ВИХРЕВАЯ ТРУБА Российский патент 1996 года по МПК F25B9/02 F25B9/06 

Изобретение относится к теплотехнике, в частности к вихревым трубам, использующим вихревой эффект энергетического, фазового и компонентного разделения газовых потоков.

Известны вихревые трубы, использующие эффект энергетического разделения газовых потоков [1, 2] состоящие из узла ввода газа, камеры энергетического разделения, узлов выхода горячего и холодного потоков газа. Особую значимость для эффективной работы вихревой трубы имеет узел ввода газа, который включает изготовленные в виде отдельных деталей корпус, штуцер для ввода газа в сопловую улитку, улитку, и диафрагму. Газ вводится в вихревую трубу через штуцер круглого сечения, затем поступает в улитку с плавно сужающимся спиральным каналом прямоугольного сечения и далее в камеру энергетического разделения.

Однако, конструктивное несовершенство узла ввода газа в вихревую трубу снижает эффективность ее работы, а раздельное изготовление деталей, входящих в узел ввода газа, требует больших материальных затрат.

Известна вихревая труба [3] содержащая узел ввода газа, камеру энергетического разделения, узлы выхода горячего и холодного потоков. Узел ввода газа состоит из входного штуцера круглого сечения, корпуса, улитки с прямоугольным каналом и диафрагмы, причем в месте сопряжения улитки с входным штуцером на корпусе имеется участок в форме конуса, большее основание которого равно внутреннему диаметру входного штуцера, а диаметр меньшего основания равен высоте улиточного канала.

Однако и в этой вихревой трубе место сопряжения прямоугольного улиточного канала с входным штуцером не имеет плавного перехода, достаточного для безотрывного течения газа, здесь имеются изломы поверхности, на которых образуется зона завихрения, а значит увеличивается аэродинамическое сопротивление (потери давления газа на входе в вихревую трубу) и шум при работе вихревой трубы.

Кроме того, улитка не зафиксирована в корпусе узла ввода газа и может проворачиваться вокруг оси трубы как в процессе сборки, так и во время эксплуатации, что, в конечном итоге, снижает термодинамическую эффективность вихревой трубы. Изготовление узла ввода этой вихревой трубы не технологично, так как детали узла ввода газа корпус, улитка и диафрагма требуют отдельных заготовок и технологических операций, а фиксация улитки внутри корпуса требует дополнительных мер (установки контрирующего винта, приклеивания улитки к корпусу и т.д.).

Задача изобретения создание вихревой трубы с таким узлом ввода газа, конструкция которого позволила бы устранить образование зоны завихрения при входе газа в улиточный канал, тем самым снизить потери давления на входе и повысить термодинамическую эффективность вихревой трубы, кроме того, уменьшить шум при ее работе, количество деталей, технологических операций и расход материала при ее изготовлении и сборке.

Это решается тем, что в вихревой трубе, содержащей узел ввода газа, состоящий из входного штуцера круглого сечения, корпуса, улитки с прямоугольным каналом и диафрагмы, камеру энергетического разделения, узлы выхода горячего и холодного газовых потоков, согласно изобретению в корпусе узла ввода газа между камерой энергетического разделения и улиткой дополнительно установлена шайба, в месте сопряжения входного штуцера с каналом улитки на его входной части и соответственно на поверхности шайбы, обращенной к штуцеру, выполнена соосно со штуцером выточка в виде усеченного тела вращения с выпуклыми стенками, большее основание которого соответствует внутреннему диаметру входного штуцера, а диаметр меньшего основания равен высоте канала улитки, образуя плавный переход от штуцера к улиточному каналу, что обеспечивает безотрывный вход газа в канал улитки и исключает возникновение зоны завихрения, вследствие чего повышается термодинамическая эффективность вихревой трубы, а именно удельная и полная холодопроизводительность, при этом экспериментально установлено, что высота выточки согласно изобретению составляет 0,5 внутреннего диаметра входного штуцера.

Поставленная задача решается также тем, что корпус узла ввода газа с улиткой и диафрагмой выполнены одной деталью из материала с малыми значениями коэффициентов температурного линейного расширения и трения скольжения, что осуществляется, например, посредством литья под давлением из термостойкого и износостойкого материала в специальную пресс-форму. Такое выполнение узла ввода газа исключает проворачивание улитки в корпусе узла ввода вихревой трубы, что определяет стабильность ее работы и в конечном итоге ее эффективность.

Поставленная задача решается также тем, что корпус узла ввода газа с улиткой и диафрагмой выполнены из полиамида или керамики.

На фиг. 1 представлена вихревая труба, общий вид, продольный разрез; на фиг. 2 узел ввода газа, разрезы и сечения; на фиг. 3 профилированная шайба.

Вихревая труба содержит узел ввода газа, состоящий из входного штуцера 1 круглого сечения, улитки 2 с диафрагмой 3, выполенной заодно с корпусом 4, имеющем контрирующий паз 5 для фиксации профилированной шайбы 6, на которой имеется соответствующий шип 7, камеру 8 энергетического разделения, узел 9 выхода горячего газа и штуцеры для выхода холодного 10 и горячего 11 газовых потоков.

Вихревая труба работает следующим образом. Газ подается в трубу через входной штуцер 1. Далее он, имея околозвуковую скорость, плавно поступает в спиральный канал 2 улитки и затем в камеру 8 энергетического разделения. По мере прохождения газа от соплового сечения к узлу 9 выхода горячего потока, происходит перестройка профиля окружной скорости, приводящая к возникновению продольного перепада давления, обуславливающего движение приосевой части потока в направлении диафрагмы 3.

В результате взаимодействия периферийной и приосевой частей газа, имеющих различные законы вращения и направления продольного движения, приосевые слои газа отдают свою энергию периферийным слоям и охлажденные выходят к потребителю через диафрагму 3 и штуцер 10. Нагретые периферийные слои выходят через штуцер 11. Соотношение между долями холодного и горячего газа, их температурой, а также концентрацией химических компонент и фаз регулируются вентилем-дросселем 11, расположенным в узле выхода горячего газа.

Сравнение энергетической эффективности вихревой трубы с описанным узлом ввода газа и трубы, не имеющем плавного, безотрывного входа газа в канал улитки, показало, что при одинаковом давлении газа перед входным штуцером (Р 2-6 кгс/см²), расход газа G через трубу увеличивается на 25-30% удельная холодопроизводительность q на 10-20% и, в итоге, полная холодопроизводительность W-qG на 35-60%
Таким образом, использование изобретения позволяет повысить термодинамическую эффективность вихревой трубы, уменьшить шум при ее работе, количество технологических операций, сборочных единиц и расход материала при ее изготовлении.

Использование: в области теплотехники, а именно к трубам. Сущность изобретения: вихревая труба имеет узел ввода газа, который включает корпус 4, штуцер 1 для ввода газа, сопловую улитку 2, диафрагму 3 и шайбу 6, установленную между камерой 8 энергетического разделения и узлом ввода газа. Улитка 2 и диафрагма 3 выполнены заодно с корпусом 4 одной деталью, в месте сопряжения входного штуцера 1 круглого сечения с прямоугольным улиточным каналом на его входной части и соответственно на шайбе 6, соосно со штуцером выполнена полость в форме усеченного тела вращения, большее основание которой соответствует внутреннему диаметру входного штуцера, глубина полости выбрана не менее 0,5 диаметра входного штуцера, а диаметр меньшего основания равен высоте улиточного канала. 1 з. п. ф-лы, 3 ил.

1. ВИХРЕВАЯ ТРУБА, содержащая узел ввода газа, состоящий из входного штуцера круглого сечения, корпуса, улитки с прямоугольным каналом и диафрагмы, камеру энергетического разделения и узлы выхода горячего и холодного потоков, отличающаяся тем, что в корпусе между камерой энергетического разделения и улиткой дополнительно установлена шайба, причем на входной части канала улитки и соответственно на поверхности шайбы, обращенной к штуцеру, выполнена соосно с штуцером выточка в виде усеченного тела вращения с выпуклыми стенками, большее основание которого соответствует внутреннему диаметру входного штуцера, а диаметр меньшего основания равен высоте канала улитки, при этом высота выточки составляет 0,5 внутреннего диаметра входного щтуцера, а корпус с улиткой и диафрагмой выполнены одной детелью из материала с малыми значениями коэффициентов температурного линейного расширения и трения скольжения. 2. Труба по п.1, отличающаяся тем, что корпус с улиткой и диафрагмой выполнены из полиамида или керамики.