Изобретение относится к области конструкции и способа работы устройств для охлаждения газа с использованием вихревых труб в качестве холодообразующих элементов.
Известен способ работы устройства для охлаждения, включающий разделение потока газа на два потока, один из которых подают в теплообменник, а второй расширяют в основной вихревой трубе, после чего холодный поток вихревой трубы подают в обратный поток теплообменника. (1).
Известный способ реализуется в конструкции, которая содержит разделитель потока газа, расширитель, выполненный в виде основной вихревой трубы с камерой энергоразделения, теплообменник и холодоприемник, а также устройство для охлаждения камеры энергоразделения основной вихревой трубы выполненное в виде кожуха с патрубками, причем камера энергоразделения расположена внутри кожуха.
Однако известный способ и известное устройство, реализующее этот способ, обладают низкой эффективностью процесса ожижения, что является недостатком.
Техническим результатом изобретения является уменьшение указанного недостатка.
Технический результат изобретения в части способа достигается тем, что из вихревой трубы выводят избыточную энергию за счет охлаждения ее камеры энергообмена холодным потоком дополнительной вихревой трубы, причем после охлаждения камеры энергообмена вихревой трубы поток, охлаждающий эту камеру, вводят в обратный поток теплообменника.
Технический результат изобретения в части устройства достигается тем, что входной патрубок подключен к холодному концу дополнительной вихревой трубы, а выходной патрубок подключен к каналу обратного потока теплообменника.
Предлагаемый способ реализуется в конструкции, которая изображена на фиг.1-4.
Устроена предлагаемая конструкция (фиг.1 и др.) следующим образом.
Входной патрубок 1 соединен с разделителем потока рабочей среды (тройником, крестовиной) 2. Крестовина-разделитель потока 2 соединена с входом 3 основной конической вихревой трубы 4, со входом прямого потока 5 теплообменника 6 и со входом 7 дополнительной вихревой трубы 8. Выход прямого потока 5 теплообменника 6 через пневмодроссель 9 соединен с входом 10 холодоприемника (сборника жидкости) 11. Выход 12 холодоприемника 11 через тройник-смеситель 13 присоединен ко входу обратного потока 14 теплообменника 6. К этому же тройнику-смесителю 13 присоединен холодный патрубок 18 основной вихревой трубы 4.
Выход обратного потока 14 теплообменника 6 присоединен к тройникам-смесителям 15 и 16 и к выходному патрубку 17 устройства для охлаждения. К тройнику-смесителю 15 присоединен горячий патрубок 19 дополнительной вихревой трубы 8.
Основная вихревая труба 4 имеет два выхода: холодный 18 и горячий 20. Такая труба может работать в двух режимах - однопроходном и двухпроходном. При работе в однопроходном режиме горячий патрубок закрывается заглушкой 21 (фиг.1). При работе в двухпроходном режиме горячий патрубок открыт (рис.2...4) и через него движется поток газа. При этом горячий патрубок 20 через тройники-смесители 22 и 16 присоединен к выходному патрубку 17 устройства для охлаждения, а через тройник-смеситель 15 - к выходу обратного потока 14.
В технической литературе вместо словосочетания “горячий патрубок 20” или “холодный патрубок 18” также используются термины “горячий конец 20” или “холодный конец 18” вихревой трубы.
В зависимости от поставленной задачи теплообменник может состоять или из одной секции 6 (фиг.1 и 2), или из двух секций 6 и 22 (фиг.3), или из трех секций 6, 22 и 23 (фиг.4).
Основная вихревая труба 4 имеет коническую камеру энергоразделения 24. Такая камера 24 помещена с зазором в кожух 25. Кожух имеет входной 26 и выходной 27 патрубки. Входной патрубок 26 соединен с холодным концом 28 дополнительной вихревой трубы 8.
Выходной патрубок 27 может быть соединен:
- или через тройник-смеситель 22 и/или через тройник-смеситель 16 с выходным патрубком 17 устройства для охлаждения (фиг.1-3),
- или с помощью тройника-смесителя 29 со входом одной из секций (например, секции 6 или 22) обратного потока 14 теплообменника (фиг.4).
Схема с однопоточной вихревой трубой 4 (фиг.1) реализует минимальное охлаждение и может использоваться для работы в рефрижераторном режиме. Схема с двухпоточной вихревой трубой 4 (фиг.2-4) реализует более эффективное охлаждение и может использоваться для ожижения газа.
Работает рассматриваемая конструкция (фиг.1 и 2) следующим образом.
Сжатый газ в исходном термодинамическом состоянии подается во входной патрубок 1 и поступает в крестовину-разделитель потока 2.
В крестовине-разделителе потока 2 газ разделяется на три потока:
- первый поступает на вход прямого потока 5 теплообменника 6, выхолаживается от холодного обратного потока 14 и через пневмодроссель 9 поступает на вход 10 холодоприемника (сборника жидкости) 11;
- второй поступает на вход 3 основной вихревой трубы 4;
- третий поступает на вход 7 дополнительной вихревой трубы 8.
В основной вихревой трубе 4 входной поток газа вновь разделяется на два, которые уже отличаются по температуре, при этом холодный поток из патрубка 18 смешивается в тройнике-смесителе 13 с холодным потоком, выходящим из патрубка 12 холодоприемника 11 и поступает на вход обратного потока 14 теплообменника 6. В теплообменнике 6 объединенный обратный поток 14 выхолаживает прямой теплый поток 5, который уже в холодном состоянии поступает в дроссель 9, а после него - во входной патрубок 10 холодоприемника 11.
Так как пневмодроссель 9 оказывает значительное сопротивление прохождению газа при расширении, то, согласно закону Джоуля-Томсона, на выходе из пневмодросселя происходит дальнейшее охлаждение газа, что приводит к постепенному охлаждению холодоприемника (сборника жидкости 11).
По мере понижения температуры холодоприемника 11 в обратный канал 14 теплообменника 6 через патрубок 12 и тройник 13 поступает все более холодный поток, который все более выхолаживает прямой поток 5 и все более низкую температуру приобретает охлаждаемый объект - холодоприемник 11. Происходит как бы “накопление” холода в рекуперативном теплообменнике 6 и в холодоприемнике 11, поэтому холодопроизводительность устройства постепенно повышается, но только до некоторого предела, определяемого повышенной температурой камеры энергообмена 24 вихревой трубы 4, являющейся показателем наличия у работающей вихревой трубы избыточной тепловой энергии.
Для преодоления этого предела, т.е. у рефрижератора для повышения эффективности охлаждения (у ожижителя для повышения коэффициента ожижения), необходимо из вихревой трубы вывести избыточную энергию за счет охлаждения ее камеры энергообмена.
Поставленная задача может быть решена за счет использования холода от дополнительной вихревой трубы.
Согласно такого метода в качестве источника холода для решения упомянутой задачи камеру энергообмена 24 вихревой трубы 4 охлаждают холодным потоком дополнительной вихревой трубы 8. Для этого в зазор 24-25, образованный наружной поверхностью камеры энергообмена 24 и кожухом 25, через входной патрубок 26 подают холодный поток от холодного конца 28 дополнительной вихревой трубы 8, который и охлаждает камеру энергообмена основной вихревой трубы. После охлаждения камеры энергообмена основной вихревой трубы холодный поток дополнительной вихревой трубы вводят в обратный поток теплообменника.
Подогретый внутри кожуха 25 поток, в зависимости от получаемого уровня температур, либо через тройник-смеситель 16 (и 22) сразу сбрасывается на выход 17 из устройства для охлаждения (фиг.1-3), либо вводится на вход обратного потока 14 одной из секций теплообменника (в секцию 6 - фиг.4). В зависимости от термодинамической задачи температура наружной поверхности камеры энергообмена 24 может быть в пределах плюс +50...+120°С. Температура холодного потока дополнительной вихревой трубы 8 может находиться в пределах -30...-70°С. И получается, что результативный температурный напор в зазоре 24-25 может находиться в пределах 80...190°, а это позволяет с большой эффективностью произвести охлаждение поверхности камеры энергообмена 24, т.е. вывести значительную часть избыточной тепловой энергии из основной вихревой трубы 4. Из-за этого значительно понижается температура холодного потока, вводимого в тройник-смеситель 13 из холодного конца 18 вихревой трубы 4. Поэтому резко понижается температура обратного потока 14, до более низкой температуры выхолаживается прямой поток 5 и в результате увеличивается холодопроизводительность устройства для охлаждения, работающего в рефрижераторном режиме (или повышается коэффициент ожижения у устройства для охлаждения, работающего в режиме ожижителя).
Горячий поток, выходящий из горячего конца 19 дополнительной вихревой трубы 8, в тройнике-смесителе 15 смешивают с выходом обратного потока теплообменника и подают на выход 17 из устройства для охлаждения (фиг.1-4).
Таким образом, изобретение позволяет повысить эффективность работы устройства для охлаждения за счет охлаждения камеры энергообмена основной вихревой трубы холодным потоком дополнительной вихревой трубы.
1. Патент RU 2149324, 2000.
Способ работы устройства для охлаждения включает разделение потока газа на два потока, один из которых подают в теплообменник, а второй расширяют в основной вихревой трубе. После этого холодный поток вихревой трубы подают в обратный поток теплообменника. Из вихревой трубы выводят избыточную энергию за счет охлаждения ее камеры энергообмена холодным потоком дополнительной вихревой трубы. После охлаждения камеры энергообмена вихревой трубы поток, охлаждающий эту камеру, вводят в обратный поток теплообменника. Использование изобретения позволит повысить эффективность процесса ожижения. 2 с. и 2 з.п. ф-лы, 8 ил.
| СПОСОБ РАБОТЫ УСТРОЙСТВА ДЛЯ ОХЛАЖДЕНИЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОХЛАЖДЕНИЯ | 1996 |
|
RU2149324C1 |
