Спиральная улитка для вихревой трубы

 

Использование: в конструировании устройств, использующих вихревой эффект для изменения температуры газового потока. Сущность изобретения: вихревая труба содержит спиральную рабочую поверхность 1 (улитку), а также две торцевых поверхности 2. При этом в улитке образующая торцевой поверхности 2 наклонена к оси спирали под углом "альфа", что повышает эффективность рабочего процесса. Кроме того, торцевые поверхности могут быть выполнены криволинейными. 1 з.п. ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к области использования вихревого эффекта Ранка для изменения температуры (охлаждения или нагрева) движущегося газового потока.

Известно устройство для изменения температуры газового потока, содержащее входной патрубок, тангенциально направленный на спиральную рабочую поверхность (улитку), сочлененную с выходными каналами. Внутренняя рабочая поверхность известных улиток строится, в основном, по спирали Архимеда. Называется такое устройство "вихревая труба". Реализуется в вихревой трубе так называемый "эффект Ранка", который возникает при тангенциальном подводе и раскручивании газового потока с помощью улитки, в результате чего происходит охлаждение некоторой его части.

Поэтому используется вихревая труба, в основном для охлаждения движущегося газового потока, хотя в известных вихревых трубах обязательно имеются два выходных патрубка "холодный" и "горячий", имеющие разный диаметр, из которых во время работы выходят два газовых потока, имеющих существенно различную температуру, причем в горячий патрубок выходит значительное большее количество газа, чем в холодный. Поэтому существуют конструкции не только "охлаждающих", но и "нагревательных" вихревых труб.

Схематично работает известная вихревая труба следующим образом. Свободное прямолинейное движение газового потока, подводимого входным патрубком к улитке, становится круговым, вынужденным, при этом периферийные его слои уплотняются, а центральные становятся разреженными. При выходе из улитки вращающийся газ начинает разделяться на два потока периферийные уплотненные его слои, выходящие через горячий патрубок большего диаметра, хотя и становятся холоднее, но незначительно (иногда даже теплее), чем на входе. Поэтому вихревая труба может использоваться и для подогрева газа. Разреженные слои, расположенные ближе к центру вращения, охлаждаются значительно сильнее и через диафрагму направляются в холодный патрубок меньшего диаметра. Поэтому и получается, что в подогретый патрубок выходит значительно больше газа, чем в холодный.

Следовательно, известная конструкция охлаждающей вихревой трубы имеет низкую эффективность. Это является недостатком.

Низкая холодопроизводительность известной вихревой трубы объясняется тем, что неустойчивый турбулентный характер движения газа внутри вихревой трубы не позволяет полностью реализовать возможности охлаждения за счет адиабатического расширения, на принципах которой работает вихревая труба. Это можно объяснить несовершенством организации кругового движения газового потока.

Целью предлагаемого технического решения является уменьшение указанного недостатка за счет повышения эффективности изменения температуры потока газа в вихревой трубе, т. е. повышение эффективности либо охлаждения, либо его нагрева.

Поставленная цель достигается тем, что улитка выполняется с непараллельными торцовыми поверхностями, т.е. образующая одного или двух торцев улитки выполняются под углом к оси спирали. В результате получается, что улитка по направлению к центру (по направлению движения газа) уширяется и приобретает конусную форму.

Сущность изобретения заключается в том, что конусная (расширяющаяся по ходу движения газа) форма улитки позволяет движущемуся газу начать расширение уже при начале движения по спирали, что приводит к повышению эффекта его выхолаживания.

Фиг.1а показывает улитку в плане с рабочей поверхностью (1), выполненной по спирали Архимеда. Фиг.1б показывает сечение известной улитки ее торцы (2) и (3) перпендикулярны к оси вихревой трубы (угол a). Рис.2 показывает сечение предлагаемой улитки сечение одного из ее торцев (3) не перпендикулярно оси вихревой трубы (угол a ). Фиг.3, 4 и 5 показывают различные варианты предложения. На фиг.4 и 5 показаны варианты с двумя наклонными торцами. На фиг.3 показан вариант с криволинейной торцевой поверхностью.

Устройство не имеет движущихся частей, поэтому динамика устройства определяется только движением подаваемого в вихревую трубу газа, не являющегося элементом рассматриваемого устройства.

Работает предлагаемая конструкция (по фиг.2) следующим образом. При подаче потока газа на спиральную поверхность улитки происходит его раскручивание и разделение по температурным фракциям. Благодаря постепенному расширению рабочей поверхности, направленному к центру улитки и в сторону холодного патрубка, происходит расширение газа и смещение этого потока в сторону этого же (холодного) патрубка. Поэтому в этот патрубок будет поступать больше газа, чем при использовании известной улитки. Кроме того, благодаря появлению (фиг. 2) уширенной полости (П), получившейся за счет появления ("скоса" (по сравнению с фиг.1) в предлагаемой конструкции, происходит дополнительное расширение и охолаживание газа. Поэтому количество холодного газа, вырабатываемого вихревой трубой, увеличивается.

Предложение может быть применено и для увеличения количества полученного нагретого газа. Для этого в вихревой трубе, специально предназначенной для нагрева газа, необходимо рассматриваемую улитку установить наклоненной торцевой поверхностью в сторону горячего конца. Это позволит увеличить выход нагретого газа.

С целью оптимизации рабочих параметров предложенной конструкции торец (3) улитки необходимо сделать криволинейным (фиг.3), параметры кривизны которого должны быть увязаны с расширением газа при его движении по спиральной рабочей поверхности. Для этого создана специальная программа для ЭВМ, в которой учтены как параметры газа, так и параметры спиральной рабочей поверхности улитки.

Но такая сложная конструкция (фиг.3) криволинейного торца улитки экономически целесообразна только для вихревых труб большой производительности (например, 10 тонн газа в час и выше), потому что помимо усложнения самой улитки, необходимо усложнять элементы корпуса, сопряженные с этой усложненной (торцевой) поверхностью улитки.

Поэтому для труб меньшей и малой производительности (2 т/час и менее) вполне применим прямолинейный профиль торца (фиг.2). В этом случае необходимо оптимизировать только угол наклона образующей.

В настоящее время на ряде фирм Санкт-Петербурга готовится экспериментальная установка, реализующая варианты рассмотренного предложения. Предполагается провести комплексное исследование предложения на газодинамическом стенде с участием специалистов из ряда заинтересованных организаций.

Формула изобретения

1. Спиральная улитка для вихревой трубы, содержащая спиральную рабочую и две торцевых поверхности, отличающаяся тем, что, с целью повышения эффективности рабочего процесса, образующая одной или двух торцевых поверхностей выполнена наклоненной к оси спирали.

2. Улитка по п. 1, отличающаяся тем, что образующая торцевой поверхности выполнена криволинейной.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5