ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Физические основы вихревого эффекта из "Вихревые аппараты" Вихревой холодильно-нагревательный аппарат представляет собой простое устройство (рис. 1). Сжатый газ вводится тангенциально в камеру разделения 1 через сопловой аппарат 2. Из камеры разделения вытекают охлажденный поток через отверстие диафрагмы 3 и нагретый поток через дроссель, образованный торцом камеры и конусом 4. Меняя положение конуса, можно изменять площадь проходного сечения дросселя, т. е. регулировать расход нагретого, а следовательно, и охлажденного потоков. К основным геометрическим характеристикам аппарата относятся диаметр Во камеры разделения в сопловом сечении, длина Ь камв1ры разделения, диаметр Лх отверстия диафрагмы и угол а конусности камеры разделения. [c.5] Первые вихревые холодильно-нагревательные аппараты имели камер у разделения в виде протяженного участка цилиндрической трубы поэтому их стали называть вихревыми трубами. Стремление к повышению эффективности процесса привело к усложнению конструкции аппарата. В большинстве случаев изменилась и геометрическая форма самой камеры разделения. Однако исторически сложившееся название вихревая труба сохранилось. [c.5] Образование охлажденного и нагретого потоков является результатом перераспределения энергии входящего в вихревую трубу сжатого газа. При отсутствии теплообмена с окружающей средой суммарное количество энергии охлажденного и нагретого потоков по закону сохранения энергии равно количеству энергии поступающего газа, т. е. [c.5] кг/с /с, X, г — удельная энтальпия соответственно сжатого, охлажденного и нагретого потоков газа, Дж/кг. [c.6] Для обобщения оценки эффективности вихревых труб используют безразмерные величины — коэффициент температурной эффективности Т1т и адиабатный КПДГ1. [c.7] На рис. 3 в качестве примера приведены. зависимости Т1т и т1 от ц для вихревой трубы с неохлаждаемой камерой. В настоящее время для лучших аппаратов по эффекту охлаждения Т1т = 0,7 и т] = 0,32. [c.8] Эпюры осевых скоростей можно разделить на две области. На границе областей гЮа = 0. В периферийной зоне поток движется от соплового ввода к дросселю. По мере движения уменьшается осевая скорость, а граница периферийного потока смещается в сторону меньших радиусов. В приосевой области поток движется в обратном направлении. Зарождается он вблизи дросселя. Далее при движении к сопловому сечению увеличиваются осевая скорость и площадь поперечного сечения потока. [c.10] Радиальная составляющая скорости в периферийных слоях направлена к стенке камеры разделения, а в центральных слоях — к ее оси. Пове]рхность, на которой кУг меняет направление, практически совпадает с поверхностью, на которой тангенциальная составляющая скорости Шх максимальна. Граница между периферийным и приосевым потоками расположена в области, где радиальная скорость направлена к оси камеры разделения. [c.10] Такое распределение тангенциальной составляющей скорости сохраняется в широкой области изменения [7], причем с увеличением (а возрастает Wx. В некоторых работах Ю. Н. Гостинцева и А. Рейнольдса показано, что в приосевой области камеры многократно изменяется направление осевой скорости, т. е. образуется несколько перемежающихся областей прямых и обратных осевых движений. [c.10] Тангенциальная составляющая скорости Шт оказывает определяющее влияние на закон распределения давления в поперечных сечениях камеры разделения. Чем дальше от соплового сечения, тем меньше Шт и радиальный градиент давления. При удалении от соплового ввода давление на стенке камеры разделения несколько уменьшается, а на оси увеличивается. В результате в приосевой зоне возникает перепад давлений, обусловивший движение приосевого потока в направлении к диафрагме. [c.11] Рассмотрим кривые на рис. 6. Увеличение угла конусности сопровождается уменьшением тангенциальной составляющей скорости во всех сечениях камеры. Это естественно, так как торможению потока способствуют не только трение газа о стенки, но и увеличение площади поперечного сечения камеры. Меньшие значения W- у Дросселя, где начинает формироваться охлажденный приосевой поток, являются одной из причин уменьшения Wx в потоке, вытекающем через диа-фрагм у. В то же время в конических камерах в сечениях, удаленных от соплового, меньше радиальный градиент w- . Это свидетельствует о менее интенсивной передаче энергии в направлении к стенке камеры, а также о меньших значениях радиальной составляющей скорости на границе перифб1рийного и приосевого потоков. При а = 5° значительная часть газа поступает из периферийного в приосевой поток в сечениях, близких к сопловому, т. е. приосевой поток подпитывается газом с высокими значениями Wj. Это объясняет повышение темпа роста Wj при г 0,2 и z = 0,5. [c.13] Для пояснения рассмотрим кривые изменения относительной температуры торможения при z=0,5 (см. [c.13] Уместно вспомнить о периодически возникающих дискуссиях о том, какая камера лучше. Сторонники противоположных точек зрения опираются на экспериментальные материалы. Анализ приведенных кривых свидетельствует о том, что наилучшую конструкцию камеры нельзя выбрать без оптимизации вихревой трубы по всем ко стр(уктивным параметрам. [c.14] К началу теоретических исследований объем экспериментальных материалов был недостаточен для формирования даже качественной картины процессов, протекающих в камере разделения. В связи с этим первые исследователи обычно предлагали простые модели, которые давали качественное совпадение расчетных результатов с отдельными участками экспериментальных характеристик вихревой трубы. Стимулом для выдвижения новых гипотез и расчетных моделей были большие количественные расхождения результатов расчета и эксперимента, а также обнаруженные в экспериментах новые явления, которые не удавалось объяснить в рамках существующих гипотез. Простота конструкции часто рождала ложное представление о простоте процессов, происходящих в рассматриваемых вихревых аппаратах. [c.15] При современном понимании вихревого эффекта не составляет особого труда выявление недостатков рассмотренной гипотезы. В явном противоречии с предложенной моделью процесса находится тот факт, что внутренний поток при движении от дросселя к диафрагме не передает, а получает кинетическую энергию от периферийного потока. Вместе с тем этот процесс сопровождается уменьшением энтальпии внутреннего потока (см. рис. 5). Но, несмотря на несовершенство, гипотеза была одной из наиболее полезных для изучения вихревого эффекта. Она показала, что столь упрощенная зависимость для определения сил трения между слоями не позволяет получить надежную модель процесса, а также что для получения значений ДГ, зафиксированных в экспериментах, необходимы сверхзвуковые скорости течения газа в камере разделения. Возможность существования сверхзвукового течения ставили под сомнение большинство исследователей. Это обстоятельство стимулировало проведение замеров поля скоростей. Факт существования сверхзвукового течения потом был подтвержден экспериментально. [c.16] Свободный вихрь С. Д. Фултон характеризовал отношением потока кинетической энергии к потоку тепловой энергии E Q = 2Vr, где Рг —критерий Прандтля. Максимальный температурный эффект (ДГх)тах = ДГ8Х Х(1—0,5/Рг). Эффект охлаждения, определяемый приведенным выражением, в 4—5 раз ниже эффекта, полученного экспериментально. Эта несоответствие автор объясняет заниженным значением Рг, которое в турбулентных потоках должно быть выше, чем в ламинарных. С последним утверждением можно согласиться. Но следует добавить, что( взаимосвязь действительных потоков кинетической и тепловой энергии нельзя характеризовать постоянной величиной, н зависящей от радиуса и расстояния от соплового сечения. Накопленный к настоящему времени экспериментальный материал свидетельствует о том, что при перемещении периферийного потока от сопла к дросселю уменьшается тангенциальная составляющая скорости при одновременном выравнивании поля скоростей по радиусу. Поток кинетической энергии уменьшается быстрее потока теп ловой энергии. [c.17] По мнению авторов, эта гипотеза наиболее полно отражает специфику процессов, происходящих в камере разделения. Пока не обнаружены явления, которые нельзя объяснить в рамках данной гипотезы. Некоторые критические замечания относятся не к гипотезе, а к расчетной модели, в которой процессы рассматриваются по упрощенной схеме, т. е. недостатки определяют- я1 допущениями, принятыми при составлении расчетных зависимостей. [c.18] Трудности аналитического описания процесса разделения усложняют систематизацию накопленных экспериментальных материалов. При современном уровне развития теории не удается полностью исключить появление недостаточно согласованных трактовок результатов исследований, проведенных различными авторами. В связи с этим поиск условий соблюдения подобия протекания процессов остается одним из перспективных направлений в исследованиях вихревых аппаратов. [c.19] Вернуться к основной статье