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 0 камеры разделения в сопловом сечении, длина Ь камв1ры разделения, диаметр 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] При проектировании вихревой трубы в зависимости от заданных условий работы определяющие размеры аппарата рассчитывают, исходя из режима максимального охлаждения или режима максимальной холодо-цроизводительности. При неохлаждаемой камере разделения АТх достигает максимума при A=0,2...0,4 (рис. 2, а), а цАГх —при ц 0,6 (рис. 2, б). Аппараты с охлаждаемой камерой обычно разрабатывают на режим максимальной холодопроизводительности, которому соответствует A=0,7...0,9 поэтому при A 0,6 вихревая труба с охлаждаемой камерой менее эффективна, чем неохлаждаемая вихревая Т1руба. При прочих равных условиях охлаждение стенок камеры разделения всегда сопровождается понижением температуры охлажденного потока, но влияние охлаждения на температуру Тх снижается при уменьшении A. [c.7] 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 JA для вихревой трубы с неохлаждаемой камерой. В настоящее время для лучших аппаратов по эффекту охлаждения Т1т = 0,7 и т1 = 0,32. [c.8] Эпюры осевых скоростей можно разделить на две области. На границе областей ги а = 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. Повб1рхность, на которой Шг меняет направление, практически совпадает с поверхностью, на которой тангенциальная составляющая скорости кУт 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 A [7], причем с увеличением A возрастает Шт. 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 кут оказывает определяющее влияние на закон распределения давления в поперечных сечениях камеры разделения. Чем дальше от соплового сечения, тем меньше Х0х 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. Меньщие значения w z у Дросселя, где начинает формироваться охлажденный приосевой поток, являются одной из причин уменьшения тЮх в потоке, вытекающем через диа-фрагм у. В то же время в конических камерах в сечениях, удаленных от соплового, меньше радиальный градиент. Это свидетельствует о менее интенсивной передаче энергии в направлении к стенке камеры, а также о меньших значениях радиальной составляющей скорости на границе перифе1риЙ1НОго 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. Это объясняет повышение темпа роста при г 0,2 и 2 = 0,5. [c.13] Для пояснения рассмотрим кривые изменения относительной температуры торможения при 2=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 констр(уктивным параметрам. [c.14] К началу теоретических исследований объем экспериментальных материалов был недостаточен для фор-мировгния 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] Многочисленные теоретические и экспериментальные исследования вихревого эффекта начались после его вторичного открытия Р. Хильшем, который, как и Ж. Ранк, считал, Ч то определяющую роль в энергетическом разделении играют силы трения между слоями газа. Действие их приводит к перестройке свободного вихря в вынужденный. Эта гипотеза получила дальнейшее развитие в работе И. А. Чарного, опубликованной в 1962 г. Факт снижения температуры торможения был объяснен передачей энергии за счет трения, возникающего нри захвате осевыми слоями периферийных, формирующих нагреваемый поток . [c.16] 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 ДТ, 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] 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 определяются допущениями, принятыми при составлении расчетных зависимостей. [c.18] Вернуться к основной статье