ВИХРЕВОЙ ТЕРМОТРАНСФОРМАТОР Российский патент 1997 года по МПК F25B9/02 

Изобретение относится к тепловой и холодильной технике, конкретно к вихревым трансформаторам тепла (вихревым трубам), работающим на использовании эффекта Ранка.

Известны вихревые термотрансформаторы с несколькими сопловыми вводами, расположенными вдоль трубы для последовательной подачи дополнительного количества энергоносителя в зонах затухания эффекта.

В известном устройстве все сопловые вводы вихревой трубы имеют общее включение в магистраль источника и ограниченную размерами трубы поверхность энергоразделения.

Эффективность и теплопроизводительность таких устройств также ограничены поверхностью теплопередачи и скоростью вихревого потока.

Известны также устройства термотрансформаторов, энергоразделяющая поверхность которых состоит из пакета плоских или конусных (тарельчатых) секций.

Поверхность теплообмена в таких устройствах увеличена пропорционально количеству секций, при этом главный показатель, определяющий эффективность работы и величину достижимого теплоперепада, а именно скорость вихря, не только не возрастает, но и уменьшается обратно пропорционально увеличению поперечного сечения камеры энергоразделения. Известны также устройства, в которых скорость струй вихря увеличена введением вакуумно-вихревой ускорительной камеры, в которых увеличение скорости потока достигается благодаря вакуумному подсосу в приосевой зоне.

Вакуум в приосевой зоне устройств возникает благодаря центробежному сжатию на периферии камеры и разряжению в приосевой зоне.

Эффективность такого устройства существенно выше, но тепло- и холодопроизводительность мала вследствие того, что сечение соплового ввода для обеспечения высокой скорости струи должно быть малым, соответственно будут малы и расход энергоносителя и теплопроизводительность.

Целью предлагаемого устройства является повышение тепловой мощности (тепло- и холодопроизводительности) при сохранении или даже увеличении максимальной эффективности.

Поставленная цель достигается тем, что вакуумно-вихревая ускорительная камера образована стенками секций пакетного тарельчатого энергоразделителя, которые герметично состыкованы между собой по внешнему диаметру, а их выходные патрубки образуют расширяющийся эжекторный раструб, при этом сопла тангенциального ввода подключены к источнику питания через индивидуальные регуляторы расхода и давления, а стенки секций параллельны между собой или расположены под расходящимся углом в пределах 3-5^o.

На фиг. 1 схематично показано предлагаемое устройство, продольный разрез, на фиг.2 его поперечный разрез.

Устройство содержит пакетный секционный тарельчатый энергоразделитель 1 с сопловыми тангенциальными вводами 2 в каждой секции, подключенными к источнику 3 питания газообразным или жидкостным энергоносителем, осевыми выходными патрубками 4 с развихрителем потока 5 и вакуумно-вихревую ускорительную камеру 6, образованную стенками секций пакетного тарельчатого энергоразделителя, герметично состыкованными между собой с помощью, например, сварки. Выходные патрубки секций коаксиальны и расширяются от одной секции к другой таким образом, что составляют совместно расходящийся под углом 8-15^o эжекторный раструб 7.

Тангенциальные сопла ввода подключены к источнику питания через индивидуальные регуляторы (вентили) 8 расхода и давления. Стенки секций параллельны между собой или расположены под слабо расходящимся углом в пределах 3-5^o, образуя расходящиеся каналы типа сопел Лаваля, как продолжение тангенциальных сопел ввода.

Устройство работает следующим образом.

При подаче энергоносителя от источника 3 (сжатого газа, воздуха, воды под давлением 5-25 атмосфер) на сопловые тангенциальные вводы 2 рабочая среда разгоняется в соплах до нескольких сотен м/с и истекает в камеры секций энергоразделителя 1, образуя сходящийся к осевым патрубкам спиральный вихревой поток, который на выходе выпрямляется развихрителем 5 и устремляется к выходу.

При этом избыточное давление потока рабочей среды на выходе из сопловых вводов используется для дальнейшего плавного разгона вихревого потока в ускорительных камерах (каналах), которые образованы теми же стенками секций энергоразделителя. Ускорение вихревого потока в камерах обеспечивается тем, что вследствие высокой угловой скорости вращения вихря рабочей среды в каналах создается мощное центробежное поле, сжимающее среду на периферии и образующее вакуум в приосевой зоне.

Давление на входе в камеру за соплом равно:
p 0,528 p_вх,
где p_вх входное давление среды перед соплом.

Давление рабочей среды в приосевой зоне равно:
p_о.з.=0,01-0,001p_вх.

Вакуум приосевой зоны обеспечивает отсос потока из камеры и его плавное ускорение до скоростей, превышающих скорость звука.

Расположение выходных патрубков 4 коаксиально друг другу и с образованием расширяющегося эжекторного раструба позволяет обеспечить дополнительный отсос потока из каждого предыдущего канала его последующим.

Таким образом, в устройстве достигается двойное ускорение потока - вакуумным отсосом за счет центробежного расширения в приосевой зоне и эжекторным отсосом в выходных патрубках.

Нагрев рабочей среды в периферийной зоне камер энергоразделения, с одной стороны, и охлаждение выходящего из осевых патрубков потока с другой достигается за счет центробежного температурного градиента:
,
где ω угловая скорость вихревого потока,
R радиус вращения,
C_p теплоемкость постоянном давлении,
K- показатель адиабаты рабочей среды.

Теплоперепад, вызванный за счет этого градиента, на участке от оси камеры энергоразделения до его периферии достигается центробежным переносом тепловой энергии, при котором внутренние слои потока передают свою кинетическую энергию внешним слоям. Кроме того, при больших угловых скоростях вихря проявляются нелинейные эффекты центробежного поля, подобные гравитационным эффектам сжатия (сжатие Гельмгольца) и нагрева. Эффект теплопереноса и разделения потока на температурные фракции был открыт в 1933 г. Ранком и несколько позднее независимо от него Хильшем, все их работы проводились со сжатым воздухом и газами.

И лишь недавно аналогичный эффект был обнаружен в жидкостях, в частности в воде. Значительно большая плотность жидкости в сравнении с газами, более высокий к.п.д. термотрансформатора, компактность нагнетателя (насос) в сравнении с компрессором обеспечивают существенные преимущества жидкостным (водяным) вихревым теплогенераторам.

Следует отметить, что в качестве охладителей и холодильников вихревые жидкостные (водяные) термотрасформаторы непригодны следствие высокой температуры замерзания, высокой в сравнении с газами теплопроводности.

Предложенное устройство позволяет работать в равной степени как с сжатыми газами и воздухом, так и с жидкими энергоносителями, обеспечивая одновременно как высокую эффективность преобразования, так и высокую теплопроизводительность.

Устройство обеспечивает выполнение поставленной цели.

Технический эффект устройства состоит в одновременном повышении теплопроизводительности и эффективности работы.

Использование: в теплоэнергетике и холодильной технике, конкретно в вихревых трубах и термотрасформаторах, работающих на эффекте Ранка. Сущность изобретения: устройство содержит пакетный секционный тарельчатый энергоразделитель с сопловыми тангенциальными вводами в каждой секции, подключенными к источнику питания газообразным или жидкостным энергоносителем и осевыми выходными патрубками с развихрителем потока, вакуумно-вихревую ускорительную камеру, соединенную с тарельчатым энергоразделителем. Вакуум-вихревая ускорительная камера образована стенками секций пакетного тарельчатого энергоразделителя, герметично состыкованными между собой по их внешнему диаметру. Выходные патрубки секций коаксиальны друг другу и совместно образуют расширяющийся эжекторный раструб. Сопла тангенциальных вводов подключены к источнику питания через индивидуальные регуляторы расхода и давления. Стенки секций при этом параллельны между собой или расположены под расходящимся в пределах 3-5^o углом. 2 ил.

Вихревой термотрансформатор, содержащий пакетный секционный тарельчатый энергоразделитель, развихритель потока и вакуумно-вихревую ускорительную камеру, соединенную с тарельчатым энергоразделителем, отличающийся тем, что термотрансформатор снабжен сопловыми тангенциальными вводами в каждой секции, подключенным к источнику питания газообразным или жидкостным энергоносителем, и осевыми выходными патрубками с развихрителем потока, вакуумно-вихревая ускорительная камера образована стенками секций пакетного тарельчатого энергоразделителя, которые герметично соединены между собой по внешнему диаметру, а их выходные патрубки образуют расширяющийся эжекторный раструб, при этом сопла тангенциальных вводов подключены к источнику питания через индивидуальные регуляторы расхода и давления, а стенки секций параллельны между собой или расположены под расходящимся углом 3 5^o.