ВИХРЕВАЯ ТРУБА
VORTEX TUBE

Изобретение относится к области энергетики, преимущественно к устройствам, использующим вихревой эффект для преобразования потенциальной энергии сжатого газа в тепловую при разделении газа на холодный и горячий потоки в специальным образом сформированном винтовом (вихревом) сверхзвуковом течении.
Известна улитка для вихревой трубы (RU №2263857, публ. 10.11.2005 г.) [1]. Улитка выполнена из трубы с отогнутой наружу полосой, образованной двумя или тремя пересекающимися надрезами. Также известна улитка для вихревой трубы (RU №2219444, публ. 20.12.2003 г.) [2], в которой одновременно закручиваются два симметричных потока. Известна улитка для вихревой трубы (RU №2244885, публ. 20.01.2005 г.) [3], одна часть корпуса которой выполнена меньшей, чем другая часть. Известны различные конструкции тангенциальных сопловых вводов вихревой трубы (Ш.А. Пиралишвили и др. Вихревой эффект. Эксперимент, теория, технические решения. М.: УНПЦ «Энергомаш», 2000 г., [4], стр.18), которые выполнены в виде двух и более тангенциальных каналов. Сжатый газ, подаваемый на вход в сопловой ввод, проходит по тангенциальным каналам и далее поступает в цилиндрическую или коническую камеру энергоразделения вихревой трубы. В результате формируется вихревое течение газа.
Перечисленные конструктивные варианты соплового ввода вихревой трубы позволяют создавать дозвуковое винтовое (вихревое) течение газа. В промышленных условиях эксплуатации имеющийся перепад давления, как правило, превышает критический, что позволяет разгонять газ до сверхзвуковых скоростей. В таких условиях применение перечисленных сопловых вводов приводит к ухудшению энергетической эффективности вихревой трубы.
Известна вихревая труба (RU №2285870, публ. 20.10.2006 г.) [5]. Данная вихревая труба содержит улиткообразную камеру завихрения, на входе в которую установлено сверхзвуковое сопло. Это позволяет произвести увеличение скорости движения газа в вихревой трубе до сверхзвуковых величин. При этом повышается эффективность вихревой трубы. Однако применение улиткообразной камеры завихрения приводит к возникновению несимметричного течения вблизи соплового ввода. Также улиточный сопловой аппарат вводит газ в радиальном направлении (перпендикулярно к оси вихревой трубы). Газовый поток изменяет направление движения на осевое (вдоль оси вихревой трубы) уже за сопловым аппаратом, что приводит к увеличению потерь энергии и к падению эффективности вихревой трубы.
Наиболее близкой к предлагаемому изобретению является вихревая труба (RU №2370710, публ. 20.10.2009 г.) [6], в которой поворот газового потока (изменение направления движения с радиального на осевое) осуществляется при помощи дополнительного кольца, торец которого со стороны камеры энергетического разделения закруглен по радиусу окружности. Однако применяемое в данной вихревой трубе устройство соплового ввода является разновидностью тангенциальных сопловых вводов, поскольку выполнено в виде равномерно расположенных по кольцу диафрагмы плоских серповидных элементов, внутренняя или обе дуги которых размещены по касательной к соосной корпусу окружности. Серповидные элементы обладают высоким гидравлическим сопротивлением, а также их применение приводит к увеличению длины межлопаточного канала и, как следствие, к увеличению гидравлических потерь энергии в сопловом вводе, что не дает возможности в полной мере реализовать имеющийся перепад давления на вихревой трубе. Применение такого соплового ввода приводит к снижению энергетической эффективности вихревой трубы.
Задача предлагаемого технического решения заключается в увеличении энергетической эффективности вихревой трубы, работающей как в дозвуковом, так и в сверхзвуковом режимах (на докритическом и сверхкритическом перепадах давления). Для решения поставленной задачи в конструкцию вихревой трубы включен сопловой ввод, содержащий лопатки каплевидной формы, которые позволяют минимизировать гидравлические потери энергии газа в процессе формирования осевого винтового (вихревого) до- и сверхзвукового течения. Направляющие лопатки симметричны относительно оси, проходящей через кромку лопатки. Проточная часть соплового ввода, расположенная за направляющими лопатками, выполнена в виде поворота, ограниченного двумя поверхностями вращения, образующие которых представляют собой дуги.
Изобретение иллюстрируется рисунками, где на фиг. 1 изображена конструктивная схема заявленной вихревой трубы; на фиг. 2 - конструктивная схема соплового ввода, установленного в заявленной вихревой трубе; на фиг. 3 - схема регулируемого соплового ввода. Вихревая труба содержит сопловой ввод 1, коническую или цилиндрическую камеру энергоразделения 2, диффузор холодного потока 3 и дроссель для торможения горячего потока 4. Дроссель может содержать две и более пластины 5, предназначенные для остановки вращательного движения газа со стороны отвода горячего потока. Также дроссель может содержать в своей конструкции отверстие (сопло) 6 для ввода дополнительного потока G4 в камеру энергоразделения.
Вихревая труба имеет следующие конструктивные размеры: диаметр камеры энергоразделения D, угол конусности камеры энергоразделения а, который обычно находится в диапазоне 0-12°, диаметр диафрагмы d1, диаметр сопла ввода дополнительного потока d2.
Сопловой ввод состоит из направляющих лопаток 7, имеющих каплевидную форму, которая может быть образована, например, пересечением одной окружности радиусом R1 и двух окружностей радиусом R2. Количество направляющих лопаток может варьироваться, причем максимально возможное количество лопаток не ограничено. Направляющие лопатки могут быть выполнены заодно с корпусом соплового ввода 8 или в виде отдельных деталей. Корпус соплового ввода 8 выполнен таким образом, чтобы геометрия проточной части 9 позволяла выполнить поворот вводимого газового потока и, таким образом, перевести радиальную составляющую скорости движения газа в осевую, направленную вдоль камеры энергоразделения вихревой трубы.
Предлагаемая форма направляющих лопаток обладает низким гидравлическим сопротивлением (хорошо обтекаемая форма) и позволяет минимизировать длину межлопаточного канала 10. В результате обеспечивается минимизация гидравлических потерь, возникающих при движении газа в направляющем (лопаточном) аппарате и в сопловом вводе в целом.
Основные конструктивные размеры соплового ввода: диаметры D1 и D2 определяют размер выходного сечения соплового ввода; диаметр расположения кромок направляющих лопаток D3; диаметр расположения направляющих лопаток D4; начальная ширина соплового канала b; радиусы образующих направляющей лопатки R1 и R2; радиусы поворота соплового канала R3 и R4.
Крепление направляющих лопаток 7 к корпусу соплового ввода 8 может быть осуществлено при помощи штифтов 11, расположенных перпендикулярно к плоскостям прилегания лопаток 12 и обычно соосно с окружностью радиусом R1, которая является одной из образующих направляющей лопатки. В этом случае штифты 11 могут являться осью вращения для каждой из лопаток. При повороте каждой из лопаток относительно штифта 11 осуществляется изменение размера h, который определяет площадь проходного сечения соплового ввода и, следовательно, расход газа, протекающего через сопловой ввод. Поворачивать лопатки необходимо одновременно для того, чтобы выдерживать размеры h одинаковым для всех лопаток. Это позволяет получить равномерное винтовое (вихревое) течение. Минимальная величина размера h может достигать 0 мм, при этом пропускная способность соплового ввода будет близка к нулю. Механизм поворота направляющих лопаток относительно штифтов 11 может быть различным и на рисунках не представлен.
2
2
Принцип работы предлагаемой вихревой трубы заключается в следующем: сжатый газ подается на вход соплового аппарата 1 в виде потока G1. Пройдя через направляющий (лопаточный) аппарат 7 газ приобретает вращательную составляющую скорости. При этом полная скорость газа остается в дозвуковом диапазоне. В том случае, если перепад давления на вихревой трубе является сверхкритическим, переход на сверхзвуковой режим течения происходит в сопловом канале 9. Увеличение вращательной составляющей скорости движения газа осуществляется за счет уменьшения диаметра вращения от D3 до (D1+D2)/2. Продольная составляющая скорости увеличивается за счет увеличения площади проходного сечения соплового канала от (π·D3·b) до (π·(D2-D1)/4). В процессе течения газа по проточной части соплового ввода 9 осуществляется изменение направления его движения от радиального, сразу за направляющим аппаратом, до осевого на выходе из соплового ввода. Таким образом, сопловой аппарат позволяет создать сверхзвуковое вращательное движение газа, направленное вдоль оси симметрии камеры энергоразделения вихревой трубы, оптимальным образом и минимизировать гидравлические потери энергии.
Сформированный в сопловом вводе вращающийся поток газа подается в камеру энергоразделения вихревой трубы 2, в которой таким образом формируется винтовое (вихревое) течение. В результате вихревого эффекта центральная часть вихревого течения охлаждается, а периферийная нагревается. Нагретый газ отводится в виде горячего потока G2, а охлажденный газ в виде холодного потока G3. Ввод дополнительного потока G4 осуществляется через специальное сопло 6 с целью увеличения массового расхода горячего и холодного потоков вихревой трубы. При этом конструкция вихревой трубы может быть выполнена без сопла 6 для ввода дополнительного потока.