Основные элементы вихревой трубы. Трубы вихревые

8.2. Вихревые трубы

В вихревых трубах для получения холода используется эффект расширения сжатого газа. Известно, что при изменении объема газа без теплообмена с окружающей средой (адиабатический процесс) изменение температуры идеального газа определяется уравнением

где ,и,- температура и давление, соответственно, на входе и выходе,- показатель адиабаты.

Рис. 8.2.1. Устройство вихревой трубы

Вихревая труба (рис. 8.2.1) представляет собой цилиндр 1, в который через отверстие 2 (сопло), расположенное по касательной к его внутренней поверхности, вводится сжатый воздух, образующий внутри трубы вихрь.

Прилегающий к соплу конец трубы закрыт диафрагмой 3 с центрально расположенным в ней отверстием, а на другом конце трубы установлен дроссель 4.

Сжатый газ при выходе из сопла расширяется, при этом уменьшается его давление и как следствие температура. Внутри трубы расширяющийся газ движется вихреобразно и поступательно, причём его угловая скорость в поперечном сечении трубы у сопла не одинакова - наибольшей скоростью обладают центральные слои, наименьшей наружные. В результате трения внутренние слои газа, имеющие большую скорость, часть своей энергии будут передавать наружным слоям, вследствие чего внутренние слои дополнительно охлаждаются, угловые скорости слоев сглаживаются и у дросселя они практически одинаковы во всем сечении.

При определенной степени расширения газовый поток в вихре разделяется на две составляющие: газ, выходящий через отверстие в диафрагме, будет иметь более низкую температуру, чем газ, выходящий из сопла после его расширения; газ, выходящий через дроссель, наоборот, будет более горячим. Такое разделение газовых потоков называется эффектом Ранке.

Вихревая труба может работать по противоточной и прямоточной схемам. При противотоке направление горячего и холодного воздуха противоположно, как в рассмотренном случае. Если же конец трубы у сопла полностью закрыть и холодный воздух отводить через дроссель по центрально расположенной трубе, то такая труба будет работать по прямоточной схеме (рис. 8.2.2).

Рис. 8.2.2. Конструкция вихревой трубы с прямотоком

Основными факторами, определяющими эффективность работы вихревой трубы, являются величина отверстия диафрагмы , давление газа перед соплом, размеры трубыи, размеры и конструкция сопла.

На практике диаметр отверстия диафрагмы берут в пределах , где- внутренний диаметр горячей трубы.

Диаметр диафрагмы холодного потока, если нужно получить максимальную холодопроизводительность, составляет 0,6 от диаметра горячей трубы и 0,3, если нужно получить наибольшее понижение температуры.

Эквивалентную площадь сопла выбирают в зависимости от поперечного сечения горячей трубы: .

Вихревые трубы отличаются главным образом конструктивным оформлением соплового входа. Наиболее простой конструкцией является цилиндрическое сопло, расположенное тангенциально внутренней поверхности вихревой трубы (рис. 8.2.3,а).

Однако лучшие результаты дает лотковое сопло (рис. 8.2.3,б), представляющее одну или две лотковые канавки, плавно сопрягающиеся с профилем вихревой трубы на дуге .

Рис. 8.2.3. Конструкция сопел вихревых труб

Длина вихревой зоны трубы зависит от ее диаметра и принимается равной примерно .

На холодопроизводительность и температуру холодного воздуха существенное влияние оказывает давление воздуха на входе: с увеличением давления эффективность трубы увеличивается.

При изготовлении вихревого холодильника для уменьшения тепловых потерь материал сопла, диафрагмы и патрубка холодного потока следует брать с малым коэффициентом теплопроводности.

Следует отметить, что получение холода в вихревом холодильнике требует больших энергетических затрат по сравнению с другими методами. Например, для получения понижения температуры на величину - 40 °С вихревой холодильник даже при небольших холодопроизводительностях (около 100 Вт) требует в 10 раз больше расхода энергии, чем компрессионные холодильные машины. Существенным преимуществом вихревой трубы является простота ее конструкции, надежность в работе, практически неограниченный ресурс и небольшие размеры и масса. Поэтому они находят широкое применение там, где имеются источники сжатого воздуха (в авиации, на космических кораблях, в ракетной технике).

studfiles.net

Вихревой эффект Ранка-Хилша. Вихревая труба

Библиографическое описание:

Хоробрых М. А., Клементьев В. А. Вихревой эффект Ранка-Хилша. Вихревая труба // Молодой ученый. 2012. №6. С. 54-55. URL https://moluch.ru/archive/41/4961/ (дата обращения: 22.08.2018).

Целью работы является изучение вихревого эффекта [1], при котором воздушный поток «самопроизвольно» разделяется на охлажденное ядро и горячие периферийные слои. Перенос тепла от ядра вихря на периферию, происходящий в этих условиях, называют вихревым эффектом. В компактной холодильной машине – вихревой трубе (ВТ), питаемой сжатым воздухом от пневмосети, можно получить холодный поток с температурой от + 20оС до - 120оС и попутно горячий – с температурой от + 40оС до + 120оС.

Была изготовлена вихревая труба и проведен эксперимент с замером распределения температуры по внутренней поверхности трубы, на выходе горячего и холодного воздуха. По результатам эксперимента получили холодный поток воздуха -2⁰Ϲ и горячий +50⁰Ϲ.

Выполнено математическое моделирование потоков воздуха при помощи пакета газодинамического анализа Flow Simulation, являющегося составной частью пакета Solid Works [2], который основывается на методе конечных элементов.

Рис. 1

На рис. 1 показаны расчетное поле температур с одновременным показом линий тока внутреннего течения в канале вихревой трубы. Из рисунка ясно видно разделение потока на холодную и теплую фракцию. Количественное согласование температур полученных расчетным путем и в экспериментальном исследовании вихревой трубы, выполненных автором показало, что применение вычислительного пакета Solid Works Flow Simulation позволяет достаточно точно получать сходимость расчетных и экспериментальных данных.

Расчеты внутреннего течения потока воздуха велись на компьютере с процессором Intel Core i5, 2.3 ГГц, ОЗУ 4 Гб. При этом использовался ламинарный режим течения. Общее количество ячеек 383678 для выполнения расчета требовалось порядка 3-4 часов.

Дальнейшая работа заключается в использовании PIV метода для визуализации вихревых потоков.

Литература:

Меркулов А.П. Вихревой эффект и его применение в технике. – М.: Машиностроение, 1969, 183 с.
Прохоренко В.П. SolidWorks. Практическое руководство. – М.: Бином, 2004. – 289 с.

moluch.ru

вихревая труба - патент РФ 2377478

Изобретение направлено на создание новой конструкции вихревой трубы. Вихревая труба содержит корпус с камерой энергетического разделения, на стороне вывода горячего потока которой размещены развихритель, дроссельное устройство и крышка, а на стороне вывода холодного потока - диафрагма и сопловой ввод разделяемого газа. Развихритель выполнен в виде одной, размещенной по центру, и/или нескольких, размещенных на соосных вихревой трубе окружностях плоских спиралей, примыкающих торцами к крышке и установленных таким образом, что закручивание спирали от ее периферии к центру совпадает с направлением вращения газового потока. Крышка снабжена сквозными соосными каждой спирали развихрителя отверстиями. Технический результат состоит в увеличении эффективности работы вихревой трубы при ее применении для разделения газового потока на два соответственно с низкой и высокой температурой, в более полезном использовании энергетического потенциала, закрученного с помощью соплового ввода потока. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

Рисунки к патенту РФ 2377478

Настоящее изобретение относится к устройствам, использующим вихревой эффект разделения газового потока на две части, одна из которых имеет высокую, а другая - низкую температуру, и может быть широко применено в холодильной технике, в строительстве при создании систем кондиционирования воздуха и других отраслях хозяйства.

Вихревая труба в своем основном исходном варианте содержит корпус с камерой энергетического разделения, сопловой ввод потока газа, диафрагму, дроссельное устройство и трубы для вывода холодного и горячего потока (см., например, А.В.Мартынов, В.М.Бродянский «Что такое вихревая труба». М.: «Энергия», 1976 г., стр.6 и 7). Диафрагма и труба вывода холодного потока размещены на «холодном» конце вихревой трубы, т.е. на стороне установки соплового ввода. Соответственно, дроссельное устройство и труба вывода горячего потока размещены на противоположном «горячем» конце вихревой трубы.

Известна вихревая труба, на стороне вывода горячего потока которой установлен развихритель, изготавливаемый, в основном, в виде крестовины (см., например, Ш.А. Пиралишвили и др. «Вихревой эффект, эксперимент, теория, технические решения», М., изд. УНПЦ «ЭНЕРГОМАШ», 2000 г., стр.41-42).

Известны вихревые трубы с развихрителями, размещенными как на «горячем», так и на «холодном» концах (см., например, авторское свидетельство СССР № 1677458, опубликовано 15.09.1991 года, бюл. № 34).

Вышеупомянутые аналогичные настоящему изобретению технические решения обладают общим недостатком, связанным с низким коэффициентом полезного действия вихревой трубы.

Наиболее близким к настоящему изобретению является техническое решение по патенту России № 2213914 «Способ вихревого энергоразделения потока и устройство его реализующее» (дата публикации - 10.10.2003 года). Собственно вихревая труба по данному изобретению содержит камеру энергетического разделения с многосопловым тангенциальным вводом разделяемого газа и диафрагмой вывода приосевого холодного потока. «Горячий» конец вихревой трубы, по сути, снабжен крышкой и развихрителем, выполненным в представленном варианте в виде перфорированной пластины. Недостатком данной конструкции, не рассматривая сложности заявленного способа, требующего ряда дополнительных устройств, является также недостаточный коэффициент полезного действия вихревой трубы из-за нерациональных потерь энергии разделяемого потока.

Техническая задача настоящего изобретения состоит в создании вихревой трубы с новым типом развихрителя.

Технический результат состоит в увеличении эффективности работы вихревой трубы при ее применении для разделения газового потока на два соответственно с низкой и высокой температурой, в более полезном использовании энергетического потенциала, закрученного с помощью соплового ввода потока.

Для достижения указанного технического результата в вихревой трубе, содержащей корпус с камерой энергетического разделения, на стороне вывода горячего потока которой размещены развихритель, дроссельное устройство и крышка, а на стороне вывода холодного потока - диафрагма и сопловой ввод разделяемого газа, развихритель выполнен в виде одной, размещенной по центру, и/или нескольких, размещенных на соосных вихревой трубе окружностях, плоских спиралей, примыкающих торцами к крышке и установленных таким образом, что закручивание спирали от ее периферии к центру совпадает с направлением вращения газового потока. Крышка снабжена сквозными соосными каждой спирали развихрителя отверстиями.

Сущность настоящего изобретения состоит в следующем.

В литературных источниках, касающихся принципа работы и конструирования вихревых труб, многократно отмечена роль А.П.Меркулова, сделавшего одно из первых плодотворных предложений, увеличивающих эффективность работы трубы при одновременном значительном снижении ее длины. Суть данного предложения состояла в оснащении вихревой трубы на ее «горячем» конце развихрителем, обычно выполняемом в виде крестовины (см., например, А.Д.Суслов и др. «Вихревые аппараты». М.: «Машиностроение», 1985 г., стр.31-33; Ш.А.Пиралишвили и др. «Вихревой эффект, эксперимент, теория, технические решения», М., изд. УНПЦ «ЭНЕРГОМАШ», 2000 г., стр.42). Установка развихрителя приводит к искусственному торможению вихревого потока на «горячем» конце камеры разделения, которое по гипотезе А.П.Меркулова создает благоприятные условия для формирования приосевого потока, направленного к диафрагме. Исследовались развихрители иных конструкций, однако экспериментальные материалы до сего дня не позволяют сформулировать достаточно четкие рекомендации по выбору конструкции развихрителя. Отмечают, что генерация колебаний при установке развихрителя в определенном диапазоне частот возможно является главным фактором повышения эффективности процесса. Следует особо отметить, что достаточно грубое торможение потока при установке развихрителя безусловно приводит к потере энергии потока и снижает положительный эффект установки развихрителя.

Для повышения эффективности вихревых труб предложено также вводить в камеру разделения дополнительный поток, что реализовано в прототипе изобретения. Показано экспериментально, что при большой массовой доле формируемый из дополнительного потока приосевой поток получает кинетическую энергию, составляющую незначительную часть первоначальной энергии вытекающего из сопла газа. Благодаря этому увеличение расхода охлажденного потока при введении в камеру разделения дополнительного потока приводит к повышению коэффициента полезного действия трубы.

Согласно современным представлениям, возмущения, возникающие в сдвиговых течениях, играют существенную роль в происходящих процессах теплообмена. В закрученных течениях это проявляется особенно отчетливо и своеобразно. Распад вихря приводит к появлению прецессии вихревого ядра. Известные на сегодня расчеты и компьютерная визуализация последних подтверждают наличие прецессирующего приосевого вихревого жгута и периодически расположенных вдоль оси крупномасштабных вихревых структур - вторичных вихревых течений (см., например, А.А.Фузеева «Численное моделирование температурной стратификации в вихревых трубах». Журнал «Математическое моделирование», 2006 год, т.18, № 9, стр.113-120). Предполагают, что перенос массы этими вихрями в радиальном направлении в поле с наличием радиального градиента давления вносит значительный вклад в температурное разделение в процессе реализации квазихолодильных циклов.

Принципиально настоящее изобретение в ходе его экспериментальной проверки в значительной мере подтверждает высказанные выше соображения, носящие теоретический характер, но позволяющие в определенной мере объяснить эффект разделения потока на горячий и холодный в вихревой трубе. Особенности предложенного целесообразно рассмотреть при описании работы устройства.

Конструкция вихревой трубы по настоящему изобретению в его полном варианте приведена на чертеже.

Вихревая труба содержит корпус 1 с камерой энергетического разделения 2 и сопловым вводом 3 исходного газового потока. На стороне вывода холодного потока размещена диафрагма 4. На стороне вывода горячего потока размещена крышка 5 и дроссель 6 (в данном варианте дроссель выполнен в виде дросселирующих отверстий). На представленной на чертеже конструкции развихритель выполнен в виде 4-х размещенных на соосной вихревой трубе окружности, плоских спиралей 7, примыкающих торцами к крышке 5 и установленных таким образом, что закручивание спирали от ее периферии к центру совпадает с направлением вращения газового потока, т.е. в данном случае по часовой стрелке. В крышке 5 выполнены четыре сквозных отверстия 8. Каждое отверстие 8 соосно соответствующей спирали 7.

Вихревая труба по настоящему изобретению работает следующим образом.

Поток компримированного газа (воздуха) подают в камеру энергетического разделения 2, сформированную корпусом 1 с крышкой 5, через сопловой ввод 3. Сопловой ввод 3 в свою очередь формирует закрученный вихревой поток, движущийся в пристенной области камеры энергетического разделения 2. Параллельно в камере энергетического разделения 2 образуется приосевой поток, вращающийся в том же направлении, что и пристенный, но движущийся в направлении диафрагмы 4. Благодаря энергетическим процессам, проходящим в камере энергетического разделения и до сего дня не получившим точного математического описания, пристенный поток приобретает повышенную, а приосевой - пониженную температуру. Дроссельные отверстия 6 при соответствующем оснащении внешними устройствами, например вентилем на общем горячем потоке, позволяют регулировать разделение как в отношении массы холодного и горячего потоков, так и в отношении их температуры. Приосевой поток покидает вихревую трубу через диафрагму 4.

Особенность работы вихревой трубы по настоящему изобретению заключается в следующем.

В данном варианте закрученный по часовой стрелке в основном пристенный поток попадает в отдельные спирали 7 и приобретает в ней дополнительную скорость, благодаря уменьшению радиуса поворота. Торможения потока и, соответственно, потери энергии, о чем говорилось выше, не происходит. Спирали помогают при этом формированию приосевого потока, образуют, вероятно, не один, а несколько прецессирующих приосевых вихревых жгутов и способствуют появлению крупномасштабных вихревых структур - вторичных вихревых течений. Именно этим можно объяснить полученное нами повышение коэффициента полезного действия вихревой трубы.

Следует отметить, что размещение только одной спирали, соосной вихревой трубе, также приводит к увеличению эффективности ее работы, что может быть объяснено изложенным выше образом.

Ранее указывалось на положительное воздействие дополнительно вводимого потока. Если в известных вихревых трубах чаще всего необходима принудительная его подача, то в настоящем изобретении в зоне центра каждой спирали формируется пониженное давление. При этом дополнительный поток поступает в камеру энергетического разделения 2 через сквозные отверстия 8.

При экспериментальном исследовании вихревой трубы, конструкция которой соответствует настоящему изобретению, определен коэффициент полезного действия в среднем на 20% более высокий, чем у аналогичной трубы с развихрителем в виде крестовины.

Таким образом, можно утверждать, что полученный положительный эффект обязан тем изменениям конструкции вихревой трубы, которые и заявлены в настоящем изобретении.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Вихревая труба, содержащая корпус с камерой энергетического разделения, на стороне вывода горячего потока которой размещены развихритель, дроссельное устройство и крышка, а на стороне вывода холодного потока - диафрагма и сопловой ввод разделяемого газа, отличающаяся тем, что развихритель выполнен в виде одной, размещенной по центру, и/или нескольких, размещенных на соосных вихревой трубе окружностях, плоских спиралей, примыкающих торцами к крышке и установленных таким образом, что закручивание спирали от ее периферии к центру совпадает с направлением вращения газового потока.

2. Вихревая труба по п.1, отличающаяся тем, что крышка снабжена сквозными соосными каждой спирали развихрителя отверстиями.

www.freepatent.ru

Вихревая труба

разное

Вихревая труба* (рис.18.13) представляет частный случай воздушной машины. Поток сжатого воздуха (после любого технологического процесса) предварительно охлаждают до температуры Тср, далее ег о направляют в вихревую трубу, в результате чего одна часть воздуха приобретает температуру Тхол<Тср, другая - Тгор>Тср. В связи с этим цикл вихревой трубы является теплофикационным.

Работы по изучению вихревых труб были проведены в ОТИПХП (ОГАХ) под руководством В. С.Мартыновского еще в 1960-

Рис.18.13. Вихревая труба: а) условное изображение; б) термодинамический цикл; в) конструкция (1 - цилиндрическая труба; 2 - распределительная головка; 3 - сопловой ввод; 4 - диафрагма; 5 - труба холодного потока; 6 - дроссельный вентиль; 7 - конус; 8 - труба горячего потока)

Ые годы. Несмотря на практическое использование вихревых труб, существующие методики их расчета и проектирования основаны исключительно на экспериментальных данных, так как эффект Ранка, открытый экспериментально, до сих пор не имеет теоретического описания, ввиду чрезвычайной сложности проходящих процессов.

Поток воздуха, вышедший из сопла, образует свободный вихрь, угловая скорость вращения которого достаточно велика около оси и уменьшается по мере удаления от нее. При движении к дроссельному вентилю поток, вследствие наличия сил трения между слоями воздуха, приобретает почти одинаковую угловую скорость, так как внутренние слои теряют скорость, а внешние набирают ее.

В начальный момент процесса разделения газа угловая скорость части потока на некотором расстоянии от оси трубы больше, чем в последующий момент. При этом получается избыток кинетической энергии, который передается внешним слоям, повышая их температуру. Внутренние слои, охладившиеся при истечении, отдают свою кинетическую энергию внешним слоям через трение, но не получают эквивалентного возврата тепла, вследствие чего охлаждаются. Температурное расслоение происходит значительно быстрее наступления термического равновесия. Внешние слои выходят черездроссельный вентиль горячими (Тгор), внутренние - через отверстие в диафрагме - холодными (Тхол).

Исследования показали, что, изменяя степень открытия дроссельного вентиля, можно изменять расходы получаемого горячего и холодного воздуха, что влечет за собой изменение и их температуры (холодный поток понижает свою температуру, горячий - повышает). При определенном положении дроссельного вентиля наступает явление теплового реверса вихревой трубы. Концы вихревой трубы «меняются местами», и тогда через дроссельный вентиль выходит холодный поток. Такое состояние является непродолжительным и свидетельствует о нарушении стационарности процессов, протекающих в вихревой трубе. Явление температурного реверса было обнаружено и исследовано В. П.Алексеевым в 1960-ых годах в ОТИПХП (ОГАХ).

Для использования вихревой трубы необходимо:

• располагать большим количеством сжатого воздуха;

• обеспечивать небольшие производительности. В случае необходимости получения больших производительностей вихревые трубы собирают в пучки;

• использовать в температурном диапазоне работы, который соответствует режиму кондиционирования воздуха.

Широкое применение вихревая труба получила в системе кондиционирования воздуха кабины пилота сверхзвукового самолета.

Термодинамический цикл вихревой трубы рассматривают как фрагмент цикла простейшей воздушной холодильной машины (рис. 18.136).

Расширение в вихревой трубе занимает промежуточное положение между адиабатным расширением (процесс 3-4s) и изоэнталь - пийным расширением (процесс 3-4К) и зависит от конструктивного исполнения. Цикл вихревой трубы можно представить как цикл теоретической воздушной холодильной машины (l-2-3-4s-l), в которой установлен действительный детандер (цикл 1-2-3-4-1). Точка 1 является результатом смешения точек 5 и т. Необходимо учесть, что расход воздуха в различных точках цикла составляет: в точке 3 и точке 7-1 условный кг, в точке т - у кг, в точке 5 - (1-у) кг.

Удельная холодопроизводительность цикла вихревой трубы эквивалентна пл.(а-т~4-Ъ).

Иногда в качестве обратимого цикла-образца для исследований цикла вихревой трубы используют треугольный цикл l-3-4s. В этом случае процессы адиабатного сжатия 7-2 и охлаждения воздуха 2-3 заменяют одним процессом изотермического сжатия 1-3.

В результате необратимостей величина 7]Стс цикла вихревой трубы приблизительно равна 0,01 (или 8...10% от Г]стс воздушной ХОЛОДИЛЬНОЙ машины), если величину 7]стс определять по ур.(18.5), т. е. проводить сравнение с циклом Карно. Понятно, что низкая термодинамическая эффективность является недостатком вихревой трубы, которая совместно в высокой стоимостью изготовления (связано с необходимостью высокой чистоты обработки внутренних поверхностей) существенно сужает области ее рационального применения.

В основе системы кондиционирования воздуха, предложенной Куйбышевским (ныне - Самарским, Россия) авиационным институтом, лежит использование вихревой трубы - рис. 18.14.

Сжатый воздух некоторого технологического процесса (при давлении р2>0Л МПа) поступает в блок абсорбции и очистки (О) для дальнейшего использования в системе кондиционирования воздуха. Далее, воздушный поток охлаждается в РТО и направляется в вихревую трубу (ВТ), где разделяется на холодный и горячий потоки. Давление обоих потоков после вихревой трубы поддерживается несколько выше атмосферного, что дает возможность преодолеть аэродинамическое сопротивление в охлаждаемом объеме (КП - кондиционируем помещении). Воздух из охлаждаемого объема направляется в РТО, где нагревается. Наличие аэродинамических сопротивлений в РТО способствует дополнительному понижению давления потока воздуха. Для удаления воздуха в атмосферу предусмотрен эжектор (Э). В сопло эжектора подается горячий поток воздуха из вихревой трубы (при давлении несколько выше атмосферного), в камеру смешения эжектора - холодный поток воздуха (при давлении несколько ниже атмосферного), на выходе из эжектора полный воздушный поток приобретает давление, равное атмосферному, и далее возвращается в атмосферу.

Рис. 18.14. Система кондиционирования воздуха с использованием вихревой трубы

СОР рассмотренной системы кондиционирования воздуха чрезвычайно мал, так как вихревая труба и эжектор (как элементы холодильных машин), обладают очень низкими значениями КПД. Однако тот факт, что для системы кондиционирования воздуха сжатый воздух (поток при pi) является даровым, эта система и ей подобные являются рациональными только для частных условий эксплуатации.

С каждым годом становится всё популярнее здоровый стиль жизни. Люди бросают курить, начинают заниматься спортом, подсчитывают калории в продуктах, которые употребили за день, контролируют лишний вес. Существует ряд видов спорта …

Технология широкоформатной печати подразумевает тиражирование полиграфической продукции больших параметров на специальных "широких принтерах" и плоттерах. Благодаря применению такого мощного современного оборудования можно получать отпечатки разных форматов А1, А2, А3 и …

Утепление – важный процесс любого ремонта дома. ведь именно от него будет зависеть долговечность конкретной стены и фасада в целом. Сегодня производители предлагают самые разнообразные материалы для утепления – минеральная …

msd.com.ua

6.2. Вихревые трубы

Вихревой холодильник используется при создании миниатюрных устройств для охлаждения небольших объектов с массой около нескольких граммов до температуры порядка -50. Он прост и надежен в работе и требует сравнительно небольших расходов воздуха и давления газа (1…5) Па (несколько атмосфер). В нем используется эффект вихревого температурного расширения сжатого газа, открытого немецким физиком Ранком в 1931.Известно, что при изменении объема газа без теплообмена с окружающей средой (адиабатический процесс) изменение температуры идеального газа определяется уравнением

где ,и,- температура и давление, соответственно, на входе и выходе,- показатель адиабаты.

Вихревая труба (рис. 6.2.1) представляет собой цилиндр 1, в который через отверстие 2 (сопло), расположенное по касательной к его внутренней поверхности, вводится сжатый воздух, образующий внутри трубы вихрь.

Рис. 6.2.1. Устройство вихревой трубы

Сжатый газ при выходе из сопла расширяется, при этом уменьшается его давление и, как следствие, температура. Внутри трубы расширяющийся газ движется вихреобразно и поступательно, причём его угловая скорость в поперечном сечении трубы у сопла не одинакова - наибольшей скоростью обладают центральные слои, наименьшей наружные. В результате трения внутренние слои газа, имеющие большую скорость, часть своей энергии будут передавать наружным слоям, вследствие чего внутренние слои дополнительно охлаждаются, угловые скорости слоев сглаживаются и у дросселя они практически одинаковы во всем сечении.

При определенной степени расширения газовый поток в вихре разделяется на две составляющие: газ, выходящий через отверстие в диафрагме, будет иметь более низкую температуру, чем газ, выходящий из сопла после его расширения; а газ, выходящий через дроссель, наоборот, будет более горячим. Такое разделение газовых потоков называется эффектом Ранке.

Рис. 6.2.2. Конструкция прямоточной вихревой трубы

На практике диаметр отверстия диафрагмы берут в пределах , где- внутренний диаметр горячей трубы.

Эквивалентную площадь сопла выбирают в зависимости от поперечного сечения горячей трубы: .

Однако лучшие результаты дает лотковое сопло (рис. 6.2.3,б), представляющее одну или две лотковые канавки, плавно сопрягающиеся с профилем вихревой трубы на дуге .

Рис. 6.2.3. Конструкции сопел вихревых труб

Длина вихревой зоны трубы зависит от ее диаметра и принимается равной примерно .

Следует отметить, что получение холода в вихревом холодильнике требует больших энергетических затрат по сравнению с другими методами. Например, для получения понижения температуры на величину -40°С вихревой холодильник даже при небольших холодопроизводительностях (около 100 Вт) требует в 10 раз больше расхода энергии, чем компрессионные холодильные машины. Существенным преимуществом вихревой трубы является простота ее конструкции, надежность в работе, практически неограниченный ресурс и небольшие размеры и масса. Поэтому они находят широкое применение там, где имеются источники сжатого воздуха.

studfiles.net

Основные элементы вихревой трубы | Самые выгодные парогенераторы

Вихревая труба является простейшим вихревым аппаратом, предназначенным для получения нагретого или охлажденного газа. Она состоит из сопла для ввода сжатого газа, камеры разделения, диафрагмы для выхода охлажденного потока и дросселя для выхода нагретого потока. В некоторых конструкциях на нагретом конце камеры разделения расположен развихритель. Известны также конструкции с диффузором на нагретом конце камеры. Все перечисленные элементы могут быть изготовлены на любом машиностроительном предприятии. Простота изготовления вихревых труб — их главное преимущество.

В отличие от других термотрансформаторов вихревая труба не содержит подвижных элементов, которые регламентируют процесс. Эффективность процесса энергетического разделения зависит только от формы и размеров элементов, образующих проточную полость аппарата. Основной задачей расчетов и последующих экспериментальных доводок является поиск такого сочетания размеров элементов, при котором КПД максимален. Выбор размерных соотношений элементов базируется на результатах испытаний конструкций, близких к проектируемой по размерам и условиям работы.

Газ, поступающий в вихревой аппарат,1 прежде всего попадает в сопловое устройство. В работе [15] приведена классификация известных в настоящее время сопловых устройств (табл. 2). Рассмотрим наиболее интересные из них.

В первых конструкциях вихревых труб, разработанных Ж. Ранком, были применены спиральные сопла с прямоугольным сечением канала. Канал был выполнен во втулке, ограниченной двумя цилиндрическими и двумя коническими поверхностями. Конические поверхности обеспечивали наклонное расположение канала по отношению’ к оси камеры разделения. Поступающий в камеру поток приобретал осевую составляющую скорости. Наклонные сопла иногда используют в вихревых трубах, работающих на влажном воздухе; при этом удается уменьшитьі содержание влаги в охлажденном потоке. Наклонные сопла можно применять и при работе на сухом газе. Результаты испытаний вихревой трубы с соплами, выполненными с различными углами наклона [26], показывают, что изменением последнего можно увеличить КПД в 1,1—1,2 раза (рис. 21). В современных конструкциях наклонные сопла используют очень редко, поэтому применение их можно рассматри-

Таблица 2

Конструкция соплов ых вводов

Основные элементы вихревой трубы

Рис. 21. Зависимость эффективности вихревой трубы от угла наклона сопла (£>о=18 мм; Ј>i=0,5; ґс=0,071) при различной степени расширения є: / — е=5,2; 2 — s= 7; 3 — є=9

Вать как один из перспективных и незаслуженно забытых путей повышения КПД.

Наиболее часто используют сопловое устройство, разработанное А. П. Меркуловым (рис. 22), с прямоугольным профилем канала. Оптимальное отношение высоты H к ширине Ь ка* нала в выходном сечении 1 :2. Профиль внутренней поверхности соплового устройства соответствует спирали. Архимеда. Особое внимание уделено форме острой кромки, которая должна сократить интенсивность возмущений на границе между втекающим потоком и газом, находящимся в камере разделения.

Сопловое устройство Б. Парулейкара отличается от Разработанного А. П. Меркуловым тем, что для его изготовления была использована заготовка с внутренней конической поверхностью. Однако нет данных, достаточно четко подтверждающих полезность такого усовершенствования. Причиной возможного положительного эффекта могло быть появление осевой составляющей скорости потока, выходящего в камеру разделения.

paruem.ru

Вихревая труба

Изобретение относится к теплотехнике и предназначено для реализации вихревых кондиционеров транспортных средств. Вихревая труба содержит сопловой ввод, диафрагму с центральным телом, трубку вывода холодного потока и щелевой диффузор вывода горячего потока с осевой трубкой ввода охлаждаемого потока, внутренний диаметр которой меньше диаметра отверстия диафрагмы. Диафрагма размещена на входном конце трубки вывода холодного потока, расположенной коаксиально в корпусе, который установлен на холодном конце трубы взаимодействия вихрей. Вокруг отверстия диафрагмы выполнен сепаратор вынужденного вихря в виде кольцевой выемки в материале диафрагмы. На стенке щелевого диффузора установлен эжектор охлаждаемого потока, выполненный в виде стакана с осевой трубкой ввода охлаждаемого потока и аэродинамическими лопатками. Осевая трубка ввода охлаждаемого потока проходит через дно стакана. Аэродинамические лопатки установлены консольно на дне стакана вокруг выходного отверстия трубки и выполнены сужающимися от основания к концу. Входные кромки лопаток ориентированы против набегающего вихря. Сопловой ввод выполнен как сочетание тангенциальных сопел и кольцевой полости овального сечения. Кольцевая полость соплового ввода соединена с трубой взаимодействия вихрей через кольцевой аксиальный канал, образованный боковой поверхностью диафрагмы и внутренней поверхностью трубы. Использование изобретения позволит повысить уровень утилизации кинетической энергии свободного и вынужденного вихрей. 15 з.п.ф-лы, 6 ил.

Изобретение относится к теплотехнике и предназначено, в частности, для реализации вихревых кондиционеров транспортных средств. Вихревые кондиционеры при их использовании в составе транспортных средств из-за специфики условий эксплуатации самих транспортных средств имеют ряд достоинств по сравнению с кондиционерами, реализованными на основе парокомпрессионной холодильной машины. К достоинствам вихревых кондиционеров можно отнести их более высокую надежность, живучесть, ремонтопригодность, способность длительно работать в условиях вибрации, для работы используется экологически чистое рабочее тело (воздух), меньше крупногабаритных составных частей (отсутствует второй теплообменник и циркуляционный вентилятор), нет необходимости в квалифицированном персонале и специальном оборудовании для обслуживания кондиционеров. Кроме того, прогнозируемая цена вихревых кондиционеров для транспортных средств примерно в два раза меньше существующих транспортных парокомпрессионных кондиционеров.

Известна вихревая труба, содержащая коническую трубу с сопловым вводом, диафрагму вывода холодного потока, диффузор и трубку ввода дополнительного потока, установленную по оси трубы со стороны диффузора Вокруг трубки ввода дополнительного потока установлены сообщенные с полостью трубы и коаксиально расположенные стакан и цилиндрический экран, образующий со стаканом и трубкой двухходовой канал для отбора и возврата заторможенного потока в полость трубы [1]. Недостатком вихревой трубы является ее невысокий холодильный КПД. Это объясняется множеством причин. Во-первых, не учитывается наличие в вихревой трубе, кроме свободного и вынужденного вихрей, третьего вихря - промежуточного. Дело в том, что движущиеся рядом встречные потоки не взаимодействуют между собой непосредственно, между ними всегда существует промежуточный вихрь. Промежуточный вихрь в трубе взаимодействия свободного и вынужденного вихрей формируется из внутренней, менее нагретой части свободного вихря, и из внешней, менее охлажденной чисти вынужденного вихря, имеет замкнутый контур движения в продольной плоскости вихревой трубы и обладает максимальной тангенциальной скоростью почти во всех сечениях трубы взаимодействия вихрей. В результате того, что в вихревой трубе не учитывается наличие третьего вихря, конструкция аналога не обеспечивает селекцию вынужденного вихря перед его выводом из вихревой трубы на более охлажденную и менее охлажденную части, а также не устраняет эффект подмешивания пограничного слоя в выходящий холодный поток. Во-вторых, использование соплового ввода традиционного типа приводит к возникновению неравномерности давления и расхода потока, наличию пульсаций аксиальной и радиальной составляющих его полной скорости по периферии трубы взаимодействия вихрей, что затягивает по времени процесс формирования свободного вихря. Неpaвномерность расхода потока по периферии трубы взаимодействия вихрей также предопределяет наличие отдельных вихревых жгутов в свободном и вынужденном вихрях, это приводит к многоточечному их взаимодействию вместо площадного, что существенно снижает уровень теплопередачи от вынужденного к свободному вихрю. В-третьих, конструкция прототипа не учитывает изменение плотности вынужденного вихря по ходу его движения. Последствием этого является наличие возвратного течения вынужденного вихря в приосевой зоне трубы взаимодействия вихрей. В-четвертых, на горячем конце трубы производится преднамеренное торможение части свободного вихря. Это исключает возможность использования (утилизации) кинетической энергии заторможенной части свободного вихря для обеспечения предварительной закрутки дополнительного потока. Кроме того, при торможении вихря часть его кинетической энергии преобразуется в тепло, т.е. неоправданно повышается температура потока. Перечисленные недостатки рассматриваемой вихревой трубы существенно снижают ее холодильный КПД. Известен ближайший аналог (прототип) заявленного изобретения как наиболее близкий ему по совокупности существенных признаков. Данный аналог представляет собой вихревую трубу, содержащую сопловой ввод, трубу взаимодействия свободного и вынужденного вихрей, диафрагму с центральным телом, трубку вывода холодного потока, щелевой диффузор вывода горячего потока с осевой трубкой ввода охлаждаемого потока, внутренний диаметр которой меньше диаметра отверстия диафрагмы [2]. Конструкции прототипа свойственны недостатки, перечисленные выше, но один из главных недостатков отсутствует. Нa горячем конце вихревой трубы свободный вихрь не тормозится. Однако конструкция вихревой трубы не учитывает изменение плотности свободного и вынужденного вихрей и их взаимное влияние. Следствием этого является повышенное гидравлическое сопротивление вихревой трубы и наличие возвратного течения вынужденного вихря в приосевой зоне трубы взаимодействия вихрей. Вихревая труба не обеспечивает в должной мере утилизацию мистической энергии свободного и вынужденного вихрей. Указанные выше конструктивные особенности прототипа не позволяют существенно улучшить работу устройства Задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышение холодильного КПД вихревой трубы. Техническим результатом изобретения является обеспечение тeмпературной селекции вынужденного вихря перед его выводом из трубы взаимодействия вихрей, повышение теплопередачи от вынужденного к свободному вихрю, уменьшение гидравлического сопротивления трубы взаимодействия вихрей и исключение возвратного течения в ее приосевой зоне, обеспечение более высокого уровня утилизации кинетической энергии свободного и вынужденного вихрей. Упомянутая задача достигается тем, что вихревая труба содержит сопловой ввод, трубу взаимодействия свободного и вынужденного вихрей, диафрагму с центральным телом, трубку вывода холодного потока, щелевой диффузор вывода горячего потока с осевой трубкой ввода охлаждаемого потока, внутренний диаметр которой меньше диаметра отверстия диафрагмы, одновременно с этим диафрагма размещена на входном конце трубки вывода холодного потока, расположенной коаксиально в корпусе, который установлен на холодном конце трубы взаимодействия вихрей, вокруг отверстия диафрагмы выполнен сепаратор вынужденного вихря в виде кольцевой выемки в материале диафрагмы, на стенке щелевого диффузора установлен эжектор охлаждаемого потока, выполненный в виде стакана с осевой трубкой ввода охлаждаемого потока и аэродинамическими лопатками, при этом осевая трубка ввода охлаждаемого потока пропущена через дно стакана, аэродинамические лопатки установлены консольно на дне стакана вокруг выходного отверстия трубки и выполнены сужающимися от основания к концу, а входные кромки лопаток ориентированы против набегающего вихря, сопловой ввод выполнен как сочетание тангенциальных сопел и кольцевой полости овального сечения, расположенной в пространстве между трубкой вывода холодного потока, диафрагмой, стенкой и дном корпуса, причем выходы тангенциальных сопел в пределах кольцевой полости размещены ближе к дну корпуса, чем к диафрагме, кольцевая полость соплового ввода соединена с трубой взаимодействия вихрей через кольцевой аксиальный канал, образованный боковой поверхностью диафрагмы и внутренней поверхностью трубы взаимодействия вихрей или стенки корпуса, в конструкции вихревой трубы совместно использованы коническая труба взаимодействия вихрей, диаметр которой увеличивается в сторону горячего конца вихревой трубы, и коническое центральное тело диафрагмы, выполненное сквозным через трубу взаимодействия вихрей, диаметр которого в пределах трубы взаимодействия вихрей уменьшается в сторону горячего конца вихревой трубы, вместе с этим угол раствора конуса трубы взаимодействия вихрей и угол раствора конуса центрального тела диафрагмы выбраны таким образом, что обеспечивается цилиндрическая форма границы раздела свободного и вынужденного вихрей. В процессе проведенного поиска по источникам научно-технической и патентной информации не обнаружено устройство, характеризующееся совокупностью существенных признаков, совпадающих с заявляемым изобретением и обеспечивающее такой же технический результат. Таким образом, заявляемое изобретение представляет собой техническое решение задачи, является новым и обладает изобретательским уровнем. На фиг. 1 изображен продольный разрез описываемой вихревой трубы и схематично ее подключение к охлаждаемому объекту и основным элементам кондиционера; на фиг. 2 - разрез А-А на фиг.1, на фиг.3 - разрез Б-Б на фиг.1, на фиг.4 - вариант выполнения диафрагмы с кольцевой канавкой на ее боковой поверхности и вариант кольцевой полости соплового ввода с кольцевой канавкой на стенке корпуса; на фиг.5 - вариант выполнения диафрагмы с вогнутой боковой поверхностью; на фиг. 6 - вариант выполнения диафрагмы с выпуклой боковой поверхностью и с кольцевой канавкой на ней. На холодном конце вихревой трубы установлен корпус 1 и коаксиально в нем трубка 2 вывода холодного потока. Нa входном конце трубки 2 закреплена диафрагма 3. Кольцевая полость 4 соплового ввода расположена между трубкой 2, диафрагмой 3, стенкой и дном корпуса 1 и снабжена тангенциальными соплами 5. Тангенциальные сопла 5 могут быть подведены к кольцевой канавке 6, выполненной в стенке корпуса 1, причем кольцевая канавка 6 размещается ближе к дну корпуса 1, чем к диафрагме 3. Кольцевая полость 4 через кольцевой аксиальный канал 7 соединяется с трубой 8 взаимодействия свободного и вынужденного вихрей. На боковой поверхности диафрагмы 3, являющейся внутренней стенкой кольцевого аксиального канала 7, выполнена кольцевая канавка 9. Центральное тело 10 диафрагмы 3 выполнено в виде усеченного конуса и сквозным через трубу 8 взаимодействия вихрей, его диаметр в пределах трубы 8 уменьшается в сторону ее горячего конца. Центральное тело 10 закреплено в трубке 2 вывода холодного потока пoсредством радиальных пластин 11, входные кромки которых отогнуты и ориентированы против вращения вынужденного вихря. В трубке 12 ввода охлаждаемого потока центральное тело 10 закреплено посредством радиальных пластин (крестовины) 13. Вокруг отверстия диафрагмы 3 выполнен сепаратор вынужденного вихря в виде кольцевой выемки 14 в материале диафрагмы 3, при этом поверхность кольцевой выемки 14 покрыта материалом с низкой теплопроводностью. В стенке щелевого диффузора 15 установлен эжектор охлаждаемого потока, выполненный в виде стакана 16 с осевой трубкой 12 ввода охлаждаемого потока и аэродинамическими лопатками 17, причем осевая трубка 12 пропущена через дно стакана 16, аэродинамические лопатки 17 установлены консольно на дне стакана 16 вокруг выходного отверстия трубки 12 и выполнены сужающимися от основания к концу. С целью снижения аэродинамических пoтерь при повороте потока в районе дна стакана аэродинамические лопатки 17 эжектора охлаждаемого потока установлены в кольцевую выемку, выполненную в дне стакана 16 между осевой трубкой 12 ввода охлаждаемого потока и стенкой стакана 16. Щелевой диффузор 15 выполнен в варианте с газосборной улиткой 18. Возможен другой вариант реализации эжектора охлаждаемого потока. В этом случае эжектор охлаждаемого потока выполнен в виде стакана с расположенным внутри усеченным конусом, большее основание которого обращено к дну стакана и равно внутреннему диаметру стакана, при этом усеченный конус имеет осевой канал, являющийся продолжением трубки ввода охлаждаемого потока, в материале конуса выполнены каналы, выходы которых ориентированы тангенциально к поверхности осевого канала, а входы ориентированы против набегающего вихря. С целью снижения гидравлического сопротивления эжектора охлаждаемого потока осевой канал усеченного конуса по ходу движения вынужденного вихря выполнен конически-цилиндрическим с расширением конической части в сторону диафрагмы вихревой трубы. Вихревая труба обслуживает два контура движения воздуха - контур отвода тепла во внешнюю срeдy и контур охлаждения объекта. Контур отвода тепла во внешнюю среду может быть разомкнутым при использовании внешнего источника сжатого воздуха или замкнутым при наличии в составе кондиционера собственного нагнетателя воздуха. В состав замкнутого контура отвода тепла во внешнюю срeдy входят: тангенциальные сопла 5; кольцевая полость 4; кольцевой аксиальный канал 7; периферийная зона трубы 8 взаимодействия вихрей; щелевой диффузор 15 вывода горячего потока с газосборной улиткой 18; нагнетатель воздуха 19; охладитель воздуха 20. В состав контура охлаждения объекта входят: осевая трубка 12 ввода охлаждаемого потока; приосевая зона стакана 16; приосевая зона трубы 8 взаимодействия вихрей; oтверстие диафрагмы 3, трубка 2 вывода холодного потока; охлаждаемый объект 21 (камера холода, кабина или салон транспортного средства). В обоих контурах движения воздуха соединительные воздуховоды условно опущены. Устройство по заявляемому изобретению работает следующим образом. Работу вихревой трубы удобнее излагать, рассматривая функционирование каждого контура движения воздуха в отдельности. Функционирование контура отвода тепла во внешнюю срeдy заключается в следующем. В тангенциальных соплах 5 воздух ускоряется, снижает давление, температуру и подается в кольцевую полость 4, где он закручивается. Для снижения потерь кинетической энергии при переходе высокоскоростного потока из сопел 5 в кольцевую полость 4 на стенке корпуса 1 может быть выполнена кольцевая канавка 6, к которой подводятся выходы тангенциальных сопел 5. При перeходе закрученного потока из кольцевой полости 4 в кольцевой аксиальный канал 7 осуществляется деление потока на две части. Одна часть потока сразу поступает в периферийную зону трубы 8 взаимодействия вихрей через аксиальный канал 7, а другая, избыточная в данной части кольцевой полости 4, плавно переводится по спирали на участок кольцевой полости 4, где имеется недостаток расхода воздуха. Этим достигается стабилизация аксиальной и радиальной составляющих абсолютной скорости потока, выравнивание давления и расхода потока по периметру кольцевой полости 4 перед его подачей в трубу 8 взаимодействия вихрей. Дополнительно стабилизировать поток можно в аксиальном канале 7, если на боковой поверхности диафрагмы 3, которая является внутренней стенкой кольцевого аксиального канала 7, выполнить кольцевую канавку 9. Эффект стабилизации потока можно усилить, если аксиальный канал 7 изготовить с конфузорно-диффузорным профилем, т. е. выполнить боковою поверхность диафрагмы 3 с выпуклой боковой поверхностью, при этом кольцевая канавка 9 или первaя кольцевая канавка, если их несколько, должна быть размещена на боковой поверхности диафрагмы 3 в начале диффузорной части аксиального канала 7. Другой вариант усиления стабилизации потока - это использование аксиального канала 7 с диффузорно-конфузорным профилем, т. е. боковая поверхность диафрагмы 3 выполняется с вогнутой боковой поверхностью. Стабилизация потока необходима для того, чтобы кольцевой аксиальный канал 7 и сепаратор вынужденного вихря, выполненный в виде кольцевой выемки 14 в материале диафрагмы 3, могли совместно эффективно выполнять функцию эжектора промежуточного вихря. Кроме того, стабилизация потока устраняет наличие отдельных вихревых жгутов в свободном и вынужденном вихрях, что обеспечивает площадное взаимодействие вихрей и высокий уровень теплопередачи между ними. Высокоскоростной закрученный поток выходит из кольцевого аксиального канала 7 и поступает в перифepийнyю зону трубы 8 взаимодействия вихрей, где эжектирует (отводит) из приосевой зоны трубы 8 по поверхности кольцевой выемки 14 менее охлажденную (внешнюю) часть вынужденного вихря. Смешиваясь, оба потока образуют свободный вихрь, который, двигаясь от диафрагмы 3 к стенке щелевого диффузора 15 вывода горячего потока, взаимодействует с вынужденным вихрем и охлаждает его, одновременно повышает свою температуру. Нагреваясь, свободный вихрь уменьшает свою плотность, при этом увеличивается потребная площадь в периферийной зоне трубы 8 взаимодействия вихрей для его пропуска. Увеличение площади в периферийной зоне трубы 8 взаимодействия вихрей осуществляется за счет использования конической трубы 8 взаимодействия вихрей. Нагретый свободный вихрь делится кромкой стенки стакана 16 на более и менее нагретую части, т.е. осуществляется температурная селекция свободного вихря. Для снижения теплообмена между уже разделенными частями свободного вихря стакан 16 выполнен из материала с низкой теплопроводностью. Менее нагретая часть свободного вихря, она же - промежуточный вихрь, принудительно и послойно переводится аэродинамическими лопатками 17 в приосевую зону стакана 16 для обеспечения эжектирования и предварительной закрутки охлаждаемого потока, а также формирования вынужденного вихря. Принудительность перевода промежуточного вихря исключает самопроизвольный и преждевременный переход элементов свободного вихря в вынужденный и тем самым обеспечивает максимальную продолжительность их взаимодействия. Это, при прочих равных условиях, позволяет уменьшить длину трубы 8 взаимодействия вихрей примерно в полтора раза и существенно снизить потери кинетической энергии свободного вихря. Послойный перевод промежуточного вихря обеспечивается за счет использования сужающихся от основания к концу аэродинамических лопаток 17. С целью снижения аэродинамических потерь потока на лопатках 17 они выполнены с вогнутым профилем и геометрически закручены, а концевые части лопаток выполнены закругленными. Рекомендуемое количество аэродинамических лопаток эжектора охлаждаемого потока составляет 8-18 штук. Ввиду значительного количества лопаток oни должны иметь толщину в пределах 0,5-1,2 мм (чем больше лопаток, тем меньше толщина), что предопределяет их недостаточную жесткость. Для повышения жесткости лопаток 17 эжектора охлаждаемого потока их концевые части скрепляются между собой кольцом, при этом вместе взятые по высоте лопатки и кольцо не выступают в трубу 8 взаимодействия вихрей. Более нагретая часть свободного вихря подвергается дальнейшему нагреву за счет последовательного снижения скорости и повышения давления в канале щелевого диффузора 15 и его газосборной улитке 18 и под избыточным давлением подается в нагнетатель воздуха 19, где происходит его окончательное сжатие и повышение температуры до максимальной величины в цикле. Обеспечение вихревой трубой наддува входа нагнетателя 19 за счет утилизации кинетической энергии горячей составляющей свободного вихря значительно уменьшает потребную мощность для привода нагнетателя 19. После нагнетателя 19 сжатый воздух охлаждается в охладителе воздуха 20 (тепло отводится в окружающую средy) и подается в тангенциальные сопла 5. Нa этом контур отвода тепла во внешнюю среду замыкается. Функционирование контура охлаждения объекта заключается в следующем. Охлаждаемый поток через трубку 12 втягивается в приосевую зону стакана 16 за счет его эжектирования промежуточным вихрем, принудительно поданным в приосевую зону стакана 16 аэродинамическими лопатками 17. В данном случае эжектор охлаждаемого потока, используя кинетическую энергию промежуточного вихря, работает как вакуумный насос по отношению к охлаждаемому объекту 21. Это способствует увеличению расхода охлаждаемого потока через трубу 8 взаимодействия вихрей и препятствует общему снижению давления в трубе 8 из-за вывода из нее воздуха радиальными пластинами 11. При эжектировании охлаждаемого потока промежуточным вихрем происходит их смешивание и формирование вынужденного вихря. Кроме того, при смешивании происходит первоначальная закрутка охлаждаемого потока и снижение угловой скорости промежуточного вихря, что предотвращает его самопроизвольный возврат в периферийную зону трубы 8 взаимодействия вихрей. Сформированный вынужденный вихрь, двигаясь к диафрагме 3, взаимодействует со свободным вихрем и нагревает его, одновременно охлаждается сам. Охлаждаясь, вынужденный вихрь увеличивает свою плотность, при этом снижается потребная площадь пoперечных сечений в приосевой зоне трубы 8 взаимодействия вихрей для его пропуска. Уменьшение площади поперечных сечений трубы 8 взаимодействия вихрей в ее приосевой зоне осуществляется за счет использования центрального тела 10 диафрагмы 3, выполненного сквозным через трубу 8 взаимодействия вихрей, с диаметром, уменьшающимся в сторону ее горячего конца. Для регулирования тепловых потоков по материалу центрального тела 10 оно выполнено составным, одна его часть, в пределах трубки вывода холодного потока и до 0,35 длины трубы 8 взаимодействия вихрей, изготовлена из материала с высокой теплопроводностью, другая часть, до трубки 12 ввода охлаждаемого потока включительно, изготовлена из материала с низкой теплопроводностью. Для усиления эффекта охлаждения вынужденного вихря, выводимого из трубы 8, часть центрального тела 10, в пределах трубки 2 вывода холодного потока и до 0,35 длины трубы 8 взаимодействия вихрей, может быть изготовлена в качестве тепловой трубы. Совместное использование в конструкции вихревой трубы конической трубы 8 взаимодействия вихрей и центрального тела 10 диафрагмы 3 позволяет существенно уменьшить гидравлическое сопротивление вихревой трубы и исключить возможность возвратного течения вынужденного вихря в приосевой зоне трубы 8. Это достигается за счет того, что цилиндричность или небольшая конусность (не более одного градуса) границы раздела свободного и вынужденного вихрей обеспечивают движение свободного и вынужденного вихрей по спирали с постоянно увеличивающимся ее радиусом. В этом случае гидравлическое сопротивление вихревой трубы минимальное. Охлажденный вынужденный вихрь делится кромкой кольцевой выемки 14 на две части, т.е. осуществляется тeмператypнaя селекция вынужденного вихря. Менее охлажденная, обладающая большой тангенциальной скоростью, часть вынужденного вихря, она же промежуточный вихрь, безударно переводится кольцевой выемкой 14 в периферийную зону трубы 8 взаимодействия вихрей. Более охлажденная часть вынужденного вихря выводится из трубы 8 взаимодействия вихрей через отверстие диафрагмы 3 и трубку 2 вывода холодного потока. В трубке 2 вывода холодного потока размещены радиальные пластины 11, входные кромки которых отогнуты и ориентированы против набегающего потока. Пластины 11 прекращают вращательное движение холодного потока, что полностью исключает возникновение вторичного вихревого эффекта в трубке 2 вывода холодного потока, и, обладая свойством осевого вентилятора, обеспечивают подачу воздуха в охлаждаемый объект. Из трубки 2 вывода холодного потока воздух подается в охлаждаемый объект 21. Охлаждая объект 21 (кабину или салон транспортного средства), воздух нагревается и далее возвращается в трубку 12 ввода охлаждаемого потока. На этом контур охлаждения объекта замыкается. Устройство по предлагаемому изобретению промышленно применимо и обеспечивает селекцию вынужденного вихря, повышает уровень теплопередачи от вынужденного к свободному вихрю, обеспечивает более высокий уровень утилизации кинетической энергии свободного и вынужденного вихрей, уменьшает гидравлическое сопротивление трубы взаимодействия вихрей и не допускает возвратного течения вынужденного вихря в приосевой зоне трубы взаимодействия вихрей. Все это позволяет повысить холодильный КПД рассматриваемой вихревой трубы по сравнению с прототипом не менее чем в два раза. Источники информации 1. SU 1208429 A, F 25 B 9/02, 1984. 2. Меркулов А.П. Вихревой эффект и его применение в технике. М.: Машиностроение, 1969, с. 97-99.

Формула изобретения

1. Вихревая труба, содержащая сопловой ввод, трубу взаимодействия свободного и вынужденного вихрей, диафрагму с центральным телом, трубку вывода холодного потока, щелевой диффузор вывода горячего потока с осевой трубкой ввода охлаждаемого потока, внутренний диаметр которой меньше диаметра отверстия диафрагмы, отличающаяся тем, что диафрагма размещена на входном конце трубки вывода холодного потока, расположенной коаксиально в корпусе, который установлен на холодном конце трубы взаимодействия вихрей, вокруг отверстия диафрагмы выполнен сепаратор вынужденного вихря в виде кольцевой выемки в материале диафрагмы, на стенке щелевого диффузора установлен эжектор охлаждаемого потока, выполненный в виде стакана с осевой трубкой ввода охлаждаемого потока и аэродинамическими лопатками, при этом осевая трубка ввода охлаждаемого потока пропущена через дно стакана, аэродинамические лопатки установлены консольно на дне стакана вокруг выходного отверстия трубки и выполнены сужающимися от основания к концу, а входные кромки лопаток ориентированы против набегающего вихря, сопловой ввод выполнен как сочетание тангенциальных сопел и кольцевой полости овального сечения, расположенной в пространстве между трубкой вывода холодного потока, диафрагмой, стенкой и дном корпуса, причем выходы тангенциальных сопел в пределах кольцевой полости размещены ближе к дну корпуса, чем к диафрагме, кольцевая полость соплового ввода соединена с трубой взаимодействия вихрей через кольцевой аксиальный канал, образованный боковой поверхностью диафрагмы и внутренней поверхностью трубы взаимодействия вихрей или стенки корпуса, в конструкции вихревой трубы совместно использованы коническая труба взаимодействия вихрей, диаметр которой увеличивается в сторону горячего конца вихревой трубы, и коническое центральное тело диафрагмы, выполненное сквозным через трубу взаимодействия вихрей, диаметр которого в пределах трубы взаимодействия вихрей уменьшается в сторону горячего конца вихревой трубы, вместе с этим угол раствора конуса трубы взаимодействия вихрей и угол раствора конуса центрального тела диафрагмы выбраны таким образом, что обеспечивается цилиндрическая форма границы раздела свободного и вынужденного вихрей. 2. Вихревая труба по п.1, отличающаяся тем, что угол раствора конуса трубы взаимодействия вихрей и угол раствора конуса центрального тела диафрагмы выбраны таким образом, что граница раздела свободного и вынужденного вихрей имеет форму усеченного конуса с углом раствора не более одного градуса. 3. Вихревая труба по п.1, отличающаяся тем, что выходы тангенциальных сопел подведены к кольцевой канавке, выполненной на внутренней поверхности стенки корпуса в пределах кольцевой полости соплового ввода, причем кольцевая канавка размещена ближе к дну корпуса, чем к диафрагме. 4. Вихревая труба по п.1, отличающаяся тем, что аэродинамические лопатки эжектора охлаждаемого потока установлены в кольцевую выемку, выполненную в дне стакана между осевой трубкой ввода охлаждаемого потока и стенкой стакана. 5. Вихревая труба по п.1, отличающаяся тем, что аэродинамические лопатки эжектора охлаждаемого потока выполнены с вогнутым профилем и геометрически закручены. 6. Вихревая труба по п.1 или 5, отличающаяся тем, что концевые части аэродинамических лопаток эжектора охлаждаемого потока выполнены закругленными. 7. Вихревая труба по п.1 или 5, отличающаяся тем, что концевые части аэродинамических лопаток эжектора охлаждаемого потока скреплены между собой кольцом, при этом вместе взятые по высоте лопатки и кольцо не выступают в трубу взаимодействия вихрей. 8. Вихревая труба по п.1, отличающаяся тем, что поверхность кольцевой выемки сепаратора вынужденного вихря покрыта материалом с низкой теплопроводностью. 9. Вихревая труба по п.1, отличающаяся тем, что стакан эжектора охлаждаемого потока выполнен из материала с низкой теплопроводностью. 10. Вихревая труба по п.1, отличающаяся тем, что эжектор охлаждаемого потока выполнен в виде стакана с расположенным внутри усеченным конусом, большее основание которого обращено к дну стакана и равно внутреннему диаметру стакана, при этом усеченный конус имеет осевой канал, являющийся продолжением трубки ввода охлаждаемого потока, в материале конуса выполнены каналы, выходы которых ориентированы тангенциально к поверхности осевого канала, а входы ориентированы против набегающего вихря. 11. Вихревая труба по п.10, отличающаяся тем, что осевой канал усеченного конуса по ходу движения вынужденного вихря выполнен конически-цилиндрическим с расширением конической части в сторону диафрагмы вихревой трубы. 12. Вихревая труба по п.1, отличающаяся тем, что на боковой поверхности диафрагмы, являющейся внутренней стенкой кольцевого аксиального канала, выполнено не менее одной кольцевой канавки. 13. Вихревая труба по п.12, отличающаяся тем, что кольцевой аксиальный канал выполнен конфузорно-диффузорным, при этом первая по ходу движения потока кольцевая канавка на боковой поверхности диафрагмы размещена в начале его диффузорной части. 14. Вихревая труба по п.1, отличающаяся тем, что кольцевой аксиальный канал выполнен диффузорно-конфузорным. 15. Вихревая труба по п.1, отличающаяся тем, что центральное тело диафрагмы выполнено составным, одна его часть в пределах трубки вывода холодного потока и до 0,35 длины трубы взаимодействия вихрей изготовлена из материала с высокой теплопроводностью, другая часть до трубки ввода охлаждаемого потока включительно изготовлена из материала с низкой теплопроводностью. 16. Вихревая труба по п.15, отличающаяся тем, что часть центрального тела диафрагмы в пределах трубки вывода холодного потока и до 0,35 длины трубы взаимодействия вихрей изготовлена в качестве тепловой трубы.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6