Существующие расчетные методики и рекомендации по выбору основных размеров іузлов вихревых аппаратов базируются на экспериментальных материалах, полученных при испытаниях вихревых труб на воздухе при нормальной температуре на входе в сопло и при «ачальном давлении рс = 0,3…0,7 МПа. При этом воздух можно рассматривать как идеальный газ с показателем адиабаты /г=1,4. Однако в практике возможны случаи, когда в качестве рабочего тела используют другие газы и газовые смеси; кроме того, иногда пренебрежение реальностью рабочего тела может привести к большим погрешностям расчета.
Влияние температуры сжатого газа Тс на процесс (разделения исследовано А. И. Гуляевым. Проведя опыты на гелии в диапазоне температур от 300до 80 К, он доказал, что перепад температур АТх прямо пропорционален температуре Тс. В рассмотренном диапазоне температур пренебрежение реальными свойствами гелия не может привести к заметной ошибке. Следовательно, если для рабочего тела справедливо уравнение состояния pv^RT, то в первом приближении можно Принимать Т]т= (Atx/ATs) e=Corist = const.
В литературе встречаются выводы, которые находятся в противоречии с этой зависимостью. Так, авторы работы [15] при анализе результатов испытания вихревой трубы на предварительно подогретом сжатом воздухе (ГС = 293…673К) сделали вывод, что с повышением температуры незначительно увеличивается адиабатный КПД. Вероятно, это можно объяснять потерей теплоты в окружающую среду при недостаточно эффективной изоляции стенок камеры разделения. Вместе с тем авторы выявили снижение коэффициента температурной эффективности, которое при одном значении площади проходного сечения сопла начиналось при Тс = 473 К, а при меньшем значении площади—при Гс = 673 К.
Это противоречит предыдущему выводу авторов работы [15]. Недостаточно убедительно также объяснение изменения взаимосвязи АТх и Тс отклонением от оптимального режима вследствие увеличения скорости течения газа в сопле. Накопленные в настоящее время материалы не позволили внести ясность в рассматриваемый вопрос.
Для исследования роли реальных свойств газов на процесс энергетического разделения проведены испытания вихревой трубы в диапазоне изменения температуры сжатого воздуха от 300 до 93 К. Основные размеры опытного образца: Do=3,5 мм; L= 12; D = = 0,63; а = 3°. Температура охлажденного потока Тх Снижалась при снижении температуры сжатого воздуха. Минимальное значение 7,xm! n~78 К достигнуто при rcs»100 К, т. е. при начале конденсации сжатого воздуха на входе в сопло. Значение Гхшіп близко к температуре кипения азота при давлении рх. Увеличение доли жидкости на входе в сопло сопровождалось повышением температуры охлажденного потока до значения, соответствующего температуре кипения воздуха. При снижении температуры воздуха на входе в сопло температура нагретого потока снижалась. При появлении жидкой фазы в нагретом потоке температура 77 совпадала с температурой кипения азотно-кис — лородной смеси при концентрации и давлении, соответствующих замеренным в эксперименте.
Если в качестве рабочего тела используют реальный газ без примесей, то температура охлажденного потока снижается до минимального значения, соответствующего его темперацуре кипения при р=р%. При дальнейшем снижении температуры газа перед соплом резко уменьшается разность температур Тт — Тх = —ДТх+ДТг. Если жидкая фаза имеется и в нагретом потоке, то температура нагретого потока практически совпадает с температурой кипения криоагента при давлении рс. Когда в сопло поступает парожидкостная смесь и в нагретом потоке есть жидкая фаза, температуры всех трех потоков близки к температуре кипения жидкости при соответствующих давлениях, т. е. Тс> >ТГ>ТХ. Такое соотношение наблюдается при увеличении относительной доли жидкости на входе в сопло до 1. Если жидкость перед соплом переохладить до температуры Тс<Тг",то температура нагретого потока Т, = ТС; здесь Тт" — температура кипения жидкости при давлении р=рг. При поступлении жидкости с температурой ТС<ТХ" устанавливается равенство ТХ=ТГ=ТС.
Когда вихревая труба работает на газовой смеси и в камере разделения один или несколько компонентов претерпевают фазовые превращения, характер изменения температуры отличается от рассмотренного. Уменьшается перепад температур А Тх из-за конденсации жидкости в приосевом потоке камеры разделения (более подробно этот вопрос рассмотрен в гл. 3). Если температуры кипения компонентов смеси различаются значительно,1 минимальная температура охлажденного потока совпадает с температурой кипения низкокипящего компонента. Следует отметить, что если точка замерзания примесей выше температуры нагретого потока, то нарушается нормальная работа вихревой трубы из-за отложения твердого осадка на стенках сопла и камеры разделения. При работе на смеси, состоящей из компонентов с малоразличающимися температурами кипения, происходит не только температурное и фазовое, но и компонентное разделение смесей. Тогда при работе в двухфазной области температура потока близка к температуре кипения жидкости при давлении и концентрации, совпадающих с их значениями для рассматриваемого потока.
При расчете вихревых аппаратов, работающих на реальных газах, рационально і использовать тепловые диаграммы. В данном случае температурный коэффициент т]т = Ai‘X/Ais. Разность энтальпий Ais находят по тепловой диаграмме. Значение т]т выбирают с учетом экспериментальных данных, полученных при испытании однотипных конструкций на газах, наиболее близких по свойствам исследуемому. Тогда
Діх = г]тАг’а и Дг’г = цт)тДгУ(1 — ц) = ТіД*У(1 — ц).
Холодопроизводительность Qx=Gx(Iox — Ix). Если при р = рх и Т=ТХ МОЖНО принять Ср ~const, TO Qx =
= срСх(Тох—Гс + ЛГхн + ДГхд) = CPGX[ATXB + ATXR— (Тс— — Тех)], здесь Тох и fox — температура и энтальпия газа на выходе из объекта охлаждения; ДГХв и ДГхд — снижение температуры газа за счет вихревого эффекта и Эффекта дросселирования.
Влияние давления перед соплом рс на эффективность температурного разделения — один из наименее изученных вопросов. Встречающиеся противоречивые утверждения объясняются недостаточно корректным проведением исследования. Практически авторы всех работ по этому вопросу не учитывают отклонения эффективности из-за различия свойств идеальных и реальных газов. Иногда недостаточно корректно учитывают изменение влагосодержания с повышением давления сжатого воздуха и изменение роли теплообмена стенок камеры разделения с окружающей средой. Часто о влиянии давления рс судят по данным экспериментов, в которых одновременно ) с повышением рс увеличивалась степень расширения. К полезной информации по указанному вопросу можно отнести лишь работу [16], где приведены результаты экспериментов, проведенных при постоянной степени расширения и при различных давлениях. Выявлено, что снижение давления охлажденного потока рх сопровождается уменьшением коэффициента температурной эффективности. На рис. 11 приведена зависимость Т]т/Т]тн ОТ рх(Цт И Т|тн — значения коэффициента при текущем значении рх и рх = 0,1 МПа). Снижение температурной эффективности автор объясняет увеличением относительных потерь на трение и уменьшением интенсивности взаимодействия вихрей. Закономерности изменения характеристик вихревых аппаратов при повышении рх и e=const, т. е. при повышении рс = грх, не изучены. Логично предполагать увеличение коэффициента температурной эффективности при росте рс в не — охлаждаемых вихревых трубах и аппаратах с циркуляцией потока промежуточного давления. В охлаждае-
Рис. 11. Зависимость относительной температурной эффективности от давления охлажденного потока
Мых трубах г|т, вероятно, снижается из-за уменьшения относительной теплопередающей поверхности стенок камеры разделения.
Наиболее спорный вопрос — выбор рациональной степени расширения. Часто допускают ошибку, когда об оптимальности значения г судят по результатам испытаний, проведенных; при постоянных площадях проходных сечений сопла и диафрагмы. Из анализа экспериментальных материалов следует, что любое конкретное соотношение размеров узлов рационально толька при определенном значений е. Абстрактного (оторванного от размеров) оптимума є не существует; поэтому задачей расчета является определение размеров, оптимальных для заданной или выбранной е.
Выше (см. п. 1.3) показано, что при рационально выбранной геометрии вихревой трубы увеличение степени расширения до 16 сопровождается незначительным уменьшением коэффициента температурной эффективности. Возникает вопрос — существует ли предельное значение епр? При современном развитии теории вихревого эффекта ответ на этот вопрос можно получить только после проведения специально организованного эксперимента. Из термодинамики известно: если на диафрагме устанавливается критический перепад давлений, то дальнейшее увеличение давления перед соплом не может привести к росту АТх, т. е.1 при дальнейшем повышении рс внутренняя степень расширения, достигаемая в камере разделения, остается постоянной. Известно также, что перепад давлений на диафрагме влияет на осевую скорость, а следовательно, и на эффективность процессов в камере разделения. Из сказанного следует, что ограничение степени1! расширения возможно, когда не удается подобрать соотношения размеров, исключающие критический режим течения охлажденного потока. Другой возможной причиной огра — ничения1, є является уменьшение КПД из-за снижения эффективности процесса разделения и увеличения потерь вследствие уменьшения площади проходного сечения сопла.
Рекомендации по расчету и проектированию вихревых аппаратов основаны на, экспериментальном материале, полученном при работе на воздухе. Справедливость использования этих рекомендаций для других газов изучена недостаточно.
Рис. 12. Характеристики вихревой трубы, работающей на различных газах (D=8 мм; d = 0,5: /=0,1; 8=6; Тс = 330 К):
1 — гелнй; 2— водород; 3 —кислород, аргои, воздух
А. И. Гуляев предложил систематизировать экспериментальные материалы по зависимости А7,х=гіт7,с(1— . _g-(ft-i)/ft). Автор предполагал, что на геометрически
Подобных трубах при одинаковых ^ сохраняется равенство г|т при работе! на различных газах. Другими исследователями показано, что это равенство не соблюдается даже в опытах на одной трубе. Следовательно, т)т является функцией не только геометрических параметров, но и теплофизических свойств газов. Наиболее обстоятельные материалы по этому вопросу получены В. М. Кудрявцевым [8]. Характеристики вихревой трубы при работе на различных газах приведены на рис. 12. Интересно отметить, что при работе на аргоне, воздухе и кислороде эффект охлаждения практически одинаковый. Эти газы имеют близкие температуры конденсации при атмосферном давлении. Аргон — одноатомный газ, показатель адиабаты /е = 1,66, однако эффект охлаждения при работе на аргоне существенно отличается от полученного при работе на гелии, который также является одноатомным газом с показателем адиабаты к= 1,67. Существенно разные эффекты охлаждения получены при испытаниях на двухатомных газах (k« s»l,4)—водороде и кислороде. Из приведенных данных следует: показатель адиабаты нельзя считать единственным определяющим фактором; качественные характеристики процесса разделения сохраняются при работе на всех использованных в эксперименте газах.