ВИХРЕВАЯ ТРУБА Российский патент 1996 года по МПК F25B9/02 

Изобретение относится к холодильной технике, а точнее к устройствам разделения газов при помощи вихревого эффекта.

На фиг. 1 изображена схема вихревой трубы с основным вибратором, а на фиг. 2 с основным и дополнительным вибраторами.

Вихревая труба содержит подключенный к источнику сжатого газа ввод 1, подключенный тангенциально к камере 2 вихревого энергоразделения, которая имеет диаметр Д в сопловом сечении 3 и ограничена цилиндрическими или коническими (с учетом конуса около 3 ^o) стенками 4. По оси камеры 2 размещен диффузионный вывод 5 охлажденного потока. Зона 6 камеры 2 вывода горячего потока снабжена средством наложения колебаний на поток, выполненным в виде основного вибратора 7 с И-образными ветвями 8 соосного камере 2. Ветви 8 вибратора 7 ориентированы к сопловому сечению 3 камеры 2 и к выводу 5. Основание 9 вибратора 7 подсоединено либо к внутренней поверхности камеры 2, либо к клапану 10 вывода горячего потока, установленному на регулируемой опоре 11 между двумя упругими элементами 12 с возможностью колебаний около некоторого среднего положения для изменения мгновенного значения расхода. За клапаном 10 размещен вывод горячего потока. Камера 2 снабжена дополнительным вибратором 14, кольцевое основание 15 которого закреплено на внутренней стенке камеры 2, а ветви 16 размещены вдоль стенок камеры 2 и ориентированы в сторону ветвей 8 основного вибратора 7.

Вибраторы 7 и 14 могут быть выполнены из тел вращения с продольными прорезями и различаются, например только формой оснований: у вибратора 7 основание 9 в форме дна стакана с центральным отверстием для опоры 11, а у камертона 14 основание 15 в форме кольца на стенке 4 камеры 2. Длина ветвей 8 и 16 вибраторов 7 и 14 составляет 0,1 0,5 длины камеры 2, а расстояние между противоположными ветвями в них равно 1,0 1,5 диаметра Д камеры 2 в ее сопловом сечении.

Вихревая труба работает следующим образом.

Сжатый газ от источника, например из пневмосети, направляют в тангенциальный ввод 1, где поток в процессе расширения разгоняется до скорости, равной или близкой к звуковой. Высокоскоростной поток из ввода 1 подается в камеру 2 и приобретает вихревой характер движения. При этом возлеосевые слои вихревого потока охлаждаются, а периферийные слои вихря нагреваются.

Охлажденный воздух из камеры 2 через вывод 5 направляют к охлаждаемому объекту (не показан), а нагретые периферийные слои, минуя ветви 8 вибратора 7, через клапан 10 и патрубок 13 на сброс (или к нагреваемому объекту). При этом ветви 8 приходят в состояние вибрации, возбуждаемое набегающим потоком, а также колебаниями клапана 10 между упругими элементами 12. Колебания клапана 10 и ветвей 8 приводят к наложению колебаний давления на вихревой поток в камере 2, что приводит к существенному росту термодинамической эффективности процесса получения холода, не достижимому в известных вихревых трубах.

Для дальнейшего увеличения названной эффективности предлагаемой вихревой трубы предусматривается при работе "акустическое взаимодействие" двух вибраторов: основного 7 и дополнительного 14.

Таким образом, совместные колебаний клапана 10 и ветвей 8 вибратора 7 либо колебания тех же элементов и ветвей 16 вибратора 14 в развитии этой вихревой трубы преимущественно для Д≥20^oC30 мм приводит к интенсификации процесса энергообмена в вихре и к приросту холодопроизводительности.

При этом колебания одной группы ветвей вибратора
осуществляются в точках, диаметрально противоположных и равноудаленных от оси вихревого потока с частотой, приблизительно равной или кратной ν₁=K(a/π•D), где а скорость звука в газе; Д диаметр камеры 2 в сопловом сечении; К безразмерный эмпирический коэффициент, численно равный
К 1 1,2 при π≥ 2; ≥ 2;
К (0,5 0,6) при π<2, < 2,
где π=Pсхс/Pхол отношение давлений торможения сжатого газа и охлажденного потока;
колебаний другой группы ветвей осуществляется при частоте
ν₂=ν₁± (20÷200) Гц
для образований "биений" с частотой 20^oC200 Гц, равной разнице в частотах ν₁ и ν₂;
выпуск нагретого потока осуществляют нестационарно с колебаниями мгновенного значения расхода с частотой, равной разнице в частотах колебаний первой и второй группы ветвей, либо с частотой, равной или кратной частоте колебаний первой группы ветвей с основным вибратором 7.

Это позволяет увеличить амплитуду колебаний давления в вихревом потоке на двух "главных" частотах:
на частоте, близкой к частоте "квазитвердого" вращения вихря в камере;
на частоте, близкой к частоте "прецессии" ядра вихря.

Изобретение может быть использовано в системах воздушного охлаждения радиоэлектронных аппаратов. Целью данного изобретения является повышение термодинамической эффективности. Поставленная цель достигается тем, что вихревая труба содержит сопловый ввод 1 сжатого газа, камеру 2 энергоразделения, диффузор 3 вывода охлажденного потока, клапан 4 вывода горячего потока, вибраторы 5 и 6, снабженные И-образными ветвями, обращенными навстречу друг другу и выполненные в виде полого тела вращения с продольными прорезями, причем длина ветвей равна 10 - 50% от длины камеры 2, а расстояние между ветвями равно 1,0 - 1,5 диаметра камеры в сопловом сечении. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Вихревая труба, содержащая тангенциальный сопловой ввод сжатого газа, камеру энергоразделения с коническим участком, диффузор осевого вывода охлажденного потока, клапан вывода горячего потока и средство наложения колебаний на вихревой поток, отличающаяся тем, что, с целью повышения термодинамической эффективности, средство выполнено в виде размещенного по оси камеры со стороны вывода горячего потока основного вибратора, снабженного основанием и U-образными ветвями, обращенными в сторону вывода охлажденного потока. 2. Труба по п. 1, отличающаяся тем, что она содержит дополнительный вибратор в виде полого тела вращения, закрепленного своим выполненным в виде кольца основанием на внутренней стенке камеры и снабженного осевыми продольными прорезями с образованием его ветвей, обращенных навстречу ветвям основного вибратора, закрепленного своим основанием на клапане вывода горячего потока. 3. Труба по п. 2, отличающаяся тем, что основной вибратор выполнен в виде полого тела вращения с осевыми продольными прорезями с образованием его ветвей. 4. Труба по пп. 2 и 3, отличающаяся тем, что длина ветвей основного и дополнительного вибраторов равна 0,1-0,5 длины камеры, а расстояние между противоположными ветвями в них равно 1,0-1,5 диаметра камеры в ее сопловом сечении.