ВИХРЕВАЯ ТРУБА
VORTEX TUBE

Изобретение относится к вихревому эффекту Ранка, в частности к форме внутренней поверхности рабочей камеры вихревой трубы и к форме внутренней поверхности диафрагмы для отвода охлажденного потока от вихревой трубы.
Известна вихревая труба, у которой внутренняя поверхность рабочей камеры имеет конусообразную форму (а.с. №237176, M. кл. F25B 9/02).
Известен также вихревой холодильник, у которого внутренняя поверхность рабочей камеры имеет цилиндрическую форму (а.с. №257519, M. кл. F25B 9/02).
Недостатком данных устройств является то, что форма внутренней поверхности рабочей камеры была найдена при проведении экспериментальных исследований для конкретного газа в узком диапазоне температур, расходов и давлений газа. Поэтому в одном случае было получено, что оптимальной формой внутренней поверхности рабочей камеры вихревой трубы должна быть коническая, в другом - цилиндрическая.
Задачей заявляемого изобретения является повышение термодинамической эффективности вихревого эффекта путем оптимизации формы внутренней поверхности рабочей камеры вихревой трубы и формы внутренней поверхности патрубка для отвода охлажденного потока.
Технический результат достигается изготовлением внутренних поверхностей рабочей камеры вихревой трубы и патрубка для отвода охлажденного потока по форме свободно вращающегося потока жидкости (сжимаемой или несжимаемой).
В вихревой трубе на газовый поток идет воздействие геометрическое, механическое, теплообмен, массообмен и трение. Все эти пять видов воздействий на поток идут одновременно и вызывают определенное распределение скоростей и давлений.
Расчеты показали, что образующая линия вращающегося потока газа описывается уравнением кривой второго порядка
где
1
G - расход газа на входе в вихревую трубу;
1
ρ - плотность газа на входе в вихревую трубу;
1
τ - радиус вихревой трубы в плоскости соединения входного тангенциального сопла с рабочей камерой вихревой трубы;
r
V - радиальная составляющая абсолютной скорости при движении газа вдоль оси рабочей камеры вихревой трубы;
T
x - расстояние вдоль оси вихревой трубы от плоскости соединения входного тангенциального сопла с рабочей камерой вихревой трубы до плоскости нахождения радиальной составляющей абсолютной скорости движения газа (0≤x≤l);
T
l - длина вихревой трубы.
2
3
Кривые второго порядка описываются эллиптическими, гиперболическими и параболическими уравнениями. Тип уравнения кривой определяется значением инвариантов. Инварианты линий второго порядка, образующих внутреннюю поверхность рабочей камеры вихревой трубы и патрубка для отвода охлажденного потока, определяются величинами J≤0 и J≠0.
2
3
При значениях инвариантов J≤0 и J≠0 уравнение второго порядка является гиперболой.
Таким образом, уравнением образующей второго порядка вращающегося потока газа в рабочей камере вихревой трубы и на выходе из диафрагмы, отводящей через патрубок охлажденный поток, является гипербола. Следовательно, для снижения гидравлических сопротивлений движущемуся потоку газа по внутренней поверхности рабочей камеры вихревой трубы и на выходе охлажденного потока газа из диафрагмы через патрубок и повышения ее термодинамической эффективности образующая внутренней поверхности рабочей камеры и патрубка для отвода охлажденного потока должна быть гиперболой, а сама внутренняя поверхность рабочей камеры и патрубка для отвода охлажденного потока должна быть усеченным гиперболоидом.
На фиг.1 представлена схема вихревой трубы.
Вихревая труба содержит входную улитку 1, рабочую камеру 2, внутренняя поверхность которой выполнена по форме усеченного гиперболоида, вентиль 3 для регулирования расхода горячего потока, диафрагму 4 для отвода охлажденного потока газа через патрубок 5, внутренняя поверхность которого также выполнена по форме усеченного гиперболоида.
Работа вихревой трубы осуществляется следующим образом.
Сжатый газ через входную улитку 1 поступает во внутреннюю поверхность рабочей камеры энергетического разделения 2 вихревой трубы, выполненную по форме усеченного гиперболоида. На выходе из камеры энергетического разделения 2 стоит вентиль 3, с помощью которого регулируется расход подогретого потока газа. Если сечение вентиля 3 отрегулировано на расход газа меньше того, что поступает во входную улитку 1, то часть газа будет переходить на меньший радиус и двигаться в сторону диафрагмы 4 и через патрубок для охлажденного потока газа 5, внутренняя поверхность которого имеет форму усеченного гиперболоида, отводиться на технологические нужды. Охлаждение осевого потока газа и подогрев периферийного потока газа являются результатом их взаимодействия.
Технический результат, достигаемый при решении поставленной задачи, состоит в повышении термодинамической эффективности вихревой трубы за счет снижения гидравлических сопротивлений на трение и местные сопротивления, так как внутренняя поверхность рабочей камеры энергетического разделения 2 и патрубка 5 для охлажденного потока газа выполнена по форме свободно вращающегося потока, образующей которого является гипербола. Технико-экономический эффект от реализации данного изобретения заключается в повышении термодинамической эффективности вихревой трубы.