涡流管制冷空调衣的设计与设备选型

李 臣 陈浩男

（江苏海事职业技术学院 轮机电气与智能工程学院，江苏 南京211170）

1 概述

涡流管是一种结构简单的能量分离装置，在有压力差的情况下，能够把气流分离成冷、热两股气流。气流在涡流管内高速旋转时，处于中心部位的气流温度低，而处于外层部位的气流温度高，这就是所谓的“涡流效应”。涡流管具有结构简单、占用空间小；无运动部件、免维护、寿命长；不用氟利昂或其他化学冷媒，无需用电；操作方便，运行安全可靠；造价低廉等诸多优点。因此，在制冷领域得到了广泛的应用，如局部冷却、小范围冷却等一些制冷量小的场合。目前，有一些专业生产涡流管的厂家，如美国的Vortec 公司、Exair 公司等,开发了一系列涡流管产品。

本文设计的涡流管制冷装置包含两个部分，一个是涡流管制冷系统，包括微型空气瓶、涡流管和管路；另一个是冷媒传输系统，包括气管和隔热服。本系统工作原理较为简单，采用涡流管制冷，涡流管制冷是一种借助涡流管的作用使高速气流产生漩涡分离出冷、热两股气流，利用冷气流而获得制冷方法。涡流管制冷系统产生的冷量通过蒸发器传递给压缩空气，进而通过冷空气传递给隔热服内，实现降温的目的。

2 涡流管的模型设计

涡流管主要由喷嘴、冷端管、涡室、冷端管、涡室、热端管和热端调节阀组成，如图1 所示。储气瓶内空气经空压机压缩后，通过喷嘴进入涡流管制冷，将冷端空气送入到空调衣内实现制冷过程，如图2 所示。涡流管内的实际流动是一种具有粘性的三维可压缩流动，流型十分复杂。在给定的结构参数和涡旋管内不同的位置下，流型会发生变化。

图1 涡流管结构

图2 涡流管制冷原理图

微型制冷系统制冷量是根据人体的最佳舒适温度与室外温差之间的热量传递量来确定，根据南京本地气象调查，发现南京夏季温度时常高于38℃，本文将环境温度选为40℃，以便于计算，而根据人体体表舒适温度调查发现人体体表最舒适温度在24℃～26℃范围内，本文选取25℃为体表舒适温度，选为微型制冷系统蒸发器温度。为了计算换热面积，本文以人体上半身表面积为换热对象进行换热面积计算，将人体衣服选材为通码L 型号上衣。尺寸如下表：

表1 人体通码L 型号上衣尺寸

衣服面积计算的计算公式为（衣长+6 厘米）×（胸围+8 厘米）+(袖长+6 厘米)×(一周的袖肥+2 厘米)×2（单位：平方厘米）。

通过服装面积常用计算公式，我们计算结果得出人体表面换热面积S=3500cm2。因此可根据公式（1）计算得到夏季所需空调衣热负荷所需制冷量Q。

式中：Q 为空调衣热负荷所需制冷量；c 为人体表面换热系数，本文取60w/（m2*℃）；S 为换热面积，根据上文计算为3500cm2；t1为环境温度，取40℃；t2为蒸发器温度，取25℃。

经计算，空调衣所需热负荷Q=315W，由于上文计算中没有考虑到制冷损失和传热损失，因此本文将涡流管制冷量选为500w，保证了空调衣热负荷的需求。空调衣热负荷所需制冷量选定后，根据蒸发式压缩制冷原理绘制涡流管制冷系统的原理图，为后续零部件选型做好了准备。

3 涡流管制冷空调衣的设备选型

根据上文计算，本文设计的微型制冷空调衣制冷量要求为500w 左右，因此，根据这一要求以及微型制冷系统工作地点的特点，涡流管制冷空调衣的初步设计，包括微型空气瓶、涡流管、隔热服和管路的选型。

3.1 微型空气瓶的选型。储气罐是工业上常用的一种负责净化和压缩空气的设备，微型气罐能直接影响整个设备的负荷卸载，为了保证工作人员的人身安全，对气罐的正确选择起着重要作用。首先，应严格执行GB150-98“钢制压力容器”的标准选择。

储气罐可以根据下列公式选用：V=N×Q÷（P+1） （2）

式中：V：储气罐容积；Q：空压机排气量；P：排气压力。

本次设计的空调衣建立在微型制冷装置上，总体来说用气量且基本没有上下波动，N 取值为1。选用的微型空气瓶如图3 所示，容量为10L，最大储存气压为1MPa，而涡流管只需0.4MPa 即可正常工作，因此需配置减压阀。

图3 微型空气瓶

图4 减压球阀

图5 选用的隔热服

图6 空调衣气体走向图

3.2 压力表阀选型。涡流管空调衣制冷中最重要的部件之一是压力阀。压力表阀门有很多种类型，比如有一般的指针式，还有数字式。一般有波登管压力表、防爆压力表等。减压阀的选型原则如下：（1）减压阀入口压力需要设定在能正常控制的范围，一般为80%～105%，如果超出此范围，阀门性能降低，甚至出现泄漏，损坏等现象。（2）如果在温度较高场合下使用，通常使用先导式活塞减压阀或者波纹式减压阀。（3）如果工作环境是空气或，通常需要使用直接采用先导隔膜减压阀膜减压阀或薄膜减压阀。（4）在安装减压阀之前，必须清洁管道系统，以防止水和杂质进入阀体。安装减压阀时，应打开旁通管道的截止阀，以清除管道中的水分混合物，以免减压阀开启时产生水汽冲击现象。当减压阀无异常情况后，按照瞬时针方向慢慢旋转调节螺钉，将出口压力调至设定值，根据上文的计算出口压力在0.5～0.7MPa 之间选用了一个球阀如图4 所示，在安装完减压阀后还可以在减压球阀之前加装一个过滤器，但考虑到需要在直管到上效果最佳，本产品并没有安装过滤器。日后这也是一个改进的方案。

3.3 隔热服的设计。为了保证制冷效果，在空调衣内除安装气管路外，还需增加保温隔热膜片，以保证制冷效果。为了保证隔热服内气路的分布均匀，隔热服的设计参照马甲的样式，如图5。其气路走向图依据人体的散热需求及安全可靠因素设计，如图6 所示。

4 结论

本文设计的涡流管制冷空调衣选用的涡流管制冷量约为500w，空气进口压力为0.4MPa，保证了人体制冷的需求，同时本文还对本产品中设计的微型空气瓶、减压阀、隔热服和管路等部件进行了选型，为产品的加工实验做好了准备。