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, а также к устройствам, использующим вихревой эффект для создания вакуума, и может быть применено в энергетике, химической промышленности, холодильной технике и других отраслях промышленности.
Вихревая труба в своем основном исходном варианте содержит корпус с камерой энергетического разделения, сопловой ввод потока газа, диафрагму, регулирующий вентиль и трубы для вывода холодного и горячего потока (см., например, А.В.Мартынов, В.М.Бродянский «Что такое вихревая труба». Изд. «Энергия», М., 1976 г., стр.6 и 7). Сопловой ввод является одним из основных узлов вихревой трубы и имеет целый ряд конструктивных решений, что связано с выбором наиболее оптимальных вариантов (см. указанный выше источник, стр.29-33).
Известны вихревые трубы с сопловым вводом, выполненным в виде спиральной улитки (см., например, патенты №2244885, опубл. - 10.11.2003 г.; №2232359, опубл. - 10.07.2004 г.; №2263857, опубл. - 10.11.2005 г.). Недостатком указанной конструкции соплового ввода является ограничение скорости выхода газового потока в камеру энергетического разделения скоростью звука в газе при рабочих условиях.
Известны конструкции, позволяющие организовать ввод газового потока в камеру энергетического разделения со сверхзвуковой скоростью (см., например, патент DE 3825155 Al, Int. Сl4 В04С 5/04, дата опубликования - 22.12.1988 г.). Данный сопловой ввод может быть отнесен к спиральному типу с геометрически сформированным на выходе сверхзвуковым соплом. К недостаткам следует отнести малую длину сохранения сверхзвуковой скорости потока в камере энергетического разделения из-за значительных гидравлических потерь при смене направления.
Представляются более перспективными многосопловые конструкции ввода газового потока в вихревую трубу, представленные также в цитируемой выше книге А.В.Мартынова (стр. также указаны выше). Недостаток этих конструкций состоит не только в ограничении скорости ввода газового потока скоростью звука, но и в значительных гидравлических потерях, связанных с соударением выходящих струй, что в свою очередь снижает эффективность работы собственно вихревой трубы.
Наиболее близким к настоящему изобретению может быть признан патент RU 2227878 «Способ вихревого энергоразделения потока и устройство, его реализующее», дата опубликования - 27.04.2004 г. Недостатки данной конструкции многосоплового ввода состоят в ограниченной скоростью звука скорости ввода газового потока в камеру энергетического разделения.
Техническая задача настоящего изобретения состоит в создании вихревой трубы с новым типом соплового ввода.
Технический результат состоит в увеличении эффективности работы вихревой трубы как в случае ее применения для разделения газового потока на два соответственно с низкой и высокой температурой, так и в случае ее применения в качестве вихревого вакуумного аппарата. Технический результат состоит также в увеличении времени пребывания газового потока в камере энергетического разделения в условиях сохранения сверхзвуковой скорости.
Для достижения указанного технического результата в вихревой трубе, содержащей соосные корпус с камерой энергетического разделения, приемную камеру с кольцевой диафрагмой, патрубком для вывода холодного потока и размещенным между диафрагмой и корпусом устройством соплового ввода, устройство соплового ввода выполнено в виде равномерно расположенных по кольцу диафрагмы плоских серповидных элементов, ограниченных дугами двух окружностей, причем внутренняя или обе дуги размещены по касательной к соосной корпусу окружности, на которой расположены острые концы серповидных элементов с диаметром, большим диаметра отверстия диафрагмы. Серповидные элементы выполнены заодно с диафрагмой за счет серповидных выборок в ее теле. Диафрагма в центральной части со стороны камеры энергетического разделения имеет утолщение, между диафрагмой и корпусом установлено дополнительное кольцо, торец кольца со стороны камеры энергетического разделения закруглен по радиусу окружности, центр которой в любом продольном сечении лежит на образующей соосного вихревой трубе цилиндра, диаметр которого равен диаметру окружности, на которой размещены заостренные концы серповидных элементов, причем утолщение имеет выборку по радиусу окружности, центр которой лежит на той же образующей, причем радиус выборки больше радиуса закругления. Серповидные элементы снабжены размещенными на окружности с диаметром, большим, чем диаметр окружности заостренных концов, отверстиями и размещенными на окружности с диаметром, большим, чем диаметр окружности отверстий, прорезями, в отверстиях и прорезях размещены штифты, соединенные соответственно с дополнительным кольцом и диафрагмой, причем диафрагма установлена с возможностью поворота.
Сущность настоящего изобретения состоит в следующем.
Равномерное размещение по кольцу диафрагмы плоских серповидных элементов формирует равномерное же размещение серповидных, сужающихся по направлению к оси вихревой трубы каналов для прохода газа. Данный признак отсутствует в современных конструктивных решениях вихревых труб. Плавное сужение каналов позволяет снизить их гидравлическое сопротивление, т.е. более полезно использовать энергетический запас входящего газа. Еще в большей степени полезному использованию энергетического запаса входящего газа способствует практическое исключение соударения при вводе газовых струй из каждого отдельного канала друг с другом.
Серповидные элементы в данной конструкции могут быть выполнены в виде отдельных элементов. Их закрепление на диафрагме или корпусе трубы может быть выполнено различными путями и, в частности, с помощью штифтов, заклепок и т.д. Важно лишь отметить, что их изготовление может быть реализовано на простом металлообрабатывающем оборудовании и не составляет сложности. Это же касается и исполнения серповидных элементов заодно с диафрагмой за счет серповидных выборок в ее теле. В качестве конструктивной особенности следует отметить, что плоские серповидные элементы ограничены дугами двух окружностей, причем внутренняя дуга или обе дуги размещены по касательной к сосной корпусу окружности, на которой размещены острые концы серповидных элементов. Диаметр данной окружности больше диаметра отверстия диафрагмы.
Однако, имея ряд преимуществ перед многосопловым вводом других известных конструкций, заявляемый в описанном варианте многосопловой ввод не способен реализовать ввод газового потока в вихревую трубу со сверхзвуковой скоростью. Ввод газового потока со сверхзвуковой скоростью возможен при определенных изменениях изложенного выше базового варианта.
При выполнении диафрагмы с утолщением со стороны камеры энергетического разделения в ее центральной части и установке дополнительного кольца между диафрагмой и корпусом при закруглении торца дополнительного кольца и снабжении утолщенной части диафрагмы выборкой по радиусу становится возможным не только достичь сверхзвуковой скорости, но и практически направить газовый поток в осевом направлении камеры энергетического разделения. В качестве конструктивных особенностей следует отметить, что закругление торца дополнительного кольца выполнено по радиусу окружности, центр которой в любом сечении лежит на образующей соосного вихревой трубе цилиндра, диаметр которого равен диаметру окружности, на которой размещены заостренные концы серповидных элементов. Выборка в утолщении диафрагмы выполнена также по радиусу окружности, центр которой лежит на той же образующей. При этом радиус выборки больше радиуса закругления.
Заявляемая конструкция при определенных признаках допускает возможность регулирования профиля серповидных каналов и изменения радиуса окружности, на которой расположены заостренные концы серповидных элементов. Данный вариант, как наиболее сложный, будет подробно изложен ниже при описании конструкции и ее работы.
Конструкция вихревой трубы по настоящему изобретению в ее наиболее сложном варианте схематично представлена на чертеже.
Вихревая труба содержит корпус 1 с камерой энергетического разделения 2. Соосно с корпусом размещена приемная камера 3 с кольцевой диафрагмой 4. Вихревая труба включает патрубок 5 для вывода холодного потока. Между диафрагмой 4 и корпусом 1 установлено устройство соплового входа. Последнее включает в себя равномерно расположенные по кольцу диафрагмы 4 плоские серповидные элементы 6 и дополнительное кольцо 7. Диафрагма 4 имеет утолщение 8 в центральной части. Торец 9 дополнительного кольца 7 закруглен по радиусу окружности, центр которой в любом продольном сечении лежит на образующей 10 соосного вихревой трубе цилиндра, диаметр которого равен диаметру окружности, на которой размещены заостренные концы 11 серповидных элементов 6. Утолщение 8 снабжено выборкой 12 по радиусу окружности, центр которой лежит на той же образующей 10. Радиус выборки 12 больше радиуса закругления торца 9. Серповидные элементы 6 имеют размещенные по окружностям отверстия 13 и прорези 14. Диаметр окружности, на которой размещены отверстия 13, больше диаметра окружности, на которой размещены заостренные концы серповидных элементов 6, а диаметр окружности, на которой выполнены прорези 14, больше диаметра окружности отверстий 13. В отверстиях 13 установлены штифты 15, одновременно входящие в тело дополнительного кольца 7. В прорезях 14 установлены штифты 16, одновременно входящие в тело диафрагмы 4. Диафрагма 4 установлена с возможностью поворота.
Работа собственно вихревой трубы по настоящему изобретению принципиально не отличается от работы известных вихревых труб (и в том случае, когда вихревая труба выполняет функции вихревого вакуумного аппарата). Отличия в работе вихревой трубы по настоящему изобретению обусловлены в полной мере особенностями работы новой конструкции соплового ввода.
Исходный газ поступает через приемную камеру 3, установленную соосно с корпусом 1 в устройство соплового ввода. Расположенная в корпусе 1 камера энергетического разделения 2 на приведенной схеме выполнена в конусообразном варианте. С широкой стороны камеры через специальные устройства известного типа камеру энергетического разделения 2 покидает горячий поток. Прошедший через отверстие в диафрагме 4 холодный поток покидает вихревую трубу через патрубок 5. Из приемной камеры 3 исходный сжатый газ поступает в серповидные каналы, расположенные между серповидными элементами 5. В серповидных каналах газ не только увеличивает скорость по направлению к выходу из канала, которая может достигать скорости звука в газе при данных условиях, но и претерпевает раскрутку, что совершенно необходимо для работы вихревой трубы. Собственно серповидный канал для прохода газа ограничен серповидными элементами 6, диафрагмой 4 и дополнительным кольцом 7. Подобная конструкция соплового ввода отличается той особенностью, что выходящие из серповидных каналов струи не претерпевают соударений между собой, которые характерны для известных многосопловых вводов. Это в значительной мере экономит энергетический запас струй, который далее используется для наращивания скорости газового потока.
Выходящий из серповидного канала газ далее попадает в канал, образованный закругленным торцом 9 дополнительного кольца 7 и выборкой 12 в утолщении 8 центральной части диафрагмы 4. Центр окружности закругления торца 9 дополнительного кольца 7 и выборки 12 лежит в любом продольном сечении на образующей 10 цилиндра, диаметр которого равен диаметру окружности, на которой размещены заостренные концы 11 серповидных элементов 6. В данном канале газ претерпевает расширение благодаря соответствующей геометрической конфигурации канала, т.е. канал, образованный таким образом диафрагмой 4 и дополнительным кольцом 7, выполняет функцию своеобразного диффузора. Уже это позволяет газу преодолеть скорость звука. Однако имеется и важный дополнительный фактор, способствующий значительному наращиванию скорости газового потока. Канал, образованный закругленным торцом 9 дополнительного кольца 7 и выборкой 12 в утолщении 8 центральной части диафрагмы 4, характерен изменением, а точнее уменьшением диаметра в направлении камеры энергетического разделения 2. Это приводит соответственно к уменьшению диаметра вихря и согласно законам механики к наращиванию скорости вращения. Следует отметить и еще одну важную особенность работы соплового ввода по настоящему изобретению. Из канала, образованного закругленным торцом 9 и выборкой 12, газ поступает в камеру энергетического разделения 2 имея направление вдоль оси вихревой трубы, т.е. поток газа не только раскручен до сверхзвуковой скорости, но и направлен в нужную сторону вдоль оси вихревой трубы. При этом газ сохраняет тот энергетический потенциал, который был бы затрачен и реально расходуется в известных вихревых трубах на изменение направления движения.
Работа соплового ввода новой конструкции отличается и возможностью определенного регулирования. При установке диафрагмы 4 с возможностью поворота в описанной выше конструкции имеет место следующее. При повороте диафрагмы 4 претерпевают поворот и серповидные элементы 6 вокруг оси, функцию которой выполняют штифты 15, установленные в отверстиях 13 серповидных элементов 6 и связанные с дополнительным и неподвижным кольцом 7. При повороте диафрагмы 4 на серповидные элементы воздействуют штифты 16, связанные с диафрагмой 4 и установленные в прорезях 14 серповидных элементов 4.
Собственно механизм поворота на чертеже не показан, но может быть выполнен в любом известном варианте.
Необходимо отметить и следующее. При повороте серповидных элементов 6 изменяется диаметр окружности, на которой размещены их заостренные концы 11. При конструировании вихревой трубы с поворотной диафрагмой за образующую 10 следует принимать ту образующую, которая соответствует цилиндру с минимальным диаметром при выбранном продольном размере прорези 14.
При реальном испытании вихревой трубы диаметром 53 мм в начале конусной части камеры энергетического разделения при диаметре отверстия диафрагмы 32 мм и применении многосоплового ввода по настоящему изобретению энтальпийный коэффициент полезного действия вихревой трубы при доле холодного потока 0,6 составил 0,41. При испытаниях той же вихревой трубы с известной конструкцией многосоплового ввода энтальпийный коэффициент полезного действия вихревой трубы при той же доле холодного потока 0,6 составил 0,32.