Регулирование вихревых аппаратов

Рассмотрим специфику вихревого аппарата как объ­екта регулирования. Полезные сведения по этому вопро су содержат материалы, относящиеся к определению длительности пускового периода. Исследователи вихре­вой трубы в режиме максимальной температурной эф­фективности обычно утверждают, что она безынерцион­на. Действительно, выход на стационарный режим по температуре охлажденного потока происходит за 1—Зс. Это можно объяснить следующим. Выше обсуждался вопрос об отводе теплоты от периферийных слоев через стенки камеры разделения. Показано, что температура стенок практически не влияет на Тх при малых ц. Бла­годаря этому стационарное значение температуры ох­лажденного потока на входе в диафрагму устанавлива­ется практически мгновенно. Некоторое запаздывание стабилизации температуры потока в местах установки датчиков объясняется теплообменом воздуха со стенка­ми диафрагмы и инерционностью приборов.

При работе в режиме максимальной термодинами­ческой эффективности температура стенок камеры раз­деления заметно влияет на температуру охлаждаемого потока. Во время пуска наиболее интенсивен отвод теплоты от периферийных слоев к не успевшим про­греться стенкам камеры. Температурный режим стенок полностью устанавливается за несколько минут. Прак­тическая стабилизация температуры охлаждаемого по­тока происходит значительно раньше; это можно объяс­нить тем, что охлаждаемый поток и стенка камеры взаимодействуют через промежуточное звено — перифе­рийный слой газа. Это звено демпфирует любые откло­нения от стационарного режима работы.

Если не учитывать влияние побочных факторов, то можно утверждать, что стабилизация параметров ох­лаждаемого потока на выходе из камеры разделения происходит за несколько секунд, а параметров нагре­ваемого потока — за 1—3 мин. Справедливость такого утверждения подтверждают результаты испытаний вих­ревой трубы с непосредственным выходом охлаждаемо­го и нагреваемого потоков в атмосферу. Но в боль­шинстве случаев вихревые аппараты связаны с объек­тами охлаждения и нагрева протяженными трубопро­водами. Масса трубопроводов, охлаждаемых и нагре­ваемых объектов во много раз превосходит массу са­мого аппарата. Стабилизация температуры стенок ка­налов, в которые вытекает воздух из камеры разделе­ния, часто является длительным процессом. А от тем­пературы в каналах зависят потери на преодоление гид­равлических сопротивлений. Отклонения потерь от их стационарных значений вызывают изменение соотноше­ния расходов охлажденного и нагреваемого потоков и, следовательно, отклонения температуры воздуха в этих потоках от их стационарных значений. В связи с этим при включении вихревого аппарата в сложную систему трубопроводов полная стабилизация режимных параметров может продолжаться в течение десятков минут.

Из сказанного следует, что при проектировании сис­темы регулирования процессы, происходящие непо­средственно в камере разделения, всегда можно рас­сматривать как квазиустановившиеся. При этом следу­ет учитывать, что во время пускового и переходного режимов работы! давления на выходе охлаждаемого и нагреваемого потоков отличаются от стационарных зна­чений из-за отклонений гидравлических потерь на со­ответствующих участках трубопроводов. При расчете рассматриваемых режимов можно использовать харак­теристики, полученные при стационарном режиме рабо­ты и соответствующих давлениях. Длительность пуско­вого и переходного режимов зависит главным образом от массы трубопроводов и других подсоединенных к вихревому аппарату объектов. Пренебрежение массой самого аппарата не приводит к заметной ошибке в рас­чете. Исключение составляет расчет установок с много­ступенчатыми и многокаскадными вихревыми охлади­телями.! Такие установки включают массивные тепло­обменники, работающие при пониженных температурах.

На режим работы вихревого аппарата можно воз­действовать изменением давлений или площадей про­ходных сечений для потоков на входе и выходе из ка­меры разделения. Наиболее часто воздействуют на на­греваемый поток. В большинстве конструкций дрос­сель установлен непосредственно на камере разделения. Известны также конструкции, в которых площадь про­ходного сечения на выходе нагреваемого потока посто­янна. В таких конструкциях давление в потоке регули­руют дросселем, установленным на некотором расстоя­нии от камеры разделения. Именно воздействием на нагреваемый поток получены характеристики АТх = =Ыц) и А7г=/2(ц) • Значительно реже воздействуют на поток охлаждаемого воздуха. Так, А. П. Меркулов предложил способ регулирования, основанный на изме­нении площади проходного сечения диафрагмы. В ра­боте [16] описаны два варианта конструкции регули­руемых диафрагм. В одном из них диафрагма состоит из набора пластин и напоминает по конструкции диаф­рагму, применяемую в, фотоаппарате. По другому ва­рианту диафрагма изготовлена из эластичного материа­ла. Площадь проходного сечения изменяют регулирова­нием натяжения петли, накинутой на диафрагму.

Воздействие на поток воздуха на входе в камеру разделения обычно предусматривают для регулирования расхода сжатого воздуха. В частности, для этого уста­навливают дроссель-редуктор на трубопроводе перед соплом. При искусственном уменьшении давления перед соплом уменьшаются расход сжатого воздуха и пере­пад давлений, используемый в камере разделения. Наи­более экономичный способ регулирования основан на изменении площади проходного сечения сопл. Для это­го можно использовать многосопловой аппарат, подоб­ный по конструкции сопловым аппаратам турбины с регулируемым расходом. Опубликован ряд конструктив­ных вариантов сопловых аппаратов с регулируемой площадью проходных сечений. Предложены механиз­мы для изменения высоты или ширины соплового кана­ла. Заслуживает внимания рычажный механизм для из­менения высоты сопла [Пат. 1223595 (Англия)]. На наш взгляд, наиболее прост и достаточно эффективен спо­соб последовательного включения сопл одинакового и разного размера. И. J1. Лейтес предложил регулиро­вать расход газа введением дополнительного гидравли­ческого сопротивления в сопловые каналы.

Для наглядности дальнейших рассуждений на рис. 50 показана вихревая труба с регулированием рас­хода охлажденного потока газа воздействием на поток сжатого воздуха и на нагреваемый поток.

Рис. 50. Вихревая труба с одновременным регулированием расхода сжатого и охлажденного газов

В корпусе 12 вихревой трубы смонтированы сопло­вой аппарат 2 и камера энергетического разделения 3, в которой установлена регулирующая заслонка 4. Соп­ла 13 с различной площадью проходного сечения по­стоянно перекрываются клапанами 7 с пружинами 6. Штоки 10 клапанов 7 закреплены в жестких центрах мембран 8, установленных в крышках 11 приводов кла­панов. В кольцевую камеру 1, охватывающую сопловой аппарат 2, сжатый воздух поступает по трубке 9, сое­диненной также с приводом 5 заслонки 4.

При наибольшем расчетном давлении открыто одно из выполненных в аппарате 2 сопл 13. Если давление в сети снижается, то усилия на мембране 8 уменьша­ются и пружиной 6 открывается! клапан 7, пропуская воздух в дополнительное сопло. Одновременно привод 5 изменяет положение заслонки 4. Поскольку по ок­ружности аппарата 2 могут быть выполнены несколь­ко сопл, пружины клапанов которых настроены на от­крытие при различных давлениях, то клапаны совмест­но с заслонкой 4 могут обеспечить различные темпера­туру и расход охлажденного потока независимо от дав­ления на входе.

Выбор рациональных способов регулирования и ви­да исполнительного механизма зависит1 от конкретных условий. В качестве примера рассмотрим первую зада­чу—термостатирование. Допустим, что давление Ока­того воздуха постоянно. Тогда задача сводится к регу­лированию расхода и поддержанию постоянной тем­пературы воздуха на входе в термостат при переменной температуре сжатого воздуха. В данном случае разме­ры вихревого аппарата определяют из условия обеспе­чения работы установки при максимально высокой тем­пературе сжатого воздуха перед соплом Тс Max, т. е. из; условия обеспечения наиболее тяжелого режима рабо­ты. Обычно температуры окружающего и сжатого воз­духа совпадают., Следовательно, при Тс—Тс шах макси­мальны теплопритоки через стенки термостата. Ком­пенсация теплопритоков сопряжена с дополнительным увеличением расхода охлажденного воздуха через тер­мостат. Таким образом, при Тс = Тстах вихревой аппа­рату должен обеспечивать максимальные АТХ и расход охлаждаемого воздуха. Однако основную часть времени установка работает при ТС<ТСшах и, если нет системы регулирования, вихревой аппарат охлаждает воздух до температуры ниже требуемой на входё в термостат, а расход охлажденного воздуха больше необходимого для поддержания теплового режима внутри термостата..

В данном случае тепловой режим в термостате мож­но регулировать, не воздействуя на режим работы вих­ревого аппарата. Для этого необходимо снабдить уста­новку смесителем, в котором к охлаждаемому воздуху подмешивается часть нагретого. Такое устройство ши­роко распространено в авиационных системах конди­ционирования. Оно позволяет поддерживать постоян­ную температуру на входе в кондиционируемый объем при любых изменениях температуры потоков перед сме­сителем. Для регулирования расхода нужно предусмот­реть перепускную линию, через которую вытекает часть охлажденного потока в обход термостата. Такая уста­новка проста в изготовлении и надежна в работе. Ее недостаток заключается в том, что при уменьшении по­лезной холодопроизводительности расход сжатого воз­духа не только не уменьшается, а даже растет. В связи с этим основное назначение устройств, воздействующих на режим работы вихревого аппарата, состоит в сниже­нии расхода при уменьшенной холодопроизводительно­сти.

Наиболее простое и надежное устройство —регули­руемый дроссель, установленный перед соплом. При снижении температуры сжатого воздуха Тс уменьшают площадь проходного сечения дросселя: это снижает дав­ление перед соплом и уменьшает расход сжатого воз­духа. Следует отметить, что предлагаемые для этой цели устройства с вводом дополнительного гидравличе­ского сопротивления в сопло менее технологичны и ме­нее надежны в работе. Закон изменения давления перед соплом выбирают из условия обеспечения заданной тем­пературы воздуха на входе в термостат или заданного расхода охлажденного воздуха. В первом случае обя­зателен избыток охлажденного воздуха; для обеспече­ния постоянства его расхода необходима регулируемая заслонка для выпуска части воздуха в перепускную ли­нию. Во втором случае требуется дополнительный регу­лятор температуры. Для этого используют смеситель, в котором к охлажденному потоку добавляют сжатый воздух.

Во всех системах регулирования с изменением рас­хода сжатого воздуха через сопло в смеситель нужно подавать сжатый воздух. Подвод в смеситель нагрето­го воздуха после камеры разделения не уменьшает, а увеличивает суммарный расход сжатого воздуха через установку. Как уже отмечено, в рассматриваемой сис­теме одновременно с уменьшением расхода сжатого воздуха через аппарат снижается и перепад давлений в камере разделения. Для исключения этого недостатка нужно применять устройство, в котором расход сжато­го воздуха регулируется изменением площади проход­ного сечения сопла. При использовании такого устройст­ва достигается максимальная экономия сжатого возду­ха. Например, при уменьшении требуемого значения АТк в 3 раза удается сократить расход воздуха в 2,0— 2,2 раза. Но реализация устройства сопряжена с замет­ным повышением стоимости вихревого аппарата из-за необходимости применения сложных конструкций соп­лового аппарата и исполнительного механизма регуля­тора.

В системах регулирования воздействие на входящий в вихревой аппарат сжатый воздух нужно обязательно сопровождать воздействием на параметры нагреваемо­го потока. Применительно к рассматриваемой задаче при уменьшении расхода сжатого воздуха нужно умень­шать площадь проходного сечения дросселя на потоке нагреваемого воздуха. В противном случае система ре­гулирования может не дать положительного эффекта.

При больших колебаниях давления в пневмосети ос­новные размеры вихревого аппарата определяют из «ус­ловия обеспечения заданных параметров при минималь­ном давлении сжатого воздуха. Если нет системы регу­лирования, то при увеличении давления растет расход сжатого воздуха. Перепад температур ЛГХ сначала растет, а потом начинает уменьшаться. При некотором давлении прекращается рост холодопроизводительности. Затем она начинает уменьшаться, так как влияние уменьшения ДГХ превалирует над влиянием роста рас­хода. И если давление в 2—4 раза превышает расчет­ное, то возможен переход в «режим реверса», когда через диафрагму! вытекает не охлаждаемый, а нагре­ваемый поток. Такой переход может вызвать возникно­вение аварийной ситуации. Из сказанного следует, что при больших колебаниях давлений нерегулируемые ус­тановки потребляют избыточное количество сжатого воздуха. Для исключения аварийной ситуации необхо­димо ограничивать максимальное давление перед соп­лом.

Наиболее простой способ, который можно применять при колебаниях давления в сети, заключается в дрос­селировании сжатого воздуха перед соплом’. В частно­сти, независимо от давления в пневмосети можно под­держивать постоянное давление перед соплом. Тогда расход сжатого воздуха будет постоянным. Но наибо­лее экономичен способ, основанный на согласовании изменения площадей проходного сечения сопл и дрос­селя нагреваемого потока. Такой способ позволяет уменьшать расход при повышении давления в пневмо­сети.

Рассмотрим третью задачу, решение которой направ­лено на уменьшение длительности пускового периода установок. Такие установки используют для охлажде­ния камер, предназначенных для проверки! работоспо­собности устройств или периодического осуществления какого-либо технологического процесса при низких тем­пературах. Устройства или материалы выдерживают при температуре, близкой к минимально1 достижимой, с помощью вихревой трубы. Если суммарная масса всех охлаждаемых объектов велика, то время охлажде­ния до заданной температуры составляет основную
■часть технологического цикла. В этом случае рацио­нально использовать систему регулирования, воздейст­вующую на площадь проходного сечения одновременно и дросселя, и диафрагмы. Благодаря такому воздейст­вию вихревая труба обеспечивает максимально возмож­ную холодопроизводительность при любом текущем зна­чении температуры в камере охлаждения. В зависимо­сти от конкретных условий такая система регулирова­ния на 20—40% уменьшает длительность процесса ох­лаждения при практически неизменном расходе сжатого воздуха.

Известные способы регулирования и механизмы их реализации позволяют*, решать практически любые за­дачи. Однако уместно напомнить следующее обстоя­тельство. Сложная система регулирования лишает вих­ревой аппарат одного из его основных преимуществ — простоты изготовления. Цель применения сложной сис­темы— уменьшение расхода сжатого воздуха. При пе­риодическом использовании вихревого аппарата эконо­мия сжатого воздуха не влияет существенно на сум­марные затраты. Нельзя рассчитывать на большой эко­номический эффект от регулирования вихревого аппа­рата, использующего «бросовую» энергию. Не всегда рационально регулирование в установках, к надежно­сти которых предъявляют повышенные требования. В •связи с этим относительно редки случаи, когда приме­нение регулирования обязательно. Более того, при раз­работке установок с вихревыми аппаратами стремятся избегать применения регулирования, т. е. выбирают размеры и режимные параметры вихревого( аппарата таким образом, чтобы возможные отклонения темпера­тур и расходов потоков от их номинальных значений не выходили за пределы допустимых, не нарушающих нормальный режим работы термостатируемых объектов.