涡流管制冷系统：原理、应用与故障排除

涡流管制冷，一种通过涡流管技术实现的高速气流漩涡分离制冷方法，近年来备受关注。该技术利用涡流管，使高速气流产生漩涡，从而分离出冷、热两股气流，进而利用冷气流达到制冷效果。其发展历程中，Ranque作为涡流管的先驱，深入探讨了内旋气体流的绝热膨胀与外旋气流的绝热压缩在能量分离中的作用。而Hilsch则进一步指出，外旋气流层间的粘性摩擦也是不可忽视的能量分离因素。

涡流管制冷的显著优势在于其结构简单、启动迅速，且无需移动部件，仅需压缩空气即可驱动。这使得它在特殊冷却或制热需求的领域具有广泛的应用潜力，特别是在矿井等不适宜电带动的环境中。目前，我国煤炭矿井面临日益严重的热害问题，而涡流管制冷系统结合井下气动风机，能为矿井局部降温提供一种新的解决方案。

然而，涡流管内部的能量分离机制仍是一个复杂的科学问题。尽管如此，计算流体力学的发展为数值模拟提供了可能，有助于更深入地研究涡流管中的复杂流动和能量分离现象。通过数值模拟，我们可以更全面地了解涡流管内部流场和温度场的分布，从而为优化设计和提高制冷效率提供有力支持。

图中p0、p1、p2分别代表环境大气压、喷嘴出口压力和空压机出口压力，而ΔT1和ΔT2则分别表示实际温降和理论最大温降。1－2－3－4－1描绘了理想涡流管的制冷循环，其面积即代表理想涡流管的制冷量。在此过程中，环境空气经过空气压缩机等温压缩后，再经喷嘴的节流过程，进入涡流管绝热膨胀，最终排出冷热端管。

而图中的2－3'则展示了实际喷嘴节流降温的过程，其中由于摩擦等损失导致焓值增加。紧接着，3'－4'描绘了实际涡流室中气体膨胀降温的过程，其膨胀效率介于绝热膨胀与绝热放气之间，部分焓减小转化为气体的推动功，因此实际涡流管的制冷效率高于理想节流的等焓过程。1－2－3'－4'－1则完整呈现了实际涡流管制冷循环，其面积即代表实际涡流管制冷量。此外，2－5为等焓线，而1－2－5过程则展示了单一利用空气压缩机出口气体进行节流制冷循环的制冷量。通过对比，我们可以发现理想及实际涡流管的总制冷量均高于仅采用节流效应制冷的效率。

涡流管中常用的气体及其特性

涡流管中，常用的气体包括空气、二氧化碳和氮气等。当这些高压气体在常温状态下进入涡流管时，冷气流的温度可以降至-10°C至-50°C之间，而热气流的温度则能达到100°C至130°C。此外，涡流管还具有出色的冷却能力，其产生的冷气温度最低可达到零下46℃，且其运行过程中无运动部件，使得维护简便且耐用。

1. 成本低廉，免维护设计

2. 温度范围宽广，从-50°F至260°F（-46°至+127℃）

3. 流量灵活可调，从1至100 SCFM（28至4248 SLPM）

4. 最大制冷量高达6000 Btu/hr.（1512 Kcal/hr.）

5. 精选用高强度不锈钢打造，耐腐蚀、抗氧化、耐高温

6. 无需电力、化学物质，无电火花产生，安全可靠

7. 紧凑尺寸、轻便重量，具备防冲撞性能

8. 迅速产冷气，且可通过阀门快速调节制冷量

总结：

(1) 涡流管的制冷效率始终优于单一节流效应制冷方式；
(2) 其内部流场由轴向、径向和漩涡运动共同构成，轴向上呈阿基米德螺线形态，横截面上则为强制涡-自由涡模型；
(3) 涡流室区域是流体能量分离的主要场所，同时，喷嘴处少量气体直接进入冷端孔与冷气流混合，对制冷效率产生影响。