АВТОНОМНАЯ ВИХРЕВАЯ ТРУБА ЛАМИНАРНАЯ

Полезная модель относится к холодильной технике и предназначена для получения холодных потоков газа для охлаждения различных объектов, например, салонов легковых автомобилей с питанием от бортовой электросети.
Известны вихревые трубы, содержащие тангенциальное сопло для подачи сжатого воздуха, камеру энергетического (температурного) разделения, диафрагму с центральным отверстием для вывода холодного потока, дроссель с отражателем для вывода горячего потока и крестовину для спрямления вихревого потока [SU 1079973, RU 2098723, Суслов А.Д. Вихревые аппараты. Москва, Машиностроение, 1985, с.6].
Перечисленные устройства успешно решают поставленные перед ними задачи, однако нуждаются во внешнем источнике сжатого воздуха, как правило, это внешняя пневмосеть большой производительности, на фоне которой расход воздуха на питание трубы незначителен. При питании же вихревой трубы от отдельного компрессора суммарные потери энергии в компрессоре и трубе делают такой агрегат малоэффективным и неэкономичным.
Повысить экономичность вихревой трубы можно путем исключения потерь энергии при сжатии и последующем раскручивании воздушного потока. Это в значительной степени решает полезная модель автономной вихревой трубы, принятая за прототип (АВТК, патент РФ на полезную модель №90886), содержащая радиальный нагнетатель, камеру энергоразделения, дроссель и диафрагму, осуществляющая забор атмосферного воздуха при атмосферном давлении активным ротором радиального нагнетателя, нагнетающим воздушный поток в лопаточный ускоряющий аппарат (конфузор).
Приведенный во вращение электромотором или другим приводом активный ротор нагнетателя всасывает наружный воздух, отбрасывает воздушный поток от оси вращения в радиальном направлении, сообщая ему при этом значительную тангенциальную скорость, и подает его через периферийный кольцевой зазор в лопаточный конфузор. Проходя между лопаток конфузора по направлению к оси вращения в сужающихся каналах, воздушный поток продолжает ускоряться и попадает в камеру энергоразделения вихревой трубы с тангенциальной скоростью, близкой к скорости звука. Тем самым вихревой поток в камере создается без каких-либо дополнительных раскручивающих устройств и потерь энергии на сжатие и последующее раскручивание воздушного потока.
При движении воздуха в камере энергоразделения происходит интенсивный энергообмен как между слоями воздушного потока, так и с внешним теплообменником. Благодаря эффекту Ранка соприкасающиеся со стенкой вихревой трубы внешние слои воздушного потока имеют температуру выше окружающей среды, поэтому отдают энергию внешнему теплообменнику, снижая среднюю температуру потока.
К недостаткам прототипа следует отнести то, что самые лучшие активные центробежные роторы способны реализовать на периферии ротора воздушный поток с примерно равными по величине радиальной и тангенциальной компонентами скорости. В дальнейшем, на входе конфузора используется, в основном, тангенциальная компонента. Радиальная компонента частично создает статическое давление в потоке, основная же ее часть не используется и, более того, служит причиной нарушения ламинарности воздушного потока.
Задачей предлагаемого технического решения является повышение экономичности вихревой трубы по сравнению с прототипом за счет уменьшении радиальной компоненты скорости воздушного потока и увеличения тангенциальной компоненты.
Сущность предлагаемой полезной модели заключается в том, что аналогично прототипу Автономная Вихревая Труба Ламинарная (АВТЛ) содержит радиальный нагнетатель, камеру энергоразделения, дроссель и диафрагму. Но, в отличие от прототипа, радиальный нагнетатель содержит ротор специальной конструкции (далее, тангенциальный ротор), обеспечивающий на входе в конфузор соотношение тангенциальной и радиальной компонент скорости 30:1 и более. Тем самым на входе в конфузор и далее обеспечивается ламинарность воздушного потока с минимально необходимой радиальной скоростью, а подводимая извне механическая энергия практически полностью преобразуется в тангенциальную скорость воздушного потока.
Таким образом, мощность, передаваемая ротором воздушному потоку, почти полностью расходуется на создание вихря, тогда как в прототипе радиальная и тангенциальные компоненты скорости были примерно равны. Следовательно, примерно половина подводимой от ротора мощности расходовалась нецелесообразно. Предлагаемое решение позволяет, по меньшей мере, на треть снизить мощность привода.
Полезная модель поясняется чертежами, где на фиг.1 показан общий вид АВТЛ, на фиг.2 - конструкция тангенциального ротора нагнетателя.
АВТЛ содержит (фиг.1) корпус радиального нагнетателя 1, тангенциальный ротор 2, конфузор 3 и вихревую трубу 4 с внешним воздушным радиатором, дросселем и диафрагмой (на рисунке не показаны). Тангенциальный ротор 2 установлен таким образом, что образуется периферийный кольцевой зазор для подачи ротором воздуха в периферийную часть конфузора 3. Конструкция конфузора 3 и его сопряжение с камерой энергоразделения вихревой трубы полностью совпадают с прототипом. Повышение эффективности всего агрегата в целом обеспечивается спецификой работы тангенциального ротора 2.
Тангенциальный ротор 2 показан на фиг.2 и имеет следующие конструктивные особенности, обеспечивающие высокую тангенциальную скорость воздушного потока:
- Лопасти ротора 6, укрепленные на ступице 5, представляют собой криволинейные цилиндрические поверхности, направленные вогнутой стороной по направлению вращения ротора 2.
- Ротор 2 имеет обод 7, к которому крепятся периферийные части лопастей 6, подходящие к нему по касательной. Обод 7 в сечении профилирован по дуге с радиусом, равным ширине лопасти 6 в месте сопряжения.
- Ширина лопасти 6 находится в гиперболической зависимости от радиального расстояния до оси вращения. Эта зависимость обеспечивает постоянство радиальной скорости воздушного потока при растущей тангенциальной скорости его, а также небольшое (в 1,5-1,7 раза) сжатие потока.
Тангенциальный ротор работает следующим образом (фиг.2):
Приводимый во вращение электромотором или другим приводом тангенциальный ротор 2 нагнетателя всасывает наружный воздух и, отбрасывая воздушный поток от оси вращения в радиальном направлении, благодаря цилиндрическому профилю лопастей 6 сообщает ему преимущественно тангенциальную скорость. Такой эффект обеспечен гиперболической зависимостью ширины лопасти 6 от радиального расстояния до оси вращения, так как сечение канала между лопастями, несмотря на увеличения окружного расстояния, не только не увеличивается, но даже несколько уменьшается, создавая небольшое (в 1,5-1,7 раза) сжатие воздушного потока. В периферийной части ротора 2 обод 7 отклоняет воздушный поток в осевом направлении и подает его через периферийный кольцевой зазор в конфузор 3, где и происходит его дальнейшее ускорение.
Все последующие процессы происходят точно так же, как и в прототипе, однако, исключение бесполезных затрат на входном участке путем снижения радиальной компоненты скорости воздушного потока до минимально необходимых значений позволяет снизить мощность привода и тем самым увеличить эффективность агрегата примерно на треть.