Page 83 - 电力与能源2023年第一期

苏 伟，等：基于涡流管降温的绝缘斗臂车防暑降温技术 77

种降温防中暑技术来保障工作人员的安全。 外围的圆周速度接近音速，并且轴心为冷空气，周
现有的降温防中暑技术，主要通过设计特殊 围为热空气，而冷空气和热空气会分别从两端的
的工作服，在工作服内部布置干冰降温容器，或者 小孔和大孔各自被分离出来，即压缩空气转化产
布置风扇形成服装内部气流通风，以达到降温目 生冷空气或热空气。
的。然而，这两种技术在带电作业的特殊场合，会 这个过程可以用一个涡轮机和一个摩擦阻尼
面临绝缘方面的问题，干冰降温会导致工作服局 来说明，如图 2 所示。当高压空气在涡流管内分

部过冷结露，从而引发高压放电电击隐患；布置风 离，其做功的过程相当于涡流管内有一个涡轮机
扇则由于服装中加入电子设备的导线，进一步破 和一个摩擦阻尼。当高压空气进入涡流管时，部
坏了服装的耐压能力，从而使工作服逐渐失去高 分空气（m 2 ）穿过涡轮机，带动涡轮机对轴做功，所
压防护能力，因此现有技术对高压带电作业特殊 以空气温度与焓均会下降，此时冷空气就从左边
场合的降温技术，还十分有限，亟待开发一种高 排出。剩下的空气（m 3 ）被涡轮机做功，速度提高，
效、安全、方便并且适用于斗臂车无电源场合带电 动能增加，随即穿过摩擦阻尼，压力降低，动能转

作业特殊场景下的新技术。 成 热 能 ，使 温 度 与 焓 上 升 ，此 时 热 空 气 从 右 边
排出。
1 涡流管降温原理

涡流管作为一种电气设备，既没有任何可移
动的部分，同时也没有散热片、热交换器等相关部
件，其故障率低，且不需热机的时间。只要有压缩
空气注入就可以产生冷空气或热空气。典型涡流
管如图 1 所示。

图 2 涡流管的工作原理
整个过程可分析如下，假设进入涡流管的高
压空气流量为 m 1，由质量守恒可得：

m 2+m 3=m 1
图 1 涡流管构造
若 假 设 空 气 为 理 想 气 体 ，且 比 热 为 常 数 ，
涡流管结构上是很简单的长直管，在此管的 则有：
两端各有一出口，分别为一大一小两孔，在靠近小
m 2T 1=m 2T 2+m 3T 3
端出口处有喷嘴，高压空气沿切线方向由喷嘴喷 入口温度与出口温度之间有这样的关系：
入管中，由于管中压力接近大气压，膨胀的空气以
T 1=xT 2+（1−x）T 3
接近音速的速度离开喷嘴，在管中形成涡流。由 其中：m 1 为入口高压空气的流量，m 2 为冷端
于管壁摩擦及其他因素影响，整个涡流管内气体 出口空气的流量，m 3 为热端出口空气的流量，单位
角速度为一个定值，相当于一个强制涡流，其速度 为 cfm（cubic feet per minute）；x=m 2/m 1 为冷空气
与半径成正比。因此在接近中心部分的空气，其 质量效率（cold fraction）；T 1 入口高压空气的温度，
速度会降低，角动量减少；而接近外围部分的空 T 2 为冷端出口空气的温度，T 3 为热端出口空气的

气，其速度会提高，角动量则会增加。这相当于接 温度，单位为℃。
近中心部分的空气产生扭矩来转动外围的空气，
2 涡流管降温设计方案
以抵抗管壁的摩擦。进一步可得到接近中心部分
的空气对外做功，其温度会下降；而在接近外围部 2.1 基本结构设计
分的空气被做功，其温度会上升。在涡流管内，其 本文采取电池供电的空气压缩机型压缩放热