ВИХРЕВАЯ ТРУБА С ВНУТРЕННЕЙ РЕГЕНЕРАЦИЕЙ ТЕПЛА Российский патент 2000 года по МПК F25B9/04 

Предлагаемое изобретение относится к холодильной технике, а именно к вихревым энергоразделяющим системам с внутренней циркуляцией газового потока.

Наиболее близким техническим решением (прототип) является вихревая труба Метенина [1] с внутренней регенерацией тепла, содержащая закрытую с торцов коническую камеру энергетического разделения с тангенциальным сопловым вводом сжатого газа, диафрагму с осевым и щелевым диффузорами для отвода холодного потока. На горячем конце камеры расположен периферийный лопаточный диффузор для преобразования кинетической энергии горячего потока в потенциальную энергию давления.

В конце камеры энергетического разделения установлена аэродинамическая решетка, обеспечивающая рециркуляцию горячего потока в камере, перераспределение давлений в ней, а также повышение степени расширения потока газа в сопловом вводе.

Для повышения температурной эффективности и холодопроизводительности вихревая труба дополнительно имеет теплообменник-регенератор, примыкающий к горячему торцу вихревой камеры энергоразделения, внутренняя поверхность теплообмена которого является продолжением периферийной части камеры и омывается циркулирующей частью горячего потока.

При этом вихревая труба дополнительно снабжена эжектором, установленным с возможностью обеспечения его работы от нерециркулирующей части горячего потока для охлаждения теплообменника-регенератора.

Процесс энергоразделения газа в этой вихревой трубе протекает одновременно с процессом теплообмена в теплообменнике-регенераторе и турбулизацией рабочего тела в камере энергоразделения, что обеспечивает повышение температурной эффективности на (25...35)% и холодопроизводительности на (30...40)% по сравнению с ВТ без внутренней регенерации тепла.

Несмотря на высокие технические показатели прототипа, его практическое использование затруднено следующими обстоятельствами:
1. Невозможно независимо изменять (регулировать) температуру и расход рециркулирующей части горячего потока газа. Существующий в прототипе золотниковый клапан позволяет изменять только расход рециркулируюшей части газа, температура его определяется конструктивным исполнением вихревой трубы.

2. Надежное функционирование только в одном заранее рассчитанном и заложенном в конструкцию режиме при заданных входном давлении и доле холодного потока.

3. Общая сложность и трудоемкость конструкции теплообменника-регенератора, необходимость применения дорогостоящих материалов для его изготовления (красная медь, ДII6Т);
4. Невозможность использования конструкции в ряде производств, в частности газовой промышленности, где Госгортехнадзором предъявляются особые требования к используемым материалам.

Целью предлагаемого изобретения является устранение указанных недостатков прототипа при сохранении его прогрессивных технико-экономических показателей. Это достигается путем выполнения теплообменника-регенератора выносным с запорно-регулирующими вентилями на трубопроводах, соединяющих теплообменник с холодным и горячим концами вихревой трубы:
на трубопроводе холодного потока на входе в теплообменник;
на трубопроводе холодного потока на входе в полость вихревой трубы перед сопловой аэродинамической решеткой;
на трубопроводе горячего потока на выходе из теплообменника.

При этом теплообменник не составляет единого целого с вихревой трубой, а имеет с ней только теплогазодинамическое взаимодействие.

Может быть использован теплообменник любого типа (например, кожухотрубный), из любого материала, подходящего для применяемой рабочей среды (например, стали). Единственное предъявляемое к нему требование - поверхность теплообмена должна соответствовать расчетной и обеспечивать рабочий процесс ВТ.

Конструкция предлагаемого устройства изображена на чертеже и содержит следующие основные элементы: коническую камеру 5 энергетического разделения газа с сопловым тангенциальным аппаратом 4 и кольцевым патрубком 10; диафрагму 3, осевой диффузор 2; щелевой диффузор 1; лопаточный диффузор 7; установленную за ним аксиальную сопловую решетку 6 с кольцевой щелью 11; выносной теплообменный аппарат 8; эжектор 9, запорно-регулирующие вентили 12, 13, 14.

Работа предлагаемой вихревой трубы осуществляется следующим образом.

Сжатый газ подается в сопловой тангенциальный ввод 4, где расширяется и получает закрутку. Далее закрученный поток попадает в коническую вихревую камеру разделения, где происходит процесс энергетического разделения газа. При этом "горячий" поток разбивается на две части. Одна из них (нерециркулирующая часть) это поток, перемещающийся по периферии, имеющий более высокие температуру и давление и выходящий через лопаточный диффузор 7 в кольцевой патрубок 10 и далее в эжектор 9.

Другая часть (рециркулирующая) - поток, поступающий в кольцевую щель 11 аксиальной сопловой решетки 6 и далее в выносной теплообменник-регенератор 8.

Холодный поток через диафрагму 3 подается в один из каналов выносного теплообменника 8 и затем, после завершения процесса теплообмена с встречным горячим потоком, отсасывается эжектором 9 и выбрасывается в окружающую среду или в потребительскую сеть низкого давления (при использовании природного газа в качестве охлаждающей среды). Его расход регулируется вентилем 12.

Рециркулирующая часть горячего потока из ВТ поступает противоточно в другой канал теплообменника 8, охлаждается встречным холодным потоком и поступает через аксиальную сопловую решетку 6 в приосевую зону вихревой камеры энергоразделения 5, интенсифицируя в ней турбулентность, способствующую повышению эффективности процесса энергоразделения. Рециркуляция газа обеспечивается самим рабочим процессом вихревой трубы без дополнительных затрат энергии, так как конический "горячий" конец камеры энергоразделения работает как противоточный вихревой эжектор [1]. Расход рециркулирующей части горячего потока регулируется вентилем 13.

Нерециркулирующая часть горячего потока из ВТ используется в качестве активного газа эжектора 9 для отсоса холодного потока с целью уменьшения гидравлического сопротивления теплообменника и повышения степени расширения газа в ВТ.

Вентиль 14 позволяет регулировать расход части холодного потока, подающегося непосредственно в ВТ в обход теплообменника 8, что позволяет существенно расширить диапазон температур потока газа, поступающего через сопловую аэродинамическую решетку 6 в приосевую область камеры энергоразделения 5. В пределе температура указанного потока может быть доведена до температуры кипения ПГ при выходном давлении.

В реальных условиях технологические параметры потока рециркуляции могут изменяться в следующих пределах:
Расход: 15 ... 75% от потока газа на входе в ВТ;
Температура: от -160^oC (при выходном давлении, равном атмосферному) до значения, которое имеет газ на входе в ВТ (как правило, +25...+30^oC).

Предлагаемое техническое решение обеспечивает следующие преимущества:
1. Значительно расширяется область применения, в частности в газовой промышленности.

2. Появляется возможность реализации оптимальных режимов работы вихревой трубы при заданных входном и выходном давлениях за счет использования теплообменника-регенератора с требуемой площадью теплообменной поверхности, независимого регулирования расхода и температуры потока газа, поступающего через сопловую аэродинамическую решетку в приосевую область камеры энергоразделения. При этом вихревая труба может быть настроена как на режим максимальной холодопроизводительности, так и на режим максимального температурного эффекта охлаждения.

3. Снижается стоимость и существенно упрощается изготовление вихревой трубы путем замены встроенного теплообменника на выносной теплообменник стандартной конструкции.

Литература
1. Вихревая труба В. И. Метенина патент RU 2041432, МКИ F 25 B 9/02, 9.08.95.

В вихревой трубе с внутренней регенерацией тепла теплообменник выполнен выносным, соединен с вихревой трубой трубопроводами для подвода и отвода холодного и горячего газовых потоков и снабжен арматурой, обеспечивающей регулировку расходов и температуры рециркулирующего потока. Использование изобретения позволит расширить область применения вихревой трубы с внутренней регенерацией тепла и обеспечивает возможность реализации различных режимов ее работы. 1 ил.

Вихревая труба с внутренней регенерацией тепла, содержащая камеру энергетического разделения газа с сопловым тангенциальным вводом, диафрагму для вывода холодного потока, лопаточный диффузор для вывода горячего потока, установленную за ним аэродинамическую решетку, регенеративный теплообменник и эжектор, отличающаяся тем, что теплообменник выполнен выносным, соединен с вихревой трубой трубопроводами для подвода и отвода холодного и горячего газовых потоков и снабжен арматурой, обеспечивающей регулировку расходов и температуры рециркулирующего потока.