ВИХРЕВАЯ ТРУБА Российский патент 1994 года по МПК F25B9/02 

Изобретение относится к энергетическому машиностроению, а именно к устройствам энергетического разделения газового потока для получения горячего и холодного газа, используемый в холодильной технике, кондиционировании и других областях народного хозяйства.

Известны вихревые трубы, содержащие сопловой ввод, тангенциально сообщенный с камерой энергетического разделения, на противоположных концах которой установлены диафрагма для выпуска осевого холодного потока и дроссельный вентиль для выпуска периферийного горячего потока. Для интенсификации процесса температурного разделения на конце камеры энергоразделения со стороны дроссельного вентиля размещены подпружиненные клапаны, вибрирующие под воздействием пульсаций потока в камере и таким образом генерирующие радиальные пульсации внутри камеры. Для создания радиальных пульсаций внутри камеры энергоразделения за счет энергии горячего потока газа со стороны дроссельного вентиля могут быть размещены консольно закрепленные пластины. Наличие радиальных пульсаций в области смещения осевого и периферийного вихрей в указанных вихревых трубах интенсифицирует эффект температурного разделения, так как данный эффект получается от совершения микрохолодильных циклов адиабатными (звуковыми) пульсациями в радиальном направлении в неадиабатном газовом потоке.

Недостатками известных вихревых труб являются низкий КПД преобразования потенциальной и кинетической энергии подогретого газового потока в волновую энергию звуковых колебаний и использование энергии только части газового потока, поступающего в вихревую трубу.

Отмеченные недостатки устранены в вихревой трубе, содержащей камеру энергетического разделения с дросселем для выхода горячего потока, сообщающуюся с диафрагмой для выхода холодного потока через сопловой ввод, снабженный газодинамическим излучателем звука по крайней мере с одной резонирующей полостью. В описанном устройстве штуцер подвода сжатого газа и сопловой ввод объединены в одной конструкции, а излучатель звука выполнен либо газоструйного типа, либо в виде резонирующей полости, сообщенной с сопловым вводом.

Указанные особенности способствуют тому, что часть внутренней энергии всего потока, входящего в вихревую трубу, превращается в энергию акустических колебаний, распространяющихся в камере энергоразделения.

Недостатками последней вихревой трубы являются наличие дополнительного гидросопротивления в сопловом вводе, так как излучатель звука устанавливается в сечении, где газовый поток движется с максимальной скоростью. Дополнительные гидросопротивления снижают уровень скоростей газового потока в камере энергоразделения и, следовательно, эффективность температурного разделения.

Описанное устройство является наиболее близким по технической сущности к заявляемому, поэтому оно принято за прототип.

Целью изобретения является повышение эффективности температурного разделения.

Цель достигается за счет того, что в вихревой трубе на боковой поверхности камеры энергетического разделения (на расстоянии 1/4 и 3/4 ее длины) выполнены сквозные отверстия.При этом газодинамический излучатель звука подсоединен к штуцеру для входа сжатого потока, сообщен с сопловым вводом через полость, охватывающую камеру энергетического разделения, и сам расположен в этой полости.

Кроме того, при наличии более одной резонирующей полости в них установлены поршни, ограничивающие длину по крайней мере одной из полостей в пределах 2-4 ее диаметров и по крайней мере одной 5-8 диаметров. Причем отверстия в боковой поверхности камеры энергетического разделения, расположенные ближе к сопловому вводу, имеют диаметры в пределах 0,01-0,03 от диаметра камеры, но не более 0,5 мм, а отверстия, расположенные ближе к дросселю, имеют в 1,5-2 раза большие диаметры. При этом общая площадь всех отверстий составляет 0,05-0,1 от площади минимального сечения соплового ввода.

Предложенное техническое решение отличается от известных тем, что содержит известный элемент - газодинамический излучатель звука (например, свисток Гартмана), работающий по своему прямому назначению, расположенный в полости (новый элемент), сообщающейся с входной частью соплового ввода, а также с камерой энергетического разделения посредством сквозных отверстий (новый элемент), выполненных на расстоянии 1/4 и 3/4 длины камеры на ее боковой поверхности.

Предложенное техническое решение отличается от известного (авт.св. N 1048264, прототип), в котором также содержится газодинамический излучатель звука, местом расположения последнего и, как следствие, другим способом подвода волновой энергии внутрь камеры энергетического разделения.

Наличие новых элементов - полости, в которой расположены газодинамические излучатели звука, и сквозных отверстий, соединяющих полость с камерой энергоразделения - показывает соответствие предложенного технического решения критерию "новизна".

Функционально известное техническое решение - газодинамический излучатель звука, расположенный в полости, имеющей отверстия, - соответствует известному способу акустического воздействия, заключающемуся в передаче волновой энергии путем генерации звуковых колебаний, их излучения, фокусирования и локализации их на заданном расстоянии.

В предложенном решении волновая энергия передается в камеру энергетического разделения вихревой трубы в местах отсутствия колебаний давления - в узлах стоячей звуковой волны, расположенных на расстоянии 1/4 и 3/4 длины камеры. Как известно, необходимым условием передачи тепла в вихревой трубе является наличие радиальных пульсаций давления различной амплитуды. Так как излучатели звука настраиваются на различную частоту колебаний, а отверстия в камере энергоразделения имеют различную величину, то внутрь камеры передаются колебания широкого спектра амплитуд, что приводит к возрастанию эффекта температурного разделения на тех режимах работы вихревой трубы, на которых ранее радиальных пульсаций было недостаточно - это режимы малых долей охлажденного газа.

Таким образом, применение известных технических решений по их прямому назначению в своей совокупности приводит к возникновению нового положительного эффекта, выражающегося в увеличении эффективности температурного разделения, что доказывает соответствие критерию "изобретательский уровень".

На фиг.1 показана предлагаемая конструкция, продольный разрез; на фиг.2 - сечение А-А на фиг.1.

Вихревая труба содержит штуцер подвода сжатого газа 1, сообщающийся с полостью 2 через газоструйные излучатели звука 3, сопловой ввод 4, совмещенный входной частью с камерой энергетического разделения 5, на одной стороне которой расположена диафрагма 6 для выпуска холодного газа, а на другой стороне - дроссель, выполненный, например, в виде отверстий 7 для выпуска горячего газа. Камера энергетического разделения 5 сообщается с полостью 2 сквозными отверстиями 8, расположенными на расстоянии 1/4 и 3/4 длины камеры на ее боковой поверхности. Газодинамические излучатели звука 3 в своих резонирующих полостях содержат поршни 9, имеющие возможность перемещения и изменения длины резонирующих полостей в диапазоне 2-8 диаметров полости.

Изобретение осуществляется следующим образом.

Поток сжатого газа подается через штуцер 1 в газодинамические излучатели 3, откуда газ поступает в полость 2. Излучатели звука генерируют акустические колебания различной частоты, так как поршни 9 ограничивают длину резонирующих полостей излучателей на различную величину (от 2 до 8 диаметров последних). Часть газа из полости 2 поступает через отверстия 8 различного диаметра в камеру энергоразделения 5 и создает там колебания давления широкого спектра амплитуды. Основная часть газа из полости 2 попадает в сопловой ввод 4, из которого вытекает в камеру энергоразделения 5 в виде закрученной струи с градиентом статических параметров газа по радиусу. В камере энергоразделения 5 газовый поток разделяется на две части, одна из которых, сформированная из приосевых охлажденных слоев газа, выводится через диафрагму 6 к потребителю холода. Другая часть газа выводится через дроссельные отверстия 7 в атмосферу.

Для более эффективного процесса температурного разделения в камере энергоразделения 5 должен быть создан за счет центробежных сил градиент статического давления газа по радиусу и индуцированы радиальные колебания газа различной амплитуды. Вследствие баротропности газа кроме градиента давления по радиусу камеры 5 устанавливается градиент статической температуры, однако колебания газа малой амплитуды выравнивают градиент статической температуры, в результате нарушается адиабатность газового потока. Колебания большой амплитуды, совершаемые адиабатически (звуковые колебания) по радиусу (вдоль градиента статического давления) в неадиабатном газовом потоке, приводят к передаче теплоты от приосевых слоев газа к периферийным в камере 5. В камере 5 устанавливается стоячая звуковая волна с узлами, расположенными на расстоянии 1/4 и 3/4 длины камеры на ее боковой поверхности. В этих местах амплитуда колебаний газа была бы минимальна, однако через отверстия 8 в камеру 5 передается волновая энергия, интенсифицирующая радиальные пульсации.

Эксперименты показали, что если суммарная площадь отверстий 8 меньше, чем 5% от площади минимального проходного сечения соплового ввода, то волновая энергия, передаваемая с газовым потоком через отверстия 8 в камеру 5, недостаточна для заметной интенсификации радиальных пульсаций в камере 5. Если же суммарная площадь отверстий 8 больше, чем 10% от площади соплового ввода 4, то газовый поток, проходящий через отверстия 8 в камеру 5, кроме акустического воздействия, оказывает негативное газодинамическое воздействие, снижая градиент статических параметров по радиусу и ухудшая эффективность температурного разделения.

Экспериментальные исследования также показали, что наибольший положительный эффект от акустического воздействия на процесс температурного разделения наблюдается, если резонирующие полости газодинамических излучателей звука 3 заглушены поршнями 9 на различной длине (в одном случае на длине 2-4 диаметров, в другом случае - 5-8 диаметров), кроме того, если диаметры отверстий 8, расположенных в камере 5 вблизи соплового ввода 4, меньше диаметров отверстий 8, расположенных вблизи дроссельных отверстий 7, в 1,5-2 раза, а величина первых составляет 0,01-0,03 от диаметра камеры 5, но не более 0,5 мм.

Повышение адиабатного КПД от применения указанных мероприятий не изменилось, однако его оптимум сместился в сторону меньших величин доли охлажденного газа по сравнению с описанными в литературе вихревыми трубами, что выразилось в повышении эффективности температурного разделения в диапазоне относительных долей охлажденного газа 0,3-0,48 на 2-3%.

Изобретение относится к энергетическому машиностроению, а именно к устройствам энергетического разделения газового потока для получения горячего и холодного газа, используемым в холодильной технике, кондиционировании и других областях народного хозяйства.. Сущность изобретения: на боковой поверхности камеры энергетического разделения (на расстоянии 1/4 и 3/4 ее длины) выполнены сквозные отверстия 8. При этом газодинамический излучатель 3 звука подсоединен к штуцеру для входа сжатого потока, сообщен с сопловым вводом 4 через полость 2, охватывающую камеру энергетического разделения, и сам расположен в этой полости. Кроме того, при наличии более одной резонирующей полости в них установлены поршни 9, ограничивающие длину по крайней мере одной из полостей в пределах 2 - 4 ее диаметров и по крайней мере одной 5 - 8 диаметров. Причем отверстия 8 в боковой поверхности камеры энергетического разделения, расположенные ближе к сопловому вводу 4, имеют диаметры в пределах 0,01 - 0,03 от диаметра камеры, но не более 0,5 мм, а отверстия 8, расположенные ближе к дросселю 7, имеют в 1,5 - 2 раза большие диаметры, причем общая площадь всех отверстий 8 составляет 0,05 - 0,1 от площади минимального сечения соплового ввода 4. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. ВИХРЕВАЯ ТРУБА, содержащая камеру энергетического разделения с дросселем для выхода горячего потока, сообщающуюся с диафрагмой для выхода холодного потока через сопловый ввод, снабженный газодинамическим излучателем звука с по крайней мере одной резонирующей полостью, отличающаяся тем, что на боковой поверхности камеры энергетического разделения на расстоянии 1/4 и 3/4 ее длины выполнены сквозные отверстия, а газодинамический излучатель звука подсоединен к штуцеру для входа сжатого потока, сообщен с сопловым вводом через полость, охватывающую камеру энергетического разделения, и сам расположен в этой полости. 2. Труба по п.1, отличающаяся тем, что при наличии более одной резонирующей полости в них дополнительно установлены поршни, ограничивающие длину по крайней мере одной из полостей в пределах 2 - 4 ее диаметров и по крайней мере одну 5 - 6 диаметров, при этом отверстия, выполненные в боковой поверхности камеры энергетического разделения, расположенные ближе к сопловому вводу, имеют диаметры в пределах 0,01 - 0,03 диаметра камеры, но не более 0,5 мм, а отверстия, расположенные ближе к дросселю, имеют в 1,5 - 2 раза большие диаметры, причем общая площадь всех отверстий составляет 0,05 - 0,1 площади минимального сечения соплового ввода.