автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.06, диссертация на тему:Исследование рабочего процесса вихревых труб.

Введение.5

1. Краткий обзор работ по теме исследования

1.1. Сопловой ввод.9

1.2. Диафрагма.13

1.3. Вихревая камера.14

1.4. Дросседьннй вентиль.18

2. Исследование процесса истечения газа в вихревую камеру.

2.1. Аналитическое определение степени расширения газа в сопле вихревой трубы .25

2.2. Экспериментальные исследования процесса истечения газа из сопла вихревой трубы .30

2.3. К определению оптимальной конструкции соплового ввода.37

3. Экспериментальные исследования рабочего процесса вихревых труб

3.1. Экспериментальная установка, методика экспериментальных исследований и обработки опытных

Данных.42

3.2. Исследование влияния конструкции вихревых труб на эффективность их работы.

3.2.1. Влияние формы и размеров вихревой камеры.54

3.2.2. Влияние конструкции горячего конца вихревой трубы.55

3.2.3. Влияние конструкции холодного конца вихревой трубы .65

3.2.4. Выводы .66

3,3. Экспериментальны© исследования внутренней аэродинамики вихревых труб. . 67

3.3.1. Аэродинамика конической вихревой трубы с закрытым решеткой горячим торцем . . . 68

3.3.2. Аэродинамика конической вихревой трубы с закрытым плоской стенкой горячим торцем.80

3.3.3. Аэродинамика цилиндрической вихревой трубы с закрытым плоской стенкой горячим торцем.87

I 3.3.4. Аэродинамика цилиндрической вихревой трубы с закрытым решеткой горячим

I торцем.92i 3.3.5. Выводы.97

4. Исследование рабочего процесса вихревой трубы с комбинированным диффузором на горячем конце

4.1. Влияние величины площади сопла и его геометрических размеров . . 106

4.2. Влияние вихревой камеры . 106

4.3. Влияние конструкции осевого диффузора на работу вихревой трубы с комбинированным диффузором . . 110

4.4. Влияние формы торцевой стенки вихревой камеры на работу вихревой трубы с комбинированным диффузором .112

4.5. Работа конической вихревой трубы с комбинированным диффузором на горячем конце при повы шенном давлении холодного потока . . 120

5. Приближенная методика термо-газодинамического расчета вихревой трубы

5.1. Вывод основного расчетного уравнения вихревой трубы.126

5.2. Общая схема термо-газодинамического расчета . . 132-137 6. Выводы по работе .138

Развитие современной науки и техники, передовых методов производства и внедрение новой технологии связано с использованием таких процессов, для нормального течения которых необходимо осуществлять различные температурные режимы, причем интервал необходимых температур включает как положительные температуры - до сотен и даже тысяч градусов, так и отрицательные - от нескольких градусов до температур близких к абсолютному нулю. При этом во многих отраслях техники требуется получение умеренных температур от -фООРс до -60°С. К ним, например, относятся радиотехника, авиация, космонавтика, приборостроение. Для получения и поддержания отрицательных температур широко используются различные холодильные маоины - абсорбционные, компрессионные, турбодетандерные и другие, хорошо работающие в стационарных условиях.

Однако в некоторых случаях их применение либо ограничшо, либо вовсе невозможно из-за специфических условий кратковременной, эпизодической работы - повышенного уровня вибрации, требований повышенной надежности и малого веса, длительного ресурса и т.д.

Поэтому, особенно в последние годы, уделялось и уделяется много внимания созданию таких генераторов холода, которые удовлетворяли бы все перечисленные требования.

Одним из самых простых по конструкции и надежных в работе устройств, предназначенных для получения холода, является вихревая труба.

После открытия в 1931 году Джозефом Ранком {Ranqua S.J.) опытным цутем вихревого эффекта энергетического разделения газа / 66 / появилось немало работ, связанных с теоретическими и экспериментальными исследованиями как самого процесса, так и различных аппаратов, в основе рабочего процесса которых лежит вихревой эффект.

Большой вклад в изучение вихревого эффекта внесли советские учение: Алексеев В.П., Мартыновский B.C., Вулис А.А., Гуляев А.Й., Меркулов А.П., Метении В.Й., Бродянский В.М. и друпие.

Оцнако, несмотря на обилие работ / 12, 14, 17, 20, 24, 28, 33, 42, 52, 61-63, 68-72, 29, S3 /, как советских, так и зарубеж-ннх исследователей, в настоящее время не создано достаточно цельной теории вихревого эффекта, подтвержденной экспериментально. Поэтому при проектировании и создании вихревых генераторов холода и аппаратов, работающих на базе вихревых труб, пользуется эмпирическими формулами, справедливыми лишь для ограниченного числа типоразмеров разных конструкций. Несмотря на то, что существует несколько методик расчета, все еще нет возможности заранее предсказать с достаточной точностью возможный температурный эффект охлаждения или нагревания конструируемых вихревых труб. Все это приводит к значительным доводочным испытаниям и ограничивает внедрение вихревых генераторов холода в промышленность.

Но основным фактором, сдерживающим широкое применение вихревых труб, является, как известно, их низкая энергетическая эффективность .

В последние годы появилось много работ, направленных на устранение этого недостатка. Определены перспективные цути исследований. Дальнейшее совершенствование вихревых холодильных аппаратов возможно преимущественно после детального изучения процессов, протекающих внутри вихревой трубы с целью определения ее оптимальных режимов работы и ее оптимальной геометрии.

Простота конструкции, малый вес, отсутствие вращающихся частей, фактически неограниченный ресурс работы, а также возможность получения двух потоков газа с различными температурами торможения, одна из которых больше температуры подаваемого в вихревую трубу сжатого газа, а другая меньше, а также малая инерционность - вот те основные преимущества вихревой трубы, которые, несмотря на сравнительно низкий к.п.д. происходящего внутри нее процесса энергетического разделения газа, определяет в настоящее время области ее применения.

Созданы и успешно эксплуатируются установки на базе вихревых труб : в горнодобывающей и металлургической промышленности - в качестве индивидуальных кондиционеров для обеспечения комфортных условий работы, в радиотехнике и электротехнике - для стабилизации температуры деталей и узлов аппаратуры. Хорошо зарекомендовали себя вихревые трубы, как генераторы тепла и холода при работе на стендах для теплопрочностных испытаний отдельных элементов и узлов различных устройств. Широко используются такхе вихревые масловлагоотделители / 40 /, предназначенные для очистки сжатого газа от механических примесей, напольной влаги и масла.

Повышение к.п.д. процесса энергетического разделения газа вследствие дальнейшего совершенствования конструкции и определения оптимальных режимов их работы позволит расширить области их применения и во многих случаях заменить ими ранее использовавшиеся холодильные машины, получив при этом целый ряд существенных преимуществ.

Поэтому дальнейшее исследование вихревого эффекта и совершенствование конструкций вихревых труб является актуальной технической задачей.

Цель настоящей работы заключается в дальнейшем изучении вихревого эффекта энергетического разделения газа и создании вихревых устройств, имеющих существенно лучшие характеристики по сравнению с известными; создании метода расчета и конструирования вихревых труб по оередненным параметрам, как наиболее приемлемого для инженерной практики.

Основные научные положения, защищаемые автором:

1. Смещение границы превращения потенциального вихря в вынухденный к периферийной стенке вихревой камеры на всем ее протяжении интенсифицирует процесс температурного разделения газа и повышает его энергетическую эффективность.

2. Применение последовательно соединенных осевого и целевого диффузоров позволяет без дополнительных энергетических затрат наиболее полно утилизировать кинетическую энергию холодного и горячего потоков вихревой трубы.

3. Одним из критериев оптимальности конструкции вихревой трубы является постоянство периферийного статического давления по длине вихревой камеры, что позволяет применить газодинамические функции для определения ее осношнх терм о-газодинамических и геометрических характеристик. 1

6. ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. В результате теоретических и экспериментальных исследований рабочего процесса конических вихревых труб выявлены основные закономерности течения газа в отдельных ее элементах - сопле, вихревой камере, диффузорах холодного и горячего потоков и определены их оптимальные геометрические соотношения.

2. Аналитически получена зависимость, позволяющая оценить степень расширения газа в сопле вихревой трубы в зависимости от характера процесса, происходящего в вихревой камере и степени расширения газа в вихревой трубе.

3. На основе экспериментальных исследований показано, что основное влияние на характеристики вихревых труб оказывает конструкция горячего конца, а наилучшие характеристики имеют конические вихревые трубы с закрытым решеткой горячим торцем. Выявлено влияние конструкции решетки и величины зарешеточного пространства на и Qbt и определены их оптимальные размеры.

4. Проведены исследования аэродинамики конической и цилиндрической вихревых труб с закрытыми решеткой и плоской стенкой горячими торцами. Проведен анализ полученных результатов - эпюр окружных и осевых скоростей, полных и статических давлений и температур. Объяснены отличительные особенности рабочего процесса исследованных вихревых труб и причины различия получаемых характеристик .

5. Предложена и защищена авторским свидетельством коническая вихревая труба с комбинированным диффузором на горячем конце. Исследованиями установлено, что использование такого диффузора позволяет нам более полно утилизировать кинетическую энергию горячего потока во всем диапазоне изменения JU> .

6. Определено влияние на рабочий процесс вихревой трубы с комбинированным диффузором конструкции отдельных ее частей: сопла, вихревой камеры, осевого и щелевого диффузора горячего конца. В результате исследований выработана оптимальная конструкция, позволяющая существенно увеличить эксергетический к.п.д. вихревой трубы, работающей в схемах различных вихревых холодильных аппаратов.

7. Проведены исследования работы вихревых труб с комбинированным диффузором на горячем конце при повышении (отличном от атмосферного) давления холодного потока. Установлено, что при этих условиях ее работы получаемые А~Т% , CjBf при^ = 0,3*0,8 существенно превышают характеристики вихревых труб известных типов.

8. Предложена методика расчета вихревых труб с использованием газодинамических функций. Рассмотрен примерный порядок расчета, исходя из заданных начальных условий.

9. Результаты теоретических, экспериментальных исследований, предложенная методика расчета использованы при расчете и проектировании генератора холода стенда "СТМОЛА", внедренного в Центральном аэро- гидродинамическом институте. Генератор холода стенда "СГИОЛА" - коническая вихревая труба с закрытым решеткой горячим торцем D = 92 мм позволяет получать холодный воздух расходом до 1 кг/с с температурами в диапазоне *20 * -50°С. Применение вихревого генератора холода при оригинальной компановке с генератором тепла позволяет получать годовой экономический эффект 130 т.р. Акт внедрения прилагается.

10. Рекомендации по проектированию горячего конца вихревой трубы использованы при создании системы охлаждения рабочей зоны транспортера, внедренной на Чапаевском химическом заводе. Экономический эффект от внедрения системы 72 т.р./год. (Акт внедрения и расчет экономического эффекта, проведенный по единой методике прилагаются).

1. Абрамович Г.Н. Прикладная газовая динамика. - М.: Наука, 1969, 824 с.

2. Азаров А.И. Характеристики вихревой трубы с рециркулирующим горячим потоком. Холодильная техника и технология, вып.18, 1974, с.48-52.

3. А.с. № 640048 (СССР). Вихревой эхектор / Куйбышевский политехнический институт им. В.В.Куйбышева; Авт. изобрет. Бобров

4. В.В., Метенин В.И., Савельев С.Н. Опубл. в Б.И., 1978, i 48.

5. Бобров В.В., Савельев С.Н. Исследование двухступенчатого вихревого холодильного аппарата. В кн.: Тезисы докладов областной научно-технической конференции "Молодые ученые Куйбышевской области - производству". Куйбышев, 1977, с.106-104.

6. Борисенко А.И., Сафонов В.А., Яковлев А.й. Влияние геометрических параметров на характеристики конического вихревою холодильника. Инженерно-физический журнал, 1968, № 6, с .988-993.

7. Борйсенко А.И., Высочин В.А., Сафонов В.А. Исследование параметров внутри вихревой трубы. В кн.: Самолетостроение. Техника воздушного флота. Республиканский мехведомственный тематический научно-технический сборник. Харьков, 1973, вып.40,с.45-48.

8. Бродянский В.М., Мартынов А.В. Зависимость эффекта Ранка-Хил-ша от температуры. Теплоэнергетика, 1964, i 6, с.75-78.

9. Бродянский В.М., Мартынов А.В. Вихревая труба с внешним охлаж

10. Д9НИ9М. Холодильная техника, 1964, Р 5, с.46-51.

11. Войтко A.M. Исследование эффекта Ранка в трубах больших диаметров, работающих при низких давлениях. В кн.: Труды Одесского технологического института пищевой и холодильной промышленности. Одесса, 1961, т.10, с.106-117.

12. Гольдштик М.А. К теории эффекта Ранка (закрученный поток в вихревой камере). Известия АН СССР. ОГН. Сер. Механика и машиностроение, 1961, Р 1, с.176.

13. Гродзовский Г.Л., Кузнецов D.K. К теории камеры для вихревого охлаждения газового потока. Известия АН СССР. ОГН, 1954,10, с.112-118.

14. Гуляев А.И. Исследование конических вихревых труб. Инженерно-физический журнал, 1966, т.10, Р 3, с.326-331.

15. Кузнецов В.И. Методика расчета вихревой трубы. В кн.: Труды первой научно-технической конференции "Некоторые вопросы исследования вихревого эффекта и его промышленного применения". Куйбышев, 1974, с.16-19.

16. Лей И.Е., Ли B.C. Изучение влияния угаа входа струи в вихревой поток температурного разделителя. -Jп ASME Pubilkation, Рарег V-60-VM -239, 1965.

17. Мартынов А.В., Бродянский В.М. Исследование параметров вихревого потока внутри трубы Ранка-Хилша. Инженерно-физический журнал, 1967, т.7, £ 5, с.639-644.

18. Мартынов А.В., Бродянский В.М. Что такое вихревая труба? -М.: Энергия, 1976, с.152.

19. Мартынов А.В., Бродянский В.М. Вихревая труба с внешним охлаждением. Холодильная техника, 1964, Р 5, с.46-51.

20. Мартыновский B.C., Алексеев В.П. Термодинамический анализ эффекта вихревого температурного разделения газов и паров. -Теплоэнергетика, 1955, Р 11, с.31-34.

21. Мартыновский B.C., Алексеев В.П. Вихревой эффект охлаждения и его применение. Холодильная техника, 1953, % 3, с.63-67.

22. Мартыновский B.C., Парулейкар Б.Б. Температурное разделение воздуха на холодном конце вихревой трубы. Холодильная техника, 1959, * 2, с.29-32.

23. Мартыновский B.C., Парулейкар Б.Б. Эффективность вихревого метода охлаждения. Холодильная техника, 1960, № 1, с.3-8.

24. Мартыновский B.C., Мельцер Л.З. О холодильном эффекте вихревой трубы. Холодильная техника, 1956, i 4, с.51-53.

25. Мартыновский B.C., Алексеев В.П. Исследование эффекта вихревого температурного разделения газов и паров. Еурнал технической физики, 1956, т.26, * 10, с.2303-2315.

26. Мартыновский B.C., Войтко A.M. Эффект Ранка при низких давлениях. Теплоэнергетика, 1961, i 2, с.80-84.

27. Мартыновский B.C. Термодинамические характеристики циклов тепловых холодильных машин. М.: ГЪсэнергоиздат, 1952.

28. Меркулов А.П. Характеристики и расчет вихревого холодильника.- Холодильная техника, 1958, * 3, с.31-36.

29. Меркулов А.П. Вихревой эффект и его применение в технике. -М.: Машиностроение, 1969, 183 с.

30. Меркулов А.П. Гипотеза взаимодействия вихрей. Известия высших учебных заведений. Сер. Энергетика, 1964, i 3, с.74-82.

31. Меркулов А.П. Характеристики и расчет вихревого холодильника.- В кн.: Труды Куйбышевского авиационного института. Куйбышев, 1958, вып.У1, с.27-31.

32. Меркулов А.П. Совместная работа вихревой трубы и диффузора. -Холодильная техника, 1962, i 4.

33. Меркулов А.П., Филиппов Г.В., 1^гсев И.И. О влиянии пограничного слоя диафрагмы на холодный поток вихревой трубы. В кн.: Труды Куйбышевского авиационного института. Куйбышев, 1963,вып.15.

34. Метенин В.И. Исследование противоточннх вихревых труб. Инженерно-физический журнал, 1964, т.7, Р 2, с.94-102.

35. Метенин В.И. Исследование рабочих процессов и циклов воздушных холодильных машин: Дис. на соискание ученой степени доктора техн. наук / Куйбышевский авиационный институт. Куйбышев, 1970.

36. Метенин В.И. Исследование вихревых температурных разделителей сжатого газа. Хурнал технической физики, 1960, т.30, вып.9, с.1095-1106.

37. А.с. Р 117187 (СССР). Холодильная вихревая установка / В.И. Метенин. Опубл. в Б.И., 1959, i 1.

38. Метенин В.И. Экспериментальное исследование рабочего процесса воздушной вихревой холодильной установки. Холодильная техника, 1959, Р 4, с.15-20.

39. А.с. Р 132243 (СССР). Вихревая холодильно-нагревательная установка / В .И .Метенин. Опубл. в Б.И., 1966, i 23.

40. А.с. Р 22'JQOO (СССР). Маеловлагоотделитёль для очистки сжатого воздуха / В.И.Метенин, Г.М.Джамгаров, С.М.Данелянц, Й.В. Назаров и С.Г.Скрыпник. Опубл. в Б.И., 1968, Р 30.

41. Метенин В.И. Вихревой холодильный аппарат для термической обработки стали холодом. Вестник машиностроения, 1963, Р 8, с. 60-62.

42. Метенин В.й. Термодинамическое исследование работы эжекторов воздушных вихревых холодильных машин. В кн.: Труды конференцда по перспективам развития и внедрения холодильной техники в народное хозяйство СССР. М.: Госторгиздат, 1963, с.233-240.

43. Метенин В.й. Определение оптимального рехима работы воздушного вихревого холодильного аппарата. В кн.: Труды 2-го Всесоюзного совещания по тепло- и массообмену. Минск, 1966, т Л.

44. Метенин В.й. Термодинамическое исследование реального цикла воздушного вихревого холодильного аппарата. В кн.: Труды Всесоюзной мехвузовской конференции по проблемам интенсификации холодильного и технологического пищевого оборудования. Л., 1967.

45. Метенин В.й. К выводу уравнения рабочего процесса идеальной вихревой трубы. Известия вузов. Сер. Авиационная техника, 1972, 1 3, с.175-176.

46. А.с. i 545776 (СССР). Вихревой зхектор / Куйбышевский политехнический институт им. В.В.Куйбышева; Авт.йзобрет.: Метенин В.й., Бобров В.В., Савельев С.Н., Бербенцев В.Н., Обмоин В.В. Опубл. в Б.И., 1977, S 5.

47. Решение о выдаче а.с. от 24.06.78 по заявке i 2585192/06. Вихревая труба / Куйбышевский политехнический институт им. В.В. Куйбышева; Авт. йзобрет.: Метенин В.Й., Савельев С.Н.

48. Савельев С.Н., Бобров В.В. Экспериментальные исследования конических вихревых труб. В кн.: Тезисы докладов областной научно-технической конференции "Молодые ученые Куйбышевскойj области производству". Куйбышев, 1977, с.106-107.

49. Суслов А.Д., Чихиков D.B. Методика расчета вихревых холодильников. В кн.: Труды первой научно-технической конференции "Некоторые вопросы исследования вихревого эффекта и его промышленного применения". Куйбышев, 1974, с.40-46.

50. Торочешников Н.С., Лейтес Й.Л., Бродянский В.М. Исследование эффекта температурного разделения воздуха в прямоточной вихревой трубке. 1урнал технической физики, 1953, т.28, вып.6, с.1229-1236.

51. Чарный Н.А. К теории вихревого холодильника. Известия АН СССР ОГН. Сер. Механика и машиностроение, 1962, S 6, с.148-153.

52. BCKERT E.B,G. and HABTNETT J.P. Experimental Study of the

53. Patent № 2.904.965 (USA). Vortex Tube With Wlow Control Means/Green P.H.- Sept.22, I959#

54. A.E.S. Journal, vol*31, № 9, 1961, p.I204-I2I7.

55. Macoto Susuki Teoretical and Experimental Studies on the Vortex Tube.- Soi.Papers I.P.C.B., vol*54, № I, I960.

56. PARULEKAR B.B. Perfomance of Short Yortex Tube.- J.Inst. Engrs. (India), 6f № 4, I960.

57. PARULEKAR B.B. Short Vortex Tube.» Jorn of Refrigeration, 1961, vol.4, № 4, p.14-80.66* RANGUE G.J. Expereoes sur la Detente Girataire aveo Productions Sumultanees t* un Eohappement.- Physique et la Radium, 1933, vol.7, Jfe 4, p.112-115»

58. SCHEPER G.S. The Vortex Tube Internal Flow Data and a Heat Transfer Theory.- lefrigerating Engineering, 1951, № 59, october.

59. SIBULKIN M. Unsteady. Viloom Cilcular Flow Parti. The Impulse of Angular Momentum.- Journal Fluid Mach., I96I, vol.11,1. Л 2»

60. Part 2. The Cylinder of Finite Radius.• Journal Fluid Meoh. 1962, vol.12, II.»

61. Part 3. Application to the Ranque. Hilsch Vortex Tube.-Fluid Meoh, 1962, vol.12, № 2.72» WEBSTEH D.S, An Analysis ©f the Hilsch. Vortex Tube.-Eeifr igerating Engineering, 1950, Jfe 2, p.l63-I7I.

62. Ахексеев В.П., Азаров A.M., Анисимов А.В., Симоненно D.M. Вихревые трубн с внутренний оребрением горячего конца. -В кн.: Материалы П Всесоюзной научно-технической конференции "Вихревой эффект и его применение в технике", Куйбышев, 1976, с.76-81.