Несмотря на относительно низкую энергетическую эффективность процесса вихревого температурного разделения газов в ряде случаев целесообразно применять вихревые холодильно-нагревательные аппараты. Эта целесообразность обусловлена следующими особенностями рабочего процесса и конструкции аппарата.
В вихревой трубе возможно одновременное осуществление нескольких процессов, например охлаждение и нагревание газа, охлаждение и осушка или очистка холодного газа и т. п. Реализация этих процессов в одном аппарате позволяет упростить установку, а в некоторых случаях снизить дополнительные затраты энергии, например электрической, на нагрев газа.
2. Рабочим телом вихревой трубы может быть практически любой газ или смесь газов, а также многофазные смеси. Давления исходного рабочего тела, а также вырабатываемых охлажденного и нагретого потоков мо: гут быть различными (от десятков килопаскалей до десятков мегапаскалей), а расход перерабатываемого газа может составлять от долей до сотен тысяч кубических метров в час.
3. Небольшие размеры и масса в ряде случаев являются определяющими критериями преимущественного применения вихревого аппарата. Эти качества позволяют создавать не только компактные, легко транспортируемые, но в некоторых случаях и экономичные установки. Вихревую трубу можно размещать рядом с охлаждаемым объектом, а иногда непосредственно включать в конструкцию устройства или системы с охлаждаемыми элементами. Источник сжатого рабочего тела можно располагать на значительном (более сотни метров) расстоянии от объекта (в системах термостатирования с холодильной машиной такой возможности нет; при этом потери холода на трассе охлажденного газа требуют увеличения холодопроизводительности установки).
4. В некоторых случаях высокая надежность работы в сочетании с простотой обслуживания (в том числе, регулирования) являются определяющими факторами при выборе холодильного аппарата. Здесь преимущества вихревой трубы несомненны. Простота конструкции, отсутствие подвижных деталей, сложных уплотняющих элементов1 определяют высокую надежность работы в тяжелых условиях эксплуатации. Практически показатели надежности вихревой трубы соизмеримы с их значениями для арматуры газовых систем.
5. Немаловажные преимущества вихревых аппаратов (короткий пусковой период, низкая стоимость изготовления и простота обслуживания) определяют экономичность установки.
Однако серьезным недостатком вихревой трубы является относительно низкая термодинамическая эффективность происходящего в ней процесса энергетического разделения; поэтому при использовании вихревой трубы в составе холодильно-нагревательных установок стремятся к максимальной утилизации энергии вырабатываемых вихревой трубой потоков. .
Рассмотрим некоторые широка используемые способы повышения эффективности вихревых установок [16].
При работе вихревого холодильно-нагревательного аппарата холод и теплота, создаваемые аппаратом, неполностью используются для охлаждения или нагревания объекта. В связи с этим целесообразно, используя принцип регенерации, передать часть неиспользованных холода и теплоты сжатому газу. При этом! возможно снижение температуры охлажденного или повышение температуры нагретого потока при |N = Const, либо увеличение расходов потоков при Rx=Const или 7V = Const.
Принципиальные схемы регенеративных холодильно — нагревательных установок приведены на рис. 67. Сжатый газ проходит теплообменник 1, где) охлаждается (рис. 67, а) или нагревается (рис. 67,6) потоком охлажденного или нагретого газа, выходящего из термокамеры 3. Далее сжатый газ поступает в вихревую трубу 2, где разделяется на охлажденный и нагретый потоки. Один из них (в зависимости от назначения установки) направляется в| термокамеру, а оттуда в теплообменник сжатого газа. Охлажденный поток из теплообменника 1 можно подавать на охлаждение камеры разделения вихревой трубы (рис. 67,в).
|
6) |
6) |
А) |
Г) |
Рис. 67. Схемы регенеративных холодильно-нагревательных уста
Новок:
А — холодильная установка; б — нагревательная установка; в— холодильная установка с охлаждаемой вихревой трубой; г — двухступенчатая холодильная
Установка
Во многоступенчатых установках нагретый поток последующей вихревой трубы часто имеет температуру ниже температуры сжатого газа, поступающего в предыдущую вихревую трубу. Тогда для охлаждения сжатого газа перед предыдущей трубой используют и нагретый поток последующей вихревой трубы. Например, нагретый поток последующей вихревой трубы 4 (рис. 67, г) поступает в теплообменник 1 для охлаждения сжатого газа, направляемого в последующую трубу 2.
Особенностью регенеративных циклов с вихревой трубой является то, что на регенерацию (за исключением случая применения охлаждаемой вихревой трубы при Ц=1)’ направляются потоки в количестве ц (охлаждение) или (1 — |и) (нагрев) от расхода сжатого газа. Это ограничивает уровень достижимых температур охлажденного и нагретого потоков. При анализе регенеративного цикла’ удобно пользоваться выражением для относительной температуры охлажденного и нагретого потоков, полученным А. П. Меркуловым для идеализированной установки с противоточным теплообменником. Принято, что гидравлические; сопротивления в элементах схемы пренебрежимо малы и теплоемкость рабочего тепла Cp = Const [16]. Тогда
S-fr+’Ofe-‘P (70>
Здесь П=1 —ц; Л/х= (ЛТк. х + ЛТт. х)/Т0 — холодопроизво — дительность цикла (где АТК. Х = ТК — ТХ, АТт. х = Т0 — Тт);
6х= 1 ~т]т[1 -(-)№-‘)/*]; Nr= (АТк. г+АТт. г)/Т0 — тепло — Є
Производительность цикла (АТК. Г=ТГ—ТК, АТтг = Тт— — Т0); То, Тк, Тт — температура соответственно сжатого воздуха на входе в теплообменник, охлажденного (или нагретого) потока на входе и выходе из теплообменника.
При отсутствии теплосъема в камере и идеальной рекуперации в теплообменнике N=0. В этом случае достигаются минимальная температура Тх и максимальная температура Тт. Можно показать [16], что при N=0 при охлаждении температура нагретого потока равна температуре сжатого газа (Гг = Г0), а при нагреве температура охлажденного потока равна Т’%=Т0. В связи с этим предельные температурные эффекты в регенеративном цикле достигаются при максимальном эффекте температурного разделения газа в вихревой трубе
(АТт)™х = Т,-ТІ (72)
В реальном цикле (N>0) с ростом холодо — или тепло — производительности повышается температура охлаждаемого потока или снижается температура нагреваемого потока на входе в камеру. В холодильном цикле это влияние с ростом параметра р возрастает, а при нагреВе— снижается. В регенеративном цикле температура сжатого газа повышается с ростом р, а разность температур уменьшается. Так как наибольший эффект вихревого температурного разделения сжатого газа (разность Тг—Тх), определяющий значения (ДГх)рег и (ДТг)рег, достигается при больших р, то естественно различное влияние, например, недорекуперации в теплообменнике на эффекты охлаждения и подогрева. В режиме подогрева, особенно при высоком заданном значении Тг, подогрев газа происходит в основном в вихревой трубе и роль теплообменника невелика. Наоборот, при охлаждении регенерация холода существенно влияет на эффект охлаждения. В связи с этим необходимо тщательно подходить к выбору теплообменника и ус — гранению потерь холода в окружающую среду.
Другой способ повышения эффективности вихревых холодильных установок — утилизация энергии нагретого потока. Эту энергию стремятся использовать в таких же простых устройствах, как и вихревая труба, например в эжекторе. Эжектор может быть включен в схемы с охлаждаемой вихревой трубой для прокачки газообразной охлаждающей среды через рубашку камеры разделения (рис. 68,а). При этом эжектор, как правило, является составной частью конструкции вихревой трубы. Однако большего эффекта можно достичь, используя давление нагретого потока для эжекции охлажденного потока. В этом случае нагретый поток из вихревой трубы 2 (рис. 68, б) подается в сопло эжектора 4, который по линии эжектируемого газа соединен через теплообменник 1 с термокамерой 3. Возможно сочета-
Рис. 68. Схемы утилизации энергии нагретого потока: а — прокачка охлаждающей среды; б — эжекция охлажденного потока
Ние обоих способов утилизации энергии нагретого потока, когда охлажденный поток после теплообменника подается для охлаждения камеры разделения вихревой трубы.
Утилизация энергии нагретого потока для эжекции охлажденного потока может иметь двоякий эффект. Во — первых, при заданном давлении сжатого рабочего тела уменьшается давление охлажденного потока и, следовательно, повышается степень расширения Є газа, что приводит к росту эффекта охлаждения АТх. Во-вторых., если располагаемая степень расширения оптимальна для заданных условий работы, то возможно снижение давления рабочего тела рс при е=Const. В этом случае при использовании автономного источника сжатого газа уменьшаются затраты энергии. Следует, однако, заметить, что снижение давления рс приводит к ухудшению работы эжектора [16].
Недостатком струйного эжектора является его чувствительность к изменению расхода, давления и температуры эжектирующего газа, поэтому, как правило, применяют эжекторы с суживающимся реулируемым соплом. Однако и при этом необходимы проверочные расчеты эжектора на все режимы работы вихревой установки.
I 2 л / |
6) |
В вихревых холодильных камерах и термостатах, как правило, используют оба способа повышения эффективности установок. Принцип регенерации и утилизации энергии нагретого потока впервые был разработан и применен в холодильных камерах и термостатах, созданных под руководством А. П. Меркулова в Куйбышевском авиационном институте (КуАИ) [16]. Холо
дильные камеры типа ХК содержат силикагелевый осушитель сжатого воздуха и трубчатый теплообменник со встроенной в него вихревой трубой, которая со стороны выхода охлажденного потока сообщается с холодильной камерой. Камера разделения вихревой трубы со стороны выхода нагретого потока выполнена в виде суживающегося сопла эжектора, полость низкого давления которого сообщается с межтрубным пространством теплообменника. Сжатый и осушенный воздух проходит по трубкам теплообменника и поступает в вихревую трубу, где разделяется на охлажденный и нагретый потоки. Охлажденный поток подается в холодильную камеру, откуда через межтр’убное пространство теплообменника эжектируется нагретым потоком воздуха.
В вихревых термостатах возможно попеременное создание в термокамере повышенной или пониженной температуры. В первом случае в камеру направляют нагретый поток воздуха, а во втором — охлажденный.
В вихревых термостатах типа ВТ, разработанных в КуАИ, также реализуется принцип регенерации теплоты и холода и утилизации энергии нагретого потока для эжекции охлажденного потока. Интересна конструкция вихревого термостата ВТ-4 с двумя вертикально расположенными вихревыми трубами, имеющими общий патрубок для вывода охлажденного потока и общую диафрагму. Верхняя вихревая труба со стороны выхода нагретого потока соединена с межстенным пространством термокамеры. В режиме охлаждения сжатый и охлажденный в теплообменнике воздух поступает в нижнюю вихревую трубу, где разделяется на охлажденный и нагретый потоки. Охлажденный поток проходит через камеру разделения верхней вихревой трубы, подается последовательно на охлаждение термокамеры и в теплообменник сжатого воздуха, а затем эжектируется нагретым потоком. В режиме обогрева сжатый воздух подается в верхнюю вихревую трубу. Для этого блок вихревых труб вертикально перемещают относительно места ввода в него сжатого воздуха. Нагретый поток из вихревой трубы подается для обогрева термокамеры и сжатого воздуха в теплообменнике, а далее поступает в эжектор для вывода охлажденного потока, который проходит через камеру нижней вихревой трубы. Такая конструкция позволяет упростить схему разводки трубопроводов охлажденного и нагретого потоков и исклю-
0,1 0.2 0,3 4* 0,5 рс, МПа 4) |
Рис. 69. Характеристики Г* (кривая 1), Vc (кривая 2) и Тг (кривая 3):
А — холодильной камеры ХК-3 (VK=0,01 м3); б — термостата ВТ-1 (VK=
= 0,0337 м3)
Чить переключающую арматуру, что снижает тепловые и гидравлические потери в трактах термостата.
В КуАИ разработан ряд вихревых камер и термостатов с объемом термокамер от 0,01 (ХК-3) до 1 м5 (ВТ-5). На рис. 69 приведены характеристики холодильной камеры ХК-3 и термостата ВТ-1.
Реализация в холодильных камерах типа ХК адсорбционного способа осушки приводит к некоторому повышению температуры в холодильной камере, так как при прохождении сжатого воздуха через осушитель его температура повышается за счет подвода теплоты адсорбции. Этого недостатка лишена холодильная камера ХКМ-2; в ней холод регенерируется в переключающихся регенераторах, на насадке которых осаждается влага, содержащаяся в сжатом воздухе.
В МЭИ разработана вихревая регенеративная холодильная установка холодопроизводительностью 700— 1500 Вт [15]. Установка включает охлаждаемую вихревую трубу с водяным охлаждением, работающую на режиме Ц=1. При расходе сжатого воздуха, равном 200 кг/ч, давлении 0,6 МПа, температуре 293 К в холодильной камере поддерживают температуру 253—263 К Один из новых способов утилизации энергии нагретого потока — использование его в вихревых трубах с дополнительным потоком (см. п. 1.5). Ш. А. Пирали — швили и А. Н. Новиков предложили схему вихревого термостата с регенеративным циклом охлаждения в
двух вихревых трубах, одна из которых работает по схеме с дополнительным потоком. Сжатый в компрессоре 1 (рис. 70) и охлажденный в концевом теплообменнике 2 воздух подается параллельными потоками в теплообменник 3 и вихревую трубу 7. Из теплообменника 3 воздух поступает в низкотемпературную вихревую трубу 4, где разделяется на охлажденный и нагретый потоки. Охлажденный поток поступает в термокамеру 5, лроходит теплообменник 3 и направляется в эжектор 6 Нагретый поток, выходящий из низкотемпературной вихревой трубы, поступает в виде дополнительного потока в вихревую трубу 7. В вихревой трубе с дополнительным потоком сжатый воздух также разделяется на охлажденный и нагретый потоки. Охлажденный поток вводится в теплообменник 3, где смешивается с охлажденным воздухом из термокамеры, а нагретый поток используется для эжекции охлажденного воздуха. По расчетам авторов схемы, такой способ утилизации энергии нагретого потока низкотемпературной вихревой трубы эффективнее других способов, используемых в каскадных охладителях.
|
Рис. 71. Схема ДВХА |
Рис. 70. Схема вихревого термостата |
|
Принцип утилизации энергии нагретого потока реализован также в двухступенчатом вихревом холодильном аппарате (ДВХА), созданном под руководством В. И. Метенина [8]. В этом аппарате применен проти — воточный вихревой эжектор (см. п. 2.7), обладающий свойством создавать высокие степени сжатия эжекти-
руемого газа при относительно низком давлении эжектирующего потока. Сжатый воздух распределяется на охлажденный и нагретый потоки в вихревой трубе 5 (рис. 71); в осевом и щелевом диффузорах обеспечивается высокая степень преобразования кинетической энергии выходящих потоков в энергию давления. Охлажденный поток поступает в вихревую трубу 2 второй ступени охлаждения. Вырабатываемый последней охлажденный поток воздуха направляется в холодильную камеру 3, которая вакуумируется противоточным эжектором 4. В эжектор подается нагретый поток, выходящий из вихревой трубы первой ступени. Для уменьшения времени выхода аппарата на минимальный температурный уровень в схеме предусмострена возможность подачи всего охлажденного потока из вихревой трубы 5 непосредственно в холодильную камеру 3 через трехходовой кран 1. В этом случае ДВХА работает в режиме максимальной холодопроизводительности. Температурная эффективность максимальна при работе второй ступени охлаждения, когда холодопроизводительность аппарата близка к нулю, поэтому ДВХА целесообразно использовать для низкотемпературного термостатирова — ния объектов без внутренних тепловыделений. При давлении сжатого воздуха 0,6 МПа и его температуре на входе в аппарат 293 К ДВХА может обеспечивать быстрое снижение температуры в холодильной камере вплоть до 200 К.
Вихревые аппараты для нагрева применяют меньше, чем для охлаждения. Как правило, вихревые нагреватели используют для перегрева высокотемпературного рабочего тела. П. И. Старостин и М. С. Иткин [13] предложили использовать вихревой нагреватель в пусковом блоке паротурбинных энергоустановок, что повышает маневренность и надежность блоков в условиях частых остановок и последующих пусков из горячего состояния. При пуске турбин из горячего состояния необходимо повышение температуры пара перед соплами на 80 К, так как при дросселировании пара из парогенератора его температура снижается и становится ниже температуры металла турбины. Пар из котла подается в вихревую трубу. Нагретый поток пара из вихревой трубы направляется к соплам турбины, а охлажденный сбрасывается в конденсатор. Специфика применения вихревой трубы в пусковых блоках энергоуста-
Рис. 72. Зависимость температуры при пуске энергоблоков ТП-100 и
К-200-130 от нагрузки турбины: 1 — температура за парогенератором; 11 — температура перед соплами турбины; 111 — температура в камере регулирующей ступени турбнны; 1 — пуск с вихревой трубой; 2 — обычный пуск
Новок заключается в необходимости регулирования ее температурного режима для обеспечения плавного перехода работы на обычный режим блока паровпускных органов турбины. Регулирование обеспечивают изменением площади проходного сечения вентилей, установленных на линии свежего пара перед вихревой трубой и на охлаждаемом и нагреваемом потоках за камерой разделения.
На рис. 72 показана зависимость температуры при пуске энергоблоков ТП-ЮР и К-200-130 от нагрузки турбины. Работа вихревой трубы заканчивается при нагрузке 20 МВт. Затем трубу переводят на режим дросселирования, а нагружение турбины ведут с использованием обычных средств.
80 Н,№: |
Несомненный интерес представляют работы, проводимые под руководством Ш. А. Пиралишвили, по созданию воспламенителей топливных и газовых смесей [8]. Реализация эффекта вихревого энергетического разделения позволяет повысить температуру горючей смеси и обеспечить ее самовоспламенение. При этом отпадает необходимость в дополнительных источниках энергии для воспламенения смеси. Вихревой эффект можно также использовать для обеспечения работоспособности при пониженной температуре исходной смеси. На рис. 73 приведена конструктивная схема воспламенителя ацетилена в потоке воздуха. Сжатый воздух через тангенциальный сопловой ввод 1 подается в камеру энергетического разделения 2, в которую через перфорированный насадок 3 вводится газообразный ацетилен. Продукты сгорания выводятся из камеры через отверстие в диафрагме 4. Наружная поверхность аппарата покрыта слоем теплоизоляции 5.
М-
Рис. 73. Схема вихревого восплатенителя
На рис. 74 приведена зависимость температуры сжатого воздуха, при которой происходит самовозгорание ацетилена, от давления воздуха на входе в воспламенитель (кривая /). Сравнение с аналогичной зависимостью для ацетилена в воздухе в состоянии покоя (кривая 2) Показывает, что в вихревых воспламенителях необходимую для самовозгорания ацетилена температуру воздуха можно снизить почти на 200 К.
0,1 о, г OJ Ofi рс, МПа 183 |
При расчете вихревых регенеративных холодильно- нагревательных установок используют метод последовательных приближений, так как эффект охлаждения ДГХ (нагрева АГг) и параметр р, — зависимые переменные. Исходными данными для расчета являются давление р0 и температура Т0 сжатого газа-на входе в установку (см. рис. 67,а, б), температурный уровень охлаждения (нагрева) Т к и тепловая нагрузка термокамеры QK. На первом этапе расчета необходимо задаться гидравлическими сопротивлениями по трактам сжатого Аро-с и охлажденного Артх газа, недорекуперацией на теплом конце теплообменника АГ0.т, теплопритоками из окружающей среды Q„3. При выборе этих величин учитывают требования к габаритно — массовым характеристикам установки. Чрезмерное снижение гидравлических сопротивлений и
Рис. 74. Зависимость температуры сжатого воздуха,- обеспечивающей воспламенение ацетилена, от давления сжатого воздуха: 1 — в вихревом воспламенителе; 2 — в состоянии покоя
Недорекуперация требуют уменьшения скоростей тепло- обменивающихся потоков и температурного напора в теплообменнике. Это, в конечном счете, приводит к увеличению размеров и массы теплообменника. При назначении Q„3 Можно в первом приближении отнести потери холода (теплоты) к термокамере установки. Тогда, зная объем камеры и характеристики теплоизоляции, можно рассчитать QH3 По известным уравнениям теплопроводности.
Варьируемый параметр при расчете — доля охлажденного потока [х. При принятом значении [х из энергетического баланса) теплообменника находят энтальпию сжатого газа на входе в вихревую трубу: в режиме охлаждения
TOC \o "1-3" \h \z *в = ‘о—и(‘т—’к); (73)
В режиме подогрева
‘е = *0 + 0—ИН’и —*т)- (74>
Пренебрегая изменением теплоемкости газа, определяют температуру сжатого газа: в режиме охлаждения
7’в = (1-ц)Т0 + ц(7,к+А7,о. т); (75)
В режиме подогрева
7’в = |і7’в + (1-ц)(7’ІІ + Д7,0.І). (76)
Далее выполняют термодинамический расчет вихревой трубы (см. п. 2.2) и определяют температуру охлажденного Тх! или нагретого Тт потоков. Сравнивают полученные значения Тх или Тт с заданной температурой Тк. Если ТХ>ТК или ТГ<ТК, то принимают новое значение [х и расчет повторяют. При ТХ<ТК или ТГ>ТК Определяют расход охлажденного нагретого потока
Gx = (QK + QBa)l(iK-ixy, (77)
Ge=(QK + Q^/(ir-Q. (78)
Расход сжатого газа в режиме охлаждения и подогрева соответственно G0=Gx/[X и G0= Gr/(1 — fx).
Далее^ выполняют конструктивный расчет теплообменника и вихревой трубы, а также проверочный гидравлический расчет схемы. При необходимости определяют потери холода (теплоты) Q из-т Через ИЗОЛЯЦИЮ теплообменника и проводят уточненный расчет установки. При этом правые части выражений (73) и (74) дополняют слагаемым <7H3*T = QH3-T/G. При включении в схему установки эжектора (см. рис.) 67, б) на первом этапе расчета необходимо определить давление охлажденного потока рх и степень расширения е. Для этого в первом приближении можно воспользоваться выражением, полученным А. П. Меркуловым в предположении, что при использовании эжектора с сужающимся соплом отношение температур нагретого и охлажденного потоков на входе в эжектор близко к единице, а давление нагретого потока отвечает выражению Є’ = 0,35є + 0,67, где г’ = рг/рх-
Р* = ^г (т +1/(т)"+°’ззв°Ро) ■ (79)
Где 5,= (0,67/РСм)[^(ЯК)/п+1]; Е = Q(LK)/N + Q,67- — 0,3[Q(XK)Ln+ Цроірсм] п=[х/(1-ц); рсм — давление смеси газов на выходе из яжектора: <7(ік)—газодинамическая расходная функция; А, к — безразмерная скорость охлажденного потока на срезе сопла.
После расчета материальных потоков и температур в характерных точках схемы по изложенной методике выполняют конструктивный расчет эжектора.
Выше отмечены некоторые особенности вихревого холодильно-нагревательного аппарата, которые определяют область его целесообразного применения. В первую очередь это те случаи применения, когда энергетические затраты не имеют решающего значения; к ним можно отнести:
Наличие большого постоянно расходуемого количества сжатого газа, отбор которого для охлаждения (нагрева) составляет незначительную часть общего расхода;
Кратковременная, но часто повторяющаяся потребность в охлаждении или нагреве;
Малые системы или микросистемы, являющиеся элементами объекта охлаждения;
Необходимость кратковременного повышения холо — допроизводительности основной системы термостатиро — вания;
Технологические испытательные стенды и стенды для испытания контрольно-измерительной аппаратуры; индивидуальное кондиционирование.
Целесообразность применения вихревых аппаратов с автономным источником сжатого рабочего тела определяется технико-экономическими соображениями. Здесь необходимо учитывать весь комплекс факторов, влияющих на экономичность установки, в том числе затраты на создание и эксплуатацию компрессорных станций. В табл. 5 для примера приведены результаты сравнения экономических показателей! системы термостати — рования с парокомпрессионными холодильными машинами и электронагревателями и воздушной системы с вихревыми трубами [8]. Например, в первой графе таблицы приведены сравнительные данные системы, включающей девять холодильных машин типа ХМ22ФУХ300, и систем, состоящих из пяти компрессоров типа ЦК-ЮО/5,5 и вихревой трубы ВТ. Особенность рассматриваемых систем — расположение их на определенном расстоянии от потребителя. Приведенный пример показывает, что в ряде случаев применение холодильно-на — гревательных установок с вихревыми аппаратами экономически целесообразно.