СПОСОБ ИЗМЕНЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ГАЗОВОГО ПОТОКА Российский патент 1997 года по МПК F25B9/02 

Изобретение относится к области использования вихревого эффекта Ранка для изменения температуры (охлаждения) движущегося газового потока.

Известен способ изменения температуры газового потока, заключающийся в тангенциальной подаче на спиральную рабочую поверхность улитки газового потока, движущегося под действием разности давлений между входом и выходом устройства.

В улитке газовый поток разгоняется по сужающейся спирали до околозвуковых скоростей и, благодаря центробежным силам, создает вакуумную полость по оси вихревой трубы. В этом режиме газ охлаждается в процессе адиабатического расширения в проточном канале спиралевидного газового потока, а также и за счет совершения работы по созданию центробежными силами вакуумной полости.

Реализуется этот способ в так называемой "вихревой трубе" и называется "эффектом Ранка".

Используется вихревая труба, в основном, для охлаждения движущегося газового потока, хотя в известных вихревых трубах обязательно имеются два выходных патрубка холодный и "горячий", из которых во время работы выходят два газовых потока, имеющих различную температуру, т.е. не весь газовый поток, проходящий через вихревую трубу, охлаждается.

Следовательно, известная конструкция охлаждающей вихревой трубы имеет низкую эффективность. Это является недостатком.

В известной вихревой трубе свободное движение газового потока, подводимого к улитке, имеющего на входе в основном ламинарный режим, становится круговым, вынужденным, с переходом к явно выраженному турбулентному характеру движения.

Низкая холодопроизводительность известной вихревой трубы объясняется тем, что неустойчивый, переходящий к турбулентному характер движения газа внутри вихревой трубы не позволяет полностью реализовать законы адиабатического расширения, связывающие процесс охлаждения с "вихревым эффектом" Ранка. Это можно объяснить несовершенством организации движения газового потока.

Целью предлагаемого технического решения является уменьшение указанного недостатка, т.е. повышение эффективности охлаждения.

Поставленная цель достигается тем, что на всей длине проточной части вихревой трубы создаются условия для организации (упорядочения) режима движения газового потока. Поэтому для получения максимального эффекта охлаждения в проточной части вихревой трубы необходимо организовать и сохранить ламинарный режим течения газового потока, причем этот режим необходимо организовать как по сечению, так и по длине потока.

Для реализации предложения возможно использовать как внутренние, так и внешние факторы, способствующие созданию (организации) и сохранению указанных режимов движения газа.

К внутренним факторам относятся дополнительные (по отношению к известным) элементы, вводимые в конструкцию вихревой трубы. К внешним факторам относятся, прежде всего, режимы работы вихревой трубы, задаваемые параметрами рабочего газа на входе и выходе из устройства.

Исследованиями, проведенными авторами, установлено, что введение ограничения перепада давления на вихревой трубе позволяет резко увеличить ее холодопроизводительность. Обычно (так сейчас принято) в вихревую трубу подают весь имеющийся расход (поток) газа, считая, что чем выше скорость образуется в ее улитке, тем больший эффект холодообразования будет получен. Но это ошибочный подход.

Известно, что эффективность охлаждения газа при любом процессе охлаждения (дросселирование, детандирование, эффект Ранка и т.п.) определяется:
свойствами газа;
внешней работой, направленной на проталкивание газа по трубопроводу и каналам вихревой трубы или на движение поршня в детандере;
-внутренней работой, определяемой интенсивностью процесса адиабатического расширения газа (направляемого на охлаждение газа), всегда совмещенного с диссипативными процессами (направленными на нагрев газа).

Для газа, расширяющегося в вихревой трубе, процесс охлаждения зависит прежде всего от диссипативных процессов (паразитного нагрева), который сопровождается релаксацией вихревой структуры. Такой нагрев может даже повышать эффект охлаждения, например, при дросселировании гелия или водорода при комнатных и даже более низких температурах.

Как показывают проведенные исследования, основной вклад в нагрев расширяющегося газа вносит процесс его турбулизации многочисленные вихри, возникающие при этом в турбулентном потоке, отдавая друг другу свою кинетическую энергию разогреваются.

Поэтому задачей любого исследования, направленного на повышение эффективности охлаждения, должен быть поиск способов предотвращения турбулизации (сохранение ламинарности) газа при его расширении.

Одним из таких способов является использование эффекта Ранка в вихревой трубе. Сущность предотвращения турбулизации (сохранение ламинарности) при раскручивании газа в улитке вихревой трубы заключается в первоначальном сжатии потока газа центробежными силами, возникающими при его вращении.

Однако и при реализации эффекта Ранка эффективность охлаждения все же невелика лишь в два раза выше эффекта дросселирования. Это можно объяснить тем, что газ начинает расширяться и охлаждаться при выходе из улитки, но в этот момент стабилизирующее воздействие на него центробежных сил ослабевает. И если скорость газа велика (если велик перепад давлений), то его ламинарный режим течения срывается на турбулентность.

Считается, что чем выше давление, подаваемое на вход вихревой трубы (т. е. чем выше перепад давления между входом и выходом), тем выше должен быть эффект охлаждения. Но этого не происходит, т.к. на определенном этапе возрастания рабочего давления (возрастания перепада давления) происходит срыв ламинарности потока и возникшая турбулентность разогревает газ, уменьшая эффект охлаждения.

Поэтому, чтобы добиться максимального эффекта охлаждения, в режим работы вихревой трубы необходимо ввести ограничение перепада давления. То есть для каждого значения входного давления одной и той же вихревой трубы необходимо определить то минимальное выходное давление (перепад), при котором еще сохраняется ламинарность потока и, следовательно, наиболее выгодный режим адиабатического расширения газа.

Таким образом, можно сказать, что для высокоэффективной работы вихревой трубы с выходом охлажденного газа (воздуха), например, в атмосферу, т.е. при работе без "подпора", входное давление (в зависимости от параметров улитки, например ее радиуса) должно измеряться всего лишь долями атмосферы. Поэтому, для того чтобы практически полноценно реализовать процесс адиабатического расширения достаточно высокого входного давления (например, в несколько атмосфер), необходимо создавать технологическую установку, состоящую из нескольких последовательно сочлененных вихревых труб, реализующих суммарный эффект ламинарного расширения воздуха.

Исследования, проведенные авторами на вихревой трубе специальной конструкции, показали, что чем меньший перепад рабочего давления реализуется в вихревой трубе, тем выше эффект холодообразования. Так, обнаружено, что, например, для воздуха при 10 атм на входе вихревой трубы задаваемые перепады давлений обеспечивают характеристики холодообразования ΔT/ΔP (отношение понижения температуры ΔT в градусах к падению давления ΔP в атмосферах), представленные в таблице.

Получается, что чем меньше перепад давлений, тем выше полученный эффект, т. е. тем в большей степени реализуются возможности процесса адиабатического расширения.

Такой подход позволяет создавать устройства для безинверсного охлаждения любого газа в любой области температур.

Реализация процесса создания и сохранения ламинарного движения потока газа позволяет эффективность вихревого процесса охлаждения приблизить вплотную к эффективности процесса адиабатического расширения, т.е. резко повысить его КПД. Конструктивно это выразится в том, что горячий выходной патрубок вихревой трубы можно закрыть или вообще удалить (однопоточный режим), а из вихревой трубы будет выходить только холодный поток с более низкой температурой, чем у известных конструкций.

Таким образом, предложение позволяет существенно повысить эффективность охлаждения потока газа за счет его ламинаризации в проточном канале вихревой трубы.

Использование: холодильная техника, в частности в вихревых трубах. Сущность изобретения: при работе вихревой трубы вводится ограничение перепада рабочего давления газа. 1 табл.

Способ изменения температуры газового потока, заключающийся в тангенциальной подаче на спиральную рабочую поверхность улитки вихревой трубы газового потока, движущегося под действием разности давлений, отличающийся тем, что при работе вихревой трубы вводится ограничение перепада рабочего давления газа.