渦流管制冷空調衣的設計與設備選型

李 臣 陳浩男

（江蘇海事職業技術學院 輪機電氣與智能工程學院，江蘇 南京211170）

1 概述

渦流管是一種結構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。氣流在渦流管內高速旋轉時，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”。渦流管具有結構簡單、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冷媒，無需用電；操作方便，運行安全可靠；造價低廉等諸多優點。因此，在制冷領域得到了廣泛的應用，如局部冷卻、小范圍冷卻等一些制冷量小的場合。目前，有一些專業生產渦流管的廠家，如美國的Vortec 公司、Exair 公司等,開發了一系列渦流管產品。

本文設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，包括微型空氣瓶、渦流管和管路；另一個是冷媒傳輸系統，包括氣管和隔熱服。本系統工作原理較為簡單，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。渦流管制冷系統產生的冷量通過蒸發器傳遞給壓縮空氣，進而通過冷空氣傳遞給隔熱服內，實現降溫的目的。

2 渦流管的模型設計

渦流管主要由噴嘴、冷端管、渦室、冷端管、渦室、熱端管和熱端調節閥組成，如圖1 所示。儲氣瓶內空氣經空壓機壓縮后，通過噴嘴進入渦流管制冷，將冷端空氣送入到空調衣內實現制冷過程，如圖2 所示。渦流管內的實際流動是一種具有粘性的三維可壓縮流動，流型十分復雜。在給定的結構參數和渦旋管內不同的位置下，流型會發生變化。

圖1 渦流管結構

圖2 渦流管制冷原理圖

微型制冷系統制冷量是根據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，根據南京本地氣象調查，發現南京夏季溫度時常高于38℃，本文將環境溫度選為40℃，以便于計算，而根據人體體表舒適溫度調查發現人體體表最舒適溫度在24℃～26℃范圍內，本文選取25℃為體表舒適溫度，選為微型制冷系統蒸發器溫度。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，我們計算結果得出人體表面換熱面積S=3500cm2。因此可根據公式（1）計算得到夏季所需空調衣熱負荷所需制冷量Q。

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

經計算，空調衣所需熱負荷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，保證了空調衣熱負荷的需求。空調衣熱負荷所需制冷量選定后，根據蒸發式壓縮制冷原理繪制渦流管制冷系統的原理圖，為后續零部件選型做好了準備。

3 渦流管制冷空調衣的設備選型

根據上文計算，本文設計的微型制冷空調衣制冷量要求為500w 左右，因此，根據這一要求以及微型制冷系統工作地點的特點，渦流管制冷空調衣的初步設計，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。儲氣罐是工業上常用的一種負責凈化和壓縮空氣的設備，微型氣罐能直接影響整個設備的負荷卸載，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，應嚴格執行GB150-98“鋼制壓力容器”的標準選擇。

儲氣罐可以根據下列公式選用：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。

本次設計的空調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 空調衣氣體走向圖

3.2 壓力表閥選型。渦流管空調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定在能正常控制的范圍，一般為80%～105%，如果超出此范圍，閥門性能降低，甚至出現泄漏，損壞等現象。（2）如果在溫度較高場合下使用，通常使用先導式活塞減壓閥或者波紋式減壓閥。（3）如果工作環境是空氣或，通常需要使用直接采用先導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，以防止水和雜質進入閥體。安裝減壓閥時，應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生水汽沖擊現象。當減壓閥無異常情況后，按照瞬時針方向慢慢旋轉調節螺釘，將出口壓力調至設定值，根據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 隔熱服的設計。為了保證制冷效果，在空調衣內除安裝氣管路外，還需增加保溫隔熱膜片，以保證制冷效果。為了保證隔熱服內氣路的分布均勻，隔熱服的設計參照馬甲的樣式，如圖5。其氣路走向圖依據人體的散熱需求及安全可靠因素設計，如圖6 所示。

4 結論

本文設計的渦流管制冷空調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，同時本文還對本產品中設計的微型空氣瓶、減壓閥、隔熱服和管路等部件進行了選型，為產品的加工實驗做好了準備。