УЛИТКА ДЛЯ ВИХРЕВОЙ ТРУБЫ РАНКА Российский патент 1997 года по МПК F25B9/04 

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

Известно устройство для изменения температуры газового потока, содержащее входной патрубок, тангенциально направленный на спиральную рабочую поверхность (улитку), сочлененную с выходными каналами. Называется такое устройство "вихревая труба". Реализуется в вихревой трубе так называемый "эффект Ранка", который возникает при тангенциальном подводе и раскручивании газового потока с помощью улитки, в результате чего происходит охлаждение некоторой его части [1]
Используется вихревая труба, в основном, для охлаждения движущегося газового потока, хотя в известных вихревых трубах обязательно имеются два выходных патрубка "холодный" и "горячий", имеющие разный диаметр, из которых во время работы выходят два газовых потока, имеющих существенно различную температуру, причем в горячий патрубок выходит значительно большее количество газа, чем в холодный. Поэтому существуют конструкции не только "охлаждающих", но и "нагревательных" вихревых труб.

Внутренняя рабочая поверхность известных улиток строится, в основном, по спирали Архимеда, образующая которой параллельна оси вихревой трубы, т.е. можно сказать, что образующая спиральной рабочей поверхности параллельна оси спирали (см. в [1] с. 9 и рис. 1.4, с. 11). Такая улитка изображена на фиг. 1.

Схематично работает известная вихревая труба следующим образом. Свободное прямолинейное движение газового потока, подводимого входным патрубком к улитке, становится круговым, вынужденным, при этом периферийные его слои уплотняются, а центральные становятся разреженными. При выходе из улитки вращающийся газ начинает разделяться на два потока периферийные уплотненные его слои, выходящие через горячий патрубок большего диаметра становятся теплее, чем на входе. Поэтому вихревая труба может использоваться и для подогрева газа. Разреженные слои, расположенные ближе к центру вращения, охлаждаются значительно сильнее и через диафрагму направляются в холодный патрубок меньшего диаметра. Поэтому и получается, что в подогретый патрубок выходит значительно больше газа, чем в холодный.

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

Низкая холодопроизводительность известной вихревой трубы объясняется тем, что неустойчивый турбулентный характер движения газа внутри вихревой трубы не позволяет полностью реализовать возможности охлаждения за счет адиабатического расширения, которое реализуется в вихревой трубе. Это можно объяснить несовершенством организации кругового движения газового потока.

Целью предлагаемого технического решения является уменьшение указанного недостатка за счет повышения эффективности изменения температуры потока газа в вихревой трубе, т. е. повышение эффективности либо охлаждения, либо его нагрева.

Поставленная цель достигается тем, что улитка выполняется со скошенной рабочей поверхностью, т. е. образующая спиральной рабочей поверхности выполняется под углом к оси спирали.

Сущность изобретения заключается в том, что скошенная рабочая поверхность улитки заставляет с большей интенсивностью производить разделение вращающегося потока газа по температурным фракциям, т.к. при движении газа по такой поверхности появляется боковая силовая составляющая, заставляющая его некоторую дополнительную часть перетекать в заданном направлении.

На фиг. 1а изображена улитка в плане с рабочей поверхностью, выполненной по спирали Архимеда; на фиг. 1б показано сечение известной улитки образующая ее рабочей поверхности параллельна оси вихревой трубы (угол α 0^o); на фиг. 2 и 3 показано сечение предлагаемой улитки образующая ее рабочей поверхности не параллельна оси вихревой трубы и составляет с ней некий угол a.

Устройство не имеет движущихся частей, поэтому динамика устройства определяется движением подаваемого в вихревую трубу газа, не являющегося элементом рассматриваемого устройства.

Работает предлагаемая конструкция следующим образом. При подаче потока газа на спиральную поверхность улитки происходит его раскручивание и разделение по температурным фракциям. Благодаря наклону рабочей поверхности, направленному в сторону одного из выходных патрубков, происходит дополнительное смещение потока в нужную сторону. Поэтому в один из патрубков будет поступать больше газа, чем при использовании известной улитки. Кроме того, благодаря появлению (фиг. 2) уширения полости (П), получившейся за счет "скоса" (по сравнению с фиг. 1) в предлагаемой конструкции, происходит дополнительное расширение и охолаживание газа. Поэтому, используя предложенную улитку, можно увеличить один выходной поток за счет уменьшения потока из другого выходного патрубка при неизменном суммарном потоке. То есть улитка с наклоненной спиральной поверхностью позволяет перераспределять потоки внутри вихревой трубы относительно выходных патрубков.

Предварительные исследования показали, что в зависимости от поставленной задачи и от состава охлаждаемого газа, половина угла раствора рабочей спиральной поверхности улитки (угол наклона) должен находиться в пределах от 1,5^o до 24^o, т.е. угол между образующейся спиральной рабочей поверхностью и осью спирали равен 1,5^o.24^o, т.е. весь раствор угла между образующей оппозитно расположенных частей рабочей спиральной поверхности улитки находится в пределах 3.48^o.

Возможен вариант, когда улитка выполняется с переменным углом наклона - как бы "скрученная" спираль. Например, спираль, имея на входе "нулевой" угол наклона, постепенно закручивается, и на выходе угол наклона достигает максимального (1,5^o.24^o) значения (фиг. 3 и 5). Поэтому такое устройство имеет переменный угол наклона спиральной поверхности к оси спирали, т.е. имеет несимметричный относительно оси вихревой трубы раствор угла между образующей оппозитно расположенных частей рабочей спиральной поверхности улитки.

В целях упрощения изготовления предлагаемых улиток их наклонная поверхность может формироваться за счет набора (пакета) тонких улиток.

Поэтому такое устройство (улитка) выполняется из набора тонких улиток, имеющих разные параметры спирали (например, разный шаг спирали). Это позволяет облегчить производство таких улиток с различными параметрами, в том числе и с разными углами наклона рабочей поверхности за счет использования различных комбинаций унифицированных элементов (тонких улиток). Полученная улитка имеет ступенчатую спиральную поверхность (фиг. 4).

Использование: в области конструирования устройств, использующих вихревой эффект Ранка для изменения температуры газового потока. Сущность изобретения: вихревая труба содержит спиральную рабочую поверхность (улитку), входной и выходной патрубки. Новым в изобретении является то, что улитка имеет рабочую спиральную поверхность, наклоненную в сторону выходного патрубка. Это позволяет повысить эффективность рабочего процесса, 3 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Улитка для вихревой трубы Ранка, содержащая спиральную рабочую поверхность, отличающаяся тем, что образующая спиральной рабочей поверхности расположена под углом к оси спирали. 2. Улитка по п.1, отличающаяся тем, что угол между образующей спиральной рабочей поверхности и осью спирали равен 1,5 24^o. 3. Улитка по п.1, отличающаяся тем, что спиральная поверхность выполнена образующей с переменным углом наклона последней к оси спирали. 4. Улитка по п. 1, отличающаяся тем, что выполнена из набора тонких улиток, имеющих разные параметры спирали.