Вихревая труба Советский патент 1981 года по МПК F25B9/02 

(54) ВИХРЕВАЯ ТРУБА

Изобретение относится к устройствам для охлаждения и нагревания газов, в. особенности в системах кон диционирования воздуха, и может быть использовано для кондиционирования воздуха низкого давления. Известны вихревые трубы для охлаждения и нагревания газа, содержащие установленный на выходе нагре того потока раскруточный диффузор с подвижной плоской задней стенкой. В этих трубах раскруточный диффузор служит для увеличения термодинамической эффективности вихревой трубы за счет уменьшения давления на оси вихря, а также для регулирования расходов и температур путем продоль Hot-o перемещения задней стенки диффузора И . Однако в известных вихревых трубах КПД раскруточного диффузора недостаточно высок из-за потерь энергии на образование вихревых зон в месте поворота потока при набегании последнего под прямым углом на заднюю плоскую стенку диффузора. Это обстоятельство снижает термодинамическую эффективность вихревой трубы. Известны также трубы, содержащие тангенциальный сопловый ввод, диафрагму для выпуска холодного потока, камеру энергетического разде-, ления и соединенный с ней раскруточный кольцевой диффузор, образуемый внутренней поверхностью выходного конического участка камеры энергетического разделения и дроссельным вентилем, выполненным в видепрямолинейного конического обтекателя задней подвижной стенки диффузора Н .. Эти вихревые трубы работают следующим образом. Сжатый газ поступает через сопловый ввод в камеру энергетическо-. го разделеия, где разделяется на охлажденный и нагретый потоки. Охлажденный поток выходит через диафрагму, а нагретый поток проходит по каналу диффузора, омывая дроссельный вентиль. При продольном перемещении вентиля площад-и входного и выходного сечений диффузора изменяются прямо пропорционально одна другой. Поэтому степень расширения диффузора, равная отношению площадей выходного

и входного сечений, сохраняется постоянной при всех положениях вентиля .Скорость нагретого потока газа в диффузоре различна на разных режима работы вихревой трубы. Эта скорость увеличивается с ростом давления сжатого газа и уменьшается с падением давления при фиксированном положении дросселя. Если давление сжатого газа постоянно, то скорость нагретого потока в диффузоре растет при перемещении дросселя в сто .рону соплового ввода уменьшение площади сечения диффузора) и падает при перемещении дросселя в обратном Направлении.

Известно, что увеличение скорости газа приводит к уменьшению оптимальной степени расширения диффузора. В описываемой вихревой трУбе степень расширения диффузора сохраняется постоянной при переменной величине скорости газа, что снижает КПД диффузора и следовательно, уменьшает термодинамическую эффективность вихревой трубы на переменных режимах работы.

Цель изобретения - повышение термодинамической эффективности на переменных режимах работы при значениях ,1 - 0,3 и fU 0,5-0,8

Указанная цель достигается тем, что обтекатель задней стенки .диффузора имеет цилиндрический участок, длина которого составляет 0,1-0,3 диаметра камеры энергетического разделения в сечении соплового ввода.

На фиг. 1 изображена конструктивная схема описываемой вихревой трубы; на фиг. 2 - графики зависимостей полной п и промежуточной п степеней расширения раскруточного диффузора от величины зазора между подвижной и неподвижной стенками диффузора.

Вихревая труба содержит тангенциальный сопловОй ввод 1 ,для подачи сжатого газа, диафрагму 2 для выпуска охлажденного потока, коническую камеру энергетического разделения 3 диаметром О,.в сечении соплового ввода, имеющую выходной цилиндрический патрубок 4 диаметром DQ/ соединенный с осерадиальным-раскруточным диффузором 5. Диффузор образован передней неподвижной стенкой 6 и задней подвижной стенкой 7, наруж50Межный диаметр которых D

ду стенками б и 7 имеется осевой заз Е, величина которого зависит от режима работы вихревой трубы. Передняя стенка 6 диффузора сопряжена с внутренней поверхностью патрубка 4 радиусом В 0,.3 0-. На задней стенке 7 диффузора установлен соосно с патрубком 4 обтекатель 8, сопряженный со стенкой радиусом . Обтекатель имеет цилиндрический участок 9, расположённый на

расстоянии К Rj от стенки 7. Длина цилиндрического участка составляет. L (0,1-0,3) 0-р, а его диаметр .60.

Внутренняя поверхность патрубка. 4 и наружная поверхность цилиндрического участка 9 обтекателя образуют кольцевой канал высотой И, которая сохраняется постоянной при перемещении стенки 7 в рабочем диапазоне величин Е.

Заднюю стенку 7 и обтекатель 8 можно перемещать в осевом направле НИИ штоком 10, проходящим через стенку ресивера 11, расположенного на выходе из диффузора 5. На ресивере 11

5 установлен дроссельный вентиль 12 для регулирования расхода нагретого и охла чденного потоков.

Канал осерадиального диффузора 5 имеет три характерные сечения:

0 1) входное А-А площадью

Рд, 2) промежуточное цилиндрическое сечение Б-Б площадью F g и диаметром D, на котором расположены центры радиусов Кц, З) выходное цилиндрическое сечение В-В площадью Fg и диаметром Dg .

Полная степень расширения диффузора составляет п Рд/Гд, а промежуточная степень расширения .. Площадь при любых положениях задней стенки 7 сохраняется постоянной ввиду постоянства величин DQ , О ц и h. Уменьшение зазора уменьшает площади Fg и Fg и, следовательно степени расширения п и h (кривые 13 и 14 на фиг. 1). При значении - 0,1 Dт площади Fд и F становятся равными, поэтому в этом положении задней стенки п 1. Дальнейшее уменьшение зазора Е приводит к тому, что площадь F становится меньше площади Fд , и участок между сечениями А-Л и Б-Б превращается в конфузор с п 1. В этом случае начало диффузора перемещается из сечения А-А в сечение Б-Б и, ввиду пропорциональности изменения площадей Fg ti F, степень расширения дИффузорнсго участка п Fg/Fg сохраняется постоянной при изменении величины зазора (участок 15 на фиг. 2).

Поскольку диапазон оптимальных величин степени расширения диффузора составляет , рабочий диапазон величины зазора f равен 0,1 ,2 (фиг.2 )

Длина L цилиндрического участка обтекателя не должна быть меньше рабочего диапазона изменения величины В, и в то )йе время должна оставаться возможно более короткой, обеспечивая оптимальную длину камеры энергетического разделения при умеренной длине вихревой трубы. По65 этому величина L находится в пределах 0,1-0,3 диаметра вихревой трубы в, сечении соплового ввода

Вихревая труба работает следующим образом.

Сжатый газ поступает через сопловый ввод 1 в камеру энергетического разделения 3, где образуются охлажденный и нагретый потоки.. Охлажденный поток выходит из вихревой трубы через диафрагму 2, а нагретый поток поступает через патрубок 4 и диффУ7 зор 5, омывая обтекатель 8 с цилиндрическим участком 9, переднюю 6 и заднюю 7 стенки, в ресивер 11, из которого выходив через дроссельный вентиль 12.

Требуемый расход нагретого и охлаяСценного потоков устанавливают . вентилем 12, а оптимальную степень расширения диффузора получают перемещением с помощью штока 10 его задней подвижной стенки 7. При фиксированном положении вентиля 1:2 перемещение задней стенки 7 диффузора в рабочем диапазоне величин 0,, не влияет на величину расхода газа через диффузор, так как минимальная по всему диффузорному каналу площадь входного сечения Рд сохраняется постоянной.

При открывании вентиля 12 или увеличении давления сжатого газа перед вихревой трубой увеличиваются расход и скорость газа в диффузоре. В этом случае заднюю стенку диффузора перемещают в сторону соплового ввода, уменьшая ч этим степень расширения диффузора в пределе до минимального значения h 2 при 1 0,1 кривая 13 на фиг. 2).

Закрывая вентиль 12 или снижая давление сжатого газа перед вихревой трубой, уменьшают расход и скорость газа в диффузоре. В этом случае заднюю стенку диффузора перемещают в сторону от соплового ввода, увеличивая этим степень расширения диффузора в пределе до максимального значения п 4 при ) 0,2.

В связи с тем, что каждой величп. не скорости газа в диффузоре соответствует оптимальная степень расширения его, повышается термодинамическая эффективность вихревой трубы на. переменных режимах работы. Результаты экспериментального исследования показали, что в предлагаемой вихревой трубе разность температур исходного сжатого и охлажденного воздуха в диапазоне величин относительного расхода охлажденного потока 5 Ц i 0/3-0,1 на 6-30%, а в диапа.зоне |11 0,5-0,8 на 6-40% больше, чем в известной вихревой трубе с коническим обтекателем.

20

Формула изобретения

Вихревая труба, содержащая камеру энергетического разделения с сопловым вводом, диафрагмой и цилиндрическим выходным патрубком, к которому подсоединен кольцевой диффузор, имеющий подвижную заднюю стенку с обтекателем и дроссельный вентиль, отличающаяся

тем, что, с целью повышения термодинамической эффективности на переменных режимах работы при значениях ,1-0,3 и fU 0,5-0, 8, обтекатель

имеет цилиндрический участок, длина которого составляет 0,1-0,3 диаметра камеры энергетического разделения в сечении соплового ввода.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

Машиностроение, 1969, с. 42-44,73. 2. Патент США. № 1952281, кл. 625. опу&пнк. 1934.