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.