ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Этапы развития вихревых охладителей из "Вихревые аппараты" Одно из первых и наиболее плодотворных предложений сделал А. П., Меркулов в середине 50-х годов. Оно заключается в искусственном торможении вихревого потока на нагретом конце камеры разделения, которое, по гипотезе А. П. Меркулова, создает благоприятные условия для формирования приосевого потока, направленного к диафрагме, и, следовательно, позволяет уменьшить длину камеры разделения. Кроме того, торможение увеличивает радиальный градиент тангенциальных составляющих скоростей в зоне интенсивного энергообмена между закрученными потоками,, т. е. приводит к повышению КПД. [c.31] В дальнейшем устройства, предназначенные для торможения закрученного потока, стали называть развихрителями. Предложенная А. П. Меркуловым крестовина является наиболее простым конструктивным решением развихрителя. [c.32] Приведенные материалы не позволяют сформулировать достаточно четкие рекомендации по выбору конструкции развихрителя и не дают полной информации о связи геометрических размеров развихрителя с режимными параметрами, формой и размерами камеры разделения. Ценность этих материалов заключается прежде всего в том, что они наглядно иллюстрируют важность поиска рациональной конструкции развихрителя. С одной стороны, увеличение стока газа приводит к смещению границы между периферийным и приосевым потоками в сторону больших радиусов, повышает эффективность турбулентного взаимодействия между потоками. С другой стороны, оно уменьшает перепад давлений, необходимый для увеличения скорости движения газа в камере разделения, т. е. сокращает потенциальные возможности протекания процесса разделения. В связи с этим выбор рациональной конструкции развихрителя сопряжен с поиском компромиссного решения, учитывающего влияние обоих факторов. Пока недостаточно изучена роль пульсаций, возникающих в развих-рителе. Не исключено, что генерация колебаний в определенном диапазоне частот является главным фактором повышения эффективности процесса. [c.33] Конструктивными новшествами трубы являются также внутренняя коническая поверхность сопла 3 и установка конфузора 2 между соплом и камерой разделения. Для полезного использования кинетической энергии охлажденного потока использован диффузор 4— элемент, часто встречающийся в других конструкциях. При испытании трубы Парулейкара зафиксировано наиболее высокое значение коэффициента температурной эффективности т]т = 0,7. Так, при степени расширения = 9 температурный перепад ДГх==87 К. В публикуемых материалах нет оценки кал дого конструктивного изменения в отдельности. [c.35] Третий метод повышения эффективности заключается в отводе теплоты от стенок камеры. Первая работа в этом направлении выполнена Е. Н. Оттеном в 1957 г.— исследование конической вихревой трубы с охлаждаемыми стенками. Наиболее глубокие исследования влияния охлаждения на процесс энергетического разделения проведены В. М. Бродянским и А. В. Мартыновым [15]. Стенки охлаждали водой. Давление сжатого воздуха перед соплом изменялось от 0,4 до 0,58 МПа. Установлено, что коэффициент теплоотдачи от газа к стенке изменяется от 1100 Вт/(м2 К) в начальных сечениях до 250 Вт/ /(м К) на нагретом конце охлаждаемого участка камеры разделения. Зона наиболее интенсивного теплообмена совпадает с зоной повышенных значений разности температур газа и стенки. В результате 40—50% полученной водой теплоты передается через часть стенки камеры, составляющую 20% всей охлаждаемой поверхности. Отсюда следует, что увеличением длины охлаждаемой камеры разделения нельзя существенно увеличить количество теплоты, отводимой от газа к охлаждающей среде. [c.35] Различие температур газа у стенок охлаждаемой и неохлаждаемой камер разделения объясняется отводом теплоты через стенку и уменьшением энергии, подводимой от приосевого потока. Напомним, что энертообмен наиболее интенсивен в сечениях, близких к сопловому, где периферийный поток не успевает охладиться за счет отвода теплоты через стенку в охлаждающую среду. Основные изменения температурного режима происходят только из-за того, что приосевой поток формируется из газа, охлажденного в периферийном потоке в удаленных от сопла сечениях. При небольших значениях я мал расход газа в приосевом потоке. В связи с этим пониженная температура последнего не приводит к заметному изменению поля температур в близких к соплу сечениях, т. е. при малых д, охлаждение стенок камеры не может привести к существенному снижению температуры охлажденного потока. [c.36] С увеличением до некоторого предела растет влияние охлаждения на поле температур вблизи соплового сечения. Затем влияние охлаждения начинает уменьшаться это объясняется тем, что увеличивается доля газа, поступающего из периферийного потока в приосевой на участках, близких к соплу. В результате повышается среднемассовая температура приосевого потока. [c.36] Следовательно, при любой эффективности охлаждения стенки камеры КПД всегда максимален при л 1. По этой же причине длину камеры разделения рационально увеличивать до определенного предела. Для подтверждения этого на рис. 16 показано изменение разностей между термодинамическими температурами периферийного и приосевого потоков и начальной температурой сжатого газа по длине камеры разделения с охлаждением и без охлаждения стенок [15]. Если для охлаждения используют воздух, то обычно оребряют наружную поверхность стенки камеры. Для интенсификации теплообмена применяют обдув от постороннего источника или от эжектора, в котором используют избыточное давление нагретого потока. Проводят различные исследования, направленные на интенсификацию теплообмена с внутренней поверхностью стенки камеры разделения. При этом улучшают циркуляцию периферийного потока на нагретом конце, иногда оребряют внутреннюю поверхность стенок. Наиболее интересные конструктивные решения охлаждения приведены далее при анализе конструкций вихревых аппаратов. [c.37] Для повышения эффективности вихревых труб А. П. Меркулов и Ш. А. Пиралишвили в 1969 г. предложили вводить в камеру разделения дополнительный поток сжатого воздуха от постороннего источника. [c.38] Пиралишвили и В. Г. Михайлов исследовали коническую вихревую трубу, на нагретом конце которой был установлен щелевой диффузор (рис. 17). Дополнительный поток поступал от постороннего источника сжатого воздуха. Диаметр трубы в сопловом сечении )о = 30 мм, относительная длина = 3, относительная площадь проходного сечения сопла / с = 0,03. Исследовано влияние размеров трубки ввода дополнительного потока на эффективность вихревого охладителя. Наилучшие результаты получены при относительном диаметре трубки, равном относительному диаметру диафрагмы (Лд = /)х = 0,7). При этом относительная длина находящегося в камере разделения участка трубки 1д=0,33. КПД охладителя (11 = 0,38) на 40% превышал значения, полученные другими исследователями на лучших конструкциях того времени. [c.39] Метениным и его учениками в вихревых вакуумных насосах новых типов. Но в охладителях это явление отрицательно влияет на процесс энергетического разделения, так как разрежение затрудняет формирование приосевого потока. Сопоставление рассматриваемых кривых с изменением осевой составляющей скорости показывает, что вытекающий через диафрагму охлажденный поток обладает большой кинетической энергией. Процесс энергетического разделения в такой конструкции малоэффективен. [c.41] На рис. 19,6 показано изменение составляющих скоростей в конической камере разделения с диффузором и сеткой на нагретом конце. Установка сетки, создала благоприятные условия для формирования приосевого потока. [c.41] Введение заторможенного сеткой газа в центр приосевого вихревого потока привело к смещению максимума тангенциальной составляющей скорости в сторону больших радиусов. В результате уменьшилась кинетическая энергия и, следовательно, понизилась температура вытекающего через диафрагму охлажденного потока. [c.41] В 1971 г. А. Д. Суслов и А. В. Мурашкин для повышения эффективности вихревых воздухоохладителей предложили рациональное использование энергии нагретого потока. Работы в этом направлении были начаты Б МВТУ им. Н. Э. Баумана в конце 60-х годов. Было создано пять типов воздухоохладителей, различающихся схемой циркуляции и степенью использования энергии потока. Схемы этих конструкций (рис. 20) достаточно полно характеризуют возможности рассматриваемого пути повышения эффективности. [c.42] В вихревом воздухоохладителе, схема которого представлена на рис. 20, а, сжатый воздух поступает в сопло основной вихревой трубы 1. Давление нагретого потока повышается в диффузоре 2. Часть потока или весь поток (Ог) направляется в холодильник 3. Остальная часть д г выбрасывается в атмосферу. Охлажденный воздух поступает в сопло дополнительной трубы 4, установленной на торцовой стенке камеры разделения основной трубы. Рассматриваемый воздухоохладитель содержит две вихревые трубы, соединенные общим диффузором. Основная труба противоточная, вспомогательная прямоточная. Вспомогательную трубу также можно перевести в противоточный режим работы, если снабдить ее диафрагмой и отводить охлажденный поток О/ к потребителю, работающему при промежуточном значении температуры охлаждения. [c.42] Повышение эффективности работы достигнуто охлаждением циркулирующего потока в обособленном теплообменнике (т. е. сняты ограничения по теплопередающей поверхности), повышением давления в диффузоре и использованием перепада давлений в дополнительной вихревой трубе. [c.42] Охладитель другого типа изготовлен по схеме, показанной на рис. 20, б, и отличается от предыдуш его наличием сеток-развихрителей 5, установленных на границе вихревых труб. Трубы обмениваются заторможенными потоками воздуха. Благодаря этому расширен диапазон изменения параметров нормального режима работы дополнительной вихревой трубы. Второй причиной повышения эффективности следует считать интенсификацию энергообмена между приосевым и периферийным потоками в основной вихревой трубе. Испытания охладителей этого типа проводили только для подтверждения факта, что установка сетки-развихрителя приво-дит1 к повышению КПД. Одновременно результаты экспериментов явились одним из наиболее убедительных подтверждений справедливости гипотезы взаимодействия вихрей. [c.44] Охладители третьего типа (рис. 20, в) отличаются от рассмотренных тем, что дополнительная вихревая труба подсоединена к основной охлажденным концом. Такая схема обеспечила стабильную работу дополнительной трубы, улучшение условий входа нагретого потока основной трубы в диффузор и повышение КПД в 1,34 раза в сравнении с КПД охладителей первого типа. Максимальные значения КПД получены при доле охлажденного потока = Проведено испытание охладителя с выключенным холодильником 3. При этом температура газа после диффузора снижалась только за счет конвективного теплообмена соединительных трубок с окружающим воздухом. Как показали испытания, температура нагретого потока на выходе из дополнительной вихревой трубы всегда была выше температуры его в трубах обычной конструкции. Следовательно, такой тип охладителя рационально использовать и в тех случаях, когда исключена возможность охлаждения циркулирующего потока воздуха и стенок камер разделения. [c.44] Отличительным признаком охладителя пятого типа (рис. 20, ( ) является то, что они не имеют сеток-развихрителей, а снабжены эжектором 7, удаляющим заторможенный поток из конфузора 4. Конфузор выполняет роль развихрителя не попавшего в диффузор воздуха. Одновременно конфузор предназначен для отвода теплоты к охлаждающей среде. При испытании охладитель вместе со змеевиковым теплообменником был погружен в сосуд с проточной водой. Максимальный КПД (0,42) в 1,5 раза превышает КПД известных охлаждаемых вихревых труб. Резервы для увеличения КПД заключены прежде всего в повышении эффективности работы эжектора. В экспериментальных образцах был использован эжектор примитивной конструкции. Повышение кратности эжекции интенсифицирует работу конфузора как развихрителя и одновременно увеличивает поток теплоты от воздуха к охлаждающей среде через стенки конфузора. Второй резерв повышения КПД — создание благоприятных условий входа нагретого потока в диффузор это позволит увеличить перепад давлений в эжекторе. [c.45] Вернуться к основной статье