Вихревая труба
Изобретение относится к области устройства и работы вихревых труб, предназначенных для получения горячих или холодных потоков газа. Вихревая труба содержит тангенциальное сопло с улиткой, камеру разделения, диафрагму, дроссель и чашеобразный отражатель, плавно сопряженный с расположенным в его центре цилиндрическим выступом, имеющим осевое отверстие. В боковой поверхности цилиндрического выступа имеются тангенциальные сопла. Осевое отверстие выполнено из двух ступеней, соединенных раструбом. В широкой ступени неподвижно установлены лопасти. Дроссель выполнен в виде кольцевого цилиндра, во внешней поверхности которого имеются тангенциальные сопла, и установлен с возможностью совместного вращения с цилиндрическим выступом и чашеобразным отражателем. На внутренней поверхности камеры разделения, по ее образующей, выполнены пазы полукруглой формы. Техническим результатом является повышение термодинамической эффективности и к.п.д. устройства. 3 ил.
Изобретение относится к области устройства и работы вихревых труб, предназначенных для получения горячих или холодных потоков газа.
Известны вихревые трубы, содержащие тангенциальное сопло для подачи сжатого воздуха, камеру энергетического (температурного) разделения, диафрагму с центральным отверстием для вывода холодного потока, дроссель с отражателем для вывода горячего потока и крестовину для спрямления вихревого потока [SU 1079973 А, 15.03.1984, RU 2098723 С1, 10.12.1997, US 4458494 А, 10.07.1984, Суслов А.Д. Вихревые аппараты. - М.: Машиностроение, 1985, с.6].
Перечисленные аналоги имеют недостаточную термодинамическую эффективность, так как неподвижный дроссель создает дополнительное сопротивление для вихревого потока и перемешивает горячий и холодный потоки, кроме этого энергия вращения вихревого потока просто гасится, что снижает к.п.д.
Наиболее близким по конструктивному исполнению является вихревая труба, содержащая тангенциальное сопло с улиткой, камеру разделения, диафрагму, дроссель и чашеобразный отражатель с заостренными краями, плавно сопряженный с расположенным в его центре цилиндрическим выступом, имеющим осевое отверстие [RU 2170892 С1, 20.07.2001].
Общими признаками прототипа и заявляемого устройства является наличие тангенциального сопла с улиткой, камеры разделения, диафрагмы, дросселя и чашеобразного отражателя, плавно сопряженного с расположенным в его центре цилиндрическим выступом, имеющим осевое отверстие.
Устройство-прототип имеет следующие недостатки. Вращающийся вихревой поток тормозится о неподвижный дроссель и чашеобразный отражатель, при этом перемешиваются горячий и холодный потоки, что снижает термодинамическую эффективность. Подача дополнительного потока через осевое отверстие в зону холодного потока приводит к повышению его температуры, а незначительная величина центробежных сил в приосевой зоне (из-за маленького радиуса вращения) не обеспечивает быстрого перемещения частиц к стенке камеры разделения и снижает эффективность известных теплообменных процессов передачи тепла дополнительного потока к периферийным, горячим слоям [Меркулов А.П. Вихревой эффект и его применение в технике. М.: Машиностроение, 1969, с.11].
Кроме этого вывод горячего потока через неподвижный дроссель, который гасит тангенциальную скорость вихревого потока, не позволяет эффективно использовать энергию скоростного напора, что в целом снижает к.п.д. устройства.
Сущность изобретения.
Задачей, поставленной при создании заявляемого устройства, является повышение термодинамической эффективности и к.п.д. устройства за счет использования энергии вращения вихревого потока, изменения направления подачи и повышения напора дополнительного потока. А также за счет повышения температуры периферийного потока путем создания высокочастотных колебаний (термоакустического эффекта).
Поставленная задача решена следующим образом, в известной вихревой трубе [RU 2170892 С1, 20.07.2001] согласно заявляемому изобретению в боковой поверхности цилиндрического выступа имеются тангенциальные сопла, касательные к поверхности осевого отверстия, выполненного из двух ступеней соединенных раструбом, в широкой ступени которого неподвижно установлены лопасти. Дроссель, выполненный в виде кольцевого цилиндра, во внешней цилиндрической поверхности которого имеются тангенциальные сопла, установлен с возможностью совместного вращения с чашеобразным отражателем и цилиндрическим выступом. А на внутренней поверхности камеры разделения, по ее образующей, выполнены пазы полукруглой формы.
Отличительным признаком заявляемого устройства является совокупность новых, конструктивных особенностей выполнения деталей и их взаимное расположение.
Выполнение тангенциальных сопел в боковой поверхности цилиндрического выступа дает возможность осуществить подачу дополнительного воздушного потока по направлению, совпадающему с направлением вращения вихревого потока в камере разделения, это обеспечивает быстрое перемещение частиц воздуха от центра к периферии, что улучшает процесс теплообмена между слоями воздуха. А выполнение в цилиндрическом выступе осевого отверстия из двух ступеней, соединенных раструбом, и установка в широкой ступени неподвижных лопастей обеспечивает, при их совместном вращении с чашеобразным отражателем и дросселем, повышение напора дополнительного потока, что повышает термодинамическую эффективность [Меркулов А.П. Вихревой эффект и его применение в технике. М.: Машиностроение, 1969, стр.29, рис.2.2].
Выполнение дросселя в виде кольцевого цилиндра, во внешней поверхности которого имеются тангенциальные сопла, и установка его с возможностью совместного вращения с цилиндрическим выступом и чашеобразным отражателем позволяет использовать для их вращения реактивную силу, возникающую при истечении воздуха через тангенциальные сопла. При этом крутящий момент совпадает по направлению с моментом, создаваемым аэродинамической силой вихревого потока, при его воздействии на подвижные элементы. Суммарный момент обеспечивает совместное, с чашеобразным отражателем и цилиндрическим выступом, вращение дросселя, а наличие лопастей приводит к повышению напора дополнительного потока. Что приводит к ускорению теплообменных процессов, повышению их эффективности и увеличению температуры горячего потока, что позволяет повысить эффективность устройства в целом. Выполнение на внутренней поверхности камеры разделения, по ее образующей, полукруглых пазов позволяет создать внутри высокочастотные колебания, т.к. при вращении потока с большой скоростью, в пазах, которые расположены перпендикулярно к потоку, создается зона пониженного давления и появляется аэродинамическая сила, направленная от оси по радиусу, которая складывается с центробежной силой. В результате периферийные слои перемещаются в радиальном направлении, при этом расширяются, однако при дальнейшем движении на выходе из паза они вновь сжимаются. Т.е. пристеночные слои вихревого потока подвергаются высокочастотному сжатию и расширению, что приводит к появлению термоакустического эффекта (повышению температуры среды под действием высокочастотных колебаний). Таким образом, выполнение пазов приводит к увеличению температуры горячего потока, и следовательно, к повышению эффективности устройства в целом.
Исследования, проведенные заявителем при испытании заявляемого устройства и вихревого устройства по а.с. [SU 1817403 А1 от 10.12.1987], показали, что при давлении 0.4 Мпа обеспечивается скорость вихревого потока до 200-250 м/с. Следовательно, например, при внутреннем диаметре 0.06 м и общем количестве пазов 8 шт. будет обеспечена частота колебаний около 8000 Гц, а амплитуда будет определяться глубиной пазов.
На фиг.1 изображена конструкция предлагаемой вихревой трубы, на фиг.2 - разрез А-А на фиг.1, на фиг.3 - разрез В-В фиг 1.
Вихревая труба содержит тангенциальное сопло с улиткой 1, камеру разделения 2 с пазом 3, диафрагму 4 с отверстием 5 для вывода холодного потока. Дроссель 6 с тангенциальными соплами 7, жестко соединенный с чашеобразным отражателем 8, в центре которого установлен цилиндрический выступ 9, имеющий тангенциальные сопла 10 и ступенчатое осевое отверстие 11 с раструбом 12, и неподвижными лопастями 13.
Вихревая труба работает следующим образом.
При подаче сжатого воздуха Q в улитку 1 он раскручивается и через тангенциальное сопло 14 поступает в камеру разделения 2, касательно к ее внутренней поверхности. При истечении из сопла 1 воздух начинает вращаться и одновременно перемещаться вдоль оси от соплового сечения к дросселю 6. В процессе вращения, под действием центробежных сил воздух прижимается к поверхности камеры разделения 2, в результате чего в осевой зоне создается пониженное давление. Пристеночный вихревой поток, перемещаясь к кольцевому дросселю 6, нагревается за счет различных видов трения, передачи тепла от охлаждающихся разряженных внутренних слоев к сжатым периферийным слоям, а также в результате воздействия высокочастотных колебаний, возникающих при взаимодействии потока с пазом 3 полукруглой формы, выполненным по образующей на внутренней поверхности камеры разделения 2. При взаимодействии с подвижными элементами (дросселем 6, чашеобразным отражателем 8 и цилиндрическим выступом 9) вихревой поток раскручивает их за счет энергии скоростного напора, а затем смещается в кольцевую полость цилиндрического дросселя 6, из которой истекает через тангенциальные сопла 7. Возникает реактивная сила, которая складывается с совпадающей по направлению, аэродинамической силой вихревого потока, увеличивая суммарный крутящий момент и число оборотов, в результате лопасти 13 всасывают атмосферный воздух, сжимают его в раструбе 12 и подают в осевое отверстие 11 и через сопла 10 в камеру разделения 2 с большим давлением. При обтекании наружной поверхности цилиндрического выступа 9 вектор скорости вихревого потока направлен по касательной, т.е поток стремится оторваться от поверхности, в результате в тангенциальных соплах 10 снижается давление, что увеличивает перепад давления по сравнению с атмосферой и улучшает процесс инжекции (всасывания) атмосферного воздуха Qд.
В процессе перемещения вихревого потока к дросселю 6 вследствие снижения его скорости давление в осевой зоне возрастает, что приводит к появлению градиента давления вдоль оси. В результате холодный разряженный воздух Qx начинает течь от чашеобразного отражателя 8 в сторону диафрагмы 4 и выходит через отверстие 5.
Использование энергии вихревого потока для повышения давления дополнительного потока и, как следствие, повышение термодинамической эффективности увеличивает к.п.д. устройства в целом.
Установка дросселя 6 с возможностью совместного вращения с чашеобразным отражателем 8 и цилиндрическим выступом 9 снижает их скорость относительно вихревого потока, что уменьшает перемешивание потоков на поверхности чашеобразного отражателя и повышает эффективность разделения горячего Qг и холодного Qх потоков.
Таким образом, выполнение вихревой трубы по заявляемому изобретению позволяет повысить температуру горячего потока, без использования дополнительной энергии, что обеспечивает повышение к.п.д. устройства в целом.
Вихревая труба, содержащая тангенциальное сопло с улиткой, камеру разделения, диафрагму, дроссель и чашеобразный отражатель, плавно сопряженный с расположенным в его центре цилиндрическим выступом, имеющим осевое отверстие, отличающаяся тем, что в боковой поверхности цилиндрического выступа имеются тангенциальные сопла, осевое отверстие в нем выполнено из двух ступеней, соединенных раструбом, причем в широкой ступени неподвижно установлены лопасти, дроссель выполнен в виде кольцевого цилиндра, во внешней поверхности которого имеются тангенциальные сопла, и установлен с возможностью совместного вращения с цилиндрическим выступом и чашеобразным отражателем, а на внутренней поверхности камеры разделения, по ее образующей, выполнены пазы полукруглой формы.
