xué)院 輪機電氣與智能工程學(xué)院，江蘇 南京211170）

1 概述

渦流管是一種結(jié)構(gòu)簡單的能量分離裝置，在有壓力差的情況下，能夠把氣流分離成冷、熱兩股氣流。氣流在渦流管內(nèi)高速旋轉(zhuǎn)時，處于中心部位的氣流溫度低，而處于外層部位的氣流溫度高，這就是所謂的“渦流效應(yīng)”。渦流管具有結(jié)構(gòu)簡單、占用空間小；無運動部件、免維護、壽命長；不用氟利昂或其他化學(xué)冷媒，無需用電；操作方便，運行安全可靠；造價低廉等諸多優(yōu)點。因此，在制冷領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，如局部冷卻、小范圍冷卻等一些制冷量小的場合。目前，有一些專業(yè)生產(chǎn)渦流管的廠家，如美國的Vortec 公司、Exair 公司等,開發(fā)了一系列渦流管產(chǎn)品。

本文設(shè)計的渦流管制冷裝置包含兩個部分，一個是渦流管制冷系統(tǒng)，包括微型空氣瓶、渦流管和管路；另一個是冷媒傳輸系統(tǒng)，包括氣管和隔熱服。本系統(tǒng)工作原理較為簡單，采用渦流管制冷，渦流管制冷是一種借助渦流管的作用使高速氣流產(chǎn)生漩渦分離出冷、熱兩股氣流，利用冷氣流而獲得制冷方法。渦流管制冷系統(tǒng)產(chǎn)生的冷量通過蒸發(fā)器傳遞給壓縮空氣，進而通過冷空氣傳遞給隔熱服內(nèi)，實現(xiàn)降溫的目的。

2 渦流管的模型設(shè)計

渦流管主要由噴嘴、冷端管、渦室、冷端管、渦室、熱端管和熱端調(diào)節(jié)閥組成，如圖1 所示。儲氣瓶內(nèi)空氣經(jīng)空壓機壓縮后，通過噴嘴進入渦流管制冷，將冷端空氣送入到空調(diào)衣內(nèi)實現(xiàn)制冷過程，如圖2 所示。渦流管內(nèi)的實際流動是一種具有粘性的三維可壓縮流動，流型十分復(fù)雜。在給定的結(jié)構(gòu)參數(shù)和渦旋管內(nèi)不同的位置下，流型會發(fā)生變化。

圖1 渦流管結(jié)構(gòu)

圖2 渦流管制冷原理圖

微型制冷系統(tǒng)制冷量是根據(jù)人體的最佳舒適溫度與室外溫差之間的熱量傳遞量來確定，根據(jù)南京本地氣象調(diào)查，發(fā)現(xiàn)南京夏季溫度時常高于38℃，本文將環(huán)境溫度選為40℃，以便于計算，而根據(jù)人體體表舒適溫度調(diào)查發(fā)現(xiàn)人體體表最舒適溫度在24℃～26℃范圍內(nèi)，本文選取25℃為體表舒適溫度，選為微型制冷系統(tǒng)蒸發(fā)器溫度。為了計算換熱面積，本文以人體上半身表面積為換熱對象進行換熱面積計算，將人體衣服選材為通碼L 型號上衣。尺寸如下表：

表1 人體通碼L 型號上衣尺寸

衣服面積計算的計算公式為（衣長+6 厘米）×（胸圍+8 厘米）+(袖長+6 厘米)×(一周的袖肥+2 厘米)×2（單位：平方厘米）。

通過服裝面積常用計算公式，我們計算結(jié)果得出人體表面換熱面積S=3500cm2。因此可根據(jù)公式（1）計算得到夏季所需空調(diào)衣熱負荷所需制冷量Q。

式中：Q 為空調(diào)衣熱負荷所需制冷量；c 為人體表面換熱系數(shù)，本文取60w/（m2*℃）；S 為換熱面積，根據(jù)上文計算為3500cm2；t1為環(huán)境溫度，取40℃；t2為蒸發(fā)器溫度，取25℃。

經(jīng)計算，空調(diào)衣所需熱負荷Q=315W，由于上文計算中沒有考慮到制冷損失和傳熱損失，因此本文將渦流管制冷量選為500w，保證了空調(diào)衣熱負荷的需求。空調(diào)衣熱負荷所需制冷量選定后，根據(jù)蒸發(fā)式壓縮制冷原理繪制渦流管制冷系統(tǒng)的原理圖，為后續(xù)零部件選型做好了準備。

3 渦流管制冷空調(diào)衣的設(shè)備選型

根據(jù)上文計算，本文設(shè)計的微型制冷空調(diào)衣制冷量要求為500w 左右，因此，根據(jù)這一要求以及微型制冷系統(tǒng)工作地點的特點，渦流管制冷空調(diào)衣的初步設(shè)計，包括微型空氣瓶、渦流管、隔熱服和管路的選型。

3.1 微型空氣瓶的選型。儲氣罐是工業(yè)上常用的一種負責(zé)凈化和壓縮空氣的設(shè)備，微型氣罐能直接影響整個設(shè)備的負荷卸載，為了保證工作人員的人身安全，對氣罐的正確選擇起著重要作用。首先，應(yīng)嚴格執(zhí)行GB150-98“鋼制壓力容器”的標準選擇。

儲氣罐可以根據(jù)下列公式選用：V=N×Q÷（P+1） （2）

式中：V：儲氣罐容積；Q：空壓機排氣量；P：排氣壓力。

本次設(shè)計的空調(diào)衣建立在微型制冷裝置上，總體來說用氣量且基本沒有上下波動，N 取值為1。選用的微型空氣瓶如圖3 所示，容量為10L，最大儲存氣壓為1MPa，而渦流管只需0.4MPa 即可正常工作，因此需配置減壓閥。

圖3 微型空氣瓶

圖4 減壓球閥

圖5 選用的隔熱服

圖6 空調(diào)衣氣體走向圖

3.2 壓力表閥選型。渦流管空調(diào)衣制冷中最重要的部件之一是壓力閥。壓力表閥門有很多種類型，比如有一般的指針式，還有數(shù)字式。一般有波登管壓力表、防爆壓力表等。減壓閥的選型原則如下：（1）減壓閥入口壓力需要設(shè)定在能正?？刂频姆秶话銥?0%～105%，如果超出此范圍，閥門性能降低，甚至出現(xiàn)泄漏，損壞等現(xiàn)象。（2）如果在溫度較高場合下使用，通常使用先導(dǎo)式活塞減壓閥或者波紋式減壓閥。（3）如果工作環(huán)境是空氣或，通常需要使用直接采用先導(dǎo)隔膜減壓閥膜減壓閥或薄膜減壓閥。（4）在安裝減壓閥之前，必須清潔管道系統(tǒng)，以防止水和雜質(zhì)進入閥體。安裝減壓閥時，應(yīng)打開旁通管道的截止閥，以清除管道中的水分混合物，以免減壓閥開啟時產(chǎn)生水汽沖擊現(xiàn)象。當減壓閥無異常情況后，按照瞬時針方向慢慢旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)螺釘，將出口壓力調(diào)至設(shè)定值，根據(jù)上文的計算出口壓力在0.5～0.7MPa 之間選用了一個球閥如圖4 所示，在安裝完減壓閥后還可以在減壓球閥之前加裝一個過濾器，但考慮到需要在直管到上效果最佳，本產(chǎn)品并沒有安裝過濾器。日后這也是一個改進的方案。

3.3 隔熱服的設(shè)計。為了保證制冷效果，在空調(diào)衣內(nèi)除安裝氣管路外，還需增加保溫隔熱膜片，以保證制冷效果。為了保證隔熱服內(nèi)氣路的分布均勻，隔熱服的設(shè)計參照馬甲的樣式，如圖5。其氣路走向圖依據(jù)人體的散熱需求及安全可靠因素設(shè)計，如圖6 所示。

4 結(jié)論

本文設(shè)計的渦流管制冷空調(diào)衣選用的渦流管制冷量約為500w，空氣進口壓力為0.4MPa，保證了人體制冷的需求，同時本文還對本產(chǎn)品中設(shè)計的微型空氣瓶、減壓閥、隔熱服和管路等部件進行了選型，為產(chǎn)品的加工實驗做好了準備。