разное

Вихревая труба

Вихревая труба* (рис.18.13) представляет частный случай воздушной машины. Поток сжатого воздуха (после любого техноло­гического процесса) предварительно охлаждают до температуры Тср, далее ег о направляют в вихревую трубу, в результате чего одна часть воздуха приобретает температуру Тхол<Тср, другая - Тгор>Тср. В связи с этим цикл вихревой трубы является теплофикационным.

Работы по изучению вихревых труб были проведены в ОТИПХП (ОГАХ) под руководством В. С.Мартыновского еще в 1960-

Ые годы. Несмотря на практическое использование вихревых труб, существующие методики их расчета и проектирования основаны исключительно на экспериментальных данных, так как эффект Ранка, открытый экспериментально, до сих пор не имеет теоретического описания, ввиду чрезвычайной сложности проходящих процессов.

Поток воздуха, вышедший из сопла, образует свободный вихрь, угловая скорость вращения которого достаточно велика около оси и уменьшается по мере удаления от нее. При движении к дрос­сельному вентилю поток, вследствие наличия сил трения между слоями воздуха, приобретает почти одинаковую угловую скорость, так как внутренние слои теряют скорость, а внешние набирают ее.

В начальный момент процесса разделения газа угловая ско­рость части потока на некотором расстоянии от оси трубы больше, чем в последующий момент. При этом получается избыток кинети­ческой энергии, который передается внешним слоям, повышая их температуру. Внутренние слои, охладившиеся при истечении, отдают свою кинетическую энергию внешним слоям через трение, но не получают эквивалентного возврата тепла, вследствие чего охлаж­даются. Температурное расслоение происходит значительно быстрее наступления термического равновесия. Внешние слои выходят через
дроссельный вентиль горячими (Тгор), внутренние - через отверстие в диафрагме - холодными (Тхол).

Исследования показали, что, изменяя степень открытия дрос­сельного вентиля, можно изменять расходы получаемого горячего и холодного воздуха, что влечет за собой изменение и их температуры (холодный поток понижает свою температуру, горячий - повышает). При определенном положении дроссельного вентиля наступает явле­ние теплового реверса вихревой трубы. Концы вихревой трубы «ме­няются местами», и тогда через дроссельный вентиль выходит холод­ный поток. Такое состояние является непродолжительным и свиде­тельствует о нарушении стационарности процессов, протекающих в вихревой трубе. Явление температурного реверса было обнаружено и исследовано В. П.Алексеевым в 1960-ых годах в ОТИПХП (ОГАХ).

Для использования вихревой трубы необходимо:

• располагать большим количеством сжатого воздуха;

• обеспечивать небольшие производительности. В случае необ­ходимости получения больших производительностей вихревые трубы собирают в пучки;

• использовать в температурном диапазоне работы, который соответствует режиму кондиционирования воздуха.

Широкое применение вихревая труба получила в системе кондиционирования воздуха кабины пилота сверхзвукового самолета.

Термодинамический цикл вихревой трубы рассматривают как фрагмент цикла простейшей воздушной холодильной машины (рис. 18.136).

Расширение в вихревой трубе занимает промежуточное поло­жение между адиабатным расширением (процесс 3-4s) и изоэнталь - пийным расширением (процесс 3-4К) и зависит от конструктивного исполнения. Цикл вихревой трубы можно представить как цикл теоретической воздушной холодильной машины (l-2-3-4s-l), в которой установлен действительный детандер (цикл 1-2-3-4-1). Точка 1 является результатом смешения точек 5 и т. Необходимо учесть, что расход воздуха в различных точках цикла составляет: в точке 3 и точке 7-1 условный кг, в точке т - у кг, в точке 5 - (1-у) кг.

Удельная холодопроизводительность цикла вихревой трубы эквивалентна пл.(а-т~4-Ъ).

Иногда в качестве обратимого цикла-образца для исследо­ваний цикла вихревой трубы используют треугольный цикл l-3-4s. В этом случае процессы адиабатного сжатия 7-2 и охлаждения воздуха 2-3 заменяют одним процессом изотермического сжатия 1-3.

В результате необратимостей величина 7]Стс цикла вихревой трубы приблизительно равна 0,01 (или 8...10% от Г]стс воздушной ХОЛОДИЛЬНОЙ машины), если величину 7]стс определять по ур.(18.5), т. е. проводить сравнение с циклом Карно. Понятно, что низкая термо­динамическая эффективность является недостатком вихревой трубы, которая совместно в высокой стоимостью изготовления (связано с необходимостью высокой чистоты обработки внутренних поверх­ностей) существенно сужает области ее рационального применения.

В основе системы кондиционирования воздуха, предложен­ной Куйбышевским (ныне - Самарским, Россия) авиационным инсти­тутом, лежит использование вихревой трубы - рис. 18.14.

Сжатый воздух некоторого технологического процесса (при давлении р2>0Л МПа) поступает в блок абсорбции и очистки (О) для дальнейшего использования в системе кондиционирования воздуха. Далее, воздушный поток охлаждается в РТО и направляется в вихревую трубу (ВТ), где разделяется на холодный и горячий потоки. Давление обоих потоков после вихревой трубы поддерживается несколько выше атмосферного, что дает возможность преодолеть аэродинамическое сопротивление в охлаждаемом объеме (КП - кондиционируем помещении). Воздух из охлаждаемого объема нап­равляется в РТО, где нагревается. Наличие аэродинамических сопро­тивлений в РТО способствует дополнительному понижению давления потока воздуха. Для удаления воздуха в атмосферу предусмотрен эжектор (Э). В сопло эжектора подается горячий поток воздуха из вихревой трубы (при давлении несколько выше атмосферного), в камеру смешения эжектора - холодный поток воздуха (при давлении несколько ниже атмосферного), на выходе из эжектора полный воздушный поток приобретает давление, равное атмосферному, и далее возвращается в атмосферу.

СОР рассмотренной системы кондиционирования воздуха чрезвычайно мал, так как вихревая труба и эжектор (как элементы холодильных машин), обладают очень низкими значениями КПД. Однако тот факт, что для системы кондиционирования воздуха сжатый воздух (поток при pi) является даровым, эта система и ей подобные являются рациональными только для частных условий эксплуатации.