ВИХРЕВАЯ ТРУБА Российский патент 1995 года по МПК F25B9/02 

Изобретение относится к холодильной технике, а точнее, к устройствам, использующим вихревой эффект разделения газа, и предназначено для охлаждения различных объектов, например для охлаждения режущего инструмента холодным потоком воздуха в металлообрабатывающей промышленности.

Известны вихревые трубы, содержащие камеру энергетического разделения с тангенциальным сопловым вводом сжатого газа, диафрагму с центральным отверстием для вывода холодного потока и дроссельный вентиль для вывода горячего потока. Хвостовая часть дроссельного вентиля выполнена в виде крестовины для спрямления вихревого потока. Дроссельный вентиль соединен с глушителем с целью уменьшения шума при работе устройства.

Эти вихревые трубы имеют недостаточную термодинамическую эффективность, так как разделение вихревого потока происходит в конце камеры энергетического разделения на участке, примыкающем к дроссельному вентилю.

Наиболее близкой к изобретению по конструкции является вихревая труба, содержащая камеру энергетического разделения с тангенциальным сопловым вводом сжатого газа. По оси камеры расположена диафрагма вывода охлажденного потока. На другом конце камеры установлен дроссель для вывода горячего потока газа. Перед дросселем установлена крестовина, снабженная радиально расположенными лопастями и пластинчатым дефлектором в виде равностороннего многоугольника, вершины которого совмещены с плоскостями лопастей.

Общим для прототипа и заявляемого устройства является наличие камеры энергетического разделения с тангенциальным сопловым вводом, диафрагмы вывода охлажденного потока, дросселя, крестовины, снабженной радиально расположенными лопастями.

Недостатком прототипа является размещение рассекателей вихревого потока только на участке, примыкающем к дросселю, что не обеспечивает эффективного формирования горячего и охлажденного потоков, так как разделение вихревого потока происходит в конце камеры энергетического разделения, а это снижает термодинамическую эффективность.

Технической задачей, решаемой изобретением, является повышение термодинамической эффективности путем развихрения потока на значительном участке камеры.

Задача решается тем, что вихревая труба, содержащая камеру энергетического разделения с тангенциальным сопловым вводом, диафрагму вывода охлажденного потока и дроссель, на крестовине которого установлены радиально расположенные лопасти, согласно изобретению снабжена разделителем потоков, выполненным в виде гладкостенной втулки, жестко соединенной с лопастями и образующей со стенкой камеры кольцевую полость.

Этот отличительный признак позволяет формировать горячий и охлажденный потоки газа на значительном участке камеры, что усиливает процесс энергоразделения.

При искусственном торможении вихревого потока на нагретом конце камеры разделения создаются благоприятные условия для формирования приосевого потока, направленного к диафрагме, что позволяет уменьшить длину камеры разделения. Кроме того, торможение увеличивает радиальный градиент тангенциальных составляющих скоростей в зоне интенсивного энергообмена между закрученными потоками, т.е. приводит к повышению КПД.

Других технических решений со сходными отличительными признаками не обнаружено в патентной и научно-технической литературе, следовательно, предлагаемое устройство обладает существенными отличиями.

На фиг.1 изображена предлагаемая вихревая труба; на фиг.2 разрез А-А на фиг.1.

Вихревая труба содержит цилиндрическую камеру 1 энергетического разделения. Тангенциальный сопловый ввод 2 выполнен в виде улитки и соединен со штуцером 3. Штуцер 3 подключен к источнику сжатого газа. По оси камеры 1 энергетического разделения установлена диафрагма 4 вывода охлажденного потока. Диафрагма 4 имеет центральное отверстие и примыкает к ниппелю 5, который пропускает газ в одном направлении, для охлаждения предназначенного объекта. На другом конце камеры 1 установлен дроссель 6, с помощью которого устанавливается определенное соотношение между горячим и охлажденным потоками при номинальном режиме. На торцовый конец дросселя 6, выполненного в виде спрямляющей крестовины, насажены лопасти 8 в виде радиально расположенных пластин. Лопасти 8 выполняют функцию рассекателя потоков. Разделитель 9 потоков, выполненный в виде гладкостенной втулки, жестко соединен с лопастями 8 и образует со стенкой камеры 1 кольцевую полость. Такое расположение разделителя 9 потоков перед лопастями 8, установленными на крестовине дросселя 6, препятствует перетечке горячего потока в приосевую область, способствует превращению части кинетической энергии горячего потока, обусловленной осевой составляющей скорости, в потенциальную энергию давления.

Дроссель 6 жестко соединен с корпусом глушителя 7, который имеет резьбовое соединение с наружным диаметром камеры 1 энергетического разделения. Вращением корпуса глушителя 7 осуществляется управление положением дросселя 6. При вывинчивании корпуса глушителя 7 увеличивается площадь проходного сечения щелевого зазора дросселя 6, что приводит к снижению температуры охлажденного потока.

Вихревая труба работает следующим образом.

Сжатый газ от источника через штуцер 3 подается к сопловому вводу 2, проходя через который он закручивается, и поступает в камеру 1 энергетического разделения в виде вихревого потока. Перемещаясь от соплового ввода 2 к дросселю 6, вихревой поток постепенно теряет свою закрутку, что приводит к росту давления у приосевых слоев газа и появлению градиента давления, под воздействием которого приосевой поток газа начинает перемещаться от разделителя потоков к центральному отверстию диафрагмы 4 и далее через ниппель 5 выходит в виде охлажденного потока.

Между двумя перемещающимися в противоположных направлениях вихрями происходит интенсивный энергообмен, результатом которого является охлаждение приосевых слоев и нагрев периферийных.

Периферийные горячие слои газа поступают в кольцевую полость, далее через лопасти 8, крестовину, щелевой зазор и отверстия в дросселе 6 в полость глушителя 7 и атмосферу.

Опыты подтвердили, что эффект разделения потоков зависит от соотношения диаметров отверстия подвода и отвода газа, формы и длины камеры энергетического разделения, а также расположения и длины рассекателей и разделителей потоков.

Разделитель 9 потоков оказывает интенсифицирующее воздействие на энергообмен между приосевой и периферийной частями вихревого потока.

Pегулировка работы вихревой трубы осуществляется следующим образом.

Перемещая в осевом направлении узел, образованный корпусом глушителя 7 с жестко соединенным с ним дросселем 6, производят регулирование щелевого зазора между стенкой камеры 1 и дросселем 6. С изменением площади проходного сечения щелевого зазора дросселя изменяется соотношение между расходами охлажденной и подогретой частей газа.

Применение описанной конструкции вихревой трубы позволяет эксплуатировать ее достаточно длительное время.

Опытным путем подобраны параметры вихревой трубы: минимальный диаметр и длина камеры энергетического разделения, относительная площадь соплового ввода, относительный диаметр отверстия диафрагмы, а также размеры (длина и диаметр) разделителя потоков, длина лопастей.

Использование последовательно расположенных разделителя потоков в виде полой гладкостенной втулки и лопастей, установленных на крестовине дросселя, позволяет утилизировать кинетическую энергию горячего потока, что приводит к увеличению КПД вихревой трубы как генератора холода.

Экономическая эффективность изобретения заключается в увеличении холодопроизводительности устройства.

Использование: для охлаждения различных объектов. Сущность изобретения: вихревая труба содержит камеру 1 энергетического разделения с тангенциальным сопловым вводом 2, диафрагму 4 вывода охлажденного потока, дроссель 6, на крестовине которого установлены радиально расположенные лопасти 8, с которыми жестко соединен разделитель 9 потоков, выполненный в виде гладкостенной втулки, образующей со стенкой камеры 1 кольцевую полость. 2 ил.

ВИХРЕВАЯ ТРУБА, содержащая камеру энергетического разделения с тангенциальным сопловым вводом, диафрагму вывода охлажденного потока и дроссель, на крестовине которого установлены радиально расположенные лопасти, отличающаяся тем, что труба дополнительно снабжена разделителем потоков, выполненным в виде гладкостенной втулки, жестко соединенной с лопастями и образующей со стенкой камеры кольцевую полость.