ВИХРЕВАЯ ТРУБА Российский патент 2003 года по МПК F25B9/04 

Изобретение относится к комбинированным системам для нагрева и охлаждения и может использоваться в различных областях науки и техники, в частности в системах воздушного охлаждения (нагрева).

Известна вихревая труба, содержащая камеру энергетического разделения, завихритель входного потока, диафрагму вывода охлажденного потока и клапан, установленный на выходе нагретого потока [1-3].

Однако эффективность энергетического разделения потока (другими словами, холодопроизводительность) для этой трубы невелика.

Наиболее близким техническим решением является вихревая труба, содержащая камеру энергетического разделения, снабженную согласующим элементом, завихритель входного потока, диафрагму вывода охлажденного потока и клапан, установленный на выходе нагретого потока [4].

Однако в этой трубе согласующий элемент имеет явно выраженные резонансные частоты (т.е. является достаточно узкополосным элементом). Вследствие этого повышение эффективности энергетического разделения потока (другими словами, холодопроизводительности) для этой трубы имеет место лишь при вполне определенной структуре вихревого потока (другими словами, при вполне определенном режиме работы вихревой трубы).

Технический результат, который может быть получен при осуществлении изобретения, состоит в повышении эффективности энергетического разделения потока в вихревой трубе (в повышении холодопроизводительности) при различных режимах работы вихревой трубы путем выполнения согласующего элемента с возможностью автоподстройки под структуру вихревого потока.

Этот результат достигается тем, что в вихревой трубе, содержащей камеру энергетического разделения, снабженную согласующим элементом, завихритель входного потока, диафрагму вывода охлажденного потока и кран, установленный на выходе нагретого потока, согласующий элемент выполнен в виде цилиндра, механически не связанного с камерой энергетического разделения, причем диаметр цилиндра превышает диаметр диафрагмы вывода охлажденного потока, или в виде гибкого стержня, закрепленного со стороны крана с возможностью вращения вокруг оси камеры энергетического разделения.

Указанный выше технический результат достигается при любой из указанных альтернатив выполнения согласующего элемента.

В частности, диаметр цилиндра не превосходит 0,8D, где D - внутренний диаметр камеры; длина цилиндра выбрана в диапазоне (0,3...0,8)L, где L - длина камеры; а средняя плотность цилиндра выбрана в диапазоне 0,05...2 г/см³.

В данном случае согласующий элемент фактически представляет собой жесткий стержень. Следует отметить, что его поперечное сечение может иметь форму многогранника и т.д. Помимо этого, размеры стержня в различных сечениях могут быть различны (стержень может представлять собой усеченный конус, усеченную пирамиду и т.д.). Плотность стержня также может быть различной в различных его участках.

В частности, диаметр гибкого стержня выбран в диапазоне (0,1...0,5)D, где D - внутренний диаметр камеры; а длина стержня выбрана в диапазоне (0,3. ..0,8)L, где L - длина камеры. При этом ось вращения стержня может не совпадать с осью камеры.

Следует отметить, что согласующий элемент может быть выполнен и в виде гибкого диска, закрепленного со стороны крана с возможностью вращения вокруг оси камеры энергетического разделения, причем диаметр диска выбран в диапазоне (0,5. ..0,9) D, где D - внутренний диаметр камеры; а жесткость диска выбрана такой, чтобы диск мог свободно деформироваться под действием вихревого потока.

На фиг.1, 2 представлены схемы вариантов выполнения вихревой трубы.

Вихревая труба содержит камеру 1 энергетического разделения потока с внутренней поверхностью 2, завихритель 3, диафрагму 4 вывода охлажденного потока, кран 5, установленный на выходе нагретого потока. Камера 1 снабжена согласующим элементом 6 (6'), выполненным с возможностью автоподстройки под структуру вихревого потока.

В частности, на фиг.1 согласующий элемент 6 выполнен в виде цилиндра, механически не связанного с камерой энергетического разделения.

В частности, на фиг. 2 согласующий элемент 6' выполнен в виде гибкого стержня, закрепленного в некотором узле 7 (со стороны клапана) с возможностью вращения вокруг оси камеры 1. Узел 7 снабжен отверстиями 8, обеспечивающими выход горячего воздуха из камеры 1 в кран 5.

"В статике" (при отсутствии избыточного давления на входе вихревой трубы) цилиндр 6 касается нижней внутренней поверхности 2 камеры 1 (при горизонтальном положении камеры 1 цилиндр 6 полностью находится на этой поверхности). Гибкий стержень 6' большей своей частью (за исключением области, прилегающей к узлу крепления 7) также находится на нижней внутренней поверхности 2 камеры 1. На фиг.1, 2 положение согласующего элемента 6 (6') показано "в динамике" (в процессе работы вихревой трубы). При этом сплошные и пунктирные линии обозначают "крайние" положения этого элемента в различные моменты времени.

Диаметр цилиндра 6 превышает диаметр диафрагмы вывода охлажденного потока, но не превосходит 0,8D, где D - внутренний диаметр камеры; длина цилиндра выбрана в диапазоне (0,3...0,8)L, где L - длина камеры; а средняя плотность цилиндра выбрана в диапазоне 0,05...2 г/см³.

Диаметр стержня 6' выбран в диапазоне (0,1...0,5)D, где D - внутренний диаметр камеры; длина стержня выбрана в диапазоне (0,3...0,8)L, где L - длина камеры, а жесткость стержня выбрана такой, чтобы стержень мог свободно изгибаться под действием вихревого потока.

Работает вихревая труба следующим образом.

Входной поток (от внешнего источника, на чертеже не показанного) под давлением в несколько атмосфер поступает в завихритель 3, обеспечивающий формирование закрученной (завихренной) струи в камере энергетического разделения 1. За счет эффекта Ранка в камере 1 периферийная (пристеночная) область потока нагревается, а центральная (приосевая) - охлаждается. Пространственное разделение охлажденного и нагретого потоков осуществляется с помощью крана 5 и диафрагмы 4. Отметим, что на чертеже представлена схема так называемой противоточной трубы [1], но возможна несколько иная компоновка, соответствующая прямоточной трубе. В периферийной области камеры 1 закрученная струя имеет спиралеобразный вид [1] . При некотором частичном перекрытии крана 5 в приосевой области камеры 1 формируется возвратный поток холодного (точнее, охлажденного) воздуха, который выходит из трубы через диафрагму 4.

Проведенные эксперименты показали, что введение в вихревую трубу согласующего элемента 6 (6'), выполненного указанным образом, позволяет в несколько раз повысить расход воздуха через диафрагму 4 и на несколько градусов понизить температуру холодного воздуха, т.е. в несколько раз повысить холодопроизводительность вихревой трубы. Этот эффект имеет место при различных давлениях на входе и различном соотношении расходов холодного и горячего воздуха, т.е. в достаточно широком диапазоне режимов работы вихревой трубы.

Для согласующего элемента, выполненного в виде цилиндра (фиг.1), наилучшие результаты имели место при отношении длины цилиндра 6 к длине камеры 1, лежащем в диапазоне 0,6...0,8. В этом случае расстояние от диафрагмы 4 до ближайшего торца цилиндра 6 в несколько раз превосходит внутренний диаметр камеры 1. "Оптимальное" отношение диаметра стержня 6 к внутреннему диаметру камеры 1 лежит в диапазоне 0,5...0,7; а средняя плотность стержня должна быть близка к 1 г/см³. Следует отметить, что стержень может быть полым. В этом случае его средняя плотность существенно зависит от соотношения внутреннего и внешнего диаметров (и при изменении этого соотношения может меняться в весьма широких пределах).

Для согласующего элемента, выполненного в виде гибкого стержня (фиг.2), наилучшие результаты имели место при отношении длины стержня 6' к длине камеры 1, лежащем в диапазоне 0,6...0,8. В этом случае расстояние от диафрагмы 4 до ближайшего торца стержня 6' в несколько раз превосходит внутренний диаметр камеры 1. "Оптимальное" отношение диаметра стержня 6' к внутреннему диаметру камеры 1 лежит в диапазоне 0,2...0,4.

К настоящему времени в литературе отсутствует теоретическое объяснение эффекта повышения холодопроизводительности за счет согласующего элемента. Одна из возможных гипотез, объясняющих этот эффект, состоит в следующем.

Согласно литературным данным входной (периферийный) поток в камере 1 представляет собой свободный (или комбинированный) вихрь, у которого максимум тангенциальной скорости находится на расстоянии (0,6...0,9)R от оси камеры 1 (R - радиус внутренней поверхности 2 камеры 1, D= 2R). Поток холодного воздуха представляет собой вынужденный вихрь, диаметр которого (в зависимости от давления на входе и т.д.) составляет (0,1...0.5)D.

Согласующий элемент в виде цилиндра 6 в процессе работы находится "во взвешенном состоянии". Он вращается вокруг своей оси, а сама ось прецессирует во времени. На фиг.1 сплошной и штриховой линиями показаны "крайние" положения цилиндра (в различные моменты времени).

Согласующий элемент в виде гибкого стержня 6' в процессе работы деформируется и совершает вращательное движение. За счет центробежных сил свободная часть стержня (со стороны диафрагмы 4) имеет линейный вид. На фиг.2 сплошной и штриховой линиями показаны "крайние" положения стержня (в различные моменты времени).

В результате взаимодействия вихревого потока с согласующим элементом 6 (6') прецессия вихря в определенной мере стабилизируется в пространстве и времени. При этом улучшаются условия для разделения потоков холодного и горячего воздуха.

Помимо этого, возможно, что при этом происходит более интенсивный обмен турбулентными "микровихрями" между периферийным и приосевым потоками воздуха, в частности, за счет генерации "микровихрей" определенного размера. Все это в совокупности приводит к повышению эффективности переноса тепла от приосевого (холодного) потока к периферийному (горячему) потоку, т.е. к дополнительному охлаждению приосевого потока.

Таким образом, введение согласующего элемента, выполненного с возможностью автоподстройки под структуру вихревого потока, позволяет повысить холодопроизводительность при различных режимах работы вихревой трубы.

Источники информации
1. Меркулов А.П. Вихревой эффект и его применение в технике. М.: Машиностроение, 1969. - 184 с.

2. Гуцол А.Ф. Эффект Ранка. Успехи физических наук, 1997, т.167, 6, c. 665-687.

3. Патент РФ 2170892, кл. F 25 B 9/04, 2001.

4. Патент РФ 2067266, кл. F 25 B 9/02, 1996.

Изобретение относится к комбинированным системам для нагрева и охлаждения и может использоваться в различных областях. В вихревой трубе, содержащей камеру энергетического разделения, завихритель входного потока, диафрагму вывода охлажденного потока и кран, установленный на выходе нагретого потока, камера энергетического разделения снабжена согласующим элементом, выполненным с возможностью автоподстройки под структуру вихревого потока. Согласующий элемент может быть выполнен в виде цилиндра, механически не связанного с камерой энергетического разделения. Диаметр цилиндра превышает диаметр диафрагмы вывода охлажденного потока, но не превосходит 0,8D, где D - внутренний диаметр камеры. Длина цилиндра выбрана в диапазоне (0,3... 0,8)L, где L - длина камеры. Средняя плотность цилиндра выбрана в диапазоне 0,05. . . 2 г/см³. Согласующий элемент может быть выполнен в виде гибкого стержня, закрепленного со стороны крана с возможностью вращения вокруг оси камеры энергетического разделения. Диаметр стержня выбран в диапазоне (0,1.. .0,5)D, где D - внутренний диаметр камеры. Длина стержня выбрана в диапазоне (0,3. . .0,7)L, где L - длина камеры. Использование изобретения позволит повысить эффективность энергетического разделения потока в вихревой трубе. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Вихревая труба, содержащая камеру энергетического разделения, снабженную согласующим элементом, завихритель входного потока, диафрагму вывода охлажденного потока и кран, установленный на выходе нагретого потока, отличающаяся тем, что согласующий элемент выполнен в виде цилиндра, механически не связанного с камерой энергетического разделения, причем диаметр цилиндра превышает диаметр диафрагмы вывода охлажденного потока, или в виде гибкого стержня, закрепленного со стороны крана с возможностью вращения вокруг оси камеры энергетического разделения. 2. Вихревая труба по п. 1, отличающаяся тем, что диаметр цилиндра не превосходит 0,8D, где D - внутренний диаметр камеры, длина цилиндра выбрана в диапазоне (0,3. . . 0,8)L, где L - длина камеры, а средняя плотность цилиндра выбрана в диапазоне 0,05. . . 2 г/см³. 3. Вихревая труба по п. 1, отличающаяся тем, что диаметр гибкого стержня выбран в диапазоне (0,1. . . 0,5)D, где D - внутренний диаметр камеры, а длина стержня выбрана в диапазоне (0,3. . . 0,8)L, где L - длина камеры.