Вихревая труба в.и.метенина. Вихревые трубы

Эффект Ранка | Perpetuum mobile: «свободная энергия» и вечные двигатели.

Устройства на эффекте Ранка

Эффект Ранка с самого начала привлекал изобретателей кажущейся простотой технической реализации — в самом деле, простейшая реализация вихревой трубы представляет собой кусок трубы самый обычной, куда с одной стороны внутрь тангенциально подаётся исходный поток, а на противополжном торце установлена кольцевая диафрагма, и из её внутреннего отверстия выходит охлаждённая часть потока, а из щели между внешним краем диафрагмы и внутренней поверхностью трубы — его горячая часть. Однако на самом деле не всё так просто — добиться эффективного разделения удаётся далеко не всегда, да и КПД таких установок обычно заметно уступает широко распространённым компрессорным тепловым насосам. Кроме того, обычно параметры установки на эффекте Ранка рассчитаны для конкретной мощности, определяемой скоростью и расходом вещества исходного потока, и когда параметры входного потока отклоняются от оптимальных значений, КПД вихревой трубы существенно ухудшается. Тем не менее следует заметить, что возможности некоторых установок на эффекте Ранка внушают уважение — например, рекордное охлаждение, которого удалось достигнуть на одной ступени, составляет более 200°С!

Впрочем, с учётом нашего климата, гораздо больший интерес представляет использование эффекта Ранка для обогрева, да при этом ещё хотелось бы и не выходить за рамки «подручных средств».

Суть эффекта Ранка Современное объяснение эффекта Ранка Другие объяснения эффекта РанкаКлассические схемы вихревых труб на эффекте РанкаВихревые обогревательные установки

Суть эффекта Ранка

При движении потока газа или жидкости по плавно поворачивающей поверхности трубы у её внешней стенки образуется область повышенного давления и температуры, а у внутренней (либо в центре полости, если газ закручен по поверхности цилиндрического сосуда) — область пониженной температуры и давления. Это достаточно хорошо известное явление называется эффектом Ранка по имени открывшего его в 1931 г. французского инженера Жозефа Ранка (G.J.Ranque, иногда пишут «Ранке»), или эффектом Ранка-Хилша (немец Robert Hilsh продолжил исследование этого эффекта во второй половине 1940-х годов и улучшил эффективность вихревой трубы Ранка). Конструкции, использующие эффект Ранка, представляют собой разновидность теплового насоса, энергия для функционирования которого берётся от нагнетателя, создающего поток рабочего тела на входе трубы.

Парадоксальность эффекта Ранка заключается в том, что центробежные силы во вращающемся потоке направлены наружу. Как известно, более тёплые слои газа или жидкости имеют меньшую плотность и должны подниматься вверх, а в случае цетробежных сил — стремиться к центру, более холодные имеют большую плотность и, соответственно, должны стремиться к периферии. Между тем при большой скорости вращающегося потока всё происходит с точностью до наоборот!

Эффект Ранка проявляется как для потока газа, так и для потока жидкости, которая, как известно, является практически несжимаемой и потому фактор адиабатического сжатия / расширения к ней неприменим. Тем не менее, в случае жидкости эффект Ранка обычно выражен значительно слабее — возможно, именно по этой причине, да и очень малая длина свободного пробега частиц затрудняет его проявление. Но это верно, если оставаться в рамках традиционной молекулярно-кинетической теории, а у эффекта могут быть и совсем другие причины.

На мой взгляд, на данный момент наиболее полное и достоверное научное описание эффекта Ранка представлено в статье А.Ф.Гуцола (в формате pdf). Как ни удивительно, в своей основе его выводы о сути явления совпадают с полученными нами «на пальцах». К сожалению, он оставляет без внимания первый фактор (адиабатическое сжатие газа у внешнего радиуса и расширение у внутреннего), который, на мой взгляд, весьма существенен при использовании сжимаемых газов, правда, действует он только внутри устройства. А второй фактор А.Ф.Гуцол называет «разделением быстрых и медленных микрообъёмов».

Современное объяснение эффекта Ранка

В настоящее время наиболее общепризнанным объяснением эффекта Ранка является следующее.

Известно, что если измерять температуру движущегося (скажем, в трубе) потока двумя термометрами, то они покажут разную температуру, если один из них неподвижен относительно потока (т.е. перемещается вместе с ним), а другой вмонтирован в трубу. При этом температура, измеренная вмонтированным в трубу термометром будет связана с температурой, измеренной термометром, движущимся вместе с потоком, следующим образом:

T0 = T + v2 / (2 · cp) (1),

где T0 — температура, измеренная вмонтированным в трубу термометром, «температура торможения»; T — «собственная» температура потока, измеренная термометром, движущимся вместе с ним, «статическая температура»; v — скорость движения потока по трубе; cp — удельная теплоёмкость вещества потока.

Таким образом, мы видим, что температура торможения, измеряемая неподвижным термометром, при одной и той же собственной статической температуре этого потока будет зависеть от его скорости. Если относительно такого термометра остановить весь газ, то вся его температура поднимется до этого значения — кинетическая энергия преобразуется в тепловую. Именно это явление вызывает нагрев передних кромок крыла у скоростных самолётов (прежде всего сверхзвуковых), а также сгорание в атмосфере метеоритов и отработавших свой срок космических летательных аппаратов.

Предполагается, что возле выходного отверстия диафрагмы угловые скорости и холодного и горячего потоков равны, то есть весь вихрь вращается как единое твёрдое тело («квазитвёрдый» вихрь). В таких условиях на разных радиусах вихревой трубы газ имеет различную линейную скорость, соответственно он имеет и различную термодинамическую температуру. Благодаря эффективному турбулентному перемешиванию внутри вихревой трубки, эти температуры стремятся выровняться, из-за чего и происходит перераспределение собственных («термостатических») температур различных частей потока газа, которое становится явным, когда газ выходит из вихревой трубы.

К сожалению, это объяснение нельзя признать удовлетворительным. Во-первых, оно является «чисто математическим», и если пытаться наполнить его физической сутью, то мы приходим к тому же «разделению быстрых и медленных микрообъёмов». Во-вторых, не совсем понятно, с какой стати именно температура торможения во всём сечении вихревой трубы априори принимается одинаковой? А приняв в качестве основной гипотезу обмена энергией между различными частями потока, мы должны придти к обратному распределению температур. В самом деле, внешние слои имеют наибольшую линейную скорость и, следовательно, наибольшую температуру торможения. Следовательно, энергия от них должна перетекать к медленно движущимся центральным слоям, повышая их собственную температуру. Таким образом, из середины должен выходить горячий газ, а из периферийной щели — холодный, что прямо противоречит наблюдаемым фактам. Поэтому утверждается, что быстро движущийся на периферии газ, попадая в результате турбулентного движения в центр, там тормозится и теряет свою кинетическую энергию. Но опять же, куда может деться эта энергия? Только в тепло, а значит, опять-таки, в середине температура должна расти. Наконец, есть данные, что вихрь внутри трубы Ранка отнюдь не квазитвёрдый, и более того, его центральная часть может вращаться в противоположную сторону, а в таком случае вся эта теория вообще не соответствует практике. В общем, прежде чем строить теории, необходимы практические измерения хотя бы скоростей и направлений вращения на разных радиусах и на разных расстояниях от диафрагмы.

Другие объяснения эффекта Ранка

Как ни странно, объяснить эффект Ранка можно и с помощью более простых механистических подходов к идеальному газу, изложенных при рассмотрении поворота потока идеального газа.

Если в таких механистических объяснениях есть зерно истины, то для оптимизации устройств на эффекте Ранка будут эффективны следующие советы.

Для наиболее эффективного разделения следует всячески предотвращать возникновение турбулентностей, перемешивающих уже разделённые слои. Отсюда следуют требования к гладкости внутренних поверхностей устройства и необходимость ламинарности входного потока.
Рабочий поток не должен делать слишком много оборотов: практически всё разделение происходит на первых витках, и дальнейшее движение будет лишь приводить к ненужным потерям на трение и увеличивать аэро/гидродинамическое сопротивление, затрудняя работу нагнетателя. Однако, чем выше плотность потока, тем труднее будет идти разделение и тем больше оборотов надо будет сделать.
В наибольшей степени эффект Ранка должен проявляться для разреженного газа, свойства которого близки к свойствам идеального газа. При возрастании плотности газа и тем более при использовании жидкостей сокращение свободного пробега частиц и повышение вязкости среды становится существенным фактором, наряду с турбулентностью ухудшающим температурное разделение исходного потока.

Оптимальная скорость потока должна быть соизмерима со скоростью теплового движения его частиц (как известно, в газах эта скорость близка к скорости звука). Слишком высокая скорость приведёт к тому, что все частицы будут отбрасываться к внешней стенке, и у внутренней стенки образуется бесполезная область вакуума, а слишком низкая ухудшит разделение частиц по их скоростям. Впрочем, в реальности энергозатраты на разгон потока до скорости звука могут оказаться менее выгодными, чем для получения того же количества тепла/холода при меньшей скорости, но большем расходе потока.

Есть и другие варианты.

Вот ещё одно заслуживающее внимание объяснение эффекта Ранка от Г.В.Трещалова, правда, оно построено на предположении максвелловского распределения молекул по скоростям в рамках молекулярно-кинетической теории газов.

А вот статья Ю.Оганесяна, в которой, среди прочего, рассмотрена и работа вихревой трубы. Она основывается на взаимодействии слоёв среды. Существование подобных слоёв маловероятно в рамках молекулярно-кинетической теории, зато неизбежно в теории глобулярной организации вещества.

Классические схемы вихревых труб на эффекте Ранка

Классическими устройствами, использующими эффект Ранка, являются вихревые трубы, которые строят по двум основным схемам: прямоточной и противоточной.

Классические схемы прямоточной (а) и противоточной (б) вихревых труб на эффекте Ранка. 1 — гладкая цилиндрическая труба, 2 — вход газа (завихритель тангециального или улиточного типа), 3 — дроссель, 4 — выход горячего газа через кольцевую щель, 5 — диафрагма для выхода холодного газа. Источник: А.Ф.Гуцол. «Эффект Ранка» (pdf).

Основное назначение таких вихревых труб — производство холода, и обычно более эффективной для этих целей считается противоточная схема. Кстати, размеры их совсем невелики — например, А.Ф.Гуцол в качестве оптимальных приводит следующие значения: внутренний диаметр трубы (калибр) D = 94 мм, длина трубы L = 520 мм, отверстие диафрагмы для выхода холодного воздуха d = 35 мм, вход воздуха через два сопла, каждое из которых имеет диаметр 25 мм. Однако оптимальная скорость воздушного потока на входе совсем не маленькая — 0.4 .. 0.5 М (т.е. 40–50% скорости звука). По этой причине из-за практически неизбежных при таких скоростях мощных турбулентностей устройство оказывается очень шумным, да и о «подручных средствах» (вроде бытового вентилятора в качестве источника потока воздуха) можно забыть. Характерно, что как при сильном уменьшении скорости входного потока, так и при её приближении к скорости звука, эффективность вихревой трубы стремится к нулю. Уменьшение геометрических размеров относительно оптимальных (особенно при D < 33 мм) также заметно снижает КПД, а вот их увеличение на КПД практически не сказывается. Очевидно, это связано с физическими характеристиками воздуха — слишком малые размеры не могут предотвратить интенсивное перемешивание разделённых было слоёв воздуха и, вероятно, делают слишком заметным влияние эффектов, возникающих на границе между стремительно движущимся воздухом и неподвижными стенками устройства.

Следует отметить, что в большинстве случаев конструкторы вихревых труб не уделяют большого внимания ламинарности потоков как на входе, так и внутри установки, а некоторые из них, в силу отсутствия общепризнаной теории этого явления, наоборот, уверены, что увеличение турбулентности будет способствовать повышению эффективности процесса. Тем не менее, я считаю, что уделив серьёзное внимание повышению ламинарности потока рабочего тела, можно снизить шумность и повысить эффективность работы. Если верны предположения Ю.Оганесяна, то входной поток также должен быть как можно более ламинарным.

Вихревые обогревательные установки

Безусловно, попытки использовать эффект Ранка не только для охлаждения, но и для обогрева препринимались неоднократно. Более того, некоторые образцы производятся серийно, в том числе и в нашей стране.

Как ни странно, наиболее широко распространены жидкостные конструкции на эффекте Ранка. Очевидно, это объясняется большей энергоёмкостью теплоносителя и меньшей шумностью их работы по сравнению с газовыми, обусловленной меньшими скоростями рабочего тела. Наиболее известной установкой этого класса является ЮСМАР. К сожалению, следует отметить, что практически все они предназначены для промышленного или полупромышленного применения, о чём свидетельствует хотя бы потребляемая мощность, которая обычно составляет несколько киловатт у «младших» моделей и достигает десятков киловатт у «старших». Заявленный производителем КПД (т.е. соотношение полученного тепла к затраченной электроэнергии) для разных типов установок составляет от 1.2 до 2.4, причём как именно он измерялся — в большинстве случаев неизвестно. Следует заметить, что для компрессорных тепловых насосов (скажем, холодильников и кондиционеров) обычно характерно соотношение перекачанного тепла к затраченной электрической энергии в диапазоне от 2 до 3.

В то же время в Интернете существует и много отрицательных отзывов и сообщений об испытаниях, где говорится, что КПД вихревых установок меньше 100% и выход тепла не превышает затраченной электроэнергии. Следует отметить, что здесь принципиально важен сам подход к таким установкам. Если рассматривать их как разновидность «вечного двигателя» со сверхъединичным КПД, то такую установку следует поставить целиком в одно помещение и мерить температуру всей системы в целом — она должна давать тепла больше, чем было потрачено электричества. Если же рассматривать их как тепловой насос, то необходимо разделять зоны отбора и отдачи тепла и оценивать именно эффективность его перекачки — ведь если пытаться оценить эффективность, скажем, обычного холодильника, меряя температуру в кухне, где он стоит, то это будет очевидной глупостью.

Наконец, позволю себе заметить, что возможно, некоторые подобные конструкции, внешне воспринимаемые как вихревые, на самом деле используют совсем другие принципы, а вращение или вихревое движение в них являются важными, но вспомогательными средствами. Ярким примером такого устройства, по моему убеждению, является двигатель Клема. ♦

khd2.narod.ru

Вихревая труба в.и.метенина

В вихревой трубе, имеющей камеру (4) энергоразделения газа, теплообменник-регенератор (14), струйные эжекторы (20), аксиальную сопловую решетку (17), диафрагму (5) с осевым диффузором (6), размещен аксиальный пневмомеханический генератор (7) поличастотных звуковых колебаний, примыкающий к осевому диффузору (6). В вихревой трубе также может быть установлен еще один дополнительный аксиальный пневмомеханический генератор (16) поличастотных звуковых колебаний и внешний патрубок (18) для отвода холодного потока от камеры (II) холода к телообменнику-регенератору (14). Генератор 16 является одновременно дросселем. Использование изобретения позволит повысить КПД вихревой трубы за счет утилизации теплоты холодного потока в теплообменнике-регенераторе (14) и за счет повышения эффективности процесса энергоразделения газа. 2 з.п.ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к холодильной технике и предназначено для эффективного использования вихревого эффекта в вихревых трубах. Они достаточно экономичны, не имеют вращающихся частей и поэтому при длительной эксплуатации надежны, мобильны и имеют по сравнению с применяемыми турбодетандерами практически неорганический ресурс работы. Ввиду этих преимуществ предлагаемые вихревые трубы найдут применение в криогенной технике для сжижения газов, ракетной технике и пригодны в космической технике.

Известна "Вихревая труба В.И. Метенина" (прототип) [1]. В вихревой трубе сжатый газ подается в многосопловый ввод, где расширяется и получает закрутку. Далее закрученный поток попадает в коническую вихревую камеру энергоразделения, где происходит процесс энергетического разделения газа с образованием двух потоков, из которых один, перемещающийся по периферии и имеющий более высокие температуру и давление, выходит через лопаточный диффузор (нерециркулирующая часть) в кольцевой патрубок и далее в эжектор. Другая периферийная часть завихренного потока (рециркулирущая часть) поступает в кольцевую щель на периферии тела аэродинамической сопловой решетки и далее в теплообменник - регенератор с оребренной внутренней и наружной поверхностями теплообмена. Вращаясь, он омывает внутренние ребра поверхности теплообмена и через золотниковый клапан и транспортную зону поступает в центральную часть аэродинамической сопловой решетки. Проходя решетку с цилиндрическими соплами газ разбивается на мелкие струи и энергично вздувается в приосевую полость камеры энергоразделения. Для того, чтобы упорядочить переток охлажденного рециркулирующего газа в выходной части теплообменника-регенератора установлен золотниковый клапан с возможностью осевого перемещения и регулировки перетока оптимального количества рециркулирующего газа. Охлажденный в теплообменнике-регенераторе газ перемещается в приосевой области камеры энергоразделения от аэродинамической сопловой решетки к диафрагме и, дополнительно охладившись, выходит через отверстие в диафрагме в осевой и щелевой диффузоры и далее к потребителю. В качестве активного газа эжектора служит периферийный горячий поток, выходящий из лопаточного диффузора (нерециркулирующая часть горячего потока). Пассивным потоком эжектора (охлаждающей средой теплообменника-регенератора) является атмосферный воздух, просасываемый через теплообменник-регенератор эжектором, работающим от нерециркулирующей части горячего потока вихревой трубы. В рассматриваемой вихревой трубе недостаточно полно используется потенциальная энергия холодного потока газа и потенциальная энергия рециркулирующего горячего потока и поэтому она нуждается в конструктивных и технологических изменениях и дополнениях. Целью изобретения является расширение области рационального применения вихревых труб путем частичного превращения потенциальной энергии холодного и рециркулирующего горячего потоков газа в энергию звуковых и ультразвуковых колебаний, т.е. в непрерывно действующие механические импульсы, распространяющиеся по газовым каналам и дополнительно создающие вихри по всему объему энергоразделения и таким образом повышающие эффективность процесса энергоразделения газа, и следовательно, КПД вихревой трубы, а также КПД трубы путем утилизации теплоты холодного потока в теплообменнике-регенераторе. Это достигается тем, что вихревая труба дополнительно содержит аксиально расположенный пневмомеханический генератор поличастотных звуковых и ультразвуковых колебаний, работающих от холодного потока, причем его рабочая поверхность обращена к осевому диффузору и диафрагме холодного потока, а также пневмомеханический генератор звуковых и ультразвуковых колебаний, являющийся одновременно дросселем рециркулирующего горячего потока, рабочая поверхность которого обращена к аксиально сопловой решетке, и внешний патрубок для отвода оптимального количества холодного потока в теплообменник-регенератор для регенерации тепла. На фиг. 1 изображена вихревая труба, продольный разрез; на фиг. 2 разрез А-А на фиг. 1; на фиг. 3 разрез Б-Б на фиг. 1. Вихревая труба имеет кольцевой ресивер 1, с одной стороны которого вставлен тангенциальный сопловой аппарат 2. Крышкой 3 сопловой аппарат прижимается к камере энергетического разделения газа 4, закрепленной в корпусе ресивера. В центральной части крышки располагается диафрагма 5 с осевым диффузором 6. На выходе диффузора установлен пневмомеханический генератор поличастотных звуковых и ультразвуковых колебаний 7, состоящий из конфузорного сопла 8, резонанс-камеры 9 и резонатора 10. Резонатор с целью регулирования одним концом закреплен в задней стенке холодного ресивера (камере холода) 11. На горячей стороне камеры энергоразделения к корпусу трубы 12 крепится противоточный теплообменник-регенератор 14 с кожухом 15. В центральной части теплообменника-регенератора на входе рециркулирующего горячего потока смонтирован пневмомеханический генератор звуковых и ультразвуковых колебаний 16, с противоположной стороны которого, т.е. в конце транспортной зоны, крепится аксиальная сопловая решетка 17. Камера холода соединяется с внешним контуром теплообменника-регенератора патрубком 18, в котором находится диафрагма 19 для измерения расхода газа, идущего на рециркуляцию в теплообменник-регенератор. Холодный поток из теплообменника-регенератора отсасывается четырьмя струнными эжекторами 20 и выдается в атмосферу. При эксплуатации и исследованиях величины массы рециркулирующего холодного потока изменяются сбросом некоторого ее количества к потребителю холодного газа или в атмосферу при помощи вентиля 21. К корпусу вихревой трубы крепятся эжекторы и хромель-копелевые термопары 22 и 23 типа Т-49-5 для измерения температур горячего и рециркулирующего холодного потоков газа. Проточные части эжекторов находятся внутри корпусов глушителей шума 24. Рабочий процесс вихревой трубы осуществляется следующим образом. Сжатый газ из сети поступает в ресивер вихревой трубы, где замеряются его параметры состояния, а затем в тангенциальный многосопловый аппарат, где он расширяется, ускоряется и получает закрутку. По мере дальнейшего движения закрученного потока в вихревой камере энергоразделения происходит процесс энергоразделения газа с образованием двух потоков, из которых один, перемещающийся по периферии камеры и имеющий более высокую температуру и несколько большее давление, выходит в кольцевой ресивер и далее в сопла четырех струйных эжекторов. Другая периферийная часть завихренного горячего потока (рециркулирующая часть) поступает в кольцевую щель на периферии аксиальной сопловой решетки и далее в эффективный теплообменник-регенератор, представляющий собой цилиндрическую трубу с непрерывными спиральными оребрениями как внешней, так и внутренней поверхностей теплообмена. Оребрения представляют собой восемнадцатизаходные прямоугольные ленточные резьбы с большими одинаковыми шагами. Причем ребра составляют одно целое со стенкой трубы. Он омывается горячим и холодным потоками при давлениях меньше давления P1. При высоких значениях P1 указанные потоки вихревой трубы поступают в него практически при критическом давлении. Рециркулирующий горячий поток, вращаясь с высокими окружной и осевой составляющими скорости, омывает внутренние ребра поверхности теплообмена, охлаждается, тормозится и через аксиальный пневмомеханический генератор поличастотных звуковых и ультразвуковых колебаний, состоящий из конфузорного сопла, резонанс-камеры и резонатора, поступает в транспортную зону, отделенную от поверхности теплообмена кольцевым слоем теплоизоляционного материала. Из транспортной зоны газ поступает в аксиальную сопловую решетку, микросопла которой расположены параллельно продольной оси камеры энергоразделения. Проходя решетку с цилиндрическими микросоплами, газ разбивается на мелкие струи, ускоряется и энергично вдувается в приосевую полость вихревой камеры энергоразделения, интенсифицируя в ней турбулентность, способствующую повышению эффективности процесса энергоразделения. Опыты показывают, что с уменьшением диаметров сопл аксиальной и тангенциальной сопловых решеток эффект процесса энергоразделения газа в камере улучшается. Это, по-видимому, объясняется тем, что при этом изменяются звуковые колебания, т.е. изменяется частота звука, когда амплитуды смещения частиц и амплитуды их скорости относительно невелики, но чрезвычайно велики амплитуды ускорений, при которых амплитуда давлений значительно возрастает. Коническая камера энергоразделения работает по двум совмещенным принципам работы отдельных вихревых устройств: противоточного вихревого эжектора и конической противоточной вихревой камеры энергоразделения с аксиальной и тангенциальной сопловыми решетками. Ее оптимальный режим работы зависит от большого количества факторов и определяется опытным путем. Вихревой эжекционный эффект, создаваемый горячим концом конической камеры энергоразделения, увеличивает степень расширения газа вихревой трубы и скорости истечения его из осесимметричных микросопл тангенциальной и аксиальной решеток. Они дробят и ускоряют газовые потоки. Вследствие этого увеличивается турбулизация газа в камере энергоразделения и как следствие этого улучшаются характеристики вихревой трубы. Опыты показывают, что без аксиальной сопловой решетки эффективность процесса энергоразделения резко ухудшается. При большом числе микросопл в тангенциальной и аксиальной сопловых решетках, являющихся независимыми генераторами звуковых волн, а также волн, исходящих от пневмомеханических генераторов звука, никакого влияния одной волны на распространение другой не происходит. Каждая частица среды, находящаяся путем волн, совершает колебания с периодом этой волны. Если эта частица находятся на пути нескольких волн, то, как известно, она одновременно участвует в колебаниях всех волн, т.е. ее движение представляет собой сумму колебаний всех волн. Таким образом, наложение большого числа волн есть сложение их колебаний в каждой точке среды, через которую все эти волны, включая отраженные, проходят, т.е. происходит то, что называется интерференцией волн. В результате интерференции звуковых волн они слагаются и дают результирующие колебательные движения с наибольшими возможными амплитудами частиц газа. При этом в результате интерференционного усиления плотности звуковой энергии в разных точках камеры энергоразделения возрастают и будут максимальными. Предлагаемая конструкция вихревой трубы представляют собой устройство, в котором поличастотная звуковая энергия, создаваемая микросоплами тангенциальной и аксиальной сопловыми решетками, пневмомеханическими регераторами звуковых колебаний и другими элементами трубы, сепарируется в камере в тепло газовых потоков разных температур уровней, выходящих из разных мест вихревой трубы.

Формула изобретения

1. Вихревая труба, содержащая коническую камеру энергетического разделения газа с сопловым тангенциальным вводом сжатого газа, диафрагму с осевым и щелевым диффузорами для вывода холодного потока, лопаточный диффузор для вывода горячего потока и установленную за ним аксиальную сопловую решетку, перекрывающую сечение горячего конца вихревой камеры энергоразделения, теплообменник-регенератор, примыкающий к горячему торцу вихревой камеры энергоразделения, внутренняя поверхность теплообмена которого является продолжением периферийной части камеры и расположена с возможностью обеспечения ее омывания рециркулирующей частью горячего потока, эжектор, установленный с возможностью обеспечения его работы от нерециркулирующей части горячего потока, для охлаждения теплообменника-регенератора охлаждающей средой, золотник, установленный на выходе из теплообменника регенератора для обеспечения возможности дозирования подачи в камеру рециркулирующей части горячего потока, отличающаяся тем, что труба дополнительно снабжена аксиальным пневмомеханическим генератором поличастотных звуковых колебаний, примыкающим к осевому диффузору и работающим от холодного потока, причем резонатор генератора установлен с возможностью осевого перемещения, а его рабочая поверхность обращена к осевому диффузору и диафрагме холодного потока газа. 2. Труба по п. 1, отличающаяся тем, что она снабжена дополнительным аксиальным пневмомеханическим генератором поличастотных звуковых колебаний, являющимся одновременно дросселем рециркулирующего горячего потока, причем резонатор генератора установлен с возможностью осевого перемещения, а его рабочая поверхность обращена к аксиальной сопловой решетке. 3. Труба по пп. 1 и 2, отличающаяся тем, что для отвода оптимального количества холодного потока от камеры холода к теплообменнику-регенератору она снабжена внешним патрубком.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3

www.findpatent.ru

Вихревые приборы « Попаданцев.нет

Традиционная область технологий, с которыми имеет дело попаданец, обычно ограничивается этаким продвинутым «паропанком». То есть в силу присущих эпохе попадания ограничений по сложности, трудоемкости, дороговизне или недоступности сырья для него считаются реальными только относительно простые и грубоватые устройства и вещества, которые можно изготовить по памяти в полукустарных условиях, без наличия выскоточных и редких инструментов, да к тому же обладая относительно невысокой квалификацией.

В реальной истории этому уровню соответствует где-то начало-середина XIX века. Все, что появилось позже, для попаданца табу и «рояль».Но оказывается, существуют малоизвестные широкой публике явления и технологии, которые были открыты или разработаны совсем недавно, уже в индустриальную эпоху, но отличаются простотой и вышеописанных ограничений не имеют. Такое «отложенное» открытие часто не случайно — несмотря на простоту, для своего открытия подобные вещи требуют в виде предпосылок либо существования продвинутых технологий, либо высокоразвитой науки, являясь, так сказать, «побочным продуктом» развития цивилизации. Возьмем вот водоструйный насос. Штука вроде бы простая до упора, но чтобы додуматься до принципа и получить эффективное устройство, нужно действовать целенаправленно, в соответствии с некой теоритической базой.Именно это сочетание простоты и исчезающе малой вероятности, что для чего-то подобного додумаются аборигены, делает такие технологии для попаданца очень лакомым кусочком.

Вихревой эффект — как раз таки одно из таких недавно открытых и довольно-таки загадочных явлений. Теоретический аппарат, объясняющий это явление, так до конца и не разработан, но это не мешает с успехом его использовать. Причем именно уникальное сочетанием свойств — крайней простоты, дешевизны, технологичности, стопроцентной надежности и полного отсутствия требований к обслуживанию — часто обеспечивает выбор в пользу вихревых устройств даже при наличии гораздо более эффективной, но более дорогой и капризной альтернативы.

vihr1 Суть явления одновременно очень проста и удивительна. При создании в открытой с двух сторон трубе с помощью тангенциального ввода потока сжатого газа 1 сильного кругового движения (вихря), происходит его разделение на два противоположных по направлению потока, один из которых(внутренний приосевой 2) относительно входного потока охлажден, а другой(внешний 3) нагрет. То есть такая труба начинает одновременно работать с одного конца холодильником, а с другого — нагревателем!

Вихревой эффект был открыт абсолютно случайно в 1931 году французским инженером Жозефом Ранком при опытах с промышленными циклонами. Он же разработал конструкцию вихревой трубы и взял первый патент. Несмотря на то, что труба реально работала, французские академики научное сообщение Ранка чуть ли не высмеяли. Очень уж эта штука напоминала пресловутую научную байку — так называемого «демона Максвелла», который обладает волшебным свойством разделять быстро и медленно двигающиеся молекулы.

Лишь после Второй Мировой, в 1946 году, Роберт Хилш опубликовал свои проведенные с немецкой педантичностью опыты, попутно предложив усовершенствования конструкции трубы, и явление получило известность по всему миру. Он же ввел классические критерии и величины, которые используются в рассчетах до сих пор. Часто вихревую трубу по имени своих создателей называют трубой Ранка, или Ранка-Хилша. Ученые в разных странах взялись за исследования и эксперименты. Одной из ведущих и самых плодовитых школ была советская, и как это ни странно, до сих пор все еще остается таковой российская. Честно говоря, я был удивлен обилием дельных российских патентов на эту тему и количеством производящих такие установки заводов, фирм и институтов.

На практике работа трубы выглядит примерно так:Оригинальная труба Ранка представляла из себя обычный металлический цилиндр с простым тангенциальным односопловым вводом и диффузором или конфузором на конце для усиления соответствующего температурного эффекта.За годы исследований и опытов были оптимизированы конструкция и режимы работы устройства. Близка к оптимальной схема, разработанная советским конструктором Владимиром Ивановичем Метениным.Сжатый газ подается через тангенциальное сопло 1 в улитку 2, где устанавливается интенсивное круговое течение. При этом возникает неравномерное поле температур. Слои газа, находящиеся вблизи оси, оказываются на ΔTх более холодными, чем входящий газ, а периферийные слои закрученного потока нагреваются на ΔTг. Часть газа μ в виде холодного потока отводится через диафрагму 3, насадок 4 и щелевой диффузор 8, а другая часть (1-μ) нагретого газа отводится через насадок 5 и лопаточный диффузор 6 с сеткой 7. Работу вихревой трубы можно регулировать дроссельной заслонкой на теплом потоке.

При использовании в качестве холодильника еще одна важная характеристика трубы — холодильный КПД:

ηt = μΔTх/ΔTs,

где ΔTх — реальная разница температур, μ — доля холодного потока, ΔTs — максимально возможная разница температур в идеальном процессе раширения газа с отдачей работы.

В общем и целом вихревой эффект работает из-за того, что внешний поток отнимает энергию у внутреннего. На рисунке заметно, что камера смешения имеет выраженную конусность в 1-3°. Это улучшает условия теплообмена потоков по всей длине трубы, а значит, и разность выходных температур. Существуют и дальнейшие, иногда тоже совсем неочевидные усовершенствования. Например, выяснилось, что сложное турбулентное закручивание входного потока и возбуждение в нем поличастотных звуковых колебаний увеличивают температурный эффект. Поэтому и на входное сопло, и в выходной диффузор горячего потока часто устанавливают различные развихрители и турбулизаторы. Обратите внимание, что рабочий на фото в наушниках. Труба во время работы действительно здорово шумит.

Кроме того, ввод оказалось лучше делать многосопловым, строго по касательной к стенке. На поверхности камеры разделения или улитки можно предусмотреть продольные пазы, также увеличивающие температурный эффект в ту или иную сторону в зависимости от формы. Можно использовать энергию и давление горячего потока для подсасывания дополнительного воздуха в холодный или его ускоренного эжектирования через теплообменную камеру. Можно разделить приосевой поток на фракции, подавая к потребителю только самую холодную (при некоторых условиях аж до -130°С) его часть.

Можно подогревать или охлаждать входной поток отработанным выходным через теплообменник. Если высокое входное давление позволяет, трубы можно соединять каскадами, комбинируя в сложную схему с теплообменниками для оптимизации нужного эффекта.Все это относится к неохлаждаемым, или адиабатным, трубам.

Но оказывается, что если камеру обмена охлаждать (лучше всего водой), то бишь дополнительно отнимать тепло у внешнего горячего потока, то это приведет к дополнительному охлаждению холодного. Причем, чем меньше доля холодного потока μ, тем сильнее увеличится ΔTх. Соединив горячие выходы камер двух таких труб, получим трубу со стопроцентным холодным потоком и увеличенной холодопроизводительностью.

Как показывает опыт, такая труба почти не чувствительна к температуре охлаждающей воды (то есть отлично работает даже в тропиках) и не требует большой поверхности обмена — не нужен сложный радиатор.

Ровно такой же, но противоположный по знаку эффект имеет место при дополнительном нагреве трубы.

Подобные усовершенствования выводят КПД трубы на уровень 0.4 и даже выше — совсем неплохо для такого простого и дешевого аппарата!

В общем, разработка технологии активно продолжается, что обеспечивает вихревым устройствам все более широкие возможности для конкуренции.

ВТ сейчас широко используют для кондиционирования (все помнят такие маленькие поворотные сопла в самолетах или междугородных автобусах?), для подогрева или охлаждения лопастей турбин и вертолетов при работе, в небольших холодильниках для транспорта с бортовой пневмосетью, для начального подогрева пара с одновременным охлаждением конденсатора при пуске сверхмощных паровых турбин, для подогрева/охлаждения при понижении давления природного газа на газораспределительных станциях, для охлаждения процессоров (часто совместно с элементами Пельтье), и так далее. Да и в обычных промышленных холодильных установках ВТ по совокупности свойств часто оказываются оптимальными — вредных и капризных аммиака или фреонов они не используют и никогда не ломаются.

Кроме того, как и в обычном циклоне, при работе ВТ горячий поток всегда оказывается обогащен более тяжелыми частицами и молекулами(например, пылью, частицами конденсата, кислородом, водой или углекислотой), а холодный — более легкими (например, азотом). И чем выше скорость вихря, тем более выраженным становится эффект. На этом свойстве вихревых труб основано их применение для отделения газоконденсата от природного газа и разделения фаз, в том числе и в криогенной технике для разделения компонентов воздуха.

Еще одно важное применение ВТ основано на свойстве создавать сильно пониженное давление в центре приосевого холодного потока. Если вместо выходного диффузора на холодном конце сделать тонкий сопловой ввод, труба начнет активно отсасывать через него воздух — превратится в вакуумный насос! Возможно, кому-то знакомо название довольно распространенных советских аппаратов: ДКМ и «Вихрь».

С учетом всего этого для нашего попаданца вихревая техника — просто непаханное поле работы. Правда, необходимое уловие — наличие у него насоса, но это решаемо. В качестве материала ВТ отлично подходят керамика или стекло. И уж совершенно точно, например, что вихревой холодильник без проблем выдержит конкуренцию с винтажным паровым, а по простоте и доступности даст ему сто очков вперед.

Литература:

Меркулов А.П. «Вихревой эффект и его применение в технике»Суслов А.Д., Иванов С.В., Мурашкин А.В., Чижиков Ю.В. «Вихревые аппараты»Патент РФ 2041432 — «Вихревая труба В.И.Метенина»Азаров А. И. «Вихревые трубы нового поколения»

www.popadancev.net

Вихревая труба

Изобретение направлено на создание новой конструкции вихревой трубы. Вихревая труба содержит корпус с камерой энергетического разделения, на стороне вывода горячего потока которой размещены развихритель, дроссельное устройство и крышка, а на стороне вывода холодного потока - диафрагма и сопловой ввод разделяемого газа. Развихритель выполнен в виде одной, размещенной по центру, и/или нескольких, размещенных на соосных вихревой трубе окружностях плоских спиралей, примыкающих торцами к крышке и установленных таким образом, что закручивание спирали от ее периферии к центру совпадает с направлением вращения газового потока. Крышка снабжена сквозными соосными каждой спирали развихрителя отверстиями. Технический результат состоит в увеличении эффективности работы вихревой трубы при ее применении для разделения газового потока на два соответственно с низкой и высокой температурой, в более полезном использовании энергетического потенциала, закрученного с помощью соплового ввода потока. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

Настоящее изобретение относится к устройствам, использующим вихревой эффект разделения газового потока на две части, одна из которых имеет высокую, а другая - низкую температуру, и может быть широко применено в холодильной технике, в строительстве при создании систем кондиционирования воздуха и других отраслях хозяйства.

Вихревая труба в своем основном исходном варианте содержит корпус с камерой энергетического разделения, сопловой ввод потока газа, диафрагму, дроссельное устройство и трубы для вывода холодного и горячего потока (см., например, А.В.Мартынов, В.М.Бродянский «Что такое вихревая труба». М.: «Энергия», 1976 г., стр.6 и 7). Диафрагма и труба вывода холодного потока размещены на «холодном» конце вихревой трубы, т.е. на стороне установки соплового ввода. Соответственно, дроссельное устройство и труба вывода горячего потока размещены на противоположном «горячем» конце вихревой трубы.

Известна вихревая труба, на стороне вывода горячего потока которой установлен развихритель, изготавливаемый, в основном, в виде крестовины (см., например, Ш.А. Пиралишвили и др. «Вихревой эффект, эксперимент, теория, технические решения», М., изд. УНПЦ «ЭНЕРГОМАШ», 2000 г., стр.41-42).

Известны вихревые трубы с развихрителями, размещенными как на «горячем», так и на «холодном» концах (см., например, авторское свидетельство СССР №1677458, опубликовано 15.09.1991 года, бюл. №34).

Вышеупомянутые аналогичные настоящему изобретению технические решения обладают общим недостатком, связанным с низким коэффициентом полезного действия вихревой трубы.

Наиболее близким к настоящему изобретению является техническое решение по патенту России №2213914 «Способ вихревого энергоразделения потока и устройство его реализующее» (дата публикации - 10.10.2003 года). Собственно вихревая труба по данному изобретению содержит камеру энергетического разделения с многосопловым тангенциальным вводом разделяемого газа и диафрагмой вывода приосевого холодного потока. «Горячий» конец вихревой трубы, по сути, снабжен крышкой и развихрителем, выполненным в представленном варианте в виде перфорированной пластины. Недостатком данной конструкции, не рассматривая сложности заявленного способа, требующего ряда дополнительных устройств, является также недостаточный коэффициент полезного действия вихревой трубы из-за нерациональных потерь энергии разделяемого потока.

Техническая задача настоящего изобретения состоит в создании вихревой трубы с новым типом развихрителя.

Технический результат состоит в увеличении эффективности работы вихревой трубы при ее применении для разделения газового потока на два соответственно с низкой и высокой температурой, в более полезном использовании энергетического потенциала, закрученного с помощью соплового ввода потока.

Для достижения указанного технического результата в вихревой трубе, содержащей корпус с камерой энергетического разделения, на стороне вывода горячего потока которой размещены развихритель, дроссельное устройство и крышка, а на стороне вывода холодного потока - диафрагма и сопловой ввод разделяемого газа, развихритель выполнен в виде одной, размещенной по центру, и/или нескольких, размещенных на соосных вихревой трубе окружностях, плоских спиралей, примыкающих торцами к крышке и установленных таким образом, что закручивание спирали от ее периферии к центру совпадает с направлением вращения газового потока. Крышка снабжена сквозными соосными каждой спирали развихрителя отверстиями.

Сущность настоящего изобретения состоит в следующем.

В литературных источниках, касающихся принципа работы и конструирования вихревых труб, многократно отмечена роль А.П.Меркулова, сделавшего одно из первых плодотворных предложений, увеличивающих эффективность работы трубы при одновременном значительном снижении ее длины. Суть данного предложения состояла в оснащении вихревой трубы на ее «горячем» конце развихрителем, обычно выполняемом в виде крестовины (см., например, А.Д.Суслов и др. «Вихревые аппараты». М.: «Машиностроение», 1985 г., стр.31-33; Ш.А.Пиралишвили и др. «Вихревой эффект, эксперимент, теория, технические решения», М., изд. УНПЦ «ЭНЕРГОМАШ», 2000 г., стр.42). Установка развихрителя приводит к искусственному торможению вихревого потока на «горячем» конце камеры разделения, которое по гипотезе А.П.Меркулова создает благоприятные условия для формирования приосевого потока, направленного к диафрагме. Исследовались развихрители иных конструкций, однако экспериментальные материалы до сего дня не позволяют сформулировать достаточно четкие рекомендации по выбору конструкции развихрителя. Отмечают, что генерация колебаний при установке развихрителя в определенном диапазоне частот возможно является главным фактором повышения эффективности процесса. Следует особо отметить, что достаточно грубое торможение потока при установке развихрителя безусловно приводит к потере энергии потока и снижает положительный эффект установки развихрителя.

Для повышения эффективности вихревых труб предложено также вводить в камеру разделения дополнительный поток, что реализовано в прототипе изобретения. Показано экспериментально, что при большой массовой доле формируемый из дополнительного потока приосевой поток получает кинетическую энергию, составляющую незначительную часть первоначальной энергии вытекающего из сопла газа. Благодаря этому увеличение расхода охлажденного потока при введении в камеру разделения дополнительного потока приводит к повышению коэффициента полезного действия трубы.

Согласно современным представлениям, возмущения, возникающие в сдвиговых течениях, играют существенную роль в происходящих процессах теплообмена. В закрученных течениях это проявляется особенно отчетливо и своеобразно. Распад вихря приводит к появлению прецессии вихревого ядра. Известные на сегодня расчеты и компьютерная визуализация последних подтверждают наличие прецессирующего приосевого вихревого жгута и периодически расположенных вдоль оси крупномасштабных вихревых структур - вторичных вихревых течений (см., например, А.А.Фузеева «Численное моделирование температурной стратификации в вихревых трубах». Журнал «Математическое моделирование», 2006 год, т.18, №9, стр.113-120). Предполагают, что перенос массы этими вихрями в радиальном направлении в поле с наличием радиального градиента давления вносит значительный вклад в температурное разделение в процессе реализации квазихолодильных циклов.

Принципиально настоящее изобретение в ходе его экспериментальной проверки в значительной мере подтверждает высказанные выше соображения, носящие теоретический характер, но позволяющие в определенной мере объяснить эффект разделения потока на горячий и холодный в вихревой трубе. Особенности предложенного целесообразно рассмотреть при описании работы устройства.

Конструкция вихревой трубы по настоящему изобретению в его полном варианте приведена на чертеже.

Вихревая труба содержит корпус 1 с камерой энергетического разделения 2 и сопловым вводом 3 исходного газового потока. На стороне вывода холодного потока размещена диафрагма 4. На стороне вывода горячего потока размещена крышка 5 и дроссель 6 (в данном варианте дроссель выполнен в виде дросселирующих отверстий). На представленной на чертеже конструкции развихритель выполнен в виде 4-х размещенных на соосной вихревой трубе окружности, плоских спиралей 7, примыкающих торцами к крышке 5 и установленных таким образом, что закручивание спирали от ее периферии к центру совпадает с направлением вращения газового потока, т.е. в данном случае по часовой стрелке. В крышке 5 выполнены четыре сквозных отверстия 8. Каждое отверстие 8 соосно соответствующей спирали 7.

Вихревая труба по настоящему изобретению работает следующим образом.

Поток компримированного газа (воздуха) подают в камеру энергетического разделения 2, сформированную корпусом 1 с крышкой 5, через сопловой ввод 3. Сопловой ввод 3 в свою очередь формирует закрученный вихревой поток, движущийся в пристенной области камеры энергетического разделения 2. Параллельно в камере энергетического разделения 2 образуется приосевой поток, вращающийся в том же направлении, что и пристенный, но движущийся в направлении диафрагмы 4. Благодаря энергетическим процессам, проходящим в камере энергетического разделения и до сего дня не получившим точного математического описания, пристенный поток приобретает повышенную, а приосевой - пониженную температуру. Дроссельные отверстия 6 при соответствующем оснащении внешними устройствами, например вентилем на общем горячем потоке, позволяют регулировать разделение как в отношении массы холодного и горячего потоков, так и в отношении их температуры. Приосевой поток покидает вихревую трубу через диафрагму 4.

Особенность работы вихревой трубы по настоящему изобретению заключается в следующем.

В данном варианте закрученный по часовой стрелке в основном пристенный поток попадает в отдельные спирали 7 и приобретает в ней дополнительную скорость, благодаря уменьшению радиуса поворота. Торможения потока и, соответственно, потери энергии, о чем говорилось выше, не происходит. Спирали помогают при этом формированию приосевого потока, образуют, вероятно, не один, а несколько прецессирующих приосевых вихревых жгутов и способствуют появлению крупномасштабных вихревых структур - вторичных вихревых течений. Именно этим можно объяснить полученное нами повышение коэффициента полезного действия вихревой трубы.

Следует отметить, что размещение только одной спирали, соосной вихревой трубе, также приводит к увеличению эффективности ее работы, что может быть объяснено изложенным выше образом.

Ранее указывалось на положительное воздействие дополнительно вводимого потока. Если в известных вихревых трубах чаще всего необходима принудительная его подача, то в настоящем изобретении в зоне центра каждой спирали формируется пониженное давление. При этом дополнительный поток поступает в камеру энергетического разделения 2 через сквозные отверстия 8.

При экспериментальном исследовании вихревой трубы, конструкция которой соответствует настоящему изобретению, определен коэффициент полезного действия в среднем на 20% более высокий, чем у аналогичной трубы с развихрителем в виде крестовины.

Таким образом, можно утверждать, что полученный положительный эффект обязан тем изменениям конструкции вихревой трубы, которые и заявлены в настоящем изобретении.

1. Вихревая труба, содержащая корпус с камерой энергетического разделения, на стороне вывода горячего потока которой размещены развихритель, дроссельное устройство и крышка, а на стороне вывода холодного потока - диафрагма и сопловой ввод разделяемого газа, отличающаяся тем, что развихритель выполнен в виде одной, размещенной по центру, и/или нескольких, размещенных на соосных вихревой трубе окружностях, плоских спиралей, примыкающих торцами к крышке и установленных таким образом, что закручивание спирали от ее периферии к центру совпадает с направлением вращения газового потока.

2. Вихревая труба по п.1, отличающаяся тем, что крышка снабжена сквозными соосными каждой спирали развихрителя отверстиями.

www.findpatent.ru

Вихревая труба

Изобретение относится к комбинированным системам для нагрева и охлаждения и может использоваться в различных областях. В вихревой трубе, содержащей камеру энергетического разделения, завихритель входного потока, диафрагму вывода охлажденного потока и кран, установленный на выходе нагретого потока, камера энергетического разделения снабжена согласующим элементом, выполненным с возможностью автоподстройки под структуру вихревого потока. Согласующий элемент может быть выполнен в виде цилиндра, механически не связанного с камерой энергетического разделения. Диаметр цилиндра превышает диаметр диафрагмы вывода охлажденного потока, но не превосходит 0,8D, где D - внутренний диаметр камеры. Длина цилиндра выбрана в диапазоне (0,3... 0,8)L, где L - длина камеры. Средняя плотность цилиндра выбрана в диапазоне 0,05. . . 2 г/см3. Согласующий элемент может быть выполнен в виде гибкого стержня, закрепленного со стороны крана с возможностью вращения вокруг оси камеры энергетического разделения. Диаметр стержня выбран в диапазоне (0,1.. .0,5)D, где D - внутренний диаметр камеры. Длина стержня выбрана в диапазоне (0,3. . .0,7)L, где L - длина камеры. Использование изобретения позволит повысить эффективность энергетического разделения потока в вихревой трубе. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к комбинированным системам для нагрева и охлаждения и может использоваться в различных областях науки и техники, в частности в системах воздушного охлаждения (нагрева).

Известна вихревая труба, содержащая камеру энергетического разделения, завихритель входного потока, диафрагму вывода охлажденного потока и клапан, установленный на выходе нагретого потока [1-3]. Однако эффективность энергетического разделения потока (другими словами, холодопроизводительность) для этой трубы невелика. Наиболее близким техническим решением является вихревая труба, содержащая камеру энергетического разделения, снабженную согласующим элементом, завихритель входного потока, диафрагму вывода охлажденного потока и клапан, установленный на выходе нагретого потока [4]. Однако в этой трубе согласующий элемент имеет явно выраженные резонансные частоты (т.е. является достаточно узкополосным элементом). Вследствие этого повышение эффективности энергетического разделения потока (другими словами, холодопроизводительности) для этой трубы имеет место лишь при вполне определенной структуре вихревого потока (другими словами, при вполне определенном режиме работы вихревой трубы). Технический результат, который может быть получен при осуществлении изобретения, состоит в повышении эффективности энергетического разделения потока в вихревой трубе (в повышении холодопроизводительности) при различных режимах работы вихревой трубы путем выполнения согласующего элемента с возможностью автоподстройки под структуру вихревого потока. Этот результат достигается тем, что в вихревой трубе, содержащей камеру энергетического разделения, снабженную согласующим элементом, завихритель входного потока, диафрагму вывода охлажденного потока и кран, установленный на выходе нагретого потока, согласующий элемент выполнен в виде цилиндра, механически не связанного с камерой энергетического разделения, причем диаметр цилиндра превышает диаметр диафрагмы вывода охлажденного потока, или в виде гибкого стержня, закрепленного со стороны крана с возможностью вращения вокруг оси камеры энергетического разделения. Указанный выше технический результат достигается при любой из указанных альтернатив выполнения согласующего элемента. В частности, диаметр цилиндра не превосходит 0,8D, где D - внутренний диаметр камеры; длина цилиндра выбрана в диапазоне (0,3...0,8)L, где L - длина камеры; а средняя плотность цилиндра выбрана в диапазоне 0,05...2 г/см3. В данном случае согласующий элемент фактически представляет собой жесткий стержень. Следует отметить, что его поперечное сечение может иметь форму многогранника и т.д. Помимо этого, размеры стержня в различных сечениях могут быть различны (стержень может представлять собой усеченный конус, усеченную пирамиду и т.д.). Плотность стержня также может быть различной в различных его участках. В частности, диаметр гибкого стержня выбран в диапазоне (0,1...0,5)D, где D - внутренний диаметр камеры; а длина стержня выбрана в диапазоне (0,3. ..0,8)L, где L - длина камеры. При этом ось вращения стержня может не совпадать с осью камеры. Следует отметить, что согласующий элемент может быть выполнен и в виде гибкого диска, закрепленного со стороны крана с возможностью вращения вокруг оси камеры энергетического разделения, причем диаметр диска выбран в диапазоне (0,5. ..0,9) D, где D - внутренний диаметр камеры; а жесткость диска выбрана такой, чтобы диск мог свободно деформироваться под действием вихревого потока. На фиг.1, 2 представлены схемы вариантов выполнения вихревой трубы. Вихревая труба содержит камеру 1 энергетического разделения потока с внутренней поверхностью 2, завихритель 3, диафрагму 4 вывода охлажденного потока, кран 5, установленный на выходе нагретого потока. Камера 1 снабжена согласующим элементом 6 (6'), выполненным с возможностью автоподстройки под структуру вихревого потока. В частности, на фиг.1 согласующий элемент 6 выполнен в виде цилиндра, механически не связанного с камерой энергетического разделения. В частности, на фиг. 2 согласующий элемент 6' выполнен в виде гибкого стержня, закрепленного в некотором узле 7 (со стороны клапана) с возможностью вращения вокруг оси камеры 1. Узел 7 снабжен отверстиями 8, обеспечивающими выход горячего воздуха из камеры 1 в кран 5. "В статике" (при отсутствии избыточного давления на входе вихревой трубы) цилиндр 6 касается нижней внутренней поверхности 2 камеры 1 (при горизонтальном положении камеры 1 цилиндр 6 полностью находится на этой поверхности). Гибкий стержень 6' большей своей частью (за исключением области, прилегающей к узлу крепления 7) также находится на нижней внутренней поверхности 2 камеры 1. На фиг.1, 2 положение согласующего элемента 6 (6') показано "в динамике" (в процессе работы вихревой трубы). При этом сплошные и пунктирные линии обозначают "крайние" положения этого элемента в различные моменты времени. Диаметр цилиндра 6 превышает диаметр диафрагмы вывода охлажденного потока, но не превосходит 0,8D, где D - внутренний диаметр камеры; длина цилиндра выбрана в диапазоне (0,3...0,8)L, где L - длина камеры; а средняя плотность цилиндра выбрана в диапазоне 0,05...2 г/см3. Диаметр стержня 6' выбран в диапазоне (0,1...0,5)D, где D - внутренний диаметр камеры; длина стержня выбрана в диапазоне (0,3...0,8)L, где L - длина камеры, а жесткость стержня выбрана такой, чтобы стержень мог свободно изгибаться под действием вихревого потока. Работает вихревая труба следующим образом. Входной поток (от внешнего источника, на чертеже не показанного) под давлением в несколько атмосфер поступает в завихритель 3, обеспечивающий формирование закрученной (завихренной) струи в камере энергетического разделения 1. За счет эффекта Ранка в камере 1 периферийная (пристеночная) область потока нагревается, а центральная (приосевая) - охлаждается. Пространственное разделение охлажденного и нагретого потоков осуществляется с помощью крана 5 и диафрагмы 4. Отметим, что на чертеже представлена схема так называемой противоточной трубы [1], но возможна несколько иная компоновка, соответствующая прямоточной трубе. В периферийной области камеры 1 закрученная струя имеет спиралеобразный вид [1] . При некотором частичном перекрытии крана 5 в приосевой области камеры 1 формируется возвратный поток холодного (точнее, охлажденного) воздуха, который выходит из трубы через диафрагму 4. Проведенные эксперименты показали, что введение в вихревую трубу согласующего элемента 6 (6'), выполненного указанным образом, позволяет в несколько раз повысить расход воздуха через диафрагму 4 и на несколько градусов понизить температуру холодного воздуха, т.е. в несколько раз повысить холодопроизводительность вихревой трубы. Этот эффект имеет место при различных давлениях на входе и различном соотношении расходов холодного и горячего воздуха, т.е. в достаточно широком диапазоне режимов работы вихревой трубы. Для согласующего элемента, выполненного в виде цилиндра (фиг.1), наилучшие результаты имели место при отношении длины цилиндра 6 к длине камеры 1, лежащем в диапазоне 0,6...0,8. В этом случае расстояние от диафрагмы 4 до ближайшего торца цилиндра 6 в несколько раз превосходит внутренний диаметр камеры 1. "Оптимальное" отношение диаметра стержня 6 к внутреннему диаметру камеры 1 лежит в диапазоне 0,5...0,7; а средняя плотность стержня должна быть близка к 1 г/см3. Следует отметить, что стержень может быть полым. В этом случае его средняя плотность существенно зависит от соотношения внутреннего и внешнего диаметров (и при изменении этого соотношения может меняться в весьма широких пределах). Для согласующего элемента, выполненного в виде гибкого стержня (фиг.2), наилучшие результаты имели место при отношении длины стержня 6' к длине камеры 1, лежащем в диапазоне 0,6...0,8. В этом случае расстояние от диафрагмы 4 до ближайшего торца стержня 6' в несколько раз превосходит внутренний диаметр камеры 1. "Оптимальное" отношение диаметра стержня 6' к внутреннему диаметру камеры 1 лежит в диапазоне 0,2...0,4. К настоящему времени в литературе отсутствует теоретическое объяснение эффекта повышения холодопроизводительности за счет согласующего элемента. Одна из возможных гипотез, объясняющих этот эффект, состоит в следующем. Согласно литературным данным входной (периферийный) поток в камере 1 представляет собой свободный (или комбинированный) вихрь, у которого максимум тангенциальной скорости находится на расстоянии (0,6...0,9)R от оси камеры 1 (R - радиус внутренней поверхности 2 камеры 1, D= 2R). Поток холодного воздуха представляет собой вынужденный вихрь, диаметр которого (в зависимости от давления на входе и т.д.) составляет (0,1...0.5)D. Согласующий элемент в виде цилиндра 6 в процессе работы находится "во взвешенном состоянии". Он вращается вокруг своей оси, а сама ось прецессирует во времени. На фиг.1 сплошной и штриховой линиями показаны "крайние" положения цилиндра (в различные моменты времени). Согласующий элемент в виде гибкого стержня 6' в процессе работы деформируется и совершает вращательное движение. За счет центробежных сил свободная часть стержня (со стороны диафрагмы 4) имеет линейный вид. На фиг.2 сплошной и штриховой линиями показаны "крайние" положения стержня (в различные моменты времени). В результате взаимодействия вихревого потока с согласующим элементом 6 (6') прецессия вихря в определенной мере стабилизируется в пространстве и времени. При этом улучшаются условия для разделения потоков холодного и горячего воздуха. Помимо этого, возможно, что при этом происходит более интенсивный обмен турбулентными "микровихрями" между периферийным и приосевым потоками воздуха, в частности, за счет генерации "микровихрей" определенного размера. Все это в совокупности приводит к повышению эффективности переноса тепла от приосевого (холодного) потока к периферийному (горячему) потоку, т.е. к дополнительному охлаждению приосевого потока. Таким образом, введение согласующего элемента, выполненного с возможностью автоподстройки под структуру вихревого потока, позволяет повысить холодопроизводительность при различных режимах работы вихревой трубы. Источники информации 1. Меркулов А.П. Вихревой эффект и его применение в технике. М.: Машиностроение, 1969. - 184 с. 2. Гуцол А.Ф. Эффект Ранка. Успехи физических наук, 1997, т.167, 6, c. 665-687. 3. Патент РФ 2170892, кл. F 25 B 9/04, 2001. 4. Патент РФ 2067266, кл. F 25 B 9/02, 1996.

Формула изобретения

1. Вихревая труба, содержащая камеру энергетического разделения, снабженную согласующим элементом, завихритель входного потока, диафрагму вывода охлажденного потока и кран, установленный на выходе нагретого потока, отличающаяся тем, что согласующий элемент выполнен в виде цилиндра, механически не связанного с камерой энергетического разделения, причем диаметр цилиндра превышает диаметр диафрагмы вывода охлажденного потока, или в виде гибкого стержня, закрепленного со стороны крана с возможностью вращения вокруг оси камеры энергетического разделения. 2. Вихревая труба по п. 1, отличающаяся тем, что диаметр цилиндра не превосходит 0,8D, где D - внутренний диаметр камеры, длина цилиндра выбрана в диапазоне (0,3. . . 0,8)L, где L - длина камеры, а средняя плотность цилиндра выбрана в диапазоне 0,05. . . 2 г/см3. 3. Вихревая труба по п. 1, отличающаяся тем, что диаметр гибкого стержня выбран в диапазоне (0,1. . . 0,5)D, где D - внутренний диаметр камеры, а длина стержня выбрана в диапазоне (0,3. . . 0,8)L, где L - длина камеры.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2

www.findpatent.ru

Вихревая труба

Изобретение относится к комбинированным системам для нагрева и охлаждения. Внутренняя поверхность камеры энергетического разделения выполнена со спиралью. Толщина спирали составляет (0,05-0,3)D, где D - диаметр внутренней поверхности камеры энергоразделения. Шаг спирали может соответствовать пространственному периоду завихренного входного потока в осевом направлении камеры, а направление навивки спирали противоположно направлению вращения входного потока. Использование изобретения позволит повысить эффективность энергетического разделения потока в вихревой трубе. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

Известна вихревая труба, содержащая камеру энергетического разделения, завихритель входного потока, диафрагму вывода охлажденного потока и дроссельный кран, установленный на выходе нагретого потока [1-3]. Однако эффективность энергетического разделения потока (другими словами, холодопроизводительность) для этой трубы невелика. Наиболее близким техническим решением является вихревая труба, содержащая камеру энергетического разделения, завихритель входного потока, диафрагму вывода охлажденного потока и дроссельный кран, установленный на выходе нагретого потока [4]. Однако эффективность энергетического разделения потока (другими словами, холодопроизводительность) для этой трубы невелика. Технический результат, который может быть получен при осуществлении изобретения, состоит в повышении эффективности энергетического разделения потока в вихревой трубе (в повышении холодопроизводительности). Этот результат достигается тем, что в вихревой трубе, содержащей камеру энергетического разделения, завихритель входного потока, диафрагму вывода охлажденного потока и дроссельный кран, установленный на выходе нагретого потока, внутренняя поверхность камеры снабжена спиралью. В частности, шаг спирали может соответствовать пространственному периоду завихренного входного потока в осевом направлении камеры, причем направление навивки спирали противоположно направлению вращения входного потока. На чертеже представлена схема вихревой трубы. Вихревая труба содержит камеру 1 энергетического разделения потока с внутренней поверхностью 2, завихритель 3, диафрагму 4 вывода охлажденного потока, дроссельный кран 5, установленный на выходе нагретого потока. На внутренней поверхности 2 камеры 1 установлена спираль 6, шаг которой соответствует пространственному периоду завихренного входного потока в осевом направлении камеры, а направление навивки спирали противоположно направлению вращения входного потока. В частности, шаг спирали может быть переменным, например, увеличиваясь с удалением от завихрителя. Толщина спирали 6 (соответствующий размер в радиальном направлении) составляет (0,05-0,3)D, где D - диаметр внутренней поверхности 2 камеры 1. В частности, сечение спирали может представлять собой круг (см. чертеж). В этом случае толщина спирали равна диаметру проволоки, из которой навита эта спираль. Работает вихревая труба следующим образом. Входной поток (от внешнего источника, на чертеже не показанного) под давлением в несколько атмосфер поступает в завихритель 3, обеспечивающий формирование закрученной (завихренной) струи в камере энергетического разделения 1. За счет эффекта Ранка в камере 1 периферийная (пристеночная) область потока нагревается, а центральная (приосевая) охлаждается. Пространственное разделение охлажденного и нагретого потоков осуществляется с помощью дроссельного крана 5 и диафрагмы 4. Отметим, что на чертеже представлена схема так называемой противоточной трубы [1], но возможна несколько иная компоновка, соответствующая прямоточной трубе. В периферийной области камеры 1 закрученная струя имеет спиралеобразный вид [1], причем шаг спирали, вообще говоря, увеличивается с удалением от завихрителя (в ряде работ вместо характеристики "шаг" используют "угол наклона спирали"). При некотором частичном перекрытии крана 5 в приосевой области камеры 1 формируется возвратный поток холодного (точнее, охлажденного) воздуха, который выходит из трубы через диафрагму 4. Проведенные эксперименты показали, что введение в вихревую трубу спирали, выполненной указанным образом, при неизменном давлении входного потока позволяет в несколько раз повысить расход воздуха через диафрагму 4 и на несколько градусов понизить температуру холодного воздуха, т.е. в несколько раз повысить холодопроизводительность вихревой трубы. При этом форма спирали и ее положение в камере 1 подбирались экспериментально. К настоящему времени этот эффект в литературе не описан, отсутствует и его теоретическое объяснение. Одна из возможных гипотез, объясняющих эффект спирали, состоит в следующем. Согласно литературным данным входной (периферийный) поток в камере 1 представляет собой свободный (или комбинированный) вихрь, у которого максимум тангенциальной скорости находится на расстоянии 0,6-0,9 R от оси камеры 1 (R - радиус внутренней поверхности 2 камеры 1, 2R=D), Поток холодного воздуха представляет собой вынужденный вихрь, диаметр которого (в зависимости от давления на входе и т.д.) составляет (0,1-0,5)D. Спираль расположена в области внешнего вихря, там, где тангенциальная скорость максимальна. Этот вихрь (его ось) прецессирует во времени нерегулярным образом [3], причем направление прецессии противоположно направлению вращения вихря. Соответственно, направление прецессии совпадает с направлением навивки спирали. В результате взаимодействия вихря со спиралью прецессия в определенной мере стабилизируется в пространстве и времени. При этом улучшаются условия для разделения потоков холодного и горячего воздуха. Помимо этого, возможно, что при указанных параметрах и ориентации спирали происходит более интенсивный обмен турбулентными "микровихрями" между периферийным и приосевым потоками воздуха, в частности, за счет генерации "микровихрей" определенного размера. Все это в совокупности приводит к повышению эффективности переноса тепла от приосевого (холодного) потока к периферийному (горячему) потоку, т.е. к дополнительному охлаждению приосевого потока. Таким образом, введение спирали указанной формы позволяет повысить холодопроизводительность вихревой трубы. Источники информации 1. Меркулов А.П. Вихревой эффект и его применение в технике. М.: Машиностроение, 1969. - 184 с. 2. Гуцол А.Ф. Эффект Ранка. Успехи физических наук, 1997. - Том 167, 6. - С.665-687. 3. Патент РФ 2067266, кл. F 25 B 9/02, 1996. 4. Патент РФ 2170892, кл. F 25 B 9/04, 2001.

Формула изобретения

1. Вихревая труба, содержащая камеру энергетического разделения, завихритель входного потока, диафрагму вывода охлажденного потока и дроссельный кран, установленный на выходе нагретого потока, отличающаяся тем, что внутренняя поверхность камеры снабжена спиралью, причем толщина спирали составляет (0,05-0,3)D, где D-диаметр внутренней поверхности камеры энергетического разделения. 2. Вихревая труба по п. 1, отличающаяся тем, что шаг спирали соответствует пространственному периоду завихренного входного потока в осевом направлении камеры, а направление навивки спирали противоположно направлению вращения входного потока.

РИСУНКИ

Рисунок 1

www.findpatent.ru

Вихревая труба - Большая Энциклопедия Нефти и Газа, статья, страница 2

Вихревая труба

Cтраница 2

Вихревые трубы применяются при кратковременных работах, при получении холода в малых количествах, при наличии даровых природных источников сжатого газа. [16]

Вихревая труба ( вихревой энергоразделитель) работает следующим образом. [17]

Вихревая труба может работать в режиме вакуум-насоса. Максимум коэффициента эжекции при фиксированном давлении Рх ( для случая ц 0) достигается при критическом течении подсасываемого газа по всему сечению отверстия диафрагмы. [18]

Вихревые трубы целесообразно применять тогда, когда имеется избыточное давление и в технологическом процессе требуется производство охлажденного или подогретого потока газа. В основном это периодическое или регулярное охлаждение различных объектов: от медико-биологических, промышленных, технологических систем до систем термостатирования и жизнеобеспечения. [19]

Вихревая труба обычно предназначена для термо-статирования. Из теплового расчета установки находят тепловую нагрузку Qy cpGyA7 y, где Gy - расход газа через термостатируемый объем; АГУ - изменение температуры при движении газа через камеру с термостати-руемым устройством. [21]

Относительная короткая вихревая труба с камерой энергоразделения всего в 4 калибра позволяла получать сравнительно неплохие по тем временам эффекты энергоразделения. [22]

Самовакуумирующиеся вихревые трубы используют для охлаждения цилиндрических тел, располагаемых внутри камеры разделения. Например, в рассматриваемом гигрометре приосевые слои омывают охлаждаемый элемент 9, изготовленный из меди или другого материала с высоким коэффициентом теплопроводности. [23]

Поэтому вихревые трубы целесообразно применять в первую очередь в районах, располагающих ресурсами естественного сжатого газа ( лриродный или попутный газ), а также на предприятиях и в отдельных системах ( например, транспортных), имеющих избытки сжатого воздуха. [24]

В вихревые трубы устанавливают ЗУ: тангенциальные ( ТЗУ) и аксиальные ( АЗУ), которые имеют и ряд общих признаков. [25]

Когда вихревая труба работает на газовой смеси и в камере разделения один или несколько компонентов претерпевают фазовые превращения, характер изменения температуры отличается от рассмотренного. Уменьшается перепад температур ДТХ из-за конденсации жидкости в приосевом потоке камеры разделения ( более подробно этот вопрос рассмотрен в гл. Если температуры кипения компонентов смеси различаются значительно 1 минимальная температура охлажденного потока совпадает с температурой кипения низкокипящего компонента. Следует отметить, что если точка замерзания примесей выше температуры нагретого потока, то нарушается нормальная работа вихревой трубы из-за отложения твердого осадка на стенках сопла и камеры разделения. При работе на смеси, состоящей из компонентов с малоразличающимися температурами кипения, происходит не только температурное и фазовое, но и компонентное разделение смесей. Тогда при работе в двухфазной области температура потока близка к температуре кипения жидкости при давлении и концентрации, совпадающих с их значениями для рассматриваемого потока. [26]

Этим действительная вихревая труба отличается от идеальной, где 7х не зависит от а. [28]

Применение вихревой трубы дает положительный эффект не только при резке металлов, но и при проходке скважин бурильным инструментом. [29]

Способность вихревой трубы создавать в приосевой области вихревой зоны пониженное давление используют для получения высоких эффектов охлаждения в так называемых самовакуумирующихся вихревых трубах. [30]

Страницы: 1 2 3 4 5