УСТРОЙСТВО ДЛЯ ГИДРОДИНАМИЧЕСКОГО ТЕМПЕРАТУРНОГО РАЗДЕЛЕНИЯ

Устройство для гидродинамического температурного разделения газа
Полезная модель относится к гидродинамическим устройствам получения тепла и холода и может быть использованс| в теплотехнических устройствах и в установках кондиционирования воздуха.
Известны устройства для температурного разделения газа, выполненные на базе вихревых труб, которые служат для создания вихревого потока путем подачи струи сжатого газа в завихритель (см., Суслов А.Д., Иванов А.В., Мурашкин А.В., Чижиков Ю.В. Вихревые аппараты, М:, Машиностроение, 1985 г., с. 5-46).
Работа вихревой трубы основана на взаимодействии закрученной струи с осевым потоком газа, при этом основным механизмом температурного разделения газов в вихревой трубе является турбулентное взаимодействие закрученной струи газа, текущей по периферии вихревой трубы, с приосевыми слоями газа. В поле с большим радиальным градиентом статического давления турбулентные пульсации позволяют осуществлять перенос тепла от центральных слоев газа к периферийным даже на тех участках трубы, где статическая температура на оси ниже статической температуры на периферии.
Недостатком существующего устройства температурного разделения газов с использованием вихревого эффекта является его низкая эффективность, обусловленная низким КПД компрессора при создании закрученной струи и низким КПД самого процесса температурного разделения. Потому вихревые трубы в технологических процессах используются в основном только там, где имеется источник
МПК5 ВО1Д53/32
сжатого газа с возможностью ступенчатого понижения давления в газопроводах и т.п.
Задачей полезной модели является повышение КПД процесса температурного разделения газа за счет повышения уровня турбулентности вихревого потока. Поставленная задача достигается тем, что в устройстве для гидродинамического температурного разделения газа, содержащем вихревую трубу с тангенциальным патрубком для ввода газа, дроссель для вывода горячего газа и диафрагму для вывода холодного газа, и завихритель, согласно полезной модели, завихритель вьшолнен в виде по крайней мере одной пары электродов с малой и большой кривизной, подключенных к разным полюсам источника постоянного тока высокого напряжения, причем электрод с большой кривизной размещен в полости патрубка для ввода газа, а электрод с малой кривизной установлен оппозитно электроду с большой кривизной относительно вихревой трубы.
А также тем, что вихревая труба вьшолнена из диэлектрического материала с гладкой внутренней поверхностью.
В дальнейшем полезная модель поясняется описанием конкретного варианта его вьшолнения и сопровождающими чертежами, на которых на фиг- 1 представлена зависимость средней по разрядному промежутку скорости электрического ветра от напряжения на электродах. Па фиг-2 зависимость избыточной температуры холодного потока от числа Россби.
Па фиг-3 представлен пример конструкции заявленного устройства (проекция - вид со стороны диафрагмы). Па фиг- 4 - представлен пример конструкции заявленного устройства (проекция - вид с боку).
Устройство содержит вихревую трубу 1, выполненную из диэлектрического материала, например стекла, дроссель 2, тангенциальный патрубок 3, в котором находится электрод с больщой
кривизной (острие) - 4, диафрагма 5 для выхода охлажденного воздуха, источник постоянного тока высокого напряжения 6 для создания коронного разряда между электродами (острием 4 и плоским электродом
Сущность полезной модели заключается в следующем.
Известно, что в межэлектродном пространстве, заполненном газом, в системе электродов острие - плоскость при соединении отрицательного полюса высоковольтного источника постоянного тока с острием, а положительного полюса с плоскостью образуется струя электрического ветра. В результате стекания электронов с острия, при напряжении, превыщающих напряжения зажигания коронного разряда, и взаимодействия их с нейтральными молекулами газа, образуются сгустки ионов, которые под действием электрического поля разнгоняются и движутся к плоскому электроду. В результате взаимодействия сгустков ионов с нейтральным газом образуется струя электрического ветра в направлении плоского электрода. При этом скорость электрического ветра зависит от приложенной разности потенциала и межэлектродного расстояния. Из фиг-1 видно, что скорость электрического ветра в центре струи может превышать 10 м/с. Этот факт дает возможность использовать это явление для создания закрученной турбулентной струи при получении эффекта температурного разделения газовых потоков. Действительно, как показывает анализ современных теоретических и экспериментальных исследований, эффективность температурного разделения вихревого эффекта зависит от ряда интегральных параметров, самый значительный из которых, интенсивность закрутки и близкий к нему безразмерный параметр число Россби. Для характеристики эффективности температурного разделения используется комплекс безразмерных величин, в том числе п обратно пропорциональное числу Россби
(1)
J G2 Ro где{ плотность газа в холодном потоке, |кг , М - поток момента
Jмз
количества движения   ,Ц,- диаметр вихревой трубы в вихревом
сечении м, G - массовый расход поступающего газа кг. Это выражение можно преобразовать для удобства анализа
представленных материалов к виду
п  2Р2оУу(2)
где : Di - диаметр соплового отверстия м, Do - диаметр трубы м, Vy - тангенциальная составляющая скорости струи M,VZ - осевая составляющая скорости газа м.
Следует отметить, что уровень турбулентности закрученной струи электрического ветра значительно выше обычной закрученной струи. Это обусловлено нестационарностью коронного разряда . Наличие высокочастотной пульсации ЭГД - течения в диапазоне 1 Кгц - 1 Мгц значительно увеличивает эффективность способа температурного разделения газов . Каскадное соединение вихревых труб также увеличивает эффективность разделения. Причем эффект охлаждения растет с увеличением числа ступеней разделения газа.
Эффективность температурного разделения газа зависит также от длины вихревой трубы. Заявленное устройство может быть дополнительно снабжено системами электродов большой и малой кривизной по потоку закрученной стриу, что позволит поддержать энергию закрученной струи, а следовательно увеличит длину и как следствие - эффективность температурного разделения газа.
Устройство работает следующим образом.
с
7tD2, Vz
Включают высоковольтный источник постоянного тока 6. На систему электродов острие - плоскость (4,5) подается разность потенциалов, превышающая напряжение зажигания коронного разряда в среде используемого газа. Образуется струя электрического ветра Q. При этом в патрубок засасывается из внешнего пространства газ (воздух). В трубе 1 на ее внутренних стенках образуется турбулентный пульсирующий вихревой поток. В результате взаимодействия закрученной турбулентной струи электрического ветра со слоями газа, прилегающими к оси вихревой трубы, периферийные слои газа(т.е.. газа, прилегающего к внутренним стенкам трубы) будут нагреваться , а слои, прилегающие к оси трубы - охлаждаться, нагретый поток газа будет выходить через дроссель 2 при этом холодный газ образует  противоток QX и будет выходить через диафрагму 5.
Ниже приведен пример конкретного вьшолнения на примере противоточной вихревой трубы устройства. Труба диаметром Do  20 мм и длиной Li 5Do  100 мм выполнена из диэлектрика (например, стекла с гладкими внутренними стенками). В трубе на расстоянии L2 от одного из концов трубы установлено сопло диаметром Di, выполненное из диэлектрика с возможностью размещения в нем металлического электрода (острия) на некотором расстоянии от стенок. Ось патрубка находится на расстоянии d от его оси, что дает возможность направить струю электрического ветра тангенциально (по касательной) к внутренней поверхности трубы. На одном из концов трубы со стороны входного сопла на расстояние Lz от сопла установлена диафрагма с дааметром Di  5 мм. На другом конце установлен дроссель с возможностью регулировки расхода нагретого воздуха. Со стороны, противоположной входному патрубку, размещен металлический электрод с малой кривизной (плоскость 7) на расстоянии 1 от острия 3 близким к диаметру трубы L d. Для подачи высокого напряжения на
электроды служит источник постоянного высокого напряжения 6. При этом отрицательный полюс подключен к острию, а положительный к плоскости. При подаче высокого напряжения, превышающего напряжение зажигания коронного разряда, но ниже пробивного напряжения образуется струя электрического ветра. В рассматриваемом случае напряжение может достигать величин 50-100 кв. При образовании закрученной струи в вихревой камере образуются два противоположно направленных газовых потока. По периферии трубы в направлении дросселя - нагретый поток, в направлении диафрагмы - холодный.
Для оценки избыточной температуры необходимо найти число п  I/RO при заданных параметрах полезной модели. Do  20 мм. Di  5 м. V/Vz  4/
n   2. 400 . 4 f., 40 D2iVZ 3,142,5
Выбрав значения диаметров трубы и сопла равным соответственно DO  20 мм и Di  2мм при отношении тангенциальной и осевой
скоростей 4 с использованием соотношения (1)% данных фиг. 2 видно, что при числе 1/п  0,025 разность температур между входящем и охлажденным газом составляет величину порядка 5°С. Используя дополнительные острия, вмонтируемые непосредственно в тело трубы для создания дополнительных закрученных струй, можно увеличить разностьА Т. Дополнительное увеличение эффективности
температурного разделения газов можно достичь с помощью каскадного включения вихревых труб. Представленные результаты дают оценку величины температурного разделения без учета интенсивности турбулентных и регулярных пульсаций струи электрического ветра. Таким образом, заявленное техническое решение дает возможность создать систему температурного разделения газов, в которой отпадает необходимость в устройствах для сжатия газов, что дает возможность создать холодильные устройства значительно более эффективные с
энергетической точки зрения, В системе при низких давлениях отпадает необходимость в специальном хладагенте, что делает заявленный способ температурного разделения газов экологически чистыми.