Вихревая труба

Полезная модель относится к области холодильной техники, работающей на использовании свойств расширяющегося газового потока, в частности на использовании свойств вращающегося газового потока в вихревых трубах, а именно, к конструкциям последних.
Известна вихревая труба Дж. Ранка с сопловым вводом, выполненным в виде размещенных в трубе между камерой энергоразделения и диффузором холодного потока отдельных сопел (патент США №1952281, опубл. 27.03.1934).
Суть вихревого эффекта заключается в разделении газа при закручивании в цилиндрической или конической камере на две фракции. На периферии образуется закрученный поток с большей температурой, а в центре - закрученный охлажденный поток.
Вихревая труба Дж. Ранка обладает следующими преимуществами:
- отсутствие необходимости в хладагентах и теплоносителях;
- простота конструкции, компактность;
- дешевизна изготовления, простота обслуживания и ремонта;
- отсутствие подвижных узлов и, как следствие, высокая надежность;
- высокая скорость выхода на рабочий режим;
- возможность осуществления нескольких процессов одновременно (охлаждение, нагрев, фазоотделение).
К общим недостаткам вихревой трубы Дж. Ранка следует отнести:
- относительно низкую энергетическую эффективность и удельную холодопроизводительность;
- необходимость использования мощного компрессора для получения низких температур.
Кроме того, первая вихревая труба, равно как и ее сопловый ввод, обладали крайне низкой технологичностью.
С момента создания Дж. Ранком первой вихревой трубы, целью большого количества технических решений были улучшение конструкции и минимизация вышеуказанных недостатков.
Наиболее близкой к заявляемой как по совокупности существенных признаков, так и по достигаемому техническому результату и выбранной в качестве прототипа является вихревая труба, содержащая патрубок с камерой энергоразделения, патрубок с диффузором холодного потока и установленную между ними кольцевую камеру подвода рабочего тела с размещенным в ней сопловым вводом, выполненным в виде цилиндрической шайбы с центральным каналом, одинакового в зоне прилегания с входом диффузора холодного потока диаметра, и с периферийными каналами на одной на торцевой поверхности, предназначенными для прилегания к торцевой стенке патрубка с диффузором холодного потока с возможностью подачи потока рабочего тела от кольцевой камеры к центральному каналу с закруткой относительно оси последнего («Вихревая труба Ранка-Хилша как перспективное устройство получения низких температур», Белоусов A.M., Исрафилов И.Х., Харчук С.И., Рис. 1, с. 2, Научный журнал НИУ ИТМО. Серия «Холодильная техника и кондиционирование» №2, от 2014 года).
В отличие от вышерассмотренного аналога как собственно вихревая труба, так и ее сопловый ввод выполнены в высшей степени технологично, могут быть изготовлены с помощью простейших операций как на универсальном, так и на специальном высокопроизводительном оборудовании. Кроме того, повышенная по сравнению с аналогом эффективность соплового ввода обеспечена оптимизацией профиля и увеличением числа каналов, подводящих с закруткой рабочее тело (например, воздух) через канал в камеру энергоразделения.
Недостатком прототипа, в том числе технической проблемой является его невысокую эффективность, обусловленную ограниченностью площадки - торца шайбы со стороны патрубка с диффузором холодного потока - для размещения достаточного для интенсивной закрутки подаваемого в камеру энергоразделения рабочего тела периферийных каналов сложного профиля.
Задача полезной модели - обеспечение возможности размещения большего, чем в прототипе, периферийных каналов сложного профиля для интенсификации закрутки рабочего тела на входе в камеру энергоразделения.
Техническим результатом является повышение эффективности работы вихревой трубы за счет интенсификации закрутки рабочего тела в сопловом вводе.
Заявленный технический результат достигается тем, что в вихревой трубе, содержащей патрубок с камерой энергоразделения, патрубок с диффузором холодного потока и установленную между ними кольцевую камеру подвода рабочего тела с размещенным в ней сопловым вводом, выполненным в виде цилиндрической шайбы с центральным каналом, одинакового в зоне прилегания с входом диффузора холодного потока диаметра, и с периферийными каналами на одной на торцевой поверхности, предназначенными для прилегания к торцевой стенке патрубка с диффузором холодного потока с возможностью подачи потока рабочего тела от кольцевой камеры к центральному каналу с закруткой относительно оси последнего, на другой торцевой поверхности цилиндрической шайбы выполнены дополнительные периферийные каналы, спаренные по окружности цилиндрической шайбы с основными и предназначенные для прилегания к торцевой стенке патрубка с камерой энергоразделения с возможностью подачи потока рабочего тела от кольцевой камеры к центральному каналу с закруткой относительно оси последнего в том же направлении, что и основными периферийными каналами, предназначенными для прилегания к торцевой стенке патрубка с диффузором холодного потока.
Полезная модель поясняется изображениями:
- на фиг. 1 изображена вихревая труба, общий вид, продольный разрез;
- на фиг. 2 - сопловой ввод, общий вид в изометрии;
- на фиг. 3 - сопловой ввод, вид спереди;
- на фиг. 4 - сопловой ввод, вид сбоку.
На фиг. 1 стрелками обозначены движения рабочего тела, а именно А - направление подачи рабочего тела, В - направление выхода горячего потока, С - направление выхода холодного потока.
Вихревая труба содержит патрубок 1 с камерой 2 энергоразделения, патрубок 3 с диффузором 4 холодного потока и установленную между ними кольцевую камеру 5 подвода рабочего тела (например, воздуха) с размещенным в ней сопловым вводом 6, выполненным в виде цилиндрической шайбы 7 с центральным каналом 8, одинакового в зоне прилегания с входом диффузора 4 холодного потока диаметра (d1=d2), и с основными периферийными каналами 9 на одной на торцевой поверхности 10, предназначенными для прилегания к торцевой стенке 11 патрубка 3 с диффузором 4 холодного потока с возможностью подачи потока рабочего тела от кольцевой камеры 5 к центральному каналу 8 с закруткой относительно оси последнего. На другой торцевой поверхности 12 цилиндрической шайбы 7 выполнены дополнительные периферийные каналы 13, спаренные по окружности цилиндрической шайбы 7 с основными 9 (см. фиг. 2 и фиг. 3) и предназначенные для прилегания к торцевой стенке 14 патрубка 1 с камерой 2 энергоразделения с возможностью подачи потока рабочего тела от кольцевой камеры 5 к центральному каналу 8 с закруткой относительно оси последнего в том же направлении, что и основными периферийными каналами 9. В камере 2 энергоразделения установлен развихритель 15 горячего потока.
Вихревая труба работает следующим образом.
Рабочее тело А (воздух) при помощи генератора (на чертежах не показан) подается под высоким давлением тангенциально в кольцевую камеру 5 через основные 9 и дополнительные 13 периферийные каналы соплового ввода 6, осуществляя интенсификацию закрутки рабочего тела. Расширяясь внутри трубы, воздух организует быстро вращающийся вихрь. При этом образуются периферийный поток, движущийся от соплового ввода 6 к развихрителю 15 и вращающийся по закону потенциального кругового потока (см. фиг. 1 - направление В), и приосевой поток, перемещающийся от развихрителя 15 обратно к сопловому вводу 6, вращающийся по закону квазитвердого тела и далее поступающий через центральный канал 8 в патрубок 3 (см. фиг. 1 - направление С).
Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного технического решения следующей совокупности условий:
- объект, воплощающий заявленное техническое решение, при его осуществлении предназначен для получения холода и может быть использован для охлаждения зоны резания при операциях токарной, фрезерной и др. обработок, и может найти применение в различных отраслях машиностроения;
- для заявленного объекта в том виде, как он охарактеризован в формуле полезной модели, подтверждена возможность его осуществления с помощью вышеописанных в заявке средств и методов;
- объект, воплощающий заявленное техническое решение, при его осуществлении способен обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата.
Следовательно, заявленный объект соответствует условий патентоспособности «новизна» и «промышленная применимость» по действующему законодательству.