Этапы развития вихревых охладителей

Этапы развития вихревых охладителей

Простота конструкции, надежность и долговечность вихревых аппаратов являются теми качествами, кото­рые определили область применения вихревого эффекта
в технике. Однако низкий КПД существенно ограничи­вает область их рационального применения. В связи с этим поиск путей повышения эффективности — одна из главных задач почти всех исследовательских и опытно — конструкторских работ. Большое число эксперименталь­ных исследований проведено для выявления рацио­нальных геометрических соотношений вихревых труб, предназначенных для получения охлажденного воздуха. Результаты зтихі исследований используют при проек­тировании вихревых труб (см. гл. 2). Рассмотрим лишь те работы, цель которых состояла в поиске методов воз­действия на процессы в камере) разделения, отличаю­щихся от изложенных в работах Ж. Ранка.

Одно из первых и наиболее плодотворных предло­жений сделал А. П., Меркулов в середине 50-х годов.. Оно заключается в искусственном торможении вихре­вого потока на нагретом конце камеры разделения, которое, по гипотезе А. П. Меркулова, создает благо­приятные условия для формирования приосевого пото­ка, направленного к диафрагме, и, следовательно, по­зволяет, уменьшить длину камеры разделения. Кроме того, торможение увеличивает радиальный градиент тангенциальных составляющих скоростей в зоне интен­сивного энергообмена между закрученными потоками, т. е. приводит к повышению КПД.

Этот способ повышения, эффективности реализован в конструкции, показанной на рис. 13. На нагретом кон­це камеры разделения 1 установлена крестовина 8. Часть заторможенного потока формирует у торца кре-

7

Этапы развития вихревых охладителей

Рис. 13. Вихревая труба:

1 — камера разделения; 2 — корпус; 3 — улитка; 4 — диафрагма; 5 — гайка? 6 —сопло; 7 — регулировочная игла; в —крестовина

5 «

Рис. 14. Характеристики крестови­ны вихревой трубы с различными развихрителямк

Стовины приосевой поток, который при движении в сторону диафрагмы 4 взаи­модействует с периферий­ным закрученным потоком и охлаждается. Вторая часть нагретого потока покидает камеру разделения, вытекая через дроссель, регулируе­мый иглой 7. Эксперимен­тальные исследования пол­ностью подтвердили гипоте­зу. Установка крестовины позволила в 3—5 раз умень­шить длину цилиндрической камеры разделения. Одно­временно зафиксировано повышение КПД вихревых труб с крестовинами.

В дальнейшем устройства, предназначенные для торможения закрученного потока, стали называть раз — вихрителями. Предложенная А. П. Меркуловым кресто­вина является наиболее простым конструктивным реше­нием развихрителя.

Этапы развития вихревых охладителей

Влияние формы развихрителя исследовано В. А. Высочиным и В. А. Сафоновым [7]. Эксперименты про­ведены на аппарате с цилиндрической камерой разде­ления диаметром Do = 55 мм и длиной L=14Do. Испы­таны аппараты без развихрителя (рис. 14, кривая 1) и ■с тремя конструкциями развихрителей при одинаковой длине лопаток крестовины, равной 0,95Do — Установка в камере разделения развихрителя с цилиндрическим центральным телом диаметром d = 0,38Do привела к су­щественному повышению эффективности процесса (кри­вая 2).] При замене цилиндрического центрального те­ла коническим сток воздуха из периферийного потока превышал необходимый для формирования приосевого потока при (г<0,6. В результате уменьшился радиаль­ный градиент давлений в камере и снизилась эффектив­ность температурного разделения (кривая 3). Другая конструкция развихрителя отличалась от предыдущей тем, что на торце крестовины была установлена прямо­
угольная пластина в виде квадрата со стороной, рав­ной 0,36Д). На вихревой трубе такой конструкции дос­тигнут наибольший эффект разделения (кривая 4). Возможно, это объясняется уменьшением стока затор­моженного воздуха и пульсациями при обтекании газом прямоугольной пластины.

Приведенные материалы не позволяют сформулиро­вать достаточно четкие рекомендации по выбору конст­рукции развихрителя и не дают полной информации? о связи геометрических размеров развихрителя с режим­ными параметрами, формой и размерами камеры раз­деления. Ценность этих материалов заключается преж­де всего в том, что они наглядно иллюстрируют важ­ность поиска рациональной конструкции развихрителя. С одной стороны, увеличение стока газа приводит к смещению границы между периферийным и приосевым потоками в сторону больших радиусов, повышает эф­фективность турбулентного взаимодействия между по­токами. С другой стороны, оно уменьшает перепад дав­лений, необходимый для увеличения скорости движения газа в камере разделения, т. е. сокращает потенциаль­ные возможности протекания процесса разделения. В связи с этим выбор рациональной конструкции развих­рителя сопряжен с поиском компромиссного решения, учитывающего влияние обоих факторов. Пока недоста­точно изучена роль пульсаций, возникающих в развих — рителе. Не исключено, что генерация колебаний в оп­ределенном диапазоне частот является главным факто­ром повышения эффективности процесса.

Второй шаг на пути повышения эффективности ра­боты вихревой трубы сделан Гендалом в 1959 г. Он за­патентовал камеру разделения в виде усеченного кону­са с расширением в сторону дросселя. Результаты про­веденных им экспериментов показали, что применение конуса повышает КПД вихревого воздухоохладителя в 1,2 раза. В последующие годы проведены многочислен­ные экспериментальные исследования труб с кониче­скими камерами разделения. На базе этих исследова­ний по выбору рациональной геометрии получены реко­мендации, которые будут подробно рассмотрены в гл. 2. Здесь остановимся лишь на принципиальной стороне вопроса. ! Из материалов, приведенных в п. 1.1 (см. рис. 6 и 7), следует, что в конической камере разделе­ния созданы более благоприятные условия для форми-

Рования приосевого потока. Благодаря этому удается уменьшить длину камеры в 1,5—2 раза по сравнению с цилиндрической. В то же время кривые распределения скоростей свидетельствуют о более интенсивном энер­гообмене между приосевым и периферийными потоками в присопловой зоне. Это является одной из основных причин увеличенных значений КПД труб с коническими камерами разделения. Возможно, увеличению КПД спо­собствовало уменьшение доли кинетической энергии, те­ряемой из-за трения газа о стенки камеры.

Этапы развития вихревых охладителей

Рассмотренные способы повышения эффективности широко используют в современных конструкциях. Наи­более часто начальный участок камеры разделения вы­полняют в виде конуса, а конечный — в виде цилиндра. В конце камеры разделения устанавливают развихри — тель. Такие конструкции можно назвать типичными. В качестве примера использования этих способов в более сложных конструкциях рассмотрим трубу Парулейкара (рис. 15). Камера разделения 1 имеет три участка: пер­вый у сопла конический, второй — цилиндрический и третий — конический. , Первые два участка — обычные для наиболее распространенных современных конструк­ций. Отличительным признаком анализируемой конст­рукции является наличие третьего участка с увеличен­ной конусностью. Нагретый конец камеры разделения сопрягается с развихрителем 9, который выполнен в ви­де не крестовины, а канала прямоугольного сечения. Третье отличие от обычных конструкций — выполнение патрубка 8 вывода нагретого потока под углом 90° к

Этапы развития вихревых охладителей

Рнс. 15. Труба Парулейкара:

1 — камера разделения; 2 — конфузор; 3 — сопло; 4 — диффузор; 5 — патрубок ввода сжатого воздуха; 6 — соединительная гайка; 7 — игольчатый вентиль; 8 — патрубок вывода потока; 9 — развнхрнтель

Оси камеры разделения. Суммарное воздействие на процесс указанных конструктивных изменений анало­гично получаемому в развихрителях, выполненных в ви­де крестовины.

Конструктивными новшествами трубы являются так­же внутренняя коническая поверхность сопла 3 и уста­новка конфузора 2 между соплом и камерой разделе­ния. Для полезного использования кинетической энер­гии охлажденного потока использован диффузор 4— элемент, часто встречающийся в других конструкциях. При испытании трубы Парулейкара зафиксировано на­иболее высокое значение коэффициента температурной эффективности т = 0,7. Так, при степени расширения 8 = 9 температурный перепад ДГХ = 87 К. В публикуе­мых материалах нет оценки каждого конструктивного изменения в отдельности.

Третий метод повышения эффективности заключает­ся в отводе теплоты от стенок камеры. Первая работа в этом направлении выполнена Е. Н. Оттеном в 1957 г.—- исследование конической вихревой трубы с охлаждае­мыми стенками. Наиболее глубокие исследования влия­ния охлаждения на процесс энергетического разделения проведены В. М. Бродянским и А. В. Мартыновым [15]. Стенки охлаждали водой. Давление сжатого воздуха пе­ред соплом изменялось от 0,4 до 0,58 МПа. Установлено, что коэффициент теплоотдачи от газа к стенке изменяет­ся от 1100 Вт/(м2’К) в начальных сечениях до 250 Вт/ /(м2’К) на нагретом конце охлаждаемого участка каме­ры разделения. Зона наиболее интенсивного теплообме­на совпадает с зоной повышенных значений разности температур газа и стенки. В результате 40—50% полу­ченной водой теплоты передается через часть стенки ка­меры, составляющую 20% всей охлаждаемой поверхно­сти. Отсюда следует, что увеличением длины охлаждае­мой камеры разделения нельзя существенно увеличить количество теплоты, отводимой от газа к охлаждающей Среде.

Сравнением характеристик охлаждаемых и неохлаж — даемых вихревых труб авторы работы [15] установили, что различие их КПД возрастает с увеличением р. Это обстоятельство они объясняют с позиции гипотезы кон­вективного теплообмена. В экспериментах с увеличением р. возрастала разность температур газа и стенки на на­чальном участке камеры разделения. В рамках этой ги-

Потезы трудно объяснить тот факт, что КПД всегда мак­симален при |Л<1. Значение охлаждения можно правиль­но оценить, используя гипотезу взаимодействия вихрей. С увеличением |х уменьшается толщина периферийного потока. Во всех случаях это сопровождается увеличени­ем коэффициента теплоотдачи от газа к стенке. В неох — лаждаемых трубах увеличение |х сопровождается ростом температуры газа в периферийном слое по всей длине камеры разделения. Это вызвано увеличением энергии, передаваемой от приосевого потока к периферийному. Охлаждение стенок практически не вызывает изменения температуры газа в периферийном слое соплового сече­ния. Периферийный поток получает энергию от приосе­вого и отдает ее охлаждающей среде. Приосевой поток движется навстречу периферийному. При дви­жении частица газа приосевого потока вначале взаимо­действует с наиболее охлажденным газом периферийно­го потока, потом — с наименее охлажденным, т. е, ох­лаждение стенок сопровождается уменьшением энергии, передаваемой от приосевого потока к периферийному.

Различие температур газа у стенок! охлаждаемой и Неохлаждаемой камер разделения объясняется отводом теплоты через стенку и уменьшением энергии, подводи­мой от приосевого потока. Напомним, что энергообмен наиболее интенсивен в сечениях, близких к сопловому, где периферийный поток не успевает охладиться за счет отвода теплоты через стенку в охлаждающую среду. Ос­новные изменения температурного режима происходят только из-за того, что приосевой поток формируется из газа, охлажденного в периферийном потоке в удаленных от сопла сечениях. При небольших значениях jj, мал рас­ход газа в приосевом потоке. В связи с этим пониженная температура последнего не приводит к заметному изме­нению поля температур в близких к соплу сечениях, т. е. при малых |х охлаждение стенок камеры не может при­вести к существенному снижению температуры охлаж­денного потока.

С увеличением |х до некоторого предела растет влия­ние охлаждения на поле температур вблизи соплового сечения. Затем влияние охлаждения начинает умень­шаться; это объясняется тем, что увеличивается доля газа, поступающего из периферийного потока в приосе­вой на участках, близких к соплу. В результате повы­шается среднемассовая температура приосевого потока.

Следовательно, при любой эффективности охлаждения стенки камеры КПД всегда максимален при |х<1. По этой же причине длину камеры разделения рациональ­но увеличивать до определенного предела. Для под­тверждения этого на рис. 16 показано изменение разностей между термодинамическими температурами периферийного и приосевого потоков и начальной тем­пературой сжатого газа по длине камеры разделения с охлаждением и без охлаждения стенок [15]. Если для охлаждения используют воздух, то обычно оребряют наружную поверхность стенки камеры. Для интен­сификации теплообмена применяют обдув от посторон­него источника или от эжектора, в котором используют избыточное давление нагретого потока. Проводят раз­личные исследования, направленные на интенсифика­цию теплообмена с внутренней поверхностью стенки ка­меры разделения. При этом улучшают циркуляцию пери­ферийного потока на нагретом конце, иногда оребряют внутреннюю поверхность стенок. Наиболее интересные конструктивные решения охлаждения приведены далее при анализе конструкций вихревых аппаратов.

Известны работы, в которых предложено охлаждать камеру разделения за счет испарения подаваемой в нее жидкости. В этом случае можно многократно увеличи­
вать тепловой поток от газа к охлаждающей среде, но не получить положительного эффекта. Последнее объ­ясняется тем, что пары жидкости из периферийного по­тока перетекают вместе} с газом в приосевой. При ох­лаждении пары конденсируются, что приводит к умень­шению ДГх, т. е. существует оптимальный расход жид­кости, впрыскиваемой или нагнетаемой чере3( поры в камеру разделения. Если расход больше оптимального, то отрицательное воздействие конденсации паров в при- осевом потоке превалирует над положительным эффек­том от снижения температуры в периферийном потоке. Рассматриваемый способ охлаждения рационально при­менять лишь в редких случаях.

Для повышения эффективности вихревых труб А. П. Меркулов и Ш. А. Пиралишвили в 1969 г. предложили вводить в камеру разделения дополнительный поток сжатого воздуха от постороннего источника. А. И. Гуляев использовал ввод дополнительного потока для доказательства справедливости гипотезы конвек­тивного теплообмена, а А. П. Меркулов и Ш. А. Пира­лишвили рассматривали этот метод с позиций гипоте­зы взаимодействия вихрей. Они показали, что при боль­шой массовой доле fi 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 КПД. Справедливость выводов авторы подтвердили экспериментами, проведенными на конических трубах с углом конусности 6°, относитель­ной длиной камеры разделения L= 1…3 и диаметром соплового сечения А> = 30 мм. Получен максимальный КПД г| = 0,32. Оптимальному значению КПД соответст­вовало |х>1. Для определеиия КПД предложена зави­симость:

Т! = цД7у(ДГ, + (ідДГЗД), (14)

Где (j, a=GA/Gc — массовая доля дополнительного пото­ка и Gc — расход соответственно дополнительного потока и сжатого газа через сопло); ДТ5Д—перепад температур, возникающий при изоэнтропийном расши­рении газа от давления дополнительного потока до дав­ления охлажденного потока за диафрагмой.

Рис. 17. Конструктивная схема вихревой трубы Ш. А. Пнралиш — внлн

Несколько позже Ш. А. Пиралишвили и В. Г. Ми­хайлов исследовали кониче­скую вихревую трубу, на на­гретом конце которой был установлен щелевой диф­фузор (рис. 17). Дополнительный поток поступал от постороннего источника сжатого воздуха. Диаметр тру­бы в_ сопловом сечении Do=30 мм, относительная дли­на L = 3, относительная площадь проходного сечения сопла /7С = 0,03. Исследовано влияние размеров трубки ввода дополнительного потока на эффективность вих­ревого охладителя. Наилучшие результаты получены при относительном диаметре трубки, равном относи­тельному диаметру диафрагмы (£)Д = 1)х=0,7). При этом относительная длина находящегося в камере раз­деления участка трубки £д=0,33. КПД охладителя (г| = 0,38) на 40% превышал значения, полученные дру­гими исследователями на лучших конструкциях того времени.

Другой метод повышения эффективности вихревых воздухоохладителей предложил В. И. Метенин в 1964 г. Однако недостаточно убедительное объяснение причин повышения КПД помешало своевременному признанию метода инженерами и учеными, занятыми разработкой и исследованием вихревых аппаратов. Рассмотрим конструкцию вихревой трубы, созданной В. И. Мете — ниным (рис. 18). От известных ранее конструкций она отличается тем, что на нагретом конце камеры разде­ления установлены сетка 2, и лопаточный диффузор 3. Эти элементы позволили уменьшить относительную дли­ну камеры разделения до Ь = 3. При степени расшире­ния е=5 и |х = 0,3 коэффициент температурной эффек­тивности Г1т = 0,59, при м — = 0>!5—г)т = 0,46, при |х = 0,6 — —гіт=0,3б. В дальнейшем получено максимальное значе­ние пт=0,64.

Этапы развития вихревых охладителей

В рассмотренной конструкции сетка выполняет роль развихрителя. Основное отличие от предыдущих конст-

Рис. 18. Вихревая труба В. И. Метенина:

/ — патрубок нагретого потока: 2— сетка; 3— лопаточный диффузор; 4 — Вихревая камера; 5 — сопло; 6 — диафрагма; 7 — патрубок охлажденного по­тока; 8 — диск

Рукций заключается в том, что развихритель заторма­живает только часть периферийного потока. Нагретый поток) отводится в лопаточный диффузор незатормо­женным. По нашему мнению, основной причиной повы­шенных значений КПД вихревого аппарата В. И. Ме­тенина является то, что сетка затормаживает только внутренние! слои периферийного потока, передавшие значительную часть своей энергии наружным слоям, т. е. приосевой поток формируется из газа с понижен­ной температурой торможения. Справедливость такого заключения подтверждаю^ приведенные выше экспери­ментальные материалы, которые свидетельствуют о рез­ком снижении коэффициента температурной эффектив­ности при увеличении 1-і; соответственно снижается и КПД, который максимален при значениях несколько меньших зафиксированных в экспериментах на других конструкциях.

Влияние сетки и диффузора на процесс разделения иллюстрирует изменение тангенциальной и} осевой сос­тавляющих скоростей [17, 27]. На рис. 19, а приведены эпюры скоростей, полученные для конической трубы с диффузором на нагретом конце при плоской торцовой стенке камеры. Сравнение с рис. 8 показывает, что ус­тановка диффузора привела к увеличению тангенциаль­ной составляющей скорости и сдвигу ее максимального

Этапы развития вихревых охладителей

Рис. 19. Кривые изменения окружной w% и осевой ша составляю­щих скорости в вихревой камере: а — с плоской торцовой стенкой; б — с сеткой

А) 5)

Значения в сторону меньших радиусов. Результатом та­кой перестройки вихря было возникновение зоны пони­женного давления у оси камеры, что использовано В. И. Метениным и его учениками в вихревых вакуум­ных насосах новых типов. Но в охладителях это явле­ние отрицательно влияет на процесс энергетического разделения, так как разрежение затрудняет формиро­вание приосевого потока.’ Сопоставление рассматривае­мых кривых с изменением осевой составляющей скоро­сти показывает, что вытекающий через диафрагму ох­лажденный поток обладает большой кинетической энер­гией. Процесс энергетического разделения в такой конструкции малоэффективен.

На рис. 19, б показано изменение составляющих ско­ростей в конической камере разделения с диффузором и сеткой на нагретом конце. Установка сетки создала благоприятные условия для формирования приосевого потока.

Введение заторможенного сеткой газа в центр при­осевого вихревого потока привело к смещению макси­мума тангенциальной составляющей скорости в сторо­ну больших радиусов. В результате уменьшилась кине­тическая энергия и, следовательно, понизилась темпе­ратура вытекающего через диафрагму охлажденного потока.

С одной стороны, приведенные кривые полезны для понимания роли диффузоров и сеток или других раз — вихрителей, устанавливаемых на нагретом конце каме­
ры разделения. С другой стороны, они свидетельствуют о необходимости более тщательного изучения взаимо­связи параметров диффузора, размеров сеток-развихри — телей и доли (а охлажденного потока. Завышенное ко­личество заторможенного сеткой газа может привести к уменьшению КПД из-за уменьшения перепада давле­ний в камере разделения. Несоответствие размеров диффузора расходу нагретого потока связано с пере­теканием в приосевой поток газа с повышенной темпе­ратурой. Опубликованные в настоящее время материа­лы недостаточны для четкого понимания затронутого вопроса.

В 1971 г. А. Д. Суслов и А. В. Мурашкин’ для по­вышения эффективности вихревых воздухоохладителей предложили рациональное использование энергии нагре­того потока. Работы в этом направлении были начаты в МВТУ им. Н. Э. Баумана в конце 60-х годов. Было создано пять типов воздухоохладителей, различающих­ся схемой циркуляции и степенью использования энер­гии потока. Схемы этих конструкций (рис. 20) доста­точно полно характеризуют возможности рассматривае­мого пути повышения эффективности.

В вихревом воздухоохладителе, схема которого пред­ставлена на рис. 20, а, сжатый воздух поступает в соп­ло основной вихревой трубы 1. Давление нагретого по­тока повышается в диффузоре 2. Часть потока или весь поток (Gr) направляется в холодильник 3. Остальная часть G’г выбрасывается в атмосферу. Охлажденный воздух поступает в сопло дополнительной трубы 4′ ус­тановленной на торцовой’ стенке камеры разделения ос­новной трубы. Рассматриваемый воздухоохладитель со­держит две вихревые трубы, соединенные общим диффу­зором. Основная труба противоточная, вспомогательная прямоточная. Вспомогательную трубу также можно пе­ревести в противоточный режим работы, если снабдить ее диафрагмой и отводить охлажденный поток G/’ к по­требителю, работающему при промежуточном значении температуры охлаждения.

Повышение эффективности работы достигнуто ох­лаждением циркулирующего потока в обособленном теплообменнике (т. е. сняты ограничения по теплопере — дающей поверхности), повышением давления в диффу­зоре и использованием перепада давлений в дополни­тельной вихревой трубе.

Этапы развития вихревых охладителей

Этапы развития вихревых охладителей

Рис. 20. Конструктивные схемы вихревых воздухоохладителей

МВТУ

Этапы развития вихревых охладителей

Этапы развития вихревых охладителей

При испытаййи зафиксирован КПД, в 1,2 раза пре­вышающий КПД обычных вихревых труб. Следует от­метить, что охладители, выполненные по схемам на рис. 20, а, б, в, не имели рубашек для’ охлаждения сте­нок камер разделения. Охлаждение стенок камер рас­сматривали как резерв для дальнейшего повышения КПД. В образцах, у которых дополнительная труба имела те же размеры, что и основная труба, нормаль­ный режим работы сохранялся в узком диапазоне из­менения параметров воздуха на входе в сопловые ап­параты. За границами этого диапазона дополнительная труба работала как своеобразный развихритель вихре­вого потока. Температура охлажденного потока в до­полнительной трубе повышалась до Т/>Т0. При за­крытой диафрагме, когда дополнительная вихревая тру­ба должна работать в режиме прямотока, уменьшался КПД. При уменьшении доли охлажденного потока ос­
новной трубы до (х = 0,3…0,4 КПД уменьшался до зна­чений, характерных для вихревых труб обычных конст­рукций.

Охладитель другого типа изготовлен по схеме, по­казанной на рис. 20, б, и отличается от| предыдущего наличием сеток-развихрителей 5, установленных на гра­нице вихревых труб. Трубы обмениваются заторможен­ными потоками воздуха. Благодаря этому расширен диапазон изменения параметров нормального режима работы дополнительной вихревой трубы. Второй причи­ной повышения эффективности следует считать интенси­фикацию энергообмена между приосевым и периферий­ным потоками в основной вихревой трубе. Испытания охладителей этого типа проводили только для подтверж­дения факта, что установка сетки-развихрителя приво­дит! к повышению КПД. Одновременно результаты эк­спериментов явились одним из наиболее убедительных подтверждений справедливости гипотезы взаимодейст­вия вихрей.

Охладители третьего типа (рис. 20, в) отличаются от рассмотренных тем, что дополнительная вихревая тру­ба подсоединена к основной охлажденным концом. Та­кая схема обеспечила стабильную работу дополнитель­ной трубы, улучшение условий входа нагретого потока основной трубы в диффузор и повышение КПД в 1,34 раза в сравнении с КПД охладителей первого типа. Максимальный значения КПД получены при доле ох­лажденного потока (1 = 0,75. Проведено испытание охла­дителя с выключенным холодильником 3. При этом тем­пература газа после диффузора снижалась только за счет конвективного теплообмена соединительных трубок с окружающим воздухом. Как показали испытания, температура нагретого потока на выходе из дополни­тельной вихревой трубы всегда была выше температу­ры его в трубах обычной конструкции. Следовательно, такой тип охладителя рационально использовать и в тех случаях, когда исключена возможность охлаждения циркулирующего потока воздуха и стенок камер разде­ления.

Четвертый тип охладителей (рис. 20, г) принципи­ально отличается от рассмотренных. Циркулирующий поток после холодильника 3 подводится в трубку 6 торец которой расположен на расстоянии 1—2 мм от сетки-развихрителя 5. В некоторых образцах конец трубки выполняли в виде конуса, обращенного своим основанием к сетке. В охладителях такого типа перепад давлений между диффузором и приосевым потоком ка­меры разделения затрачивался только на преодоление гидравлических сопротивлений холодильника и подсое- динительных трубок. Область наиболее высоких КПД (0,34—0,35) зафиксирована при 0,82<ц,<0,90. Как и в охладителях рассмотренных типов, в опытных образ­цах! не использованы все возможности для повышения КПД. В программу испытаний не входило определение оптимальных размеров сетки и расхода в циркуляцион­ной линии. Давление за диффузором регулировали вен­тилем на трубопроводе для выпуска части нагретого по­тока Gр. Охладители такого типа принципиально мож­но создавать и на меньшие значения ц, уменьшая диа­метр сетки-развихрителя. Во всем возможном диапазо­не значений fx КПД охладителя выше, чем у вихревой трубы В. И. Метенина, так как в приосевой поток ка­меры разделения подводится предварительно охлаж­денный воздух.

Отличительным признаком охладителя пятого типа (рис. 20,5) является то, что они не имеют сеток-раз — вихрителей, а снабжены эжектором 7, удаляющим за­торможенный поток из конфузора 4. Конфузор выпол­няет роль развихрителя не попавшего в диффузор воз­духа. Одновременно конфузор предназначен для отвода теплоты к охлаждающей среде. При испытании охлади­тель вместе со змеевиковым теплообменником был по­гружен в сосуд с проточной водой. Максимальный КПД (0,42) в 1,5 раза превышает КПД известных охлаждае­мых вихревых труб. Резервы для увеличения КПД зак­лючены прежде всего в повышении эффективности ра­боты эжектора. В экспериментальных образцах был ис­пользован эжектор примитивной конструкции. Повыше­ние кратности эжекции интенсифицирует работу конфу­зора как развихрителя и одновременно увеличивает по­ток теплоты от воздуха к охлаждающей среде через стенки конфузора. Второй резерв повышения КПД — создание благоприятных условий входа нагретого пото­ка в диффузор; это позволит увеличить перепад давле­ний в эжекторе.

В 1973 г. А. И. Азаров [1, 2] предложил пульсирую­щий выпуск нагретого потока с частотой пульсации в несколько десятков герц. Повышение КПД охлаждае­мых вихревых труб он объяснил интенсификацией теп­лообмена между газом и стенками камеры разделения. А. И. Азаров ввел понятие коэффициента повышения энергетической эффективности. Для расчета этого коэф­фициента при 0,60<}х<0,85 и 1,9<е<5,1 он предложил зависимость

Ь = Лп/Лс= 1,6ц°’6е-°’16, (15)

Где т)п и г]с — адиабатный КПД охлаждаемой вихревой трубы соответственно с пульсирующим и стационарным нагретым потоками.

То обстоятельство, что коэффициент повышения эф­фективности зависит от ц0,6, трудно объяснить измене­нием коэффициента теплоотдачи от воздуха к стенке. Не согласуется это также с результатами исследований влияния акустических колебаний на теплообмен газа со стенкой при турбулентном режиме течения. По мне­нию авторов, рост КПД следует объяснить влиянием пульсаций на процесс энергетического разделения, т. е. на интенсивность энергообмена между приосевым и периферийными потоками. Этот вывод хорошо согласу­ется с тем, что применение развихрителей позволило не только’ уменьшить длину камеры разделения, но и по­высить эффективность вихревых труб. При торможении в развихрителе неизбежно возникают пульсации, кото­рые интенсифицируют процесс энергоразделения. В тру­бе Парулейкара отвод нагретого потока под прямым уг­лом к оси вихря неизбежно порождает интенсивные пульсации. Следует заметить, что с позиции гипотезы взаимодействия вихрей процесс энергоразделения осно­ван на пульсациях частиц газа в радиальном направле­нии. В связи с этим увеличение интенсивности пульса­ции нужно считать одним из перспективных путей по­вышения КПД вихревых аппаратов.

Ваш отзыв

Рубрика: Вихревые аппараты

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *