Содержание к диссертации
Введение
1. Краткий обзор работ по теме исследования 9
1.1. Сопловой ввод 9-13
1.2. Диафрагма 13-14
1.3. Вихревая камера 14-18
1.4. Дроссельннй вентиль 18-24
2. Исследование процесса истечения газа в вихревую камеру 25
2.1. Аналитическое определение степени расширения газа в сопле вихревой трубы 25-30
2.2. Экспериментальные исследования процесса истечения газа из сопла вихревой трубы 30-37
2.3. К определению оптимальной конструкции соплового ввода 37-41
3. Экспериментальные исследования рабочего процесса вихревых труб 42
3,1» Экспериментальная установка, методика экспериментальных исследований и обработки опытных Данных 42-54
3.2. Исследование влияния конструкции вихревых труб на эффективность их работы 54
3.2.1. Влияние формы и размеров вихревой камеры 54-55
3.2.2. Влияние конструкции горячего конца вихревой трубы 55-65
3.2.3. Влияние конструкции холодного конца вихревой трубы 65-66
3.2.4. Выводы 66-67
3,3. Экспериментальные исследования внутренней аэродинамики вихревых труб 67-68
3.3.1. Аэродинамика конической вихревой трубы с закрытым решеткой горячим торцем 68-79
3.3.2. Аэродинамика конической вихревой трубы с закрытым плоской стенкой горячим торцем 80-67
3.3.3. Аэродинамика цилиндрической вихревой трубы с закрытым плоской стенной
горячим торцем 87-92
3.3.4. Аэродинамика цилиндрической вихревой трубы с закрытым решеткой горячим торцем 92-97
3.3.5. Выводы 97-99
4. Исследование рабочего процесса вихревой трубы с омбинированным диффузором на горячем конце 100
4.1. Влияние величины площади сопла и его геометрических размеров 106-108
4.2. Влияние вихревой камеры 106-110
4.3. Влияние конструкции осевого диффузора на работу вихревой трубы с комбинированным диффузором 110-112
4.4. Влияние формы торцевой стенки вихревой камеры на работу вихревой трубы с комбинированным диффузором 112-120
4.5. Работа конической вихревой трубы с комбинированным диффузором на горячем конце при повышенном давлении холодного потока 120-125
5. Приблихенная методика термо-газодинамического расчета вихревой трубы
5«1. Вывод основного расчетного уравнения вихревой трубы 126-132
5,2. Общая схема терио-гааодинамического расчета . 132-137
6. Выводы по работе 138-139
Литература 140-147
Приложения
- Сопловой ввод
- Аналитическое определение степени расширения газа в сопле вихревой трубы
- Экспериментальная установка, методика экспериментальных исследований и обработки опытных Данных
- Влияние величины площади сопла и его геометрических размеров
- Вывод основного расчетного уравнения вихревой трубы
Введение к работе
Развитие современной науки и техники, передовых методов производства и внедрение новой технологии связано с использованием таких процессов, для нормального течения которых необходимо осуществлять различные темпэратурнне рехимн, причем интервал необходимых температур включает как положительные температуры - до сотен и даже тысяч градусов, так и отрицательные - от нескольких градусов до температур близких к абсолютному нули. При этом во многих отраслях техники требуется получение умеренных температур от -ФООРС До -60С. К ним, например, относятся радиотехника, авиация, космонавтика, приборостроение. Для получения и поддержания отрицательных температур широко используются различные холодильные машины - абсорбционные, компрессионные, турбодетандернне и другие, хорошо работающие в стационарных условиях.
Однако в некоторых случаях их применение либо ограничено, либо вовсе невозможно из-за специфических условий кратковременной, эпизодической работы - повышенного уровня вибрации, требований повышенной надежности и малого веса, длительного ресурса и т.д.
Поэтому, особенно в последние годы, уделялось и уделяется много внимания созданию таких генераторов холода, которые удовлетворяли бн все перечисленные требования.
Одним из самых простых по конструкции и надежных в работе устройств, предназначенных для получения холода, является вихревая труба.
После открытия в 1931 году Джозефом Ранком {Ranque G.3.) опытным путем вихревого эффекта энергетического разделения таза / 66 / появилось немало работ, связанных с теоретическими и экспериментальными исследованиями как самого процесса, так и равличных аппаратов, в основе рабочего процесса которых лежит вихревой эффект.
Большой вклад в изучение вихревого эффекта внесли советские ученые: Алексеев В.П., Мартыновский B.C., Вулис А.А., Гуляев А.И., Яеркудов А.П., Метвнйн В.И., БродянскиЙ B.I. и другие.
Однако, несмотря на обилие работ / 12, 14, 17, 20, 24, 28, 33, 42, Ж, 61-63, 68-^, 29, 53 /, как советских, так и зарубех-ннх исследователей, в настоящее время не создано достаточно цельной теории вихревого эффекта, подтверхденной экспериментально. Поэтому при проектировании и создании вихревых генераторов холода и аппаратов, работающих на базе вихревых труб, пользуется эмпирическими формулами, справедливыми лишь для ограниченного числа типоразмеров разных конструкций. Несмотря на то, что существует несколько методик расчета, все еще нет воэиохности заранее предсказать с достаточной точность воэмохный температурный эффект охлаждения или нагревания конструируемых вихревых труб. Все это приводит к значительным доводочным испытаниям и ограничивает внедрение вихревых генераторов холода в промышленность.
Но основным фактором, сдергивающим широкое применение вихревых труб, является, как известно, их низкая энергетическая эффективность .
В последние годы появилось много работ, направленных на устранение этого недостатка. Определены перспективные пути исследований. Дальнейшее совершенствование вихревых холодильных аппаратов возмохно преимущественно после детального изучения процессов, протекающих внутри вихревой трубы с целью определения ее оптимальных рехимов работы и ее оптимальной геометрии.
Простота конструкции, малый вес, отсутствие вращающихся частей, практически неограниченный ресурс работы, а такхе воэмох-ность получения двух потоков газа с раэличннми температурами торможения, одна из которых больше температуры подаваемого в вихревую трубу схатого газа, а другая меньше, а такхе малая инерцнон-
7 ноеть - вот те оеновнне преимущества вихревой трубы, которые, несмотря на сравнительно низкий к.п.д. происходящего внутри нее процесса энергетического разделения газа, определяет в настоящее время области ее применения.
Созданы и успешно эксплуатируются установки на базе вихревых труб: в горнодобывающей и металлургической промышленности - в качестве индивидуальных кондиционеров для обеспечения комфортных условий работы, в радиотехнике и электротехнике - для стабилизации температуры деталей и узлов аппаратуры. Хорошо зарекомендовали себя вихревые трубы, как генераторы тепла и холода при работе на стендах для теплопрочностннх испытаний отдельных элементов и узлов различных устройств. Широко используются также вихревые масловлагоотделитеяи / 40 /, предназначенные для очистки сжатого газа от механических примесей, капельной влаги и масла.
Повышение к.п.д. процесса энергетического разделения газа вследствие дальнейшего совершенствования конструкции и определения оптимальных режимов их работы позволит расширить области их применения и во многих случаях заменить ими ранее использовавшиеся холодильные машины, получив при этом целый ряд существенных преимуществ.
Поэтому дальнейшее исследование вихревого эффекта и совершенствование конструкций вихревых труб является актуальной технической задачей.
Цель настоящей работы заключается в дальнейшем изучении вихревого эффекта энергетического разделения газа и создании вихревых устройств, имеющих существенно лучшие характеристики по сравнению с известными; создании метода расчета и конструирования вихревых труб по осредненным параметрам, как наиболее приемлемого для инкенерной практики.
Основные научные положения, защищаемые автором:
1. Смещение границы превращения потенциального вихря в вы- нужденний к периферийной стенке вихревой камери на всем ее про-тяіении интенсифицирует процесе температурного разделения газа и повивает его энергетическую эффективность.
Применение последовательно соединенных осевого и целевого диффузоров позволяет без дополнительных энергетических затрат наиболее полно утилизировать кинетическую энергию холодного и горячего штоков вихревой трубы.
Однии из критериев оптимальности конструкции вихревой трубн является постоянство периферийного статического давления по длине вихревой каперы, что позволяет применить газодинамические функция для определения ее осноеных терко-газодинамических и геометрических характеристик.
9 1. КРАТКИЙ ОБЗОР РАБОТ ПО TSUE ИССЛЕДОВАНИЯ
Вихревой эффект энергетического разделения газа проявляется в закрученном потоке вязкой сжимаемой гидкости и реализуется в простом устройстве - вихревой трубе. В настоящее время создано большое количество вихревых труб различных конструкций / 17, 28, 39, 40, 58-60, 67, 73 /. По принципу действия их можно разделить на 2 основнве групин: прямоточные и противоточные (рис, 1.1.). Основными частями трубы являются: сопло - 1, диафрагма - 2 (или холодная трубка для прямоточной ВТ), вихревая камера (труба) -3, дроссельный вентиль - 4.
В работах Мартыновского B.C., Алексеева В.П. и в других работах / 19-26, 6, 13, 17, 21, 28, 35, 34, 50, 54, 71 / даются характеристики и определяется оптимальная геометрия вихревых труб. Все эти работы направлены на устранение главного недостатка ВТ - малой энергетической эффективности.
За весь период исследований вихревого эффекта конструкция вихревой трубы претерпела значительные изменения. Совершенствование вихревой трубы как генератора холода позволило увеличить эффект охлаждения с нескольких градусов до нескольких десятков (в самовакууммрующейся ВТ) градусов.
Рассмотрим кратко конструкции основных частей вихревой трубы.
1.1. Сопловой ввод
Вихревая труба, созданная Р.Хилшем / 61/, {Hitch R. ), имеет один круглый тангенциальный сопловой ввод и входную улитку прямоугольного сечения, выполненную по спирали Архимеда (рис. 1.2,а), из-за чего на срезе сопла имеется площадка, создающая зону завихрения, что отрицательно сказывается на работе вихревой трубы.
a
7 'H'fff'ff' '>W ' тш>"' '""' ry""J ' ' ' ' ' ' ' > > " ' ' > >\ IJ"JI" "' "" ?'"'? np7 ' >>>>>*>] f"t і
Рис. 1.1. Основнне схема ранее известных вихревых труб: а - прогивоточная; б - прямоточная. 1 - сопло; 2 - диафратка; 3 - вихревая камера; 4 - дроссель
ф
- г
Рис. 1.2. Конструкция сопловых вводов. а - Хилша; б,д - Меркулова; в,в - Мвтенина; г - Фу ям* она,
Меркулов А.П. / 27, 28, 30 / предложил использовать сопловой ввод прямоугольного сечения и прямоугольную входную улитку, также выполненную по спирали Архимеда (рис. 1,2,6). Оцнако, применение такого осесимметричного сопла, расположенного, как правило, под углом 90 к оси трубн совместно с прилегающим к нему завихрителем, приводит к тому, что на некотором расстоянии от стенки эавихрителя, зависящем от скорости потока, возникает криволинейный скачок уплотнения переменной интенсивности, который вносит специфическое волновое сопротивление и приводит вследствие этого к уменьшению работоспособности газа и диссипации его энергии,
Метенин В.И. /34, 37, 38 / в результате проведенных исследований предложил использовать криволинейное конфуэорное сопло прякоугольного сечения и завихритель, выполненный по логарифмической спирали (рис. 1.2,в).
Использование сопла и эавихрителя этого типа позволяет значительно увеличить энергетическую эффективность вихревой трубы, что и обусловливает их предпочтительное применение в настоящее время.
Делались попытки использования многосопловых вводов сжатого газа (рис. 1.2, г-е). Но их применение только усложнило конструкцию вихревых труб и не дало желаемого улучшения энергетической эффективности, что связано, по-видимому, с дроблением струи потока газа на входе в трубу и ростом гидравлических потерь в каналах, а это, как известно, отрицательно сказывается на процессе энергетического разделения газа.
Оптимальный режим работы вихревой трубы значительно зависит от площади сопла ~fc , В зависимости от ее назначения потребная площадь сопла меняется и, как правило, колеблется в пределах (0,04*0,12) Ті , где h - площадь вихревой камеры в сопловом сечении. Меньшая fc соответствует режиму работы вихревого насоса
13 (эхектора), большая - вихревого генератора холода.
1.2. Диафрагма
Первоначально диафрагма вихревой трубн имела вид плоской пдастинн с калиброванным отверстием. Величина отверстия подбиралась такой, чтобы обеспечивался необходимый расход холодного воздуха потребной температуры.
Установлено, что величина отверстия или относительный диаметр диафрагмы d =А * D где #х - диаметр отверстия диафрагмы; и - диаметр трубн в сопловом сечении; для цилиндрических / 37 / и конических / 33 / вихревых труб не зависит от начального давления схатого газа и его_температурн.
Однако, как известно, оптимальная величина 0(х различная для конических и цилиндрических вихревых труб.
Для цилиндрических вихревых труб существует два оптимальных значения dx - для режимов наибольшей холодопроизводительности - максимального значения Qst и максимального эффекта охлахдения {&lmax ) I 24, 30, 35/.
Для конических вихревых труб величина оптимального dx одинакова для обоих рехимов / 34 / и равна 0,49*0,51.
В работах / 13, 33 / рассматривается вопрос о необходимости раскрутки холодного потока, что по выводам авторов долхно повысить эффект охлахдения в вихревой трубе. Действительно, выходящий через отверстие диафрагмы холодный газ имеет большую угловую скорость, и, если осуществить его раскрутку, то это даст воэмох-ность преобразовать часть кинетической энергии двихущегоея газа в потенциальную энергию давления, что снизит потребный перепад давления при том хе эффекте охлахдения ДТ* .
Метенин В.й. / 34 / провел экспериментальные исследования работы коничеекой вихревой трубы с диффузором на холодном конце, состоящим ив диффузорной трубки и щелевого диффузора (рис. 1.3).
В этой работе показано, что установка диффузора способствует увеличение 47* и %т при доле холодного потока JJ. > 0,3. Однако исследования носят незаконченный характер и не дают ответа на вопросы: от каких факторов зависит работа диффузора; какова его оптимальная геометрия. Недостаточно исследована совместная работа диффузора и горячего конца вихревой трубы.
Многие исследователи / 21, 32, 31, 62, 71 / отмечают, что на эффект энергетического равделения гаэа в вихревой трубе оказывает влияние перетекающий по плоскости диафрагмы и смешивающийся с холодным потоком пограничный слой, который значительно повышает температуру холодного потока. Предлагались устройства для отвода пограничного слоя (рис. 1.4). Однако специальных исследований по изучению этого явления нет.
1.3. Вихревая камера
Вихревая камера - это конический или цилиндрический участок вихревой трубы, в котором реализуется эффект энергетического разделения газа.
Первые вихревые трубы изготавливались цилиндрическими с длиной вихревой камеры L равной 50 и более диаметрам трубы. Фультон С.Д. (Fu Lton С.й) / 57/ в результате проведенных экспериментов рекомендовал выполнять вихревую камеру цилиндрической и равной 33 калибрам.
Хендалу В.П. {Hendal W.P.) / 60/ удалось уменьшить длину вихревой трубы, выполнив ее конической, с углом раствора конуса /г = 7, с открытым горячим концом.
Впоследствии Меркулов А.П. / 30 / получил хорошие результаты на цилиндрической вихревой трубе длиной в 9 калибров, с крес-
Рис. 1,3. Конструкідая диффузора холодного потока вихревой трубн. 1 - корпус; 2 - сопловой ввод; 3 - диафрагма с конической трубкой и щелевым диффузором; 4 - вихревая камера.
Пограничный смой.
Уолодныи поток
Рис. 1,4» Устройство для отвода пограничного слоя с плоскости диафрагмы.
1 - диафрагма; Z - отсекатель. товиной на горячем конце.
Метенин В.й. / 33, 34 / предложил использовать коническую вихревую трубу с углом раствора конуса 340 и длиной вихревой камеры Lr -3D и периферийным отводом горячего потока. При этом горячий торец закрыт прилегающей к нему решеткой (рис. 1,7).
Уменьшение длины вихревой камеры значительно упростило конструкции вихревой трубы, и, кроме того, позволило значительно улучшить ее энергетическую эффективность.
Азаров А.И. / Z / исследовал вихревую трубу с рециркуляцией горячего потока, отбираемого из коротной конической вихревой камеры через отверстия постоянного сечения, расположенные на различных расстояниях от соплового ввода, и подаваемого через плоскую торцевую стенку горячего конца в приосевую зону. В такой вихревой трубе реализуются режимы работы, при которых охлаждается весь поток газа, подаваемый через сопло, при рециркуляции горячего потока.
Делались также попытки использовать вихревые трубы, у кото рых сечение вихревой камеры отличалось от круга. Например, Пару- лекар исследовал работу вихревых труб с вихревыми камерами в виде эллипса или квадрата, однако, получил при этом значительно худшие результаты, чем даже на цилиндрической вихревой трубе.
Обычно внутренняя поверхность вихревой камеры выполняется гладкой, но, с целью повышения турбулентности потока, проводились эксперименты по вводу в поток различных турбулизаторов, например, на поверхности вихревой камеры нарезались винтообразные канавки, что дало положительный эффект лишь в случае длинной охлаждаемой снаружи не адиабатной вихревой трубы / 3, 73 /.
В последние годы широко исследовались режимы работы вихревой трубы, когда весь подаваемый в вихревую трубу газ выходит через
17 отверстие диафрагмы, т.е.
Впервые в нашей стране такие исследования проведены Бродянс-аим В.М. и Мартыновым кЛ. / 9 /. Ими разработано и испытано несколько конструкций вихревых труб с комбинированным отводом энергии (когда энергия отводится с охлаждающим веществом и е горячим потоком газа) с целью повышения их эффективности путем увеличения холодопроизводитедьноети.
Установлено, что в результате отвода энергии от внутренних слоев к внешним, а от них через стенку к охлаждающей воде - на выходе из вихревой трубы весь поток газа охлаждается на 25*28 С (при /J ш 0,4 МПа). При этом передача энергии от холодного потока в окружающую среду осуществляется "только благодаря свойству вихревого процесса, при котором температура торможения внешних слоев выше температуры охлаждающей воды" / 17 /, а горячий поток служит передатчиком энергии от холодного потока к охлаждающей воде.
В работе / 17 / рассмотрено влияние различных факторов на работу охлаждаемых вихревых труб и даются максимальные значения адиабатного к.п.д., подученные авторами, Ча~ 26т27$.
Отмечено, что значения к.п.д. не являются предельными и могут быть увеличены при усовершенствовании конструкции.
Аналогичные исследования по определению оптимальной конструкции охлаждаемых вихревых труб проводились и другими исследователями. Так, например, Бирюком В.В. установлено / 3 /, что длина вихревой камеры охлаждаемой снаружи (например, водой) вихревой трубы должны равняться 14 калибрам. При этом вихревая труба выполняется конической с углом конусности 3 (минимальный диаметр соответствует сопловому сечению) и закрытым торцем горячего конца трубы.
В результате работ, проведенных в последние годы в СТЙХП и приведших к созданию нового типа охлаждаемых вихревых труб с внутренним оребрением удалось еще более увеличить эффективность процесса энергетического разделения. Для таких вихревых труб Па достигает 35-40$ / 73 /.
Таким образом, несмотря на значительное количество работ по исследованию рабочего процесса вихревых труб, единого окончательного мнения о геометрии вихревой камеры все еще нет.
1.4. Горячий конец вихревой трубы и дроссельный вентиль
Первоначально конструкция горячего конца вихревой трубы бы ла весьма проста и имела лишь один дроссельный вентиль, служив ший для регулирования долей холодного ft, и горячего (1 -р>) пото ков. п Jd- G* где 6Х _ расход холодного потока; Of - расход сжатого газа, подаваемого в вихревую трубу.
В дальнейшем, в результате проведенных исследований конструкция горячего конца сильно изменилась и услохнилась. Однако все усложнения обусловлены увеличением эффективности рабочего процесса вихревых труб.
Рассмотрим некоторые исследованные конструкции.
Стремление к уменьшению длины вихревой зоны привело к созданию, так называемых спрямителей потока. Синим из первых предложил использовать епрямитель Меркулов А.П. / 27 /.
Он устанавливал перед дроссельным вентилем 4-х лопастную крестовину (рис. 1,5), которая незначительно улучшила характеристики вихревой трубн и позволила сократить длину вихревой камеры до 9D / 27 /.
Наиболее широкие исследования в этой области проведены йете-
Й-Д
Рис. 1.5. Сїфяштель потока конструкции А.П.Меркулова,
Рис. 1.6. Спрянитаяь потока конструкции В.И.Мвтвнина. а - сеточный; б - рвшетчатнй. ниным В.И. / 33-38 /. Применяя спрямители различных конструкций, ему удалось значительно сократить длину цилиндрической вихревой камерн (до 2,8-3D ) / 35 /. При этом лучшие результати бнли получены на сеточном и решеточном спрямителях (рис. 1,6).
Используя в дальнейшем коническую вихревую камеру с Jr * - 3^0** 4 и Lr = 3 D совместно с решетчатым спряштелен и периферийным лопаточным диффузором горячего потока, Метения В.И. / 33 / получил результаты намного превосходящие характеристики известных типов вихревых труб. Конструкция такой вихревой трубы представлена на рис. 1.7.
Установка решетки на торце конической вихревой камеры позволила устранить глубокий вакуум, возникающий в ядре горячего потока (особенно при больших JJ> ), путем перепуска некоторой доли газа в ядро потока, а установка периферийного лопаточного диффузора в конической вихревой трубе с закрытым сеткой (решеткой) горячим торцом трубы преследовала следующие цели: а) разграничить горячий поток с двумя различными характера ми течения - вращательным и поступательным; б) аадроссолировать горячий поток с вращательным двихением с целью обеспечения выхода его ядра через диафрагму холодного потока; в) обеспечить при дросселировании отвод горячего потока только с периферии, где он имеет наибольшие давление и температу ру; г) превратить некоторую долю кинетической энергии вращатель ного двихения горячего потока в потенциальную с тем, чтобы его можно было наиболее рационально иепояьзовать за вихревой трубой /34/.
Несмотря на то, что по сравнению с цилиндрической, получено значительное увеличение энергетической эффективности вихревой
l3|[\SS\SNW^
Рис. 1.7. Конструкция вихревой трубн В.Й.Метенина. а) - горячий диффузор целевой; б) - лопаточный. трубн (на 20*30$), потребуются еще значительные исследования как для более детального изучения сложных термо- и газодинамических процессов, протекающих на горячем конце вихревой трубы, так и для отыскания оптимальной конструкции ее горячего конца.
Как правило, на горячем конце трубн устанавливается устройство для регулирования доли холодного потока JX . Чаде всего используются шаровые, конусные или игольчатые вентили, из которых предпочтение отдают игольчатым, обеспечивающим плавное и надехное регулирование и^ во всем диапазоне JJ> .
Хотя на сегодня и имеется большое количество работ, посвященных исследованию геометрических характеристик вихревых труб, но многим из них присущ один недостаток - они, как правило, проводились без необходимых теоретических предпосылок, определяющих оптимальный рехим работы вихревой трубы, и, как следствие этого, - ее оптимальную геометрию. Кроме того не учитывались особенности работы вихревых труб в конкретных условиях. По-прехнему остаются недостаточно исследованными некоторые области работы вихревых труб - при малых степенях расширения, в случаях, когда рабочим телом является водяной пар, инертные газы.
Существующие хе в настоящее время теории, объясняющие сущность энергетического разделения газа в вихревой трубе, не подт-верхдаются полностью экспериментами различных авторов, поэтому разработанные на их базе методики расчета вихревых труб, как правило, справедливы лишь для ограниченного числа типоразмеров. Но и эти методики не позволяют достаточно точно рассчитать геометрию вихревых труб для обеспечения потребной холодопроиэводитель-ности С}й7 и потребного температурного эффекта охлаждения А Тх . Так, например, созданная Кузнецовым В,И. методика расчета цилиндрических вихревых труб / 14 /, состоящая из 100 пунктов, сводится в конечном итоге к приближенному расчету трубн методом последова- тельного приближения. Созданная же Меркуловым А.П. методика / 28 / дает хорошую сходимость экспериментальных данных с расчетом лишь в небольшом диапазоне размеров цилиндрических вихревых труб.
Метений В.Й. показал, что процесс энергетического разделения газа в конической вихревой трубе значительно отличается от того же процесса в цилиндрической вихревой трубе. В результате термо динамического и газодинамического анализа им получено уравнение рабочего процесса идеальной вихревой трубы в безразмерном виде / 45 /: _*__ холодного потоков; где В&7-^=*- отношение температур торможения горячего и р* ЛГ'~^Г~ отношение полного давления газа на входе в соп- ло к полному давлению горячего потока.
В результате теоретических и экспериментальных исследований были выработаны рекомендации для проектирования конических вихревых труб с закрытым решеткой горячим торцем - определен оптимальный диаметр диафрагмы, форма и потребная площадь сопла, подтверждена необходимость раскрутки холодного потока и установки лопаточного диффузора горячего потока, была создана промышленная установка с использованием вихревой трубы, как генератора холода, имеющая лучшую энергетическую эффективность.
Показывая преимущества конических вихревых труб по сравнению с цилиндрическими, эта работа определяет и пути их дальнейшего совершенствования.
Дальнейшее улучшение характеристик вихревых труб должно быть связано с детальным изучением процессов, протекающих в раскруточ-ннх диффузорах холодного и горячего концов; исследованием полей скоростей, температур и давлений внутри вихревой трубы, рассмотрения совместной работн отдельнвх частей вихревой трубы на различных режимах работн с целью определения оптимальной конструкции.
Дальнейшее исследование процесса энергетического разделения газа в вихревой трубе позволит не только определить ее оптимальную конструкцию и повысить энергетическую эффективность, но и создать более полную теорию вихревого эффекта.
Повышение хе адиабатного к.п.д. вихревой трубн (адиабатный к.п.д. - отношение температурного эффекта охлахдения в вихревой трубе к температурному эффекту адиабатного охлахдения газа), наряду с такими преимуществами как малый вес, простота и надехность конструкции, компактность, большой ресурс работн, сделает ее незаменимой в таких отраслях техники, как: авиация, космонавтика, переработка нефти и газа и др.
2. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ИСТЕЧЕНИЯ ТкЪК В ВИХРЕВУЮ КАМЕРУ
Многочисленные экспериментальные исследования вихревых труб / 5, 6, 15, 27, 49, 50, 54, 71» 56 / показывают, что эффективность их работы во многом определяется процессами, проходящими в сопловом аппарате, служащим для частичного преобразования энергии давления газа в кинетическую энергию вихревого потока. Поэтому исследования процессов течения газа в соплах вихревой трубы имеют важное значение.
2.1. Аналитическое определение степени расширения газа в сопле вихревой трубы
Рассмотрим истечение газа в коническую вихревую камеру, по всей длине которой происходит процесс температурного разделения его по радиусу.
Если истечение газа происходит в вихревую камеру, полностью открытую с горячего (широкого) конца рис. 2.1,а, то при движении его вдоль камеры создается противодавление на выходе ив сопла, обусловленное только периферийной окружной скоростью, обеспечивающей равновесие закрученного потока. При этом завихритель является своего рода направляющим аппаратом, обеспечивающим равномерный периферийный ввод газа в вихревую камеру.
Если же камера полностью закрыта с широкого конца, а весь поступающий в камеру газ отбирается через отверстие в диафрагме рис. 2.1,6, прилегающей к соплу, то периферийное статическое давление на начальном участке камеры будет определяться не только характером процесса в сопле, но и в значительной мере диаметром отверстия в диафрагме, от которого зависит величина гидравлического сопротивления.
В открытой с широкою конца вихревой камере (рис. 2.1,а) пе- тг\
-El 'і /j^^^; J V J J - J - "П ~P>>>>>>'>>>>rj t=J Ь) nS
Рис. 2.1. Модели, принятие ддл исследования процессов истечения газа из сопла в вихревую камеру: 1 - сопловой ввод; 2 - вихревая камера; 3 - плоская цилиндрическая стенка; 4 * диафрагма. а) полностью открытая вихревая камера; б) широкий конец камери полностью закрыт, истечение иэ камеры через отверстие диафрагмы; в) широкий конец камера прикрыт плоской цилиндрической стенкой. риферийное статическое давление, обеспечивающее равновесие закрученного потока при отсутствии каких-либо потерь и без совершения технической работы могет бнть определено из уравнения Бернулли: (2.1)
О и Q - соответственно конечное и начальное состояние газа в камере. В предпололений, что расширение газа от начального давления Р до давления на срезе сопла Р осуществляет адиабатно, полная скорость истечения газа из сопла W определяется по уравнению: m^vm (2.2)
Будем считать, что дальнейшее расширение газа в вихревой камере от давления Р до давления газа на выходе из вихревой камеры Р0 происходит политропически с показателем политропы - П Тогда при принятых допущениях уравнение (2.1) будет иметь вид: (2.3) -2 2п и - --U PV 1- n-t *" v Iі \ Р \JQ - скорости в начальном и конечном состоянии газа (т.е. соответствующие давлениям Р и Р0 ), Так как состояние газа на начальном участке вихревой камеры соответствует конечному состоянию при расширении его в сопле, то моїно считать, что W= U , тогда из (2.2) и (2.3) будем иметь:
-&-Q4 ti-j&PV к-1 (2.4)
Так как процесс расширения газа в сопле принят адиабатным, то: PV^ f_p_\ кіг W ЛЧ (2.5)
Обозначим ^-= А - -щ » (2.6) где JCq - степень расширения газа в сопле.
Подставляя (2,5) и (2.6) в (2.4), после приведения к общему знаменателю с учетом уравнения состояния идеального газа, получим: * (ФМ -М N м- н»#№К
Обозначим %- *А * -±~ , где Шв7 - степень расшире-ния газа в вихревой трубе.
Тогда (2.7) примет вид: f пНІА^ІА^- A / (2.8)
Сопловой ввод
Вихревая труба, созданная Р.Хилшем / 61/, {Hitch R. ), имеет один круглый тангенциальный сопловой ввод и входную улитку прямоугольного сечения, выполненную по спирали Архимеда (рис. 1.2,а), из-за чего на срезе сопла имеется площадка, создающая зону завихрения, что отрицательно сказывается на работе вихревой трубы. a предложил использовать сопловой ввод прямоугольного сечения и прямоугольную входную улитку, также выполненную по спирали Архимеда (рис. 1,2,6). Оцнако, применение такого осесимметричного сопла, расположенного, как правило, под углом 90 к оси трубн совместно с прилегающим к нему завихрителем, приводит к тому, что на некотором расстоянии от стенки эавихрителя, зависящем от скорости потока, возникает криволинейный скачок уплотнения переменной интенсивности, который вносит специфическое волновое сопротивление и приводит вследствие этого к уменьшению работоспособности газа и диссипации его энергии,
Метенин В.И. /34, 37, 38 / в результате проведенных исследований предложил использовать криволинейное конфуэорное сопло прякоугольного сечения и завихритель, выполненный по логарифмической спирали (рис. 1.2,в).
Использование сопла и эавихрителя этого типа позволяет значительно увеличить энергетическую эффективность вихревой трубы, что и обусловливает их предпочтительное применение в настоящее время.
Делались попытки использования многосопловых вводов сжатого газа (рис. 1.2, г-е). Но их применение только усложнило конструкцию вихревых труб и не дало желаемого улучшения энергетической эффективности, что связано, по-видимому, с дроблением струи потока газа на входе в трубу и ростом гидравлических потерь в каналах, а это, как известно, отрицательно сказывается на процессе энергетического разделения газа.
Оптимальный режим работы вихревой трубы значительно зависит от площади сопла fc , В зависимости от ее назначения потребная площадь сопла меняется и, как правило, колеблется в пределах (0,04 0,12) ТІ , где h - площадь вихревой камеры в сопловом сечении. Меньшая fc соответствует режиму работы вихревого насоса (эхектора), большая - вихревого генератора холода.
Аналитическое определение степени расширения газа в сопле вихревой трубы
Рассмотрим истечение газа в коническую вихревую камеру, по всей длине которой происходит процесс температурного разделения его по радиусу.
Если истечение газа происходит в вихревую камеру, полностью открытую с горячего (широкого) конца рис. 2.1,а, то при движении его вдоль камеры создается противодавление на выходе ив сопла, обусловленное только периферийной окружной скоростью, обеспечивающей равновесие закрученного потока. При этом завихритель является своего рода направляющим аппаратом, обеспечивающим равномерный периферийный ввод газа в вихревую камеру.
Если же камера полностью закрыта с широкого конца, а весь поступающий в камеру газ отбирается через отверстие в диафрагме рис. 2.1,6, прилегающей к соплу, то периферийное статическое давление на начальном участке камеры будет определяться не только характером процесса в сопле, но и в значительной мере диаметром отверстия в диафрагме, от которого зависит величина гидравлического сопротивления.
а) полностью открытая вихревая камера;
б) широкий конец камери полностью закрыт, истечение иэ камеры через отверстие диафрагмы;
в) широкий конец камера прикрыт плоской цилиндрической стенкой. риферийное статическое давление, обеспечивающее равновесие закрученного потока при отсутствии каких-либо потерь и без совершения технической работы могет бнть определено из уравнения Бернулли: (2.1) где
О и Q - соответственно конечное и начальное состояние
газа в камере. В предпололений, что расширение газа от начального давления Р до давления на срезе сопла Р осуществляет адиабатно, полная скорость истечения газа из сопла W определяется по уравнению:
Будем считать, что дальнейшее расширение газа в вихревой камере от давления Р до давления газа на выходе из вихревой камеры Р0 происходит политропически с показателем политропы - П Тогда при принятых допущениях уравнение (2.1) будет
Экспериментальная установка, методика экспериментальных исследований и обработки опытных Данных
С целью более полного изучения процесса энергетического разделения газа, протекающего в вихревых трубах, а также - установления оптимальной конструкции вихревой трубы, была создана экспериментальная установка, схема которой представлена на рис. 3.1.
Конструкция установки позволяла проводить исследования влияния основных частей вихревой трубы на ее рабочий процесс, а также проводить эксперименты по изучению термо-газодинамических процессов, происходящих внутри самой трубы.
Осушка сжатого воздуха перед подачей в вихревую трубу осуществлялась в две ступени: удаление капельной влаги и масла производилось в вихревом влагомаслоотделитеде - 1, дальнейшая осушка - в сменных силикагэдевнх фильтрах - 2.
Для стабилизации температуры воедуха на входе в вихревую трубу на установке предусмотрен воздушно-водяной теплообменник - 3. Электрический подогреватель воздуха - 4 предназначен для опреде Рис. 3.1. Схема экспериментальной установки. 1 - вихревой влагомаслоотделитель; 2 - силинагелевнй фильтр; 3 - воздушно-водяной охладитель; 4 - эдектроподогреватедъ воздуха; 5 - ресивер вихревой трубы; 6 - вихревая труба; 7 - регулировочный вентиль горячего потока; 8 - глушитель; 9, 10, 11 - регулировочные вентили. ления влияния повышения начальной температуры сжатого воздуха на процесс его энергетического разделения.
Сжатый воздух после системы осушки и системы терцостабилизации подавался в ресивер вихревой трубы - 5, где эамерялись его полные параметры - ъ Ъ , и далее в корпус вихревой трубы 6. Объем ресивера выбирался таким, чтобы скорость потока газа в нем составляла 0,1 0,15 М, где М -число Маха. В этом случае изменением скорости до сопла, а также изменением полных параметров газа г\ и І в ресивере можно пренебречь.
Конструкция корпуса вихревой трубы позволяла испытывать различные сопловые вводы при различных конструктивных вариантах основных частей вихревой трубн (вихревых камер, диффузоров холодного и горячего потоков и т.д.).
Воздух, расширившись в сопловом вводе, поступал далее в вихревую камеру 7, где происходило его энергетическое разделение с образованием двух потоков - горячего и холодного. По длине вихревой камеры замерялось периферийное статическое давление воздуха на различных расстояниях (2 мм, 30 мм, 60 мм, 90 мм) от соплового сечения - Рг , Р3 t , Ps щ Горячий поток, проходя через диффузор, поступад в сборник С ресивер) горячего пото-ка, где замерялись его полные параметры состояния - давление Рг ж -„» г . Кроме того, замерялись статические давления на торце горячего конца вихревой трубы - Рг0 , Рп , Рг2 , Pr3 .
Горячий поток из ресивера через дроссель горячего потока 7 сбрасывался в систему дренажа, оснащенную системой шумоглушения 6. Холодный поток, выходя через диафрагму, попадал в ресивер хо п лодного потока, где также замерялись его полные параметры: Ht и 1Х . При установке на холодном конце вихревой трубы раскру-точного диффузора замерялось осевое статическое давление на стенке щелевого диффузора - Рхо , Величина массы отбираемого горячего потока /7?г регулировалась дросселем горячего потока 7, что однозначно определяло и величину холодного потока ITix (/TTj z тх + rnr ).
Измерение давлений выше 0,1 МПа в процессе эксперимента проводилось образцовыми манометрами типа U0 класса точности 0,4, а давлений ниіе 0,1 МПа ртутными или водяными пьезометрами с ценой деления 1 мм. Измерение температур проводилось хромель-копелевнми термометрами с диаметром проволоки 0,3 мм, соединенными с потенциометром типа ЇЇЇЇ-63 класса точности 0,05. Измерение т.э.д.с. осуществлялось компенсационным методом, то есть сведением к нулю тока в измерительной цепи, что позволяет, кан известно, исключить влияние сопротивления термоэдектродов на результат измерения.
Термопары вместе с многопозиционным переключателем были тщательно отградуированы по эталонной платино-платинородиевой термопаре. Для стабилизации температуры нерабочих спаев термопар использовался термоизолированный сосуд Дьоара с тающим льдом.
При монтаже рабочих спаев термопар особое внимание уделялось предотвращению возможности возникновения паразитных т.э.д.с. из-за скручивания термоэлектродов и контакта с посторонними поверхностями ,
Влияние величины площади сопла и его геометрических размеров
Проведенные нами экспериментальные исследования показывают, что для получения максимального температурного эффекта охлаждения холодного потока с утилизацией кинетической энергии горячего потока в комбинированном диффузоре целесообразно использовать одно-сопловой ввод с площадью сопла в выходном сечении, равной 0,097т -:0,105 площади вихревой трубн в сопловом сечении, что для вихревой трубы 0 30 мм составляет 68 74 мм2. Причем наилучшие результаты получены нами при использовании прямоугольного конфузорного сопла с заверителем, выполненным по логарифмической спирали, что согласуется с ранее полученными результатами (см. гл. 2, 3). Важной характеристикой сопла является отношение его сторон в выходном сечении. При различных условиях работы вихревой трубы -давлений на входе, использование холодного потока при атмосферном давлении или при повышенном давлении (например, в схеме двухступенчатого холодильного аппарата) это отношение изменялось при постоянной площади проходного сечения. Причем, для использования холодного потока при атмосферном давлении оптимальное отношение сторон сопла составило b:h = 5:7, а при использовании холодного потока с повышенным давлением (0,2 МПа) это отношение сторон - b -h 21:5, где: Ь - ширина сопла (сторона сопла, расположенная параллельно оси трубн); h - высота сопла.
При использовании схатого газа на входе в вихревую трубу давлением до 0,4 МПа лучшие результаты получаются при использовании сопла с отношением и:П = 21:5, а при увеличении давления более 0,4 МПа оптимальным является сопло с и -п = 5:7.
Сравнительные характеристики вихревой трубы с комбинированным диффузором на горячем конце для описанных сопел представлены на рис. 4.4. Они подучены для одинаковых условий использования холодного потока при Рк - Рн .
Результаты исследований работы вихревой трубн с комбинированным диффузором на горячем конце при повышенном давлении холодного потока изложены в последующем разделе.
Вывод основного расчетного уравнения вихревой трубы
При выводе уравнения, связывающего основные термодинамические параметры - давление и температуру газовых потоков в трех расчетных сечениях вихревой трубы - на срезе сопла и на выходах из вихревой камеры - в отверстии диафрагмы и на входе в лопаточный или осевой диффузор горячего потока, примем следующие допущения: силовое воздействие стенок на потоки газов отсутствует; все расчетные параметры являются средними; отсутствуют гидравлические и тепловые потери. При таких допущениях течения потоков идеального газа в принятых сечениях представляются простейшей моделью действительных течений и описываются уравнениями квазиодномерного иэоэнтропного потока.
Входящие в уравнения (5.7) и (5.8) величины d- и fi как во время экспериментальных исследований, так и в процессе эксплуатации вихревых генераторов холода остается неизменными и не зависят от , (Оптимальные величины d и fi для различных конструкций вихревых труб из-за отсутствия методик их аналитического определения в настоящее время находятся опытным путем).
Уравнение (5Л1) является искомым уравнением. Его будем называть расчетным уравнением вихревой камеры. Оно позволяет определить степень расширения газа в вихревой камере. Таким образом, Лх является функцией JJ , и, 2І , Ях , Яг Заметим, что если истечение холодного потока из вихревой камеры без диффузоров на холодном конце происходит сразу в атмоефе п ру, когда = »1 0 отношение давлений - z —LZJLBT называли Н отся, как известно, степенью расширения газа в вихревой трубе.
Так как в уравнении (5.11) все величины взаимно связаны (зависимые переменные), то необходимо получить дополнительные уравнения, решая которые при заданных Лх и 7J , мохно было бн определить t , Ях , Д- , В в зависимости от JS .
Систему дополнительных уравнений получим, используя экспериментальный факт, из л 01 энный в гл. 2, что периферийное статическое давление во всей длине вихревой камеры энергетического разделения газа остается практически величиной постоянной при всех режимах ее работы, т.е. Pt = г/
