ВИХРЕВАЯ ТРУБА
VORTEX TUBE

Изобретение относится к системам охлаждения воздуха с применением вихревых труб и может быть использовано в системах кондиционирования воздуха в производственных помещений и салонах транспортных средств, в холодильных установках, эксплуатируемых в производственных помещениях и в транспортных средствах, в системах охлаждения режущего инструмента и других устройствах, для функционирования которых необходимо или желательно охлаждение воздуха, а условия их эксплуатации некритичны к повышенным уровням шума.
Вихревые трубы надежны в эксплуатации, могут применяться в условиях сильных вибраций и высоких температур, экологически безопасны.
Основными элементами конструкции вихревой трубы являются камера энергетического разделения, сопло для подачи воздуха под давлением, выводы холодного и горячего потоков. Для вывода холодного потока используют, как правило, диафрагмы с центральным отверстием, конические раструбы, а вывод горячего потока осуществляют с помощью дросселя. Различные модификации вихревых труб отличаются средствами, позволяющими интенсифицировать процесс температурного разделения воздуха в камере энергетического разделения, в том числе за счет охлаждения камеры энергетического разделения и увеличения перепада давления при выводе холодного потока из вихревой трубы.
Настоящее изобретение направлено на обеспечение эффективного охлаждения камеры энергетического разделения.
Для охлаждения камеры энергетического разделения используют принцип испарительного охлаждения, для реализации которого камеру помещают в рубашку охлаждения, которая сообщается с внешним источником воды (например, RU 2177587 C1, 2000.11.08, RU 2018772 C1, 1993.08.30) и/или с камерой сбора конденсата (например, RU 2052736 С1, 1996.01.20). Для повышения эффективности охлаждения к паровому пространству рубашки охлаждения подключают всасывающий патрубок вихревого эжектора для создания разряжения, вследствие чего происходит испарение и охлаждение воды в рубашке охлаждения и ее охлаждение, при этом охлаждается вихревая труба.
В других конструкциях вихревых труб охлаждение камеры энергетического разделения осуществляют хладагентом, что требует применения насоса для прокачки хладагента и является существенным недостатком таких труб. Для повышения эффективности охлаждения поверхность камеры развивают путем выполнения ее оребренной (например, SU1803680, 1993.03.23), снабжают пакетом кольцевых параллельных горизонтальных диафрагм, соосно установленных одна над другой и разделенных между собой кольцевыми шайбами (RU 2018772 С1, 1994.08.30) и т.п.
Недостатками известных конструкций, применяемых для охлаждения камеры энергетического разделения, являются их большие габариты, что нежелательно в ряде применений. Кроме того, использование известных средств охлаждения в ряде случаев оказывается неэффективным.
Настоящее изобретение основано на другом принципе охлаждения, поэтому в качестве ближайшего аналога может быть выбрана любая известная труба, поскольку каждая из них содержит камеру энергетического разделения с выводом холодного потока (например, А.Мартынов, В.Бродянский. «Что такое вихревая труба?». - М.: Энергия, 1976 г.).
Недостатком известной трубы является отсутствие простых, не обладающих большими габаритами средств эффективного охлаждения камеры энергетического разделения. В известных средствах охлаждается только часть камеры, находящаяся вблизи выхода холодного потока. Из-за больших габаритов известных средств теряется значительная доля холодного потока и его температура заметно повышается.
Кроме того, на выходе известной вихревой трубы холодный поток воздуха имеет высокую радиальную составляющую скорости. Из-за этого при канализации воздуха к узлу потребителя температура воздуха повышается, что приводит к снижению эффективности установки с вихревой трубой в целом.
Технический результат, получаемый при использовании изобретения, заключается в обеспечении эффективного охлаждения камеры энергетического разделения и, следовательно, интенсифицикации процесса температурного разделения воздуха в камере энергетического разделения с использованием малогабаритных средств.
Заявляемая вихревая труба и ее камера энергетического разделения имеют небольшие габариты и вес, что позволяет эффективно использовать ее в различных устройствах и системах промышленного назначения.
Кроме того, данная вихревая труба обеспечивает формирование холодного потока воздуха с минимальной радиальной скоростью, что повышает термодинамическую эффективность вихревой трубы, что важно в ряде применений, и снижает уровень шума.
Для достижения технического результата в вихревую трубу, содержащую камеру энергетического разделения с выводом холодного потока, введено установленное напротив вывода холодного потока средство для отражения холодного потока в направлении внешней поверхности камеры энергетического разделения и вдоль нее, при этом камера энергетического разделения с выводом холодного потока и средство для отражения холодного потока установлены с зазором в патрубке, один конец которого наглухо закреплен на камере энергетического разделения.
Отражатель целесообразно выполнить из материала с низкой теплопроводностью.
Целесообразно отражатель выполнить в виде плоской или изогнутой пластины.
Отражатель закреплен на камере энергетического разделения с помощью средств, допускающих распространение холодного потока в объем, ограниченный внешней поверхностью камеры энергетического разделения и внутренней поверхностью патрубка.
Отражатель можно закрепить на втулке.
Втулку можно закрепить на камере энергетического разделения на шпильках.
Допустимо также закрепить втулку на камере энергетического разделения на винтах.
Можно внутреннюю поверхность втулки и внешнюю поверхность камеры энергетического разделения выполнить с резьбой.
При этом втулку можно выполнить с каналами для прохождения потока воздуха, отраженного от отражателя.
Камеру энергетического разделения можно расположить в отверстии дна стакана, на котором закреплен одним концом патрубок.
Варианты выполнения вихревой трубы схематично изображен на прилагаемых фиг.1 и фиг.2.
Вихревая труба содержит камеру 1 энергетического разделения с выводом 2 холодного потока и отражатель 3, установленный напротив вывода 2 на расстоянии от него. Назначение отражателя 3 заключается в отражении холодного потока, выходящего из вывода 2, в направлении внешней поверхности камеры 1. Для снижения потерь на охлаждение отражателя 3 он выполнен из материала с низкой теплопроводностью, например из тефлона, фторопласта и т.п.
Геометрия отражателя 3 может быть любой, обеспечивающей отражение выходящего из вывода 2 потока воздуха в направлении внешней поверхности камеры 1, например, в виде обращенной к выводу 2 плоской пластины (фиг.2) или изогнутой осесимметричной пластины (фиг.1). Изогнутая пластина может представлять собой любую поверхность, в простейшем варианте - конусную.
Выбор той или иной геометрии отражателя 3 определяется особенностями применения вихревой трубы, в том числе желаемой температурой холодного воздуха, поступающего потребителю. Так, например, отражатель 3 в виде плоской пластины без применения специальных средств отражает падающий на него холодный поток в широком телесном угле, следствием чего является менее эффективное использование холодного потока для охлаждения внешней поверхности камеры 1. Отражатель 3 с конусной поверхностью, формирующий направленный поток, более эффективен для охлаждения камеры 1, но при этом повышается температура холодного потока, поступающего к потребителю.
Возможны различные способы крепления отражателя 3. Ниже приведены наиболее технологичные способы.
В изображенном на фиг.1 варианте отражатель 3 насажен на корпус вихревой трубы с помощью втулки 4, в стенке которой выполнены отверстия 5. Внешний диаметр отражателя 3 превосходит внешний диаметр втулки 4, благодаря чему отраженный от отражателя 3 холодный поток, проходя через отверстия 5, может распространяться вдоль внешней поверхности камеры 1.
В изображенном на фиг.2 варианте отражатель 3 закреплен на втулке 6, имеющей сложную конфигурацию: она имеет по длине участки с разной толщиной стенки. Один участок 7 имеет внутренний диаметр, допускающий насадку втулки 6 на камеру 1, а другой участок 8 имеет внутренний диаметр, превышающий внешний диаметр камеры 1, при этом каналы 9 для распространения отраженного от отражателя 3 холодного потока вдоль поверхности камеры 1 выполнены в виде продольных отверстий в стенке втулки 6 на участке 7. Втулка может быть выполнена заодно с отражателем 3.
Втулка 6 может быть закреплена на камере 1 с помощью винтов или шпилек 10.
Втулку 6 можно выполнить с резьбой на участке 7, при этом внешняя поверхность камеры 1 должна также иметь резьбу под втулку 6.
Камера 1 с выводом 2 холодного потока и отражатель 3 расположены внутри патрубка 11, один конец которого закреплен наглухо на камере 1, например, с помощью стакана 12 с отверстием в дне, а другой, выходной конец, подведен к трубопроводу 13 для канализации холодного воздуха к потребителю. Глухое крепление патрубка 11 на камере 1 с помощью стакана 12 позволяет весь поток воздуха с вывода 2 направить потребителю.
Втулка, на которой крепится отражатель 3, может иметь внутренний диаметр, превышающий внешний диаметр камеры 1, так что зазор между внешней поверхностью камеры 1 и внутренней поверхностью втулки образует канал для распространения отраженного от отражателя 3 холодного потока вдоль поверхности камеры 1 (не показан). В этом случае втулка может быть выполнена заодно с отражателем 3 и также должна крепиться на камере 1 с помощью средств (например, шпилек), допускающих распространение холодного потока в объем, ограниченный внешней поверхностью камеры 1 энергетического разделения и внутренней поверхностью патрубка 11.
Приведенные варианты выполнения отражателя 3 и его крепления не исчерпывают возможности использования других конструкций, позволяющих отражать выходящий из вывода 2 холодный поток воздуха в направлении внешней поверхности камеры 1 энергетического разделения вдоль нее. Отражатель 3 может быть закреплен на патрубке 11, однако этот вариант крепления является менее технологичным, нежели приведенные выше.
Вихревая труба работает следующим образом.
Холодный поток воздуха с температурой -15°С с давлением 4 атм выходит из вывода 2 и отражателем 3 направляется в объем, ограниченный внешней поверхностью камеры 1 и внутренней поверхностью патрубка 11, практически без отражения в объем камеры 1. Последнее обусловлено двумя факторами. Во-первых, тем, что давление в объеме, ограниченном внешней поверхностью камеры 1 и внутренней поверхностью патрубка 6, существенно ниже давления в камере 1 (~1 атм), и, во-вторых, тем, что отражатель 3 дополнительно выполняет функцию развихрителя турбулентного потока, выходящего из вывода 2.
Холодный воздух охлаждает камеру 1 и, отражаясь от дна стакана 12, направляется к выходному концу патрубка 11 и далее через трубопровод 13 - к потребителю.
Температура воздуха, выходящего из патрубка 11, повышается на ~5°C относительно воздуха, выходящего из вывода 2, а температура камеры 1 при этом снижается на ~25°C при достижении равновесного режима, т.е. для охлаждения камеры 1 энергетического разделения используется небольшая часть холодного потока. Таким образом, в трубе обеспечивается эффективное охлаждение камеры 1 без существенного повышения температуры воздуха, поступающего к потребителю.
Заявляемая вихревая труба позволяет также улучшить аэродинамические характеристики холодного потока воздуха, поступающего к потребителю, поскольку снижается турбулентность воздуха и, следовательно, нагрев трубопровода, подводящего воздух к потребителю.
Вихревая труба имеет малые габариты и для ряда применений (например, при использовании в салонах транспортных средств) не требует использования других устройств для эффективного охлаждения ее камеры энергетического разделения.