Принцип работы вихревой трубы

 

Вихревая труба в ее основной модификации - это устройство, в котором сжатый газ при расширении разделяется на два потока - один более холодный, чем исходный, и второй - более горячий. В вихревой трубе нет никаких движущихся частей, ее конструкция чрезвычайно проста. На рис.3-1 показан общий вид вихревой трубы. Цилиндрическая труба 1 соединена с распределительной головкой 2, которая содержит сопловой ввод 3, диафрагму 4 и трубу холодного потока 5. С противоположной стороны расположен корпус регулирующего вентиля 6 с конусом 7 и трубой 8 горячего потока.

Поток сжатого газа (например, воздуха) подводится к соплу 3. В сопловом вводе и затем в вихревой трубе сжатый газ расширяется и разделяется на два потока - холодный и горячий. Холодный поток (с температурой t_x, значительно меньшей, чем температура t_c сжатого потока) отводится через диафрагму 4 по трубе холодного потока.

Горячий поток отводится с противоположного конца через вентиль 6 по трубе горячего потока.

Меняя положение конуса 7, можно изменять расходы и температуры холодного и горячего потоков. Для понижения температуры t _х необходимо расход холодного потока уменьшить (вентиль 7 открывается). Для повышения температуры i_r горячего потока, наоборот, - вентиль 7 прикрывается.

Такова вихревая труба в ее классическом виде. По мере совершенствования конструкций вихревых труб появились разнообразные ее модификации, в частности такие, которые дают только холодный поток, или такие, где получают три потока - два холодных и один горячий; разработаны и такие трубы, в которых охлаждаемый объект помещается внутри них. Однако принцип работы вихревой трубы и основные ее элементы во всех модификациях сохраняются.

 

Рисунок 3.1 - Общий вид вихревой трубы

 

Образование холодного и горячего потоков может произойти только в том случае, если энергия входящего потока в вихревой трубе распределяется таким образом, чтобы некоторое ее количество отводилось от охлаждаемого потока и передавалось нагреваемому потоку. Суммарное количество энергии холодного и горячего потоков, отводимых из трубы (если она изолирована), по закону сохранения энергии равно количеству энергии поступающего сжатого газа. Перераспределение энергии является результатом сложных газодинамических процессов, происходящих внутри вихревой трубы.

Виды вихревых труб

 

1. Адиабатная вихревая труба - вихревая труба, у которой отсутствует теплообмен с окружающей средой

2. Не адиабатная вихревая труба - вихревая труба, у которой осуществляется теплообмен с окружающей средой

.   Вихревой нагреватель - вихревая труба, предназначенная для нагревания объектов

.   Вихревой охладитель - вихревая труба, предназначенная для охлаждения объектов

.   Двухконтурная вихревая труба - вихревой охладитель дополнительного потока газа, вводимого но оси камеры энергетического разделения

.   Вихревой эжекторный вакуумный насос - вихревая труба, предназначенная для создания внешнего вакуума

.   Диффузионная вихревая труба - вихревая труба, камера энергетического разделения которой выполнена н форме диффузора с увеличением диаметра от диафрагмы к дроссельному вентилю

.   Противоточная вихревая труба - вихревая труба, в которой отбор охлажденного и нагретого потоков производится с противоположных сторон

.   Прямоточная вихревая труба - вихревая труба, в которой отбор охлажденного и нагретого потоков производится с одной стороны

.   Самовакуумирующаяся вихревая труба - вихревой охладитель, работающий без отбора охлажденного потока

Расчёт вихревой трубы

 

Расчет вихревой трубы включает определение ее температурных, геометрических и термодинамических характеристик.

В качестве исходных для расчета обычно задают следующие данные.

Холодопроизводительность, равная суммарному количеству тепла, отводимому от потребителяQ₀, кДж/ч

Расход воздуха G, кг/ч

Давление воздуха перед трубой p_c, Па

При расчете трубы определяют ее основные геометрические размеры и режимные характеристики: температурный эффект Δ t_x и Δ t_r, расход холодного, горячего, сжатого потоков воздуха

Площадь среза сопла

 

 

гдеp₀ - давление газа перед входом в трубу; p₀ = 300 кПа

I - массовый расход воздуха, кг/с

 

I=P_в×Q_n=1, 2×1, 46=1,752 кг/сек

 

T₀ - температура сжатого воздуха; T₀=293K

 

 

Диаметр сопла

 

мм

 

Диаметр вихревой трубы

 

D=3,65×F^0,5=3,65×2629^0,5=187,15 мм

 

Диаметр диафрагмы

 

d_д= 10,35+0,13µ/D

 

где µ - массовая доля холодного воздуха

Принимаем по таблице 2.3 [7] µ=0,6

 

d_д = (0,35+0,13×0,6) 187,15=80

 

Длина горячего конца

L₁=50D=10000мм

Диаметр холодного конца

L₂=0,5L₁=5000мм