АльтИнфоЮг

  • Увеличить размер шрифта
  • Размер шрифта по умолчанию
  • Уменьшить размер шрифта


Использование вихревого эффекта

Рейтинг пользователей: / 3
ХудшийЛучший 
вихревой эффект

В 1932 году Ранк при исследовании параметров работы циклонов заметил, что температура воздуха на их оси и в периферийных зонах имеет ощутимые различия. Впоследствии (в 1946 году) это явление обосновал своей работе Хильш. После этого в научной литературе оно получило название эффекта Ранка-Хильша, или вихревого эффекта. Открытое явление положено в основу работы вихревой трубы.

Конструкция вихревой трубы, в которой происходит разделение вихревого потока, проста и представлена на рисунке.

Вихревая труба: а - прямоточная; б - противоточная

Воздух или иной газ при температуре Твх и давлении 0,3…0,5 МПа через отверстие 1 вводится во внутреннюю полость трубы по касательной к поверхности. В процессе вращательного движения происходит разделение газа на «горячие» и «холодные» молекулы. Поток «горячих» молекул с температурой Тг выходит через круговое отверстие 2 дросселя 3. Холодный воздух с температурой Тхвыходит из трубы через осевое отверстие 4.

Явления, протекающие в вихревой трубе, сложны и недостаточно изучены. Вращательное движение газа происходит с высокой угловой и линейной скоростью. Линейная скорость перемещения потока на оси трубки мала по сравнению со скоростью на периферийных участках. Происходит расслоение потока, которое характеризуется значительными силами трения между отдельными слоями газа и между газом и стенкой трубы. Трение между газом и стенкой трубы происходит в зоне самых высоких линейных скоростей и усиливается действием центробежной силы. В процессе расслоения потока слои газа, поступающие к оси трубы, передают свою кинетическую энергию внешним слоям посредством трения и не получают эквивалентного возврата теплоты. Наступает температурное расслоение потока по сечению трубы. При анализе этого процесса следует учитывать и дроссельный эффект, т.е. снижение температуры газа при его расширении. При этом можно утверждать, что «осевые» слои расширяются в большей степени, чем периферийные, чему способствует характер ввода газа в вихревую трубу. Периферийные потоки имеют высокую линейную скорость вращательного движения и по этой причине обладают значительной динамической энергией и меньшим, чем осевые слои, статическим давлением. На распределение статического давления по радиусу трубы оказывает влияние и центробежная сила.

Аэродинамические процессы, происходящие в вихревой трубе, быстротечны. Их продолжительность их продолжительность значительно короче процесса релаксации (выравнивания) возникшего по радиусу температурного градиента. Вследствие этого через периферийное отверстие вихревой трубы выходит горячий воздух, а через центральное – холодный.

Приведенные выше рассуждения указывают на чрезвычайно сложный и многофакторный характер происходящих в вихревой трубе тепловых и аэродинамических процессов, соотношение между которыми частично можно оценить с помощью критерия Прандтля (Pr = n/a, где n – кинематическая вязкость газа; а – его температуропроводность). Фультон показал, что при Pr < 0,5 «холодное» и «горячее» отверстия трубы могут меняться местами. Этот факт в науке получил название «температурного реверса».

Эффективность работы вихревой трубы оценивается коэффициентом ηх, представляющим отношение эффекта охлаждения холодного потока вихревой трубы к эффекту снижения температуры при изоэнтропном расширении этого же газа.

вихревая труба Ранка

При оценке эффективности вихревой трубы важным показателем является доля холодного газа µ от его общей массы, вводимой в вихревую трубу. С введением этого параметра действительная эффективность вихревой трубы η оценивается по произведению η = µ ηх.

На рис.1 представлены результаты экспериментального исследования вихревой трубы (по Мартыновскому В.С. и Алексееву В.П.), которые дают представление о его технических характеристиках. А именно, изображают охлаждающий эффект вихревой трубы в зависимости от давления и доли холодного воздуха.

Диаметр применяемых вихревых труб D = 20…50 мм при длине L – (8…10)D.

Термодинамические процессы в вихревой трубе характеризуются низкой эффективностью. Расход энергии, например, по сравнению с воздушной холодильной машиной выше в 8…10 раз. Однако преимущество этого устройства в простоте привело к использованию его в процессах с кратковременным и периодическим потреблением небольшого количества холода. Для этого нужен всего лишь баллон сжатого газа (или компрессор) и вихревая труба. При применении в качестве рабочего тела сжатого воздуха может понадобиться осушитель (например, кассета с селикогелем), который предназначен для исключения конденсации влаги в потоке холодного воздуха.

На рис.2 изображен цикл вихревой трубы в Т-s координатах. Процесс 1 – 2 изоэнтропное (адиабатическое) сжатие в компрессоре; 3 – точка, характеризующая состояние горячего потока на выходе из вихревой трубы; 4 – точка, характеризующая состояние холодного потока на выходе из трубы; 4 – 5 – процесс ассимиляции теплоты холодным потоком. Изотермическое сжатие 1 – 21 в компрессоре позволяет получить более низкую температуру Тх на выходе из вихревой трубы. Если Т5 < Твх, то можно применить регенеративный цикл, в котором холодный поток, начиная с точки 5, может охлаждать газ, поступающий в вихревую трубу. Это позволяет снизить температуру его на входе в вихревую трубу, а значит, снизить и значение Тх.

Вихревые трубы применяются, например, в космонавтике для охлаждения скафандра при переводе космонавта с наземного транспортного средства в стартовый модуль.

Подробные сведения о вихревых трубах можно найти в специальной литературе. Ввиду низкой термодинамической эффективности они не находят широкого применения в холодильной технике. Могут применяться в специфических условиях, например, при кратковременной потребности в холоде и при отсутствии в месте потребления стационарных систем холодоснабжения.

 
Пожалуйста, зарегистрируйтесь или войдите в систему для добавления комментариев к этой статье.

Поделись с друзьями


Облако тегов




   

Copyright © 2012 Сергей Горенко | «Копирование и иное использование материалов без разрешения запрещено»