ВИХРЕВАЯ ТРУБА
VORTEX TUBE

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.