ВИХРЕВАЯ ТРУБА В.И.МЕТЕНИНА Российский патент 1995 года по МПК F25B9/02 

Изобретение относится к холодильной технике и предназначается для эффективного использования вихревого эффекта в вихревых трубах. Такие противоточные вихревые трубы особенно пригодны в авиации для кондиционирования воздуха на самолетах, так как они достаточно экономичны, не имеют вращающихся частей и поэтому надежны в эксплуатации, мобильны, обладают быстродействием и имеют по сравнению с применяемыми турбодетандерами практически неограниченный ресурс работы. Ввиду этих преимуществ предлагаемые вихревые трубы найдут применение в криогенной и pакетной технике и особенно они пpигодны в космической технике в схемах тепловых насосов, в которых теплообменник-регенератор и горячий поток сопрягаются с тепловыми трубами, а тепло отводится в излучателях-холодильниках.

Известны вихревые трубы, содержащие закрытую с торцов коническую камеру энергетического разделения с тангенциальными сопловыми вводами сжатого газа, диафрагму с коническим раструбом оканчивающимся радиальным щелевым диффузором для отвода холодного потока. На горячем (широком) конце вихревой камеры расположен периферийный лопаточный диффузор для преобразования кинетической энергии горячего потока в потенциальную энергию давления.

Однако для таких вихревых труб повышение эксергетического КПД, обусловленное увеличением работоспособности горячего потока, невелико: эксергетический КПД для таких вихревых труб имеет величину 23-25%
Известны также вихревые трубы, содержащие закрытую с торцов коническую камеру энергетического разделения с тангенциальным сопловым вводом сжатого газа по логарифмической спирали или по спирали Архимеда, диафрагму с коническим раструбом оканчивающуюся радиальным щелевым диффузором для отвода холодного потока. На горячем (широком) конце вихревой камеры энергетического разделения расположен диффузор, в котором в потенциальную энергию давления преобразуется часть кинетической энергии горячего потока, обусловленная окружной составляющей скорости. Затем горячий поток поступает в газосборник, откуда он может направляться для дальнейшего использования, например, в качестве сжатого газа.

В конце камеры энергетического разделения установлена аэродинамическая решетка, обеспечивающая рециркуляцию горячего потока в камере энергоразделения и некоторое перераспределение давлений в ней, а также повышение степени расширения потока газа в сопловом вводе и, как следствие этого, повышение температурного эффекта охлаждения и холодопроизводительности вихревой трубы. Однако эти конструктивные и технологические решения, обеспечивающие рециркуляцию горячего потока в камере энергоразделения, нуждаются в дальнейшем усовершенствовании.

Холодный поток отбирается из трубы через диафрагму с коническим раструбом, оканчивающимся щелевым диффузором. Эти трубы хотя и имеют относительно высокий эксергетический КПД, обусловленный увеличением работоспособности горячего потока, но они имеют тот недостаток, что в них не используется энергия горячего потока, например, для увеличения холодопроизводительности и температурного эффекта охлаждения вихревой трубы.

Целью изобретения является увеличение холодопроизводительности и температурного эффекта охлаждения проти- воточной вихревой трубы за счет охлаждения некоторой рециркулирующей части периферийного горячего потока в теплообменнике-регенераторе путем утилизации энергии оставшейся (нерециркулирующей) его части в эжекторе, просасывающим через теплообменник-регенератор охлаждающую среду.

Это достигается тем, что противоточная вихревая труба дополнительно содержит теплообменник-регенератор, примыкающий к горячему торцу вихревой камеры энергоразделения, внутренняя поверхность теплообмена которого является продолжением периферийной части камеры энергоразделения и ее омывает рециркулирующая часть горячего потока, а его охлаждающей средой является, например, атмосферный воздух, который просасывает эжектор, работающий от нерециркулирующей части горячего потока вихревой трубы.

На фиг. 1 изображена предлагаемая вихревая труба, продольный разрез; на фиг.2 разрез А-А на фиг.1; на фиг.3 разрез Б-Б на фиг.1.

Вихревая труба имеет корпус 1. С одной стороны в корпус вставлен многосопловой ввод 2, который смонтирован в гнезде соплового ввода 3. Крышкой корпуса 4 сопловой ввод прижимается к корпусу. К крышке корпуса крепится камера энергетического разделения газа 5, а с противоположной стороны диафрагма 6, центральная часть которой имеет осевой диффузор 7, плавно переходящий в щелевой диффузор 8. На выходе щелевого диффузора установлен ресивер холодного потока 9, который может служить одновременно камерой холода. Температура газа в камере холода замеряется хромель-копелевой термопарой 10 типа Т-49-4.

На горячем конце камеры энергоразделения газа закреплен лопаточный диффузор 11. К последнему прикреплена теплоизоляционная прокладка 12, примыкающая к аэродинамической сопловой решетке 13. Периферийная часть решетки, имеющая кольцевую щель, крепится к теплообменнику 14, а ее центральная часть, выполненная в виде сопловой решетки, примыкает к транспортной зоне теплообменника 19. На другом конце транспортной зоны смонтирован золотниковый клапан 20.

К лопаточному диффузору, кроме того, крепится кольцевой патрубок 15, являющийся ресивером горячего потока, к которому в свою очередь крепятся штуцер термопары 16, штуцер манометра 22 и штуцер сопла эжектора 17, имеющего с корпусом теплообменника-регенератора общий кожух 18.

Работа предлагаемой вихревой трубы осуществляется следующим образом.

Сжатый воздух или другой газ через отверстие в корпусе 1 подается в многосопловой ввод 2, где расширяется и получает закрутку. Далее закрученный поток попадает в коническую вихревую камеру энергетического разделения 5, где происходит процесс энергетического разделения газа с образованием двух потоков, из которых один, перемещающийся по периферии и имеющий более высокие температуру и давление, выходит через лопаточный диффузор (нерециркулирующая часть) в кольцевой патрубок и далее в эжектор. Другая периферийная часть завихренного горячего потока (рециркулирующая часть) поступает в кольцевую щель на периферии тела аэродинамической сопловой решетки и далее в теплообменник-регенератор с оребренной внутренней и наружной поверхностью теплообмена. Вращаясь с высокими окружной и осевой составляющими скорости, он омывает внутренние ребра поверхности теплообмена, охлаждается, тормозится и через золотниковый клапан 20 и транспортную зону 19, выполненную из теплоизоляционного материала, поступает в центральную часть аэродинамической сопловой решетки. Проходя решетку с цилиндрическими соплами диаметром в один мм*, газ разбивается на мелкие струи и энергично вдувается в приосевую полость вихревой камеры энергоразделения, интенсифицируя в ней турбулентность способствующую повышению эффективности процесса энергоразделения.

Указанный выше переток газа объясняется тем, что вследствие центробежного расширения газа в конической вихревой камере энергоразделения на ее горячем конце в приосевой области при замене аэродинамической сопловой решетки плоской стенкой образуется область низкого давления, т.е. глубокого вакуума. Глубина вакуума зависит от режима работы вихревой трубы, т.е. от величин массовой доли холодного потока μ, давления Р₁ и температуры t₁ газа на входе в трубу. Чем больше μ, при Р₁=const, тем больше глубина вакуума. Так, например, при Р₁=2,6 ата=0,26 Мпа, t₁=22^oC и μ1 абсолютное давление газа на оси горячего конца конической камеры энергоразделения диаметром 42 мм, длиной 126 мм, т.е. длиной, равной трем диаметрам, и углом конусности 3^о40', составляет 3 мм ртутного столба, т.е. 400 Па.

Таким образом, рециркуляция газа обеспечивается самим рабочим процессом вихревой трубы без дополнительных затрат энергии, так как конический горячий конец камеры энергоразделения работает как противоточный вихревой эжектор. Он отсасывает из камеры энергоразделения периферийный горячий поток, находящийся против периферийной части аэродинамической сопловой решетки, т.е. рециркулирующую часть горячего потока G_p. При этом периферийное статическое давление горячего потока, т.е. статическое давление газа на входе в камеру энергоразделения падает, что способствует при постоянных Р₁, Т₁ и μ, увеличению скорости истечения и расхода газа через вихревую трубу G₁. При постоянных Р₁ и Т₁с увеличением μ возрастает периферийное статическое давление горячего потока и увеличиваются G_p и коэффициент эжекции вихревой камеры энергоразделения n_в= , так как при этом величина G₁ несколько падает. Увеличение G_p повышает тепловую нагрузку теплообменника-регенератора и увеличивает скорость истечения газа через сопла аэродинамической решетки. Кроме того, с увеличением μ, при постоянных значениях Р₁ и Т₁, растут давление P_г и температура горячего потока Тг, которые через работу струйного эжектора оказывают влияние на работу теплообменника-регенератора и, следовательно, на температуру холодного потока. В пределе при μ1 струйный эжектор, а следовательно, и теплообменник-регенератор не работают, а вихревая труба работает как дроссельное устройство. На этом предельном режиме работы вихревой трубы коэффициент эжекции струйного эжектора n_c= равен нулю, а n_в=1.

Для повышения эффективности работы вихревой трубы при μ 1 необходимо затрачивать для охлаждения теплообменника-регенератора дополнительную работу, т.е. охлаждать его водой или струей воздуха, создаваемой вентилятором. **
Таким образом, из вышеизложенного следует, что оптимальный режим работы предлагаемой вихревой трубы зависит от большого количества факторов и определяется опытным путем.

Вихревой эжекционный эффект, создаваемый горячим концом камеры, с одновременным действием струй газа, вытекающих из сопел аэродинамической решетки, интенсифицирует турбулентность в камере энергоразделения и как следствие этого обеспечивает ей высокую эффективность. Без аэродинамической сопловой решетки эффективность процесса энергоразделения резко ухудшается. Отсюда можно сделать вывод о том, что физические основы процесса энергоразделения газов нужно строить на базе теории турбулентности.

При исследованиях рабочего процесса вихревой трубы при постоянных Р₁ и Т₁ величина μ изменяется путем смены конфузорного сопла эжектора. Остальная проточная часть эжектора остается неизменной.

Изменение величины μ при экспериментах наблюдается по манометру горячего потока 22 и по термопаре 16, так как с изменением μ меняется, как известно, давление Р_г и температура Т_г горячего потока: чем больше μ, тем больше Р_г и Т_г, и наоборот.

Для того, чтобы упорядочить переток охлажденного рециркулирующего газа в выходной части теплообменника-регене- ратора, установлен золотниковый клапан 20 с возможностью осевого перемещения и регулировкой таким образом перетока оптимального количества рециркулирующего газа из периферийной зоны вихревой камеры в ее приосевую область. При отсутствии регулировки, т.е. при отсутствии золотникового клапана, и при такой конструкции аэродинамической сопловой решетки имеет место, как показывают опыты, сквозняк рециркулирующей части горячего потока в приосевую зону камеры энергоразделения. При этом ее характеристики ухудшаются.

Оптимальное количество рециркулирующего газа, соответствующее максимальной холодопроизводительности или максимальному температурному эффекту охлаждения холодного потока вихревой трубы, определяется опытным путем и зависит при данной поверхности теплообмена теплообменника-регенератора и при данных размерах и количестве сопел аэродинамической решетки, от величин μ и Р₁. С их увеличением температура и количество рециркулирующего газа возрастает и, следовательно, возрастает роль теплообмен- ника-регенератора. При этом положение золотникового клапана изменяется, т.е. с ростом Р₁ и μ он приоткрывается.

Оптимальная величина кольцевой щели аэродинамической сопловой решетки, через которую входит рециркулирующая часть горячего потока в теплообменник-регенератор, лежит в следующих пределах относи- тельного радиуса где r_i текущее значение радиуса; R_реш радиус аэродинамической сопловой решетки, равный радиусу камеры энергоразделения на ее горячем конце.

Охлажденный в теплообменнике-регенераторе газ перемещается в приосевой области камеры энергоразделения от аэродинамической сопловой решетки к диафрагме и, дополнительно охладившись, выходит через отверстие в диафрагме в осевой и щелевой диффузоры и далее к потребителю.

В зависимости от режима работы вихревой трубы щелевой диффузор холодного потока настраивается по минимальному давлению газа на его оси при полностью открытом дросселе холодного потока 23. Зная его и зная давление в ресивере, можно судить об оптимальной работе щелевого диффузора. С этой целью для замера давления на оси щелевого диффузора смонтирован штуцер 24, а на периферии ресивера штуцер 25. Минимальное давление на оси, а следовательно, и минимальная температура в ресивере,*** устанавливаются путем вращения вокруг оси ресивера холодного потока, т. е. путем изменения величины щели диффузора. Дроссель холодного потока позволяет выявить характер влияния противодавления на работу вихревой трубы.

Теплообменник-регенератор в зависимости от назначения вихревой трубы выполняется из красной меди или из алюминиевого сплава Д16Т, которые вследствие высоких значений коэффициентов теплопроводности обеспечивают при прочих равных условиях высокие значения коэффициента теплопередачи К. В целях увеличения К теплообменника его наружная оребренная теплоотдающая поверхность охватывается кожухом 18, который создает охлаждающему потоку воздуха проход только между ребрами теплообменника.

Колиброванные односпайные хромель-копелевые термопары 21 типа Т-49-4 и 16 типа Т-49-5 контролируют работу теплообменника по горячей стороне, а термопары 26 и 27 типа Т-49-5 по холодной стороне. Эти термопары, применяемые в авиации, имеют малую тепловую инерцию.

В качестве активного газа эжектора служит периферийный горячий поток, выходящий из лопаточного диффузора (нерециркулирующая часть горячего потока). Пассивным потоком эжектора (охлаждающей средой теплообменника) является атмосферный воздух, просасываемый через теплообменник эжектором, работающим от нерециркулирующей части горячего потока вихревой трубы. Охлаждающей средой может быть и часть холодного потока, подмешиваемого к атмосферному воздуху с целью получения наиболее низких температур холодного потока, выходящего из вихревой трубы.

Из описания конструкции и рабочего процесса предлагаемой вихревой трубы следует, что в ней имеют место два различных по назначению потока газа на входах в камеру энергоразделения: один, основной, входит через сопловой ввод тангенциально для создания вращательного движения газа вокруг ее продольной оси, а другой с другого конца аксиально через сопла аэродинамической решетки для создания острого струйного дутья. Пересечение этих двух потоков в камере энергоразделения создает высокую турбулентность, способствующую повышению эффективности процесса энергоразделения. При этом в камере энергоразделения при наличии небольших значений гидравлических и тепловых сопротивлений в тракте рециркуляции создается, как показывают исследования, практически постоянное статическое давление газа по радиусу камеры по всей ее длине, которое очень близко по величине к периферийному статическому давлению, т.е. к статическому давлению горячего потока на периферии камеры энергоразделения. Следовательно, статическое давление холодного потока и скорость истечения его из камеры энергоразделения выше чем в других ранее известных конструкциях вихревых труб.

Исходя из сказанного, предлагаемую камеру энергоразделения практически можно назвать изобарической, так как при рекомендуемой максимальной плотности размещения сопел в решетке сумма всех видов сопротивлений во внутреннем тракте теплообменника невелика. Изобарность процесса энергоразделения согласуется и с тем известным фактом, что волны давлений, образующиеся при истечении газа из сопел решетки, распространяются в камере энергоразделения со скоростью звука. Описать при этом процесс энергоразделения с физической точки зрения пока невозможно. Его невозможно описать и никакими известными гипотезами, принимая во внимание и то известное положение, которое утверждает, что процесс энергоразделения в вихревой камере имеет место только в вынужденном вихре, протекающем по закону v/r=const. Опыты показывают, что это не так, так как постоянство статических давлений газа по радиусу камеры совершенно не соответствует изменению его по закону вынужденного вихря. Физическую сущность теории рабочего процесса предлагаемой камеры нужно строить на основе теории турбулентности.

Как следует из описания, предлагаемую вихревую трубу, работающую по новому передовому и прогрессивному технологическому процессу энергоразделения газа и новому термодинамическому циклу, можно назвать вихревой трубой с внутренней рециркуляцией газа и, следовательно, с внутренней регенерацией тепла. **** В такой вихревой трубе процесс энергоразделения газа протекает одновременно с процессом теплообмена в теплообменнике-регенераторе и турбулизацией рабочего тела в камере энергоразделения газа. Эти новые прогрессивные технологические и конструктивные признаки, в которых заложены новые физические принципы процесса энергоразделения газа, представляют собой новую ветвь вихревого холодильного машиностроения, так как по отношению к холодильной машине это означает уменьшение температурного уровня охлаждения, т.е. увеличение температурного эффекта охлаждения холодного потока Δ Т_х и увеличение холодопроизводительности вихревой трубы q_вт. По сравнению с вихревой трубой без внутренней регенерации тепла в зависимости от режимов работы вихревой трубы, (Δ Т_х)_мак возрастает в среднем на (25-35)% а (q_вт)мак на (30-40)%
Так, например, при Р₁=4 ата=0,4 Мпа и Т₁=293 К для вихревой трубы, имеем следующие опытные данные:
а) без теплообменника-регенератора: максимальный температурный эффект охлаждения (Δ Т_х)_мак= Т₁-Т_х= 55 С; максимальная холодопроизводительность (q_вт)_мак=23 кДж/кг.

б) с теплообменником-регенератором: максимальный температурный эффект охлаждения (Δ Т_х)_мак=71 С; максимальная холодопроизводительность (q_вт)_мак=30 кДж/кг.

Показатели пункта б) могут быть увеличены путем применения более эффективного винтового противоточного теплооб- менника-регенератора.

Из приведенных экспериментальных данных следует, что предлагаемая вихревая труба имеет высокие характеристики.

Таким образом, изобретение позволяет повысить эффективность рабочего процесса, температурный эффект охлаждения и холодопроизводительность.

*Сопла аэродинамической решетки с отверстиями большего диаметра менее эффективны, а меньшего диаметра создают большое гидравлическое сопротивление и сложны в изготовлении. Сложны в изготовлении и конфузорные сопла, хотя они и предпочтительнее. Изготовление их возможно и целесообразно в вихревых трубах крупного масштаба, работающих в основном на малых давлениях.

**Этот режим работы предлагаемой трубы не исследовался. При развитой поверхности теплообмена теплообменника- регенератора он будет эффективным и расширит области ее применения.

***Настраивать щелевой диффузор на оптимальный режим работы можно и по показаниям термопары 10, хотя это и менее удобно, так как она обладает некоторой тепловой инерцией.

****В вихревой трубе с внешней регенерацией тепла весь воздух, входящий в вихревую трубу, охлаждается в теплообменнике холодным потоком газа, выходящим из камеры холода.

Использование: в холодильной технике. Сущность изобретения: вихревая труба, содержащая теплообменник-регенератор, эжектор, турбулизирующую аэродинамическую сопловую решетку и золотниковый клапан, дополнительно содержит теплообменник-регенератор 14, примыкающий к горячему торцу вихревой камеры 5 энергоразделения, внутренняя поверхность теплообмена которого является продолжением периферийной части камеры 5, и ее омывает рециркулирующая часть горячего потока, а его охлаждающей средой является атмосферный воздух, который просасывает эжектор 17, работающий от циркулирующей части горячего потока. В вихревой трубе, работающей по принципу энергоразделения газа, процесс энергоразделения газа протекает одновременно с процессом теплообмена в теплообменнике-регенераторе и турбулизацией рабочего тела в камере энергоразделения газа. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Вихревая труба, содержащая коническую камеру энергетического разделения газа с сопловым тангенциальным вводом сжатого газа, диафрагму с осевым и щелевым диффузорами для вывода холодного потока, лопаточный диффузор для вывода горячего потока и установленную за ним аэродинамическую решетку, перекрывающую сечение горячего конца вихревой камеры энергоразделения, отличающаяся тем, что с целью повышения температурной эффективности и холодопроизводительности труба дополнительно имеет теплообменник-регенератор, примыкающий к горячему торцу вихревой камеры энергоразделения, внутренняя поверхность теплообмена которого является продолжением периферийной части камеры и расположена с возможностью обеспечения ее омывания рециркулирующей частью горячего потока, при этом вихревая труба дополнительно снабжена эжектором, установленным с возможностью обеспечения его работы от рециркулирующей части горячего потока, для охлаждения теплообменника-регенератора охлаждающей средой. 2. Труба по п. 1, отличающаяся тем, что, с целью установления оптимального режима работы камеры энергоразделения, на выходе из теплообменника-регенератора установлен золотник для обеспечения возможности дозирования подачи в камеру рециркулирующей части горячего потока. 3. Труба по пп. 1 и 2, отличающаяся тем, что аэродинамическая решетка, установленная с возможностью обеспечения перекрытия центральной части горячего конца камеры энергоразделения, выполнена в виде аксиальной сопловой решетки.