УСТРОЙСТВО ДЛЯ АЭРОДИНАМИЧЕСКОГО ОХЛАЖДЕНИЯ ВОЗДУХА (ГАЗА)

Полезная модель относится к струйной технике охлаждения воздуха (газа).
Все струйные и вихревые устройства для аэродинамического охлаждения воздуха (газа), используют эффект снижения температуры потока при истечении через сопло. (Справочник. «Промышленная теплоэнергетика и теплотехника» под ред. В.А. Григорьева и В.М. Зорина, М. 1983, с.231-237).
Основным недостатком аэродинамического охлаждения воздуха с использованием сопла, в том числе, сопла Лаваля, как элемента воздушной холодильной установки, является необходимость высокого начального давления перед соплом и низкий КПД устройства.
Известна система охлаждения воздуха (патент на изобретение РФ №1324395, МПК F25B 9/02, 2006 г.), содержащая компрессор с линией сжатого воздуха, на которой установлены вымораживатель, вихревой разделитель и теплообменники, эжектор с активным и пассивным соплами и выходным патрубком, датчик температуры, установленный на выходе из вымораживателя, и блок управления, причем активное сопло эжектора присоединено к выходу компрессора, пассивное сопло - к входу последнего, а выходной патрубок - к входу в вымораживатель, причем перед соплами эжектора дополнительно установлены запорно-регулирующие устройства, электрически связанные через блок управления с датчиком температуры.
Недостатком указанного технического решения является необходимость высокого начального давления перед соплом и низкий КПД.
Близкими по конструктивному решению устройствами являются устройства с эжекторными соплами (Патент на полезную модель РФ №65142, МПК F02K 1/00, 2007 г., патент на изобретение РФ №2437001, МПК F04F 5/22, 2011 г.), которые за счет энергии высоконапорного (активного) потока, подводимого к соплу, сжимают низконапорный (пассивный) поток, но они не предназначены для охлаждения смеси.
Недостатком указанных устройств является то, что снижение температуры потока, за пределами устройств с эжекторными соплами, по отношению к начальной температуре смеси, за счет аэродинамических процессов, требует больших затрат энергии на сжатие воздуха перед соплом.
Заявителю не известны устройства с эжекторными соплами, которые предназначены для аэродинамического охлаждения поступающего в него воздуха (газа).
Задача состоит в том, чтобы для аэродинамического охлаждения потока до заданной температуры снизить необходимый напор воздуха перед соплом и, за счет этого, повысить экономичность аэродинамического охлаждения воздуха.
Технический результат, достигаемый заявляемой полезной моделью, заключается в создании экономичного устройства для аэродинамического охлаждения поступающего в него воздуха.
Технический результат достигается тем, что в устройстве для аэродинамического охлаждения воздуха включающем входной патрубок, цилиндрический корпус, сопло, выходной патрубок, сопло выполнено тонкостенным, установлено осесимметрично внутри устройства так, что стенки корпуса и стенки сопла образуют кольцевую расширительную камеру в виде усеченного конуса, при этом площадь кольцевого сечения входа в расширительную камеру меньше площади выходного сечения сопла, соотношение между диаметром выходного патрубка и выходным диаметром сопла находится в пределах от 1,5 до 2,5, соотношение между площадью кольцевого сечения входа в расширительную камеру и площадью выхода из нее находится в пределах от 0,03 до 0,1.
Новизна решения в том, что параллельно с соплом имеется расширительная камера, в которой происходит расширение поступающего в нее потока за счет энергии вытекающей из сопла струи. Это позволяет снизить потерю с выходной скоростью сопла. Степень расширения потока в расширительной камере и соответствующий этому расширению эффект снижения температуры определяется эжектирующей способностью сопла и расходом поступающего в расширительную полость воздуха (газа), т.е. соотношением выходного диаметра сопла, площади входного сечения в расширительную камеру, диаметра выходного патрубка, выполняющего функцию диафрагмы, и расстояния от выходного патрубка до сопла. Сопло выполнено тонкостенным, чтобы снизить аэродинамическое сопротивление и габариты устройства.
Принципиальная схема устройства показана на чертеже, где цифрами обозначены входной патрубок 1, сопло 2, корпус 3, расширительная камера 4, выходной патрубок 5.
Входной патрубок 1 жестко соединен с корпусом 3, в котором установлено сопло 2, на выходе корпус 3 снабжен выходным патрубком 5, выполняющим функцию диафрагмы. Сопло 2 выполнено тонкостенным, установлено осесимметрично внутри корпуса 3 так, что стенки корпуса 3 и стенки сопла 2 образуют кольцевую расширительную камеру 4 в виде усеченного конуса, площадь кольцевого сечения входа в которую меньше площади выходного сечения сопла 2, а соотношение диаметра выходного отверстия патрубка 5 и выходного диаметра сопла 2 порядка 1,5-2,5 (установлено экспериментально); соотношение между площадью входа в расширительную камеру 4 и площадью выхода из нее в пределах от 0,03 до 0,1 (установлено экспериментально).
0
Устройство для аэродинамического охлаждения потока воздуха (газа) работает следующим образом. Поток воздуха (газа) поступает в устройство через входной патрубок 1 со скоростью w. и распределяется по двум каналам: в расширительной камере 4 он расширяется и замедляется, приобретая выходную скорость w1 (первый канал), в сопле 2 ускоряется, приобретая выходную скорость w2 (второй канал). Процесс изменения скорости и состояния потока в устройстве адиабатический, за счет изменения внутренней энергии потока, без взаимодействия с внешней средой. Полная энергия потока (E) в процессе прохождения воздуха (газа) через устройство остается неизменной:
2
E=i+Aw/2g,=const,
где i - энтальпия потока (ккал/кг.);
w - скорость потока в данном сечении (м/с.);
2
g - ускорение силы тяжести (кг/с).
0
A - тепловой эквивалент работы, равный 1/427 ккал/кг. м. (Л.2. М.А. Михеев, Краткий курс теплопередачи, Госэнергоиздат, 1960, стр.79-80); α и β доли расхода воздуха от общего, проходящие по первому и второму каналу. Если i энтальпия воздуха на входе в устройство; αi1 и βi2 энтальпии потока на выходе из каналов, соответственно, первого и второго, то при адиабатическом процессе, на основании равенства энергии потока до и после устройства, имеем
или
В левой части уравнения - изменение энтальпии в процессе движения потока через устройство. В правой - скорости потока до устройства и на выходе из его каналов. Если  больше нуля, имеет место снижение энтальпии и температуры на выходе из каналов. Теоретическая оценка изменения температуры потока на выходе из рассматриваемого устройства показала, что используя предлагаемое устройство можно ожидать снижение температуры воздуха на 20-30%, по сравнению с использованием только сопла, за счет двух факторов:
1. При адиабатическом истечении воздуха из сопла 2, при коэффициенте адиабаты к=1,4, его температура изменяется пропорционально перепаду давления в степени (1-к)/к=0,286. При расширении воздуха в канале между соплом и корпусом устройства (расширительной камере 4), где, за счет отсоса воздуха потоком, вытекающим из сопла, давление ниже, чем за пределами устройства, температура воздуха снижается пропорционально изменению удельного объема в степени (1-к)=0,4. Для отсоса воздуха, поступающего в расширительную камеру и создания в нем давления, пониженного, по отношению к давлению за устройством, геометрические размеры сопла, площади входного и выходного сечения расширительной камеры и выходного патрубка 5 должны быть рассчитаны по известным методикам расчета эжектирующих устройств или определены экспериментально.
2. Снижение потерь с выходной скоростью сопла достигается за счет того, что выходящий из сопла поток используется для совершения работы по отсосу воздуха из расширительной камеры, обеспечивая снижение его температуры. Разделение общего потока на два параллельных позволяет снизить общее аэродинамическое сопротивление устройства.
Для проверки эффективности предлагаемого устройства изготовлен и апробирован экспериментальный образец, средние данные по которому, в сравнении с охлаждением воздуха в сопле, приведены в таблице 1.
Таблица №1.
Базовый вариант (сопло)
экспериментальный образец
Режимные данные:
1. Расход воздуха (м<sup>3</sup>/ч)
78
78
2. Напор воздуха на входе (кгс/см<sup>2</sup>)
0,11
0,096
3. Температура воздуха на входе °C
45
45
4. Температура воздуха на выходе °C.
37
33
5. Удельное снижение температуры входящего в устройство потока в расчете на одну атмосферу давления воздуха перед устройством.
(45-37)/0,11=72,7
(45-33)/0,096=125