Вихревой холодильник Советский патент 1983 года по МПК F25B9/02 

Изобретение относится к кондиционирсванию воздуха, а именно к устройствам для получения горячего и холодного потоков воздуха с помощью вихревых труб, в которых утилизация энезргин горячего потока с целью возрастания энергетической эффектив ности, происходит в щелевых диффузорах, вихревых вакуум- насосах и эжекторах. Широкому распространению вихревы труб для холодильных установок препятствует низкая экономичность происходящего в них процесса энергетического разделения, причем эффектив ность процесса возрастает с увеличением диаметра.вихревой трубы Cl. Однако, при этом пропорционально квадрату диаметра трубы увеличивается расход сжатого газа, что ограничивает применение вихревых труб большого диаметра втаких случаях, как утилизация энергии давления при родных газов и подобных им. Обычно для промышленных выхревых труб диап зон диаметров ограничивается 15-20 л Одним из наиболее перспективных направлений в области повышения эне гетической эффективности вихревых труб является повышение работоспосо ности доли холодного потока путем его многократной циркуляции. При эт процесс энергетического разделения может заметно приблизиться к предел но возможному Известен вихревой холодильник, содержащий корпус с отверстием для пропуска газа, на котором укреплен вихревой генератор. - Генератор имеет несколько сопел и кольцевую вихревую камеру, в которую из сопел по касательной подается газ. Один конец камеры имеет уплотнение, другой соединен с .выпускной линией. Через выпускную линию, вихревую камеру и уплотнение соосно с ними проходит труба менычего сечения для охлаждаемого газа L 2 . Недостаток этого холодильника высокая энергоемкость. Известна также холодильная вихревая установка, которая содержит каме ру, теплообменник для охлаждения поступающего осушенного сжатого воздуха, вихревой холодильник, диффузор струйный эжектор и дополнительно охватывающую камеру полость, сообщающуюся через отверстия с камерой и в нижней своей части с теплообменником Установка содержит также второй вихревой холодильник, последовательно действующий после первого для осуществления второй ступени расшире кия воздуха, а также второй эжектор для увеличения адиабатического перепада давления воздуха З j. Недостатком этой установки является необходимость использования высоких давлений газа для срабатывания его в ступенчатых схемах, что не всегда возможно по .техническим причинам. Увеличение диаметра вихревой трубы при наличии высоких давлений приводит к повышенному расходу сжатого воздуха. Так как КПД струйных эжекторов, включенных в установку, не превышает 5-10%, то и общая энергетическая эффективность вихревой холодильной установки также низкая. Наиболее близким к предлагаемому является вихревой холодильник, содержащий вихревую трубу с сопловым вводом, диафрагмой вывода холодного потока и дросселем на горячем конце и охлаждающую рубашку, связанную с горячим концом через эжектор 4. Недостатком этого холодильника является то обстоятельство, что,хотя сопловой ввод имеет срез, который в какой-то степени позволяет получить скорость, превышающую скорость звука (как в сопле Лаваля) , поток после выхода из сопла начинает поворачивать по касательной к внутренней поверхности трубы, что приводит к резкому уменьшению скорости. Поэтому значительное повышение перепада давления фактически не ведет к дальнейшему увеличению скорости истечения газа из сопла и температурный эффект не увеличивается, несмотря на дальнейшее повышение начального давления. Кроме того, недостатком этого вихревого холодильника является то, что при переходе с режима охлаждения на режим подогрева необходимо производить .замену диафрагь4ы вихревой трубы с меньивго диаметра на больший, что неудобно для лабораторной и научно-исследовательской практики. Цель изобретения - повьпиение термодинамической эффективности. Указанная цель достигается тем, что в вихревом холодильнике, содержащем вихревую трубу с сопловым вводом, диафрагмой вывода холодного потока, дросселем на горячем конце и охлаждающую рубашку, связанную с горячим концом через эжектор, холодильник дополнительно содержит вихревую камеру, а рубашка размещена вокруг нее и разделена поперечной перегородкой на входную и .выходную секции, сообщенные с полостью вихревой камеры посредством тангенциальных отверстий, выполненных в ее стенке, причем эжектор выполнен в виде расположенных одно в другом сопел Лаваля, установленных в камере в зоне отверстий входной секции, а в зоне отверстий выхолной секции внутри камеры дополнительно установлен с возможностью продольного перемещения стакан, выполненный с соплом в днище и щелевыми окнами в боковой стенке. На фиг. 1 схематически изображен предлагаемый вихревой холодильник,на фиг. 2 - разрез А-А на фиг. 1/ на фиг. 3 - оазрез Б-Б на фиг. 1. Вихревой холодильник содержит вихревую трубу 1 с сопловым вводом диафрагмой 3 вывода холодного пото и дросселем 4 на горячем конце, вих ревую камеру 5 с охлаждающей рубашкой б, разделенной поперечной перегородкой 7 на входную 8 и выходную секции, сообщенные с полостью вихре вой камеры 5 посредством тангенциальных отверстий 10 и 11, выполненных в ее стенке, эжектор, выполненный в виде расположенных одно в дру гом сопел Лаваля 12 и 13, установленных в камере 5 в зоне отверстий 1 входной секции 8, а в зоне отверсти 11 выходной секции 9 внутри камеры установлен с возможностью продольного перемещения стакан 14, выполненный с соплом 15 в днище и щелевыми окнами 16 в боковой стенке. Камера 5 имеет впускной патрубок 17, а выходная секция 9 выпускной патрубок 18 с запорным краном 19. На внешней боковой поверхности рубашки б установлены ребра 20. Вихревой холодильник работает следующим образом. Сжатый воздух с давлением 3-4 ат и температурой 20°С подается в сопловой ввод 2 вихревой трубы 1. В вихревой трубе 1 осуществляетс процесс энергетического разделения воздуха на холодный и горячий поток за счет эффекта Ранка. Выходящий из вихревой трубы холодный поток, имею щий давление 1-5-2 атм и температур проходит через отверстие диаф рагмы 3 и вытекает в полость вихревой камеры 5. За счет кинетической энергии струи холодного потока в . камеру 5 подсасывается воздух из ок ружающей Среды через патрубок 17. При этом струя падает на днище стакана 14, и одна часть потока проходит через щелевые окна .16, а другая проходит через сопло 15 и вытекает во внутренюю полость вихревой камеры 5 закрученной струей. Регулирование температурного режима осущест вляется дросселем 4. Горячий поток с температурой +25°С и давлением 1,5-2 атм проходит дроссель 4 и пос тупает в секцию 8 охлаждающей рубаш ки 6, при этом часть тепла отдается в окружающую среду с помощью ребер При этом температура падает и стано вится равной 20-22°С. Далее горячий поток проходит через тангенциальные отверстия 10 и закручивается в кол цевом пространстве, образованном соплами Лаваля 12 и 13. В расширяющейся части этого кольцевого пространства горячий поток разгоняется до скорости, превышающей скорость звука. Тангенциальная закрутка потока позволяет получить на выходе полую вращающуюся струю, движущуюся по периферии в направлении стакана 14. Холодный поток, вытекающий из сопла 15, взаимодействует с периферийным горячим потоком и в результате перераспределения энергии, являющегося результатом сложных газодинамических процессов, охлаждается и вытекает через сопло Лаваля 12 в атмосферу. При этом, двигаясь по периферии, горячий поток нагревается, одна часть его встречает сопротивление струй холодного потока, вытекающих под давлением через щелевые окна 16 ста- кана 14, поворачивает к оси и начинает двигаться в обратном направлении. Другая часть, вращаясь, перемещается в осевом направлении, вытекает через профилированные отверстия 11 в секцию 9 рубашки 6 и через запорный кран 14 вытекает в атмосферу. Регулирование температурного режима установки осуществляется изменением положения стакана 14. При перемещении стакана 14 сечение профилированных отверстий 11 будет перекрываться боковой поверхностью этого стакана 14. При полном закрытии отверстий 11 весь горячий поток, двигаясь по периферии, закручивается поперечными струями, вытекающими из щелевых окон 16 стакана 14, и эжектирует холодный поток, вытекающий из его сопла 15. Таким образом, одновременно с эжектированием холодного потока, вытекающего через сопло 15, производится более интенсивное энергетическое разделение воздуха на горячий н холодный потоки. Одновременно вихревое движение горячего потока обеспечивает высокую интенсивность теплообмена при передаче тепла к охлаждающей рубашке и далее через ребра 20 в окружающую среду. При дальнейшем перемещении стакана 14 по оси, отверстия 11 соединяют через патрубок 18 с краном 19 внутреннюю полость стакана 14 с атмосферой. Это позволяет с помощью предлагаемого вихревого холодильника получать воздух с различной температурой и влажностью. Стакан 14 испытывает давление как изнутри напором струй холодного потока воздуха, так и снаружи давлением периферийного потока горячего воздуха. При работе стак.ан 14 автоматически устанавливается по оси эжектора. С увеличением давления сжатого воздуха, подаваемого в сопловой ввод 2, и в результате регулирования с помощью дросселя 4, стакан 14 будет автоматически перемещаться по оси камеры 5 и самоустанавливаться в положение равновесия. Если профилированные отверстия 11 находятся снаружи стакапа 14, то через патрубок 17 втекает атмосферный воздух, а через со ла 12 вытекает холодный поток. Во втором случае, когда отверстия 11 находятся внутри стакана 14, через патрубок 18 втекает атмосферный BOS дух. При этом температурный режим потока, вытекающего из сопла 12 в атмосферу, плавно меняется в широки пределах без замены диафрагмы 3 вихревой трубы. Кроме того заметный рост темпер туры горячего-потока (доля расхода горячего потока при этом уменьшается) позволяет за счет эжектирова ния воздуха из окружающей среды получить и при малых диаметрах диа рагмы максимальную температуру потока без уменьшения его рас хода . Это равносильно повышению термодинамической эффективности вихревой трубы. Кроме того,, вытекающая из кольцевого пространства между соплами Лаваля Л1олая вращающаяся струя газа, движущаяся со скоростью, превышащей скорость звука, движется поступательно по длине трубы. При этом повыиение давления приводит к увеличению скорости истечения газа из сопла и возрастанию температурного эффекта. Диаметр эжектора, одновременно выполняющего роль второй ступени вихревой трубы, значительно больше ее диаметра. Вихревое движение газа обеспечивает также более интенсивную теплоотдачу охлаждающей рубаиже и от нее в окружающую среду. Это увеличивает температурное разделение воздуха и повышает энергетическую эффективность вихревого холодильника.

ВИХРЕВОЙ ХОЛОДИЛЬНИК,содержащий вихревую трубу с сопловым вводом, диафрагмой вывода холодного потока и дросселем.на горячем конце, и охдаждающую рубашку, связанную с горячим концом через эжектор, о тличающийся тем, что, с целью повышения термодинамической эффективности, холодильник дополнительно содержит вихревую камеру, рубашка размещена вокруг нее и разделена поперечной перегородкой на входную и выходную секции, сообщенные с полостью вихревой камеры посредством тангенциальных отверстий, выполненных в ее стенке, причем эжектор выполнен в виде расположенных одно в другом сопел Лаваля, установ«5 ленных в камере в зоне отверстий входной секции, а в зоне отверстий выходной секции внутри камеры дополнительно установлен с возможностью продольного перемещения стакан, выполненный с соплом в днище и щелевыми окнами в боковой стенке.