Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние вопроса. Цели исследования 14
1.1. Обзор исследований по системам охлаждения и обеспечения теплового режима радиоэлектронных приборов 14
1.2. Обзор исследований по диффузорным вихревым устройствам 19
1.3. Исследование масштабного фактора в вихревых устройствах 36
1.4. Цели и задачи исследования 37
Глава 2. Анализ предельных энергетических характеристик 39
2.1. Анализ термодинамической эффективности преобразования энергии в поточных тепловых машинах 39
2.1.1. Эксергетический коэффициент полезного действия самовакуумирующейся вихревой трубы 56
2.2. Применение теории подобия для исследования термодинамических процессов в диффузорных устройствах 57
2.3. Метод расчета характеристик самовакуумирующейся вихревой трубы 66
2.5. Выводы по 2 главе 76
Глава 3. Пути повышения термодинамической эффективности вихревых диффузорных устройств 77
3.1. Пути повышения энергетической эффективности СВТ 77
3.2. Исследования вихревого вакуум-насоса 90
3.3. Выводы по 3 главе 95
Глава 4. Экспериментальное исследование самовакуумирующеися вихревой трубы малых и сверхмалых габаритов 96
4.1. Экспериментальная установка самовакуумирующеися вихревой трубы и инструментировка 96
4.1.1. Анализ погрешностей результатов исследования 99
4.2. Исследование масштабного фактора 106
4.2.1. Исследование геометрических и режимных параметров самовакуумирующеися вихревой трубы 107
4.3. Выводы по 4 главе 117
Глава 5. Приборы и аппараты на основе вихревых диффузорных устройств 118
5.1. Прибор для охлаждения пирометра ГТД 119
5.2. Вихревые системы термостабилизации 122
5.3. Прибор для измерения влажности воздуха 125
5.4. Вихревой плазмотрон 130
5.5. Устройства по криодиструкции для медицины 133
5.5.1. Бор стоматологический 133
5.5.2. Приборы для охлаждения тканей 135
5.6. Выводы по 5 главе 136
Заключение 137
Литература 139
Приложения 156
- Обзор исследований по системам охлаждения и обеспечения теплового режима радиоэлектронных приборов
- Применение теории подобия для исследования термодинамических процессов в диффузорных устройствах
- Исследование геометрических и режимных параметров самовакуумирующеися вихревой трубы
- Прибор для измерения влажности воздуха
Введение к работе
. Актуальность темы. Современный уровень развития техники требует
уменьшения металлоемкости установок, возможности автоматизации управления, простоты, надежности управления и эксплуатации. Особенно высокие требования к вновь создаваемым устройствам предъявляют лазерная, авиационная и космическая техника. В связи с этим особую актуальность приобретает широкое внедрение простых, легких и малогабаритных приборов на основе вихревых диффузорных устройств для исследования и регулирования процессов тепломассообмена.
Широкое внедрение вихревых устройств в промышленности обусловлено тем, что на ряду с электросетями, большое применение нашли системы сжатого
|. воздуха, поэтому преимущество вихревых устройств перед известными систе-
мами аналогичного назначения других типов, очевидно. Эти преимущества сводятся к следующему: высокая надежность с довольно высоким КПД, малые габариты и вес, конструктивность, безынерционность, экономичность, отсутствие специального обслуживания. Вихревые ионизированные потоки могут ис-
^ пользоваться для возбуждения рабочей среды электроразрядных лазеров, в раз-
личных приложениях плазмохимии, обработке поверхностей материалов, плазмотронах и т.д.
Несмотря на многочисленные примеры внедрения вихревых устройств в
'^ технике и широкие научные исследования, с принципиальной точки зрения
полного понимания процессов в вихревой трубе еще нет вследствие чрезвычайной сложности явления. Более глубокое понимание физической сущности вихревого эффекта, дальнейшая разработка его теории — необходима для последующего совершенствования процесса в вихревой трубе. Особенно это
# касается практически неизученных вихревых устройств малых габаритов.
Поэтому исследование, посвященное этим вопросам, является актуальным.
Объект исследования: конструкции и конструктивные схемы приборов для исследования процессов тепломассообмена на основе вихревых диффузорных устройств.
*
Предмет исследования — процессы тепломассообмена в вихревых диффузорных устройствах малых габаритов (самовакуумирующнхся вихревых трубах (СВТ), вихревых эжекторах (ВЭ)), являющихся основой приборов различного назначения.
Цель настоящей работы — создание конструкций и конструктивных схем приборов для системного исследования процессов тепломассообмена на основе вихревых диффузорных устройств малых габаритов, для использования их в авиационной, лазерной, и холодильной технике и в плазмохимии.
Задачи исследования:
Провести анализ термодинамической эффективности преобразования энергии в вихревых диффузорных устройствах на основе предельной энергетической теоремы для поточных тепловых машин.
Провести анализ исследования процессов тепломассообмена на основе теории подобия для вихревых диффузорных устройств (СВТ).
Разработать метод расчета вихревых диффузорных устройств (СВТ) с учетом вращающегося раскруточного диффузора.
Провести экспериментальные исследования вихревых диффузорных устройств с вращающимися раскруточными диффузорами.
Провести экспериментальные исследования самовакуумирующнхся вихревых труб малых габаритов и выявить масштабный фактор.
Разработать конструкции и конструктивные схемы приборов на основе вихревых диффузорных устройств малых габаритов.
Методы исследований. При выполнении работы использованы методы математического моделирования процессов тепломассообмена, методы планирования, проведения и анализа эксперимента, статистические методы обработки полученных результатов.
Достоверность и обоснованность результатов и выводов исследовании опирается на;
— фундаментальные и теоретические основы термодинамики и теплопередачи, гидрогазодинамики, теории подобия, методы математической
статистики и теории планирования эксперимента, на результаты исследований отечественных и зарубежных авторов;
— экспериментальную проверку основных теоретических положений и выводов, полученных в результате собственных исследований.
На защиту выносятся:
Анализ термодинамической эффективности преобразования энергии в вихревых диффузорных устройствах (СВТ и ВЭ) на базе предельной энергетической теоремы для поточных тепловых машин.
Метод исследования процессов тепломассообмена на основе теории подобия для СВТ.
Метод расчета вихревых диффузорных устройств (СВТ) с учетом вращающегося раскруточного диффузора.
Результаты экспериментального исследования самовакуумирующихся вихревых труб с вращающимися профилированными диффузорами.
Результаты экспериментального исследования СВТ малых габаритов.
Конструкции и конструктивные схемы приборов на основе вихревых диффузорных устройств малых габаритов.
Научная новизна исследований заключается в следующем:
Впервые на основе предельной энергетической теоремы для поточных тепловых машин проанализирована термодинамическая эффективность вихревых диффузорных устройств (СВТ и ВЭ). Исследования показали, что интегральная эффективность вихревых диффузорных устройств существенно выше, чем при традиционном сравнении с машинными способами охлаждения. Впервые построены условные термодинамические циклы для рабочего процесса самовакуумирующейся вихревой трубы и получена зависимость для эксергетического коэффициента полезного действия.
Впервые на основе теории подобия и критериев эффективности работы вихревых устройств проведены исследования но масштабному фактору в самовакуумирующейся вихревой трубе.
3. Впервые разработан метод расчета характеристик СВТ с вращающимся
диффузором, позволяющий прогнозировать основные термодинамиче
ские параметры, такие как давление и температура, определяющие ее
энергетическую эффективность и производить их оптимизацию.
Впервые на основе разработанного метода расчета СВТ теоретически доказана возможность повышения термодинамической эффективности вихревых диффузорных устройств (СВТ и ВЭ) за счет использования вращающихся профилированных диффузоров, получено экспериментальное подтверждение.
Впервые проведено экспериментальное исследование самовакууми-рующихся вихревых труб сверхмалых габаритов, показавшее, что их энергетическая эффективность остается сопоставимой с крупномасштабными трубами.
Разработаны конструкции и конструктивные схемы приборов на основе вихревых диффузорных устройств малых габаритов с целью применения их в различных отраслях науки и техники.
Практическая ценность результатов диссертации заключается в том, что:
предложены способы повышения термодинамической эффективности вихревых диффузорных устройств на основе предельной энергетической теоремы, проведенный анализ показал их повышенную интегральную эффективность по сравнению с традиционными способами охлаждения;
проведенные исследования СВТ по выявлению масштабного фактора с учетом критерий подобия позволили дать простые инженерные алгоритмы для прогнозирования рабочих характеристик СВТ на малых габаритах при различных режимных и геометрических параметрах;
разработан метод расчета характеристик СВТ с вращающимся диффузором, позволяющий определять, прогнозировать и производить оптимизацию устройства;
использование свободно вращающихся раскруточных диффузоров на вихревых устройствах позволяет существенно повысить энергетические показатели устройства, при сохранении, в среднем, эффекта охлаждения в нем;
разработаны конструкции и конструктивные схемы приборов на основе СВТ малых габаритов для исследования процессов тепломассообмена, позволяющие использовать их в авиационной, лазерной и холодильной технике, плазмохимии и медицине.
Реализация результатов основные положения и выводы диссертационной работы были использованы на предприятиях Куйбышевской железной дороги (г. Самара), на предприятиях ЦАО ООО "Меркурий" (г. Москва), 000 "Феррум" (г. Луховцы), получены два акта и справка о внедрении результатов исследования.
Апробация работы. Материалы исследований и основные разделы диссертационной работы доложены на семинарах кафедры «Физика и экологическая теплофизика» СамГАПС (2004, 2005, 2006 г.), на кафедре «Теплотехника и тепловые двигатели» СГАУ (2006 г.), на научной конференции студентов и аспирантов СамГАПС (г. Самара, 2004), на заседании международных научно-практических конференциях «Актуальные проблемы и перспективы развития железнодорожного транспорта» (г. Самара, 2004, 2005).
Публикации. Содержание диссертации, с достаточной полнотой изложения материалов по этому вопросу, отражено в 15 печатных работах, опубликованных автором.
Структура и объем диссертации.
Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов по главам, заключения, библиографического списка, включающего 157 источников. Общий объем диссертации составляет 158 страниц. Текст диссертации иллюстрирован таблицами, графиками и рисунками.
Во введении обосновывается актуальность задачи исследования, раскрывается научный аппарат: цель, предмет, объект, задачи и методы исследования, его научная новизна и практическая значимость, дана содержательная характеристика основных этапов исследования.
В первой главе приводится краткий обзор работ, посвященных системам для исследования и регулирования процессов тепломассообмена. Показано, что диффузорные вихревые устройства, имеют ряд преимуществ перед другими подобными устройствами (турбодетандерными и дроссельными системами охлаждения, термоэлектрическими охладителями, струйными эжекторами и т.д.). Эти преимущества сводятся к следующему: высокая надежность с довольно высоким КПД, малые габариты и вес, конструктивность, безинерци-онность, экономичность, отсутствие специального обслуживания.
Проведен обзор конструкций вихревых труб для выявления решений предпочтительных в области малых диаметров. При этом учитывалось общее снижение эффективности, обусловленное масштабом. Сделан вывод о том, что в микромасштабной области наиболее целесообразно применение самовакуумирующейся вихревой трубы.
Во второй главе на основе предельной энергетической теоремы (В.Т. Волов, ДАН, 2001) для поточных тепловых машин проанализирована термодинамическая эффективность самовакуумирующейся вихревой трубы и вихревого эжектора. Проведенный анализ показал, что интегральная эффективность работы СВТ и ВЭ существенно выше, чем при традиционном сравнении с машинными способами охлаждения и позволяет наметить перспективы повышения термодинамической эффективности вихревых диффузорных устройств. На основе предельной теоремы впервые построены условные термодинамические циклы для рабочего процесса самовакуумирующейся вихревой трубы.
Приведено системное исследование диффузорных устройств с применением теории подобия и планирования эксперимента, включающее основные критерии теории подобия и безразмерные критерии функционирования вихревых труб.
Распределение термодинамических параметров по радиусу вихря неоднородно вследствие высокого уровня турбулентности в нем. Отвод тепла из при-осевой области в периферийную область потенциального течения осуществляется за счет турбулентной диффузии, а вынос из периферийной области СВТ -конвекцией.
Нельзя не отметить, что при существенном уменьшении габаритов вихревой трубы, радиус вихревой модели может стать меньше длины пути турбулентного перемешивания I. Для типичных режимов работы СВТ длина пути турбулентного смешения і ~ 10"2 м. Для турбулентных газовых потоков число Прандтля Рг « 1, длина пути смешения близка к тепловому масштабу турбулентности т { « т). При значениях безразмерного радиуса r/R < 0,5 отношение т/^тр « 1, приближение мелкомасштабной турбулентности выполняется.
При значениях r/R > 0,5 тепловой масштаб турбулентности становится соизмеримым с диаметром вихревой камеры. Ввиду этого в вихревой камере (натуре) имеет место невыполнение условия: єм « б„, что вызывает ухудшение процесса энергетического обмена между вынужденным и потенциальным течением.
На основе интегральных соотношений предложен метод расчета СВТ и ВЭ, позволяющий прогнозировать основные термодинамические характеристики, определяющие эффективность работы вихревого устройства с учетом вращения диффузора (со Ф 0).
Предлагаемый метод базируется на модифицированном методе расчета СВТ (В.Т. Волов, 1989) с учетом возможности использования в качестве щелевого диффузора - фрикционной безлопаточной турбины.
Третья глава посвящена повышению энергетической эффективности вихревых диффузорных устройств. Результаты исследования показывают, что использование вращающихся профилированных диффузоров приводит к более устойчивому течению в диффузоре по отношению к отрыву потока. Свободное вращение стенок диффузора СВТ приводит к увеличению коэффициента давления 4 = 2Ар/ри2 в нем на 12%. Увеличение коэффициента давления в
диффузоре СВТ при фиксированном значении степени расширения к и расхода газа приводит к увеличению полной степени расширения газа в вихре ти* и эффекта охлаждения.
В СВТ за счет вращения диффузора, КПД на 10% больше по сравнению с неподвижным диффузором.
Кроме этого, как показали исследования, имеется резерв повышения энергетических показателей СВТ с вращающимся диффузором за счет применения газовых подшипников, за счет уменьшения диаметра диффузора, что повышает окружные скорости, а также за счет применения профилированных изоградиентных диффузоров.
Четвертая глава посвящена экспериментальному исследованию СВТ малых габаритов. Для проведения экспериментальных исследовании была создана установка, позволяющая проводить исследования различных по конструкции СВТ, производить замену диаметра и длины вихревой трубы, входной улитки, радиус и диаметр диффузора, изменять температуру и давление на входе в установку, а также исследовать распределение параметров СВТ.
Впервые исследовалось влияние относительного радиуса диффузора R „ относительного диаметра диффузора Ол и относительной ширины щели диффузора Ал на полную степень расширения газа в вихре л*ос и на температурную эффективность вихревой трубы 0ОС. Оптимальными значениями являются: Rл = 0,15; D;i = 5,2; Ал = 0,083.
Результаты экспериментального исследования самовакуумируюшихся вихревых труб малых габаритов показывают, что их энергетическая эффективность сопоставима с крупномасштабными трубами и это позволяет их использовать в таких областях промышленности как холодильная и лазерная техника, плазмохимия и медицина.
В пятой главе предложены конструкции и конструктивные схемы приборов и аппаратов на основе вихревых диффузорных устройств малых габаритов для применения их в авиационной, лазерной и холодильной технике, в плазмо-химии и медицине.
Обзор исследований по системам охлаждения и обеспечения теплового режима радиоэлектронных приборов
Развитие многих радиоэлектронных комплексов в последние десятилетия характеризуется включением в их состав теплонагруженных радиоэлектронных приборов. Постоянно расширяется диапазон изменения температуры среды, окружающей объект размещения прибора, усложняются другие условия эксплуатации объектов, вместе с тем растут требования к стабильности характеристик комплексов. Работа многих теплонагруженных приборов должна проходить в условиях значительных внутренних и внешних тепловых воздействий, колебаний температуры окружающей среды, а параметры приборов при этом должны оставаться в заданных пределах [15, 18, 19, 38, 39].
Отрицательное воздействие высокой температуры сказывается на всех комплектующих элементах радиоэлектронной аппаратуры - резисторах, конденсаторах, полупроводниковых и электровакуумных приборах, а также на многих материалах. В электровакуумных приборах при воздействии высокой температуры возникают многие необратимые явления - ухудшение вакуума и потеря эмиссионной способности катода, нарушение геометрических размеров резонаторов, что приводит к сокращению срока их службы.
Продолжительной, устойчивой работы приборов удается добиться, лишь создав им необходимые температурные условия. Как правило, температурные условия работы теплонагруженных приборов обеспечиваются специальными системами охлаждения. Последние весьма разнообразны, достаточно сложны, могут иметь значительные габариты, массу и энергопотребление. Все это существенно сказывается на параметрах комплекса.
Сложность создания систем охлаждения заключается в том, что они являются связующим тепловым звеном между прибором, объектом размещения и окружающей средой. Изменение конструкции и параметров прибора или объекта, параметров окружающей среды немедленно сказывается на изменении параметров и конструкции системы охлаждения и наоборот. Анализ вредного воздействия повышенной температуры на работоспособность радиоэлектронной аппаратуры и ее элементов показывает необходимость обеспечения требуемого теплового режима всех электро- и радиокомпонентов путем применения эффективного охлаждения. Тепловым режимом радиоэлектронной аппаратуры считают ее температурное состояние, т.е. изменение температуры в пространстве и времени. Обеспечивать нормальный тепловой режим, отводить тепло, выделяемое работающей аппаратурой, поддерживать температуру элементов в определенных пределах — таковы функции системы обеспечения теплового режима (СОТР) [108].
Вес, габариты, энергопотребление, конструктивная сложность и другие показатели СОТР могут быть такими же, как у прибора или даже превосходить их, что в свою очередь существенно отражается на параметрах комплекса. Важно иметь наиболее рациональную для данного конкретного случая систему, надежность которой должна быть не ниже, чем надежность самого прибора. Системы охлаждения подразделяют в зависимости от характера теплообмена, рода применяемого теплоносителя, способа съема тепла с охлаждаемого элемента, по типу объекта, назначению, режиму работы и т.д. [21]. 1. Кондуктивные системы охлаждения - это системы, в которых отвод тепла от нагретых частей аппаратуры происходит благодаря теплопроводности самого охлаждаемого элемента и связанных с ним деталей конструкции. Такой способ в сочетании с естественным охлаждением возможен только при низких тепловых потоках и высоких допустимых температурах охлаждаемых приборов, что ограничивает применение этих систем. 2. Воздушные (газовые) системы охлаждения — это системы, в которых в качестве теплоносителя используют газ, чаще всего воздух. Эти системы подразделяют на системы с естественной и вынужденной конвекцией. При естественном воздушном охлаждении тепловая энергия, выделяющаяся в аппаратуре, рассеивается в окружающую среду путем конвекции и частично излучения. Использование таких систем ограниченно тепловой нагрузкой. Основным способом повышения эффективности подобных систем является увеличение разности температур между температурой поверхности элементов радиоэлектронной аппаратуры и температурой окружающей среды, а также увеличение теплоотдающей поверхности путем ее оребрения. При вынужденной конвекции интенсивность отвода тепла существенно возрастает и возможны различные варианты систем охлаждения. Подобные устройства позволяют обеспечить при низких температурах окружающей среды оптимальное соотношение атмосферного и рециркуляционного воздуха. В современных теплообменных аппаратах высокой интенсивности применение систем охлаждения бывает иногда нецелесообразным из-за малой теплоемкости, влажности и запыленности воздуха. 3. Жидкостные системы охлаждения — это системы, в которых в качестве теплоносителя используют жидкость. Они подразделяются на системы с естественной и вынужденной конвекцией. Системы с естественной конвекцией выполняют в виде замкнутого объема с погруженными в него электро- и радиоэлементами. Такие системы охлаждения конструктивно просты, не имеют движущихся механических частей, надежны. Системы с вынужденной конвекцией представляют собой замкнутый герметичный контур с принудительной циркуляцией теплоносителя, использующиеся для охлаждения приборов с большой плотностью теплового потока. Жидкостные системы охлаждения эффективны, но конструктивно сложнее воздушных систем, большинство из них комплектуются из более дорогостоящих элементов, имеют больший вес и менее надежны в эксплуатации.
Применение теории подобия для исследования термодинамических процессов в диффузорных устройствах
Следует отметить, несмотря на то, что указанные режимы крупномасштабных пульсаций термодинамических параметров в СВТ являются не расчетными, понимание физической картины течения и определение областей возникновения данного явления необходимо.
Визуальные наблюдения при проведении эксперимента на СВТ показывают, что при определенном сочетании зазора диффузора, длины вихревой камеры, давления pi и располагаемой степени расширения п возникают колебания давления, а значит и температуры в приосевой области СВТ.
Максимальные амплитуды пульсаций давления в приосевой области Apmax приводят к максимальным колебаниям температуры АТтах. Механизмы возникновения периодических пульсаций давления в приосевой области СВТ подобен механизму крупномасштабных неустойчивостей, реализующихся в форсунке [101]. Однако, имеются принципиальные качественные отличия: 1) Числа Струхаля, при которых реализуются указанные режимы в форсунке и СВТ: Sh свт 2) При отсутствие внешней щеки диффузора крупномасштабных пульсаций не возникает. Механизм возбуждения периодических пульсаций термодинамических параметров в СВТ можно представить следующим образом. При увеличении щели диффузора больше некоторой критической величины А А , атмосферный воздух по внешней щеке диффузора засасывается в приосевую область СВТ. Процесс заполнения приосевой области СВТ осуществляется за некоторый промежуток времени в течении которого произойдет выравнивание давления и произойдет запирание диффузора. Таким образом, режимы функционирования вихревого устройства можно условно разделить на области, соответствующие закону оптимальной закрутки, запиранию диффузора и помпажу вихревого устройства. Важнейшим параметром, характеризующим работу вихревого вакуум-насоса, является коэффициент эжекции [2, 89], который имеет ясный физический смысл, легко замеряем и удобен при анализе экспериментальных данных: где G3 — расход эжектируемого газа; Gi — расход эжектирующего газа. Вихревой вакуум-насос (ВЭВ) может работать в режиме вакуумирования, вентилирования и вихревого термокомпрессора. При этом первый режим характеризуется малыми значениями коэффициента эжекции и существенной величиной степени сжатия, второй - большими значениями коэффициента эжекции и малой величиной степени сжатия, а в третьем режиме степени сжатия и коэффициенты эжекции сопоставимы. Имеется достаточно большое количество работ, посвященных экспериментальному исследованию ВЭВ [103, 121] в которых определены максимальные значения коэффициента эжекции в режиме вентилирования и минимальные значения остаточного давления в режимах вакуумирования. Теоретическому исследованию посвящены работы [60, 61]. Расчет параметров диффузора ВЭВ базируется на математической модели (2.35-2.43). Для расчета нестационарных значений давления в объеме коэффициентов эжекции и времени вакуумирования заданного объема, требуется знать значение давления в приосевои зоне вакуум-насоса в зависимости от геометрических и режимных параметров вихревого вакуум-насоса (рис. 1.1). На рис. 3.14 представлена зависимость коэффициента эжекции в эаекторном вакуум-насосе от коэффициента давления в плоском раскруточном диффузоре. Используя данные зависимости, можно прогнозировать величину коэффициента эжекции в эжекторном вакуум-насосе с малогабаритными профилированными раскруточными диффузорами [89]. Для определения данных зависимостей было проведено вакуумирование емкости объемом Vk = 6-10 м . При этом геометрические и режимные параметры вакуум-насоса были следующими: 1) диаметр вихревой камеры (DTp = 3-10" м); 2) относительная длина вихревой камеры (LBK =1); 3) относительный диаметр диффузора (Da = 5,16); 4) относительный радиус диффузора (Кд = 0,16); 5) относительный диаметр диафрагмы (с1диаф = 0,08; 0,166; 0,33; 0,5); 6) относительная площадь соплового ввода (Fc = 0,05; 0,075; 0,1); 7) относительный зазор диффузора выбирался оптимальным на каждом режиме (Ад =opt); 8) относительная длина соединяющего патрубка (1- =1 /D = 3); 9) располагаемая степень расширения (ті = 1,5 4- 5). При проведении экспериментов замерялись давление на входе в тангенциальный ввод (манометр I), давление в вакуумируемом объеме (ртутный пьезометр 2) и все геометрические параметры вакуум-насоса. На рис. 3.15 представлены зависимости конечного давления в замкнутом объеме от режима работы и относительного диаметра пассивного сопла, из данных рисунков видно, что для каждого диаметра пассивного сопла имеется свое оптимальное значение степени расширения газа в вихре. Наиболее низкое давление в вакуумируемом объеме возникает при использовании наименьшего диаметра пассивного сопла. На рис. 3.16 показаны зависимости давления в вакуумируемом объеме от относительной площади тангенциального ввода Fc степени расширения газа в вихре. Из рис. 3.16 видно, что с увеличением относительной площади тангенциального ввода Fc давление в вакуумируемом объеме плавно падает. Таким образом, используя полученные экспериментальные зависимости можно рассчитывать нестационарные характеристики вакуум-насоса.
Исследование геометрических и режимных параметров самовакуумирующеися вихревой трубы
Для исследования самовакуумирующейся вихревой трубы был спроектирован и создан стенд, схема которого представлена на рис. 4.2.
Испытательный стенд представляет собой комплекс оборудования приборов, который позволяет снабжать испытуемые объекты сжатым воздухом заданных параметров, имитировать условия окружающей среды (высокую температуру и низкое барометрическое давление, производить замер параметров процессов с необходимой точностью). Условно можно разбить стенд на отдельные контуры и блоки:
Контур высокого давления, контур вакуумирования, блок регулирования входных параметров сжатого воздуха, термокамеры, вспомогательное оборудование, расходомерный блок, измерительный блок.
Контур высокого давления служит для обеспечения стенда сухим сжатым воздухом давлением до 20 МПа . Воздух через систему блока высокого давления (1) поступает в силикагелевые осушители (3), где проходит окончательную осушку. После осушителей воздух через раздаточные трубопроводы и систему вентилей поступает в блок регулирования параметров, после которого с заданной температурой и давлением подается в испытуемый объект. Влажность воздуха контролируется индикатором 8 III 31.
Контур вакуумирования позволяет имитировать пониженное давление (вакуум-насос РМК-3) окружающей среды при испытании объектов. Разряжение в системе контролируется образцовыми вакуумметрами и пьезометрами.
Блок регулирования температуры и давления задает необходимые значения параметров сжатого воздуха на входе в испытуемый объект. Давление регулируется вручную системой дросселей или автоматическим редуктором РГ-10, который поддерживает в зависимости от регулировки, давление от 0 до 10- 105Па.
Подогрев воздуха поступающего на испытания осуществляется в электропечи. Печь состоит из трех секций по 4 кВт каждая. Секция представляет собой нихромовую спираль, закрепленную на асбестоцементном основании. Все секции включены в электрическую сеть параллельно, причем одна из них через автотрансформатор. Каждая секция может быть включена в сеть напряжением 220 В, независимо от других. Такое регулирование обеспечивает при максимальном расходе воздуха, до 0,2 кг/с изменение его температуры от 293 до 523 К. Печь снабжена блоком защиты, который автоматически отключает напряжение при отсечке расхода воздуха. Пульт управления печью выведен на общий рабочий пульт стенда. Термокамера входящая в состав стенда, позволяет имитировать высокотемпературную среду, в которой работает объект исследования. Термокамера представляет собой теплоизолированный металлический шкаф, воздух в котором нагревается электропечами. В стенках шкафа имеются специальные проходные отверстия и штуцера для подключения объектов исследования к коммуникациям стенда. Внутри шкаф снабжен кронштейнами для крепления объектов. В термокамере можно поднять и автоматически поддерживать температуру до 473 К. Вспомогательное оборудование используется при монтаже исследуемых систем. Монтажная стойка служит для закрепления исследуемого объекта в удобном положении и представляет собой сваренный из фасонного проката каркас с отверстиями, хомутами и струбцинами. Самовакуумирующиеся вихревые трубы стыкуются с контурами стенда и с унифицированными ресиверами-осреднителями, а также соединительными муфтами. Ресивер-осреднитель — металлический теплоизолированный баллон с вмонтированными в него датчиками температуры и приемниками давления служит для стабилизации замеряемых параметров. Температура измерялась хромель-копелевыми и медь-константановыми термопарами диаметром 0,2 -10"3 м. Для регистрации э.д.с. при ручном замере используется потенциометр ПП-63 класса, а при автоматизированном замере служит КСП-4 класса 0,05. Для выбора оптимальных геометрических параметров было проведено исследование СВТ с диаметрами (30, 25, 20, 15, 10,5, 2) 10"3 м. Ранее были проведены исследования СВТ с диаметром DTp = 0,03 м при избыточном давлении воздуха на входе и атмосферном давлении на выходе из диффузора; было изучено влияние различных переменных факторов на работу вихревой трубы, были получены основные оптимальные соотношения её параметров [112].Экспериментально установлено для DTp = 0,03 м [112], что при теплообмене между вихрем и поверхностью помещенного на её оси цилиндрического тела имеют место высокие значения коэффициента теплообмена, достигающего 500 Вт/ м -С. В работе [111] приведены данные экспериментального исследования СВТ (DTp = 0,02 м; LTp= 1,7; Fc = 0,2; Da = 0,1 м) при работе от набегающего потока (Н, М полета).
Прибор для измерения влажности воздуха
Вихревые диффузорные устройства находят широкое применение в различных областях науки и промышленности.
Благодаря своей конструктивной простоте и малым габаритам самовакуу-мирующаяся вихревая труба может найти применение в радиоэлектронных приборах, чувствительность или точность которых определяется тепловыми флюктуациями радиоэлементов (сопротивлений, транзисторов и т.п.).
Интересным случаем практического применения вихревых устройств является исследование теплоотдачи на поверхности небольших тел вращения, помещенные в центре трубы, и ее изменение по радиусу трубы. Знание коэффициента теплоотдачи позволяет рассчитать заранее время охлаждения введенного внутрь тела до заданной температуры или определить холодопроизводитель-ность при использовании вихревой трубы как теплообменника.
В лабораторной практике часто появляется необходимость исследования небольших образцов материалов в широком диапазоне отрицательных температур. Большая потребность имеется также в приборах для тарировки термопар и термометров, особенно при низких температурах. Применять для этих целей громоздкие холодильные установки, или постоянно держать запас сжиженных газов нецелесообразно. Вихревая труба с установленной внутри миниатюрной холодильной камерой успешно может использоваться в заводских лабораториях, где имеется сеть сжатого воздуха. Такой малогабаритный термостат не требует никакого ухода и подготовки, всегда готов к работе, позволяет плавно и точно регулировать температуру в широком диапазоне.
Определение экономической целесообразности использования вихревых диффузорных устройств требует учета конкретных условий в каждом случае ЄР применения. Несмотря на крайнее несовершенство термодинамического цикла вихревой трубы, в некоторых случаях, применение ее оказывается целесообразным, когда основную роль начинают играть амортизационные расходы и расходы на обслуживание установки.
Следует также учитывать, что экономическая целесообразность не всегда является решающей при выборе метода охлаждения. Иногда решающими факторами являются простота и дешевизна изготовления, транспортабельность, мобильность, взрывобезопасность.
В этом отношении следует отметить, вихревые устройства можно изготовить в условиях производственных мастерских и эксплуатировать без специальной подготовки обслуживающего персонала.
Повышение температуры рабочего тела перед турбиной ГТД требует не только создания системы охлаждения лопаток и дисков турбины, но и строгого оперативного контроля их температурного состояния, так как перегрев лопатки на несколько градусов по сравнению с расчетно-допустимым может вызвать ее разрушение.
Непосредственное измерение температуры лопаток на работающем ГТД возможно проводить методом оценки инфракрасного излучения поверхности лопатки. В стабильных температурных условиях с помощью приемников инфракрасного излучения можно непрерывно измерять температуру каждой лопатки с приемлемой для данной системы регулирования точностью ± 5 К.
Приемник инфракрасного излучения должен быть расположен в непосредственной близости от лопаточного венца, где замеряются высокие температуры. Это приводит к необходимости создания местной системы охлаждения как приемников инфракрасного излучения, так и электронной системы обработки и преобразования сигнала приемника. В работах [120, 121] показана возможность использования вихревых устройств для охлаждения различных элементов летательных аппаратов. Температура пирометра не должна превышать 350С. Поэтому представляет интерес рассмотрение возможности применение самова-куумирующийся вихревой трубы в качестве системы стабилизации температуры приемника инфракрасного излучения.
Для уменьшения габаритов устройства, для снижения веса конструкции и расхода сжатого воздуха можно применить малогабаритные СВТ с профилированными диффузорами, построенными по методике, изложенной в главах 2,3.
На рис. 5.1. изображена конструкция прибора для охлаждения и поддержания соответствующей температуры элементов оптического пирометра. труба (диаметром DTp = 0,010 м) 2, на которой установлен диффузор 3. В кольцевой полости корпуса 1 помещена улитка 4, имеющая тангенциальный прямоугольный сопловой ввод. К корпусу 1 крепится цельнометаллическая колба 5, внутри которой расположены все теплонагруженные элементы оптического пирометра 6, которые имеют тепловой контакт с медным цилиндрическим стержнем 7. Термостат 8 расположен внутри цельнометаллической колбы 5. Подача воздуха осуществляется через клапан 9, а из емкости 10 подается жидкость. Газожидкостная смесь выходит через щель 11 между диффузором 3 и фланцем трубки 2.
Принцип функционирования устройства состоит в поэтапном задействовании термостабилизации фотодиода пирометра. За счет набегающего потока воздуха, поступающего в вихревую самовакуумирующуюся трубу, реализуется вихревой способ охлаждения; за счет охлаждения цилиндрического теплопро вода, помещенного в вихревой трубе, и контакте с фотодиодом производится отвод тепла с целью поддержания температуры примерно 353 К. В случае превышения температуры фотодиода Т 353 К производится способ охлаждения, основанный на фазовых переходах: осуществляется впрыскивание жидкости из бака на вход в ресивер соплового ввода. В случае температур фотодиода Т 353 К, за счет электрической связи и системы датчиков нагревателем осуществляется нагрев среды до заданного уровня (« 353 К).
Колба с экранно-вакуумной изоляцией предназначена осуществлять теплозащиту от внешнего нагрева (Т « 500 К). Такое последовательное включение вихревого способа охлаждения, охлаждения за счет фазовых переходов и нагревателя при наличии колбы с экранно-вакуумной изоляцией позволяет поддерживать необходимую для функционирования ГТД температуру (Т « 353 К).
Главным отличием данного прибора является использование малогабаритной самовакуумирующейся вихревой трубы.
