автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.03, диссертация на тему:Развитие теории методов расчета и промышленное использование вихревого эффекта

На правах рукописи

ЧИЖИКОВ ЮРИЙ ВЛАДИМИРОВИЧ

УДК 629.78

РАЗЕИТИЕ ТЕОРИИ, МЕТОДОВ РАСЧЕТА И ПРОМЫШЛЕННОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ВИХРЕВОГО ЭФФЕКТА

Специальность 05.04.03 - Машины и аппараты холодильной и криогенной техники и систем кондиционирования

АВ ТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва - 1998

Работа выполнена в Московском государственном техническом Университете им. Н.Э.Баумана

Официальные оппоненты: Доктор технических наук, профессор Тишин И.В. Доктор технических наук, профессор Бродянский В.М. Доктор технических наук, профессор Пиралишвили Ш.А.

Ведущая организация: Конструкторское бюро транспортного машиностроения

Защита состоится исл/( «_/ _1998 г. в < час, на

заседании диссертационного совета Д.053.11 при Московском государственном техническом университете им.Н.Э.Баумана по адресу 107005, Москва,Б-5, 2-я Бауманская ул., 5.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГТУ.

Ваш отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенный гербовой печатью, пройм направить по указанному адресу.

Автореферат разослан » 2." 1998г.

Ученый секретарь диссертационного совета

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. При решении задач обеспечения жизнедеятельности, как еловека, так и машин и приборов, в первую очередь радиоэлектронного оборудования, сновной проблемой является поддержание комфортного теплового режима Более 70 % тказов электронной аппаратуры связано с нарушением теплового режима, что приводит большим убыткам в народном хозяйстве. Для термостабилизации оборудования создано ольшое семейство разнообразных методов и средств охлаждения, среди которых бсорбционные, парокомпрессионные, газовые холодильные машины. Эти агрегаты, ыполняя вспомогательные функции и не участвуя в создании новой продукции, требуют ля поддержания работоспособности больших затрат на эксплуатацию и ремонт. гказанных принципиальных недостатков лишен холодильный аппарат без подвижных астей - ВИХРЕВАЯ ТРУБА - устройство для разделения потока сжатого газа, ангенциально вводимого в камеру, имеющую форму тела вращения, на два потока с азной энтальпией.

Вихревой эффект, открытый Ж.Ранком в 1931 г., исследован как иностранными: .Хилшем, С.Фултоном, Д.Рейнольдсом, Х.Такахама, С.Линдерстрем-Лангом, так и течественными учеными: А.П.Меркуловым, В.П.Алексеевым, В.М.Бродянским, 1.И.Епифановой, А.Д.Сусловым, В.И.Метениным, Ш.А.Пиралишвшш, В.А.Сафоновым и р., что позволило разработать научные основы проектирования вихревых труб.

С началом промышленного использования проявился недостаток вихревых труб -изкая термодинамическая эффективность. Таким образом, основными условиями спешного применения являются создание конструкций с уменьшенными нергетическими потерями и поиск областей, в которых указанный недостаток не вляется решающим.

Разработка методов расчета и проектирования вихревых аппаратов возможна на азе комплексных теоретических и экспериментальных исследований энергообмена в дно- и двухфазных закрученных потоках высокой интенсивности, чему посвящена абота. Созданные аналитические методы и разработанные технические решения еализованы в эксплуатируемых системах и установках.

Цель и задачи работы. Целью диссертационной работы является создание [етодов расчета и уверенного проектирования холодильно-нагревательных аппаратов и истем термостатирования, в которых используются вихревые трубы. Сформулированная ель может быть реализована путем совместного решения научных, инженерных и

технологических задач: повышение эффективности вихревых труб в широком интервал начальных параметров рабочего тела, расширение диапазона промышленног использования вихревого эффекта по начальной температуре и давлению, степей понижения давления, применению новых рабочих веществ, получение новых физически данных о процессах в камере энергетического разделения, создание на их основе боле точных теоретических моделей и методов расчета, разработка новых схемных конструкторских решений, методов анализа эксплуатационных характеристик усовершенствования технологии изготовления и испытаний вихревых труб. В задач исследования входит анализ экономических результатов эксплуатации вихревых труб определение области их целесообразного применения.

Научная новизна работ ы. На зашиту выносятся следующие основны результаты:

1.Теоретическое исследование механизма вихревого энергетического разделения рабочей камере, разработка уточненной физической модели процесса.

2.Теоретическое и экспериментальное исследование параметро характеризующих интенсивность закрутки потока в камере, определение места вихревс трубы в ряду других технических устройств, реализующих закрученные потоки.

3.Комплексное экспериментальное исследование процессов в каме] энергетического разделения, определение интегральных характеристик вихревых труб широком диапазоне начальных температура и давления на разных газах.

4.Создание методов расчета вихревых труб при работе на газах различие физической природы и газожидкостных смесях, методов проектирования, технолоп изготовления и испытаний.

5.Совершенствование конструкций вихревых холодильно-нагревательнь аппаратов и систем термостатирования с вихревыми трубами.

Апробация работы. Основные положения работы доложены и обсужден на: 1 - III и V - VI Всесоюзных научно-технических конференциях "Вихревой эффект его промышленное применение" (г. Куйбышев, 1972,1975,1979,1988,1991), Всесоюзт конференции "Совершенствование процессов, машин и аппаратов холодильно криогенной техники и кондиционирования воздуха (Ташкент,1977) , III Всесоюзн< научно-технической конференции по холодильному машиностроению (Одесса,198: Х1У Международном конгрессе по холоду (Москва,1975) всесоюзной научн технической конференции по судовым системам кондиционирования (Николаев,1978

Российской научно-технической конференции "Процессы горения и охрана окружающей среды" (Рыбинск, 1997).

Публикации. Основное содержание диссертационной работы опубликовано в монографии, двух обзорах, 25 статьях. По теме диссертации получено 105 авторских свидетельств СССР и П иностранных патентов.

Объем и структура р а б о т ы. Диссертация изложена на 291 страницах, включая список литературы, из них текст - 246 стр., рисунки - 45 стр. Библиография включает 148 наименований.

Во введении качественно анализируется механизм вихревого энергетического разделения, обосновывается метод совершенствования гипотезы взаимодействия вихрей, формулируются задачи исследования.

В первой главе излагаются разработанные модели вихревого эффекта, анализируются результаты экспериментов, методики расчета и конструирования вихревых труб.

Во второй главе приведены результаты теоретических исследований вихревого эффекта, обоснован механизм передачи энергии от приосевых к периферийным слоям газа, определено место вихревой трубы среди других технических устройств, реализующих эффекты в закрученных потоках.

В третьей главе изложены результаты экспериментальных исследований интегральных характеристик вихревых труб, параметров газа в камере энергетического разделения, величины конструктивного параметра закрутки.

Четвертая глава посвящена исследованиям работы вихревой трубы на влажном паре и парожидкостных смесях, компонентному разделению воздуха.

В пятой главе приведена разработанная методика расчета адиабатной вихревой трубы при переменных параметрах газа на входе, в широком диапазоне начального дав-лети и температуры, на газах различной физической природы.

В шестой главе изложены результаты конструкторских разработок вихревых аппаратов и систем термостатироваиия и кондиционирования, анализируются области экономически целесообразного использования вихревых труб.

Решение задачи нестационарного турбулентного трехмерного течения сжимаемой теплопроводной жидкости является предметом изучения статистической физики, но технические применения закрученных высокоскоростных потоков должны быть обеспечены надежными методами расчета и проектирования, что является предметом

Я

настоящей работы. Факт снижения температуры торможения приосевого потока в камере может быть объяснен либо теплообменом между слоями газа, либо передачей энергии от приосевого к периферийному потоку. При невозможности решения уравнений движения, энергии, неразрывности при современном уровне знаний большое значение приобрели гипотезы вихревого эффекта, из которых наиболее обоснованной и продвинутой является гипотеза взаимодействия вихрей.

Согласно этой гипотезе газ, тангенциально втекающий в камеру энергетического разделения, формирует поток с радиальным распределением окружной скорости по закону постоянства циркуляции, распространяется вдоль образующей с пренебрежимо малой радиальной скоростью до значительного снижения окружной скорости вследствие вязкого трения, при этом уменьшается радиальный градиент давления, и поток заполняет все сечение камеры. Под действием осевого градиента давления формируется возвратное приосевое течение, направленное к диафрагме и взаимодействующее с периферийным потоком. Осевой градиент давления, по данным А.П.Меркулова, зависит только от г и

равен ег =£+0.67, где ег =Р*Г(РХ,РГ - давление в камере перед дроссельным вентилем. Поток кинетической энергии в камере связан с работой напряжений сдвига. В свободной струе он компенсируется за счет преобразования энергии осредненного движения в турбулентную. Порожденная энергия турбулентности, с одной стороны, путем турбулентной диссипации преобразуется непосредственно в тепло. Но с другой стороны напряжения сдвига приводят к искажению траекторий слоев периферийного потока, на что затрачивается работа.

Рассматривая общий случай спирального течения в камере, можно ввести следующие граничные условия, не противоречащие опыту

= 0;V7х = \{г,х);\в=\в+ч'в;

V. = V, <> 0; уГ = а*; V. = У„ +

Вопрос о величине и направлении радиальной составляющей скорости наименее изучен, что связано, в частности, с невозможностью ее прямого измеренш пневматическими зондами, большими погрешностями косвенного определение радиальной скорости, в приосевой области достигающими 80 %, Радиальные профшп радиальной скорости не определены. Будем считать достоверной информацию |уг| > 0;« V,; V, = V„(г,л);\'г* \'„ » \'а\ С поверхности радиуса г на поверхность радиуса г + Дг передается тепло

ИССЛЕДОВАНИЕ ВИХРЕВОГО ЭФФЕКТА

0.5

Ч. з ^ 2

< 1

\ <

ЦП

то

4«

0.5

75

17 С

Формирование возвратного течения.

1-Убыль периферийного потока в, (В.А.Высочин)

2-Формирование приосевого потока в, (ХТакахама)

3-Относительная влажность охлаждённого потока.

Зависимость эффехта охлаждения от степени расширения площади сопла. 1-0.102; 2-0.085; 3-0.078; 4 - 0.068; 5-0.057; 6 - 0.044.

и 40 00 120 160

• X х" г * 5 С0 о £ о (5 о X г

еДК

0.5

0.4

0.3

>■— — —

ч / £=4 Сьш

* ■О- . 2мм

Г

1 2 5 10 20 Е

Влияние природы рабочего тела на величину эффекта охлаждения.

Зависимость эффективности от степени расширения: 1-Р.Хилыл; 2-Н.С.Торочешников и ЖА.Коваль; 3-А.А.Поляков и АЛ.Лепявко; 4- АДМеркулов.

Рис. 1

Я=срСАТ, (1)

где: б = рРч'г\ДГ = Г2 - Г,; - поверхность, через которую передается масса газа, Тх -температура на поверхности радиуса г, Т2 - температура, принимаемая газом на поверхности г + Дг.

В процессе перехода с радиуса г на поверхность радиуса г + Аг газ адиабатически сжимается

2=-с,р^;(дг-дг) (2)

Введя обозначение коэффициента турбулентной диффузии ут = , приняв в

/ Л—

первом приближении Д7" = ТХ[Р21РХ) * , Хинце показал вклад турбулентности в процесс

передачи тепла при наличии радиальных градиентов температуры и давления

-Л

2 = -сору.

<П___\_dP_

(¡Г рс &

(3)

Механизм радиальной передачи тепла из приосевых слоев к периферийным связан с радиальными потоками массы, которые определены по измеренным значениям окружной и осевой составляющих скорости. В.А.Высочин вычислил интенсивность убыли массы из периферийного потока по длине камеры. Х.Такахама определил распределение возвратного потока по длине камеры. Их данные -приведены на рис.1. Из анализа графиков следует, что по всей длине происходит радиальный сток газа с наибольшей интенсивностью в начальных сечениях. Проверка результатов проведена прямым экспериментом на вихревой трубе Ц, = 21 мм, ¿и = 7 , работающей на осушенном до температуры точки росы 218 К воздухе. При постоянном расходе охлажденного воздуха и постоянной его температуре 278 К в камеру, имеющую шесть распределенных по длине отверстий, подавали попеременно в каждое отверстие воду в количестве 2 г/кг сухого воздуха. Влагосодержание охлажденного потока при этом изменялось в соответствии с осевой позицией используемого отверстия и достигало максимума 1,7 г/кг охлажденного воздуха при подаче воды в ближайшее к диафрагме отверстие. Пограничный слой диафрагмы отводился путем его отсоса. Данные измерений аппроксимируются уравнением

Сл/(Со^) = 0.88ехр(-1.911о) (4)

и подтверждают выводы о наличии стока газа из периферийной области в приосевую.

Для пульсации тепла с учетом радиального равновесия уравнение (3)

— (dl v

В зависимости от соотношения пульсаций массы р\'г и энергии поток тепла может быть направлен как к оси, так и к стенке камеры. Д.Рейнольдсом получено уравнение энергии для закрученного турбулентного потока

С учетом уравнения неразрывности rp0wr = с при vr = const

(6)

л <1

После интегрирования

гРоУ^Уд^-™2» (8)

Левая часть уравнения (8) представляет собой поток работы в радиальном направлении, совершаемой напряжениями сдвига. Направление потока работы противоположно направлению потока массы. Расчеты показали, что данный вывод справедлив для радиального распределения окружной скорости как \е=<аг , так и Vв — о/г , различна лишь интенсивность совершаемых процессов, которая зависит также от радиального распределения радиальной скорости. На начальном участке при втекании в камеру радиальная скорость, особенно в конических вихревых трубах имеет выраженное положительное (направление к стенке) значение, чем объясняется наблюдаемая аномально низкая температура стенки камеры в околосопловых сечениях.

Таким образом, как осевое возвратное течение, так и радиальное течение в камере энергетического разделения связаны с совершением работы сдвиговых напряжений, результатом которой является уменьшение полной энтальпии движущегося к диафрагме газа и соответствующее понижение его температуры. Периферийный поток совершает работу по отношению к приосевому течению в процессе его формирования, в этом заключается особенность тешго-массообмена в свободных струях.

На величину совершаемой работы активно влияет гидродинамическая обстановка в камере, зависящая от размеров и формы каждого элемента вихревой трубы и соотношения режимных и конструктивных параметров. Течение в камере энергетического разделения по радиальному профилю осевой скорости относится к

сильнозакрученным потокам, которые характеризуются развитой зоной возвратных течений. Для описания сильнозакрученных потоков используется интегральный параметр закрутки & = М/К-Я, определяющий отношение вращательного М и осевого К количества движения в камере. Значения М и К можно найти интегрированием распределения осевой и вращательной скорости по сечениям. При отсутствии универсального закона распределения скоростей используют конструктивный параметр закрутки пк = с М^/К^Я^ котором момент количества движения Мср относится к

среднему расходному количеству движения К^ в камере относительно площади поперечного сечения.

Конструктивный параметр закрутки в форме = рМй Ц,/02 для сильнозакрученного потока с тангенциально-улиточным завихрителем принимает значение пк = /,'0//гс = 1//с , если считать размеры сопла малыми по сравнению с диаметром Ц, вихревой трубы. Полученный комплекс учитывают при расчетах вихревой трубы, но однозначная зависимость эффекта охлаждения от его величины отсутствует. При отсутствии точных решений уравнений движения в камере в некоторых случаях результата можно добиться методом анализа размерностей. Основная трудность в выборе необходимых и достаточных переменных, характеризующих процесс энергоразделения. Наиболее общие параметры, существенные для оценки интегральных характеристик: Д/,

- эффект охлаждения - зависимый параметр, к отысканию которого сводится анализ; С0 ~ расход сжатого газа - интегральный газодинамический масштаб; ¿>0 - диаметр камеры -геометрический масштаб; М'й - поток момента количества движения в сопловом сечении

- параметр, характеризующий интенсивность процессов в камере; Е'0 - внутренняя энергия - параметр, характеризующий свойства рабочего тела. Из параметров, определяющих истечение охлажденного потока из диафрагмы, выбран р'х - плотность газа в камере перед диафрагмой.

Получено шесть параметров, размерности которых выражаются тремя независимыми единицами измерений: длина, масса, время

Ы^чфь.Ъ.КЛ.Р'Л (9)

Согласно л - - теореме для шести параметров, выражаемых тремя единицами измерений, существует три безразмерных комплекса

JT, = MxGq DljM't, (10)

x^Mf/DlElG,» (11)

n^p'M'oDjG], (12) При равномерном по периметру вводе газа

= (4Л/^)/(С„20„2<)= иф« = rj (13)

= (v?Gel W (14)

/ 4 а0

где су Г0' = —— RTq = ———; aj - местная скорость звука. к -1 к(к -1)

Щ = Р'М'о D„/(2G0)= {v'oJup'xDt)/{2DlGa)= (15)

В рабочем диапазоне перепадов давления истечение из сопла критическое, тогда v'o/ao =1 и л"2 = const . При v'0 = /Jem для критического истечения из сопла величина ц зависит от скорости истечения из диафрагмы, которая может изменяться при fi = const и Dx = const пропорционально изменению G0 и р'х , поэтому необходима конкретизация условий течения. При больших скоростях потоков в камере энергетического разделения процесс расширения в первом приближении считаем адиабатным

Я- Л Vp/* = 2 та 2 PJ' 3 * у'жЪ\ я РТЛ я fa

Учитывая, что на срезе сопла параметры критические:

г;=2 т0/(к+1),р; = pfejik+1)V"-"]

(id)

W ГЛТ'Х 2 )

При адиабатном течении ТЦТ[ =

<му»

2 Р:т0 (k + lf^ 2 (к+ lY**-" 1

(17)

где £•' = Р0/РХ - отношение давлений между входом в вихревую трубу и плоскостью диафрагмы в камере.

Истечение из диафрагмы происходит в диапазоне между двумя предельными режимами:

1.При малом расходе охлажденного потока через диафрагму газ можно считан несжимаемым, перепадом давления на диафрагме пренебречь, . Такой характер течения наблюдается в режиме максимальной температурной эффективности, соответствующем ц = 0.15-0.25.

2. При критическом перепаде давлений на диафрагме, соответствующем режиму максимальной термодинамической эффективности при > 0.6.

Таким образом, в геометрически подобных вихревых трубах для поддержанш 7 = const независимо от степени расширения в пределах принятых допущений

необходимо и достаточно выполнить условие fcsm - const. Для каждого значения е

существует одно оптимальное значение fc.

Проверка достоверности сделанных выводов произведена на вихревой труб« D0 = 40 мм, снабженной сменными сопловыми колодками с относительной площадью сп 0,102 до 0,044, в диапазоне от. ношения давления от 3 до 18. Результаты представлены ш рис.1. Максимум температурной эффективности каждой испытанной вихревой трубь: соответствует вполне определенной степени понижения давления, что позволяет найта количественную связь между ними.

Для условий эксперимента (Pz =0,1 МПа, к = 1,4) значение (/^j^ = 0.327/i1'* Снижение эффективности с увеличением объясняется тем, что исследование проведено при постоянном диаметре диафрагмы, тогда как расход газа с увеличением s возрос ш 41%, соответственно увеличилось гидравлическое сопротивление диафрагмы, т.е допущение, принятое при захшеи уравнения (19) , выполнено не полностью. Е дальнейшем проведены исследования вихревых труб с изменяемым диаметрок диафрагмы.

Коэффициент пк = lf/^si/k по физическому смыслу является конструкгавнь» параметром закрутки сжимаемого газа и может быть использован при анализе любьв сильно закрученных потоков.

Влияние природы рабочего тела на эффект Ранка до настоящего времени являетез

(19]

(20)

предметом дискуссии. В качестве определяющего показателя предложены отношение теплоемкостей, скорость звука в газе, универсальная газовая постоянная, критерии Рг к Ле, изотермическая сжимаемость, кинематический коэффициент вязкости. Ни один из перечисленных показателей экспериментально не подтвержден. При анализе свойств газов выявлено, что по величине эффекта охлаждения рабочие вещества ранжируются в соответствии с некоторыми свойствами, такими как критическая температура Т^ или коэффициент "а" в уравнении Ван-дер-Ваальса. Эти величины связаны приближенным уравнением Т^ - 8а/27Ь, однако его использование затруднено из-за недостаточной точности.' Коэффициент "а" характеризует силу притяжения молекул. Изменения размеров атомов и молекул обусловлен^ причинами, вызывающими деформацию электронных оболочек, колебание которых приводит к возникновению электрических полей. Для газов с более низкой критической температурой характерна малая энергия притяжения. Из предложенных различных форм для выражения величины потенциальной энергии взаимодействия молекул <р{г) как функции межмолекулярного расстояния широкое применение получила зависимость Леннарда-Джонса

<?(г) = 4е0УгГ-Ш6\- (21)

Постоянная еа представляет собой минимум потенциальной энергии для данного газа. Вместо е0 более удобно использовать величину ей/к. Постоянная сг - расстояние между двумя молекулами в момент наибольшего сближения. Приближенно е0/к = 0.757^, но более точные значения определяются по экспериментальным данным. Зависимость относительно Не - газа с наибольшим эффектом охлаждения, описывается уравнением

ЛТ/АТНе = 1,04-0.3б(е0/к). (22)

Незначительные отклонения легко объясняются различными условиями экспериментов и различиями в конструкции вихревых труб.

Эффект охлаждения любого газа по сравнению с охлаждением на воздухе при одинаковых условиях работы вихревой трубы

&Т/АТЬ = 1.04-(£0/*)/204, (23)

что позволяет прогнозировать эффект охлаждения на новом газе по результатам экспериментов на сухом воздухе.

Промышленное применение вихревого эффекта потребовало разработки надежных

ИССЛЕДОВАНИЕ ВИХРЕВОЙ ТРУБЫ

393

353

313

273

i

/ /

'А /V2-

/у

Р.МПа

0.3

0.2

0.1

2 1

Сру 17" - — — -

— ш — — к «юшдриче эничесхая схая "М

0

0.25 0.5 0.75

0 0.25 0.S 0.75 L Распределение температуры стенки вихревой трубы Распределение давления по стенке камеры при р.: 1-0.9; 2 -0.77; 3-0.69; 4 -0.36; 5 -0.11. при ц: 1,2,3 - цилиндрическая,

4,5, б - коническая; 1 - 0.34; 2 - 0.45; 3 - 0.56; 4 - 0.31; 5 - 0.45; 6 - 0.68.

дТ,К

20

15 10

5 0

//

\ - ДТг у у /

ÍÍTB /

ЛЪр

90 110 130 150 Т0,К

Зависимость эффекта охлаждения от начальной температуры газа

1 0.4

0.2

0.2 П

/1

vi

0 2/0 4 0 6 Ц

V !Í Ц * 6 им 8-4

Реверс вихревой трубы 1-Ц,=0.67;/с=0.29;а°=2";

2 - D, = 0.67; /с =0.29; а" =5';

3 -Dx= 0.67; /с = 0.105; а" = 2';

4 - Д, = 0.5; =0.105; а0 =2'.

Рис.2

методов расчета, что при отсутствии теории возможно только на базе комплексных экспериментальных исследований в широком диапазоне параметров: температура, расход, давление. Влияние начальной температуры на величину эффекта исследовано на воздухе при Г0 < 300К. В области сухого пара эффект охлаждения пропорционален Ть.

В области влажного пара дроссель-эффект играет существенную роль в суммарном эффекте охлаждения. При вводе в сопло вихревой трубы парожидкостной смеси или влажного пара при большой степени расширения дроссель-эффект приобретает превалирующее значение.

При работе на двухфазных - пылегазовых или газожидкостных - смесях, либо при фазовых превращениях в камере вихревой трубы под действием массовых сил, больших градиентов давления и температуры имеют место процессы сепарации и смешивания. Течение двухфазной смеси вызывает обогащение нагретого потока твёрдой или жидкой составляющей. Из влажного воздуха водяной пар конденсируется в центральных слоях, конденсат отбрасывается на периферию камеры, где испаряется в потоке с высокой температурой. Эксперименты на модельной жидкости, в качестве которой использована водо-воздушная смесь с раздельной подачей компонентов в вихревую трубу, показали, что из диафрагмы отводится поток воздуха, насыщенного водяным паром. В нагретом потоке содержание пара и жидкости зависит от относительного количества подаваемой в камерводы. Эффекты охлаждения и нагрева меньше, чем при работе вихревой трубы на сухом воздухе.

Другая модельная двухфазная жидкость - воздух при температуре 92 -110 К. В первой серии экспериментов воздух давлением 0.3 - 0.4 МПа охлаждался в испарительном теплообменнике жидким кислородом до температуры 95 - 97 К и подавался в сопло вихревой трубы. В выводимом из диафрагмы потоке пара наблюдалась аномально низкая температура 77 К, что свидетельствовало о большом содержании азота в потоке и что было подтверждено дальнейшими измерениями концентрации кислорода в отходящих потоках.

Изменение концентрации в фазах двухкомпонентной парожидкостной смеси начинается при её течении в сопле, большой продольный градиент давления в котором превышает критический, происходит частичное испарение жидкости и конденсация пара. Концентрация в жидкости и паре, поступающих в камеру, отличаются от равновесных, что приводит к массообмену сразу за соплом. При совместном течении жидкости и пара происходит массообмен между фазами, приводящий к обогащению жидкости

КОМПОНЕНТНОЕ РАЗДЕЛЕНИЕ ВОЗДУХА

С,%03

о 0.2 0.6 ц

Концентрационные характеристики

С,%0,

60

20

р

0 0.1

0.3

Зависимость эффективности от содержания жидкости

Влияние диаметра диафрагмы на эффективность разделения

0.09

0.07

0.06

3 5 Б

Зависимость площади сопла от степени расширения <м

Вихревой ректификатор

Рис. 3

вышекипяшим компонентом. Радиальный перенос в камере под действием радиального градиента давления и центробежных сил сопровождается охлаждением смеси и частичной конденсацией, в первую очередь вышекипящего компонента. Жидкость, выделившаяся при конденсации пара, переохлаждённая по отношению к условиям на границе раздела, центробежными силами относится на периферию, где взаимодействует с паром, имеющим более высокую температуру.

Для описания этой совокупности процессов предложена физическая модель, согласно которой в камере выделяются зоны, в объёме которых происходят отдельные процессы. В каждой зоне имеет место идеальное перемешивание пара и жидкости и устанавливается термодинамическое равновесие, а все процессы реализуются на границах зон.

Экспериментальное исследование, проведённое на ректификаторах с диаметром камеры в начальном сечении б мм и 10 мм, позволило установить оптимальные размеры и их связь с входными параметрами воздуха, рис. 3, разработать конструкцию ректификатора и схемы его подключения в воздухоразделительные аппараты. При переходе к опытно-промышленной установке эффект разделения резко уменьшился, что связано, вероятно, со смещением потоков в камере большого объёма и требует дополнитедьног исследования.

Целью разработки методики расчёта является создание конструкций, работающих с максимальной температурной эффективностью в интервале расходов газа от 5 до 50000 кг/ч, степени расширения от 3 до 60, начальной температурой от состояния влажного пара до начала диссоциации, использующих различные рабочие вещества Особенность подхода к расчёту вихревой трубы заключается в том, что размеры и их соотношения определяют энергетическую эффективность не только как функцию геометри ческого масштаба, а в комбинации с газодинамическими параметрами, такими, как степень понижения давления и относительный расход охлаждённого потока.

Распределение давления на стенке цилиндрической и диффузорной камеры носит различный характер. Постоянство давления по длине свидетельствует о том, что окружная скорость в диффузорной камере с оптимальным углом конусности поддерживается постоянной, чем объясняется повышенная эффективность конических вихревых труб.

Размеры рабочей камеры и других элементов конструкции определяются комплех сом параметров. Для геометрического масштаба - диаметра вихревой трубы в сопловом сечении экспериментально найдено выражение

КОНСТРУИРОВАНИЕ ВИХРЕВОЙ ТРУБЫ

л

0.5

О 0.25 0.5 0.75 И Влияние расхода охлаждённого потока на общий расход газа. £: 1,2-7; 3-6; 4-5; 5-4.

П 0.5

0.45

0.4

6 9 а

Двойная закрутка потока в сопловом аппарате.

Д..К 80

40

3 ,—' / -У £

и 1,2 - Вт 3.4 - Я" _________ 4,9мм 0, 2мм

Л

0.4

0.2

2 6

14

Сравнительные характеристики вихревых труб

Вихревая труба Ц, = 7.2 мм; £ = 22.

Рис.4

Д, =1.95)//^ , (24)

учитывающее увеличение оптимального объёма камеры с ростом степени расширения.

В рабочем диапазоне степени понижения давления расход газа считается независимым от противодавления за соплом

однако в экспериментах это допущение не подтвердилось, рис. 2. Расход газа растёт с уменьшением относительного расхода охлаждённого потока, вследствие чего последнее уравнение справедливо только для критического истечения из диафрагмы; для других режимов коррекция может бьггь проведена как

1.24-0.3//. (26)

При расчёте диаметра диафрагмы необходимо учитывать не только относительный расход охлаждённого потока, но и увеличение общего расхода газа с ростом степени расширения. Для конической вихревой трубы характерно увеличение оптимального размера диафрагмы по сравнению с цилиндрической

¿>0.9^ + 0.2)Т>. (27)

Длина камеры энергетического разделения не является определяющим размером; она зависит от организации выпуска нагретого потока. При использовании предложенной А.П. Меркуловым простой и эффективной крестовины-развихрителя для диффузорной камеры рекомендуется длина около 12 калибров вихревой трубы. Конструктивное оформление соплового ввода также существенно влияет на работу вихревой трубы. Двойная закрутка потока на входе в камеру приводит к повышению температурной эффективности.

Проведены сравнительные испытания двух вихревых труб, одна из которых спроектирована на основе описанной методики расчёта, вторая рассчитана по наиболее распространённой методике А.П. Меркулова Результаты испытаний приведены на рис. 4.

Вихревые трубы нашли применение для решения технических задач в тех случаях, в которых другие технологии охлаждения не решают проблему в полном объёме. Примеры использования: имитация условий марсианской атмосферы потоком газа с температурой 183 К; подогрев высотного костюма лётчика при полётах на маневренном самолёте; комплекс средств для охлаждения высотного костюма лётчика при одевании, в

комнате ожидания, по пути к самолёту пешком или в автомобиле, в самолёте с неработающими двигателями; комплекс средств для отвода тепла от РЭА при её изготовлении, монтаже, наладке на самолёте при неработающей СКВ; охлаждение и нагрев головок самонаведения ракет перед заправкой на полевом аэродроме; отвод тепла от электронной аппаратуры станков с ЧПУ; кондиционер маски операторов, работающих в запьшённой и загрязнённой атмосфере с высокой температурой; охлаждение изделий в функционирующем состоянии до температуры ниже 213 К при их испытаниях по нормали "Мороз".

Анализ многолетней эксплуатации вихревых труб позволил выявить экономически обоснованные области применения вихревых труб.

При потребной холодопроизводительности менее 150 Вт и при индивидуальном кондиционировании вихревые трубы имеют преимущества по энергетическим и другим эксплуатационным показателям перед другими генераторами охлаждённого воздуха. В испытательном оборудовании энергетические затраты составляют незначительную часть в общих затратах, в то же время существенное значение имеет, особенно при циклических испытаниях, быстрый выход на рабочий режим. Успешно используются вихревые трубы при пот^ребной температуре охлаждения в диапазоне 213 - 173 К, при работе на загрязнённых газах, при низкой квалификации обслуживающего персонала.

Предложены и разработаны пневматические системы терморегулирования объектов ракетно-космической техники на наземных стартовых и технологических позициях. Система терморегулирования включает специально спроектированную компрессорную станцию, протяжённые воздуховоды, размещённые вблизи объекта вихревые трубы, а также средства автоматического управления и регулирования.

Система охлаждения ПГ344Б предназначена для отвода тепла от электронного оборудования в процессе его монтажа, наладки и предполётных испытаний на космических аппаратах типа "Союз", включает два винтовых компрессора, пять параллельно включённых вихревых труб с устройствами для очистки воздуха и глушения шума, систему регулирования температуры и расхода воздуха. Система безотказно отработала назначенный ресурс, в том числе в программе "Союз - Аполлон". Система термостатирования ПГ347 предназначена для обеспечения тепловых режимов в приборных и двигательных отсеках ракеты и космическом аппарате перед запуском на автоматизированном ракетно-космическом стартовом комплексе. В связи с жёсткими ограничениями по времени подготовки к запуску основная задача заключается в

необходимости обеспечения высокой плотности потока энергии в холодный и переходный период года.

В процессе монтажа и доводочных испытаний с изделием минимизировано время выхода системы на рабочий режим в зимних условиях. Стыковка стационарной и мобильной частей системы, рис. 5, осуществляется на 26-й минуте с начала подготовительных работ, на 31-й минуте достигается температура подаваемого в отсеки воздуха 281 К при температуре окружающей атмосферы 243 К. На 43-й минуте обеспечивается комфортная температура в отсеках ракеты, на 51-й минуте система выводится на стационарный тепловой режим путём регулирования температуры сжатого воздуха за концевыми теплообменниками в соответствии с экспериментально найденным законом регулирования Т - 590 - Т01гр. В режиме охлаждения в связи с установкой

вихревых труб в непосредственной близости от отсеков тепловая инерционность системы пренебрежимо мала.

На этапе проектирования системы проведено технико-экономическое сравнение систем термостатирования с воздушным и парокомпрессионным циклами управления. Оценивалось время экономически целесообразного использования систем различного типа в зависимости от стоимости электроэнергии, холодопроизводительности системы и времени работы в режиме обогрева

где: С, - капитальные затраты, с^ - стоимость единицы электроэнергии; Эх - удельный расход электроэнергии на единицу вырабатываемого холода; г,,г„ - время работы системы в режимах обогрева и охлаждения.

При времени работы системы термостатирования в режиме обогрева более 30% от общего времени функционирования пневматические системы предпочтительней парокомпрессионных при любой холодопроизводительности и любом ресурсе. За 20 лет эксплуатации стартового комплекса наработка системы ИГ347 составила 1000 час.

Задача продувки отсеков изделий 17Ф20, 17Ф113 воздухом с температурой не

выше

278 К с относительной влажностью более 80% при длительных испытаниях электронной аппаратуры перед запуском изделий решена системой обеспечения температурно-влажностного режима 14Г31. Увлажнение воздуха осуществляется подачей воды на

(28)

СИСТЕМЫ ТЕРМОСТАТИРОВАНИЯ

Т,к

360

320

280

-хг

А

А

1

I

4ъ-

°С]

<жжж>

Динамические характеристики пневмостатической системы термостатирования 1 - охлаждённый поток; 2 — сжатый воздух; 3 - нагретый поток.

4

оС]

3

о[]

2

оСЗ

3

ОС]

,квт

100

10

Ч ч N. Пароко\ шресснонные

\ 3

Пневмг \\ 1тические я а

€0<е>©<Б>©<80

'тахз тыс. ч

400

100

40

Парокомпрес< ¡ионные 1

^Инс ¡вматичес те-6

1

10

X ТЫС ч "тах.* ' ^

0.1

0.2 0.5Тз/х

Области экономически целесообразного применения систем термостатирования различных типов

а) Цена электроэнергии, коп./квт-ч - 1 - 0.77; 2 - 1.8; 3 - 3.5.

б) Г3 - время работы в режиме обогрева.

Рис.5

ял

пенку камеры энергетического разделения, температура которой при ft-0.7-0.9 на 40 - 80 К выше температуры сжатого воздуха на входе в сопло вихревой трубы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. В закрученном высокоскоростном потоке вязкого сжимаемого газа в камере

энергетического разделения под действием радиального и осевого градиента давления

формируется возвратное течение газа. При радиальном стоке и осевом перемещении в

ггорону диафрагмы к газу подводится тепло за счет вязкой диссипации энергии и

¿¿j-Ja-u.'bso . J

эдновременно совершается работавшим ем напряжений,'направленная на торможение периферийного потока, за счет которой уменьшается внутренняя энергия и температура вытекающих из диафрагмы приосевых слоев газа. Направление потока тепла зависит от радиального распределения окружной, осевой и радиальной скорости и в общем случае противоположно направлению потока массы.

2. На основании анализа характеристик интенсивности закрутки потока в вихревой грубе выведен коэффициент, по физической природе являющийся конструктивным параметром закрутки сжимаемого газа пв = iff^s111. В геометрически подобных вихревых трубах для обеспечения равной температурной эффективности независимо от давления и степени расширения необходимо и достаточно при ¡л - idem, к - idem, и Г0 - idem поддерживать постоянным конструктивный параметр закрутки. При работе на воздухе в области сухого пара пв =

3. Величина эффекта охлаждения при работе вихревой трубы на разных рабочих веществах зависит от потенциальной энергии притяжения молекул и может быть определена как функция величины sa/k, что позволяет прогнозировать эффект охлаждения на новом рабочем веществе по продувкам вихревой трубы на воздухе.

4. В результате комплексных экспериментальных исследований вихревых труб в интервале температуры от состояния сухого пара до состояния парожидкостной смеси, степени понижения давления от 3 до 22, расхода сжатого газа от 5 до 2500 кг/ч установлено.

4.1. Температурная эффективность вихревой трубы в области сухого пара не зависит от начальной температуры газа и степени понижения давления.

4.2. Расход сжатого газа при сверхкритическом перепаде давления зависит от относительного расхода охлажденного потока; расчетный расход наблюдается при критическом перепаде давлений на диафрагме.

4.3. В процессе исследования работы вихревой трубы на влажном паре и парожидкостной смеси определена эффективность процессов сепарации и смешения. Обнаружено явление компонентного разделения воздуха, определены оптимальные параметры процесса, разработана его физическая модель, созданы принципы расчета и проектирования вихревых ректификаторов.

5. Проведена оптимизация основных конструктивных элементов вихревой трубы, показаны преимущества сопловых вводов с двойной закруткой потока, определены размеры диафрагмы конической вихревой трубы, форма и размеры камеры энергетического разделения. На основе теоретических и экспериментальных исследований разработана методика расчета адиабатных вихревых труб в широком диапазоне параметров: расход, давление, степень понижения давления.

6. Сконструировано, отработано, внедрено в серийное производство более 20 типов вихревых холодильных и нагревательных аппаратов. В результате их разработки и эксплуатации выявлены экономически обоснованные области использования вихревых труб.

6.1. Индивидуальное охлаждение и кондиционирование при холодопроизводительности менее 150 Вт. Вихревые трубы по сравнению с другими источниками охлажденного воздуха имеют преимущества по всем параметрам.

6.2. Энергетические затраты составляют незначительную часть в обшил эксплуатационных затратах, в частности, установки с периодическим включением е работу.

6.3. К основным техническим требованиям относятся высокая надежность, большой ресурс, высокие динамические характеристики, работы в условиях большю вибропере грузо к.

7. Предложены, спроектированы и внедрены три пневматические системь термостатирования космических аппаратов на наземных технологических и стартовы? позициях, получен опыт их эксплуатации. Отличительной особенностью систем являете; транспортирование к объекту термостатирования энергии в виде сжатого воздуха i охлаждение или нагрев его непосредственно перед объектом.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1 Чижиков Ю.В. Определение диаметра вихревой трубы в зависимости от степени расширения// Известия вузов. Машиностроение,-1972.-№ 7.-С.87-89.

2..Создание комфортных условий при работе в защитном снаряжении /Ю.В.Антонов, Н.С.Николаев, Р.С.Тер-Ионесян, Ю.В.Чижиков // Холодильная техника,-1971.-Ха 10.-С.10-13.

З.Суслов А.Д., Чижиков Ю.В. Методика расчета вихревой трубы// Некоторые вопросы исследования вихревого эффекта и его промышленного применения: Материалы всесоюзной науч. техн. конф. - Куйбышев, -1974.-С.40-46.

4.Чижиков Ю.В. Экспериментальное исследование расходных характеристик вихревой трубы// Труды МВТУ, -1976,- № 239. Глубокий холод и кондиционирование-С.127-129.

5.Воронин В.Г. Чижиков Ю.В. Исследование вихревых холодильно-на-гревательных аппаратов при переменных давлениях воздуха // Оборудование летательных аппаратов.- М.: ЦАГИ.-1977.-С.401-403.

6.Воронин В.Г. Чижиков Ю.В. Инженерный метод расчета вихревых труб для систем термостабилизадии РЭА//Вопросы радиоэлектроники. Серия: Тепловые режимы, термостатирование и охлаждение радиоэлектронной аппаратур,-197б.-№ 3.-С.63-68.

7.Воронин В.Г. Чижиков Ю.В. Малорасходные вихревые трубы для индивидуального кондиционирования //Вихревой эффект и его применение в технике: Труды П Всесоюзной науч.техн.конф.-Куйбышев,-1976.-C.168-171.

8.Воронин Г.И., Суслов АД., Иванов C.B.. Чижиков Ю.В. Исследование компонентного разделения воздуха в вихревой трубе//Вихревой эффект и его применение в технике: Труды П Всесоюзной науч. техн. конф. - Куйбышев,-1976.-С.68-72.

9.Воронин В.Г.. Левин Л.П., Чижиков Ю.В. Исследование кондиционера с вихревым вакуум-насосом// Вихревой эффект и его применение в технике: Труды II Всесоюзной науч. техн. конф. - Куйбышев, -1976.-С. 150-155.

Ю.Иванов C.B.. Суслов А.Д.. Чижиков Ю.В. Модель механизма низкотемпературного разделения воздуха в вихревой трубе// Криогенные машины.-Новосибирск: НИСИ,-1977.-С.66-73.

П.Иванов C.B.. Чижиков Ю.В. К вопросу об оценке эффективности вихревых труб и их классификации по функциональному признаку// Совершенствование процессов, машин и аппаратов холодильной и криогенной техники и кондиционирования воздуха: Те-

зисы докладов Всесоюзной конференции. -Ташкент, -1977.-С.64-65.

12.Суслов А.Д., Чижиков Ю.В.. Иванов C.B. Исследование оптимальных геометрических характеристик вихревой трубы для низкотемпературного разделения воздуха// Труды МВТУ,1979.-№ 296.Глубокий холод и кондиционирование.-С.84-89.

13.Иванов C.B.. Суслов А.Д., Чижиков Ю.В. Разработка и исследование транспортных систем жизнеобеспечения и генерации нейтрального газа с вихревой тру-бонШути повышения эффективности и качества исследований и разработок судовых систем кондиционирования воздуха и ускорение внедрения результатов в производство: Тезисы докладов Всесоюзной конференции. -Николаев,-1978.-С.68-70.

14.Суслов А.Д., Чижиков Ю.В.. Иванов C.B. Разработка и исследование нового типа воздухоразделительного аппарата - вихревого ректификатора //Химическое и нефтяное машиностроение,-1980.-№9-С.5-6.

15.Чижиков Ю.В.. Воронин В.Г.. Опарина М.И. Разработка стандартной методики расчета адиабатной вихревой трубы//Вихревой эффект и его промышленное применение: Труды Ш Всесоюзной науч. техн. конф. - Куйбышев,-1981.-С.31-33.

16.Воронин В.Г.. Иванов C.B.. Чижиков Ю.В. Исследование характеристик вихревой трубы при работе на газожидкостной смеси//Вихревой эффект и его промышленное применение: Труды Ш Всесоюзной науч. техн. конф. - Куйбышев,-1981 .-С.84-88.

17. Вихревые аппараты/ А. Д.Суслов, С.В.Иванов, АВ.Мурашкин, Ю.В.Чижиков -М. .Машиностроение, 1985.-256с.

18.Брянский AB.. Воробьев Й.И., Чижиков Ю.В. Исследование температурно-влажностных характеристик вихревой трубы//Вихревой эффект и его применение в технике: Труды У Всесоюзной науч. техн. конф. - Куйбышев,-1988.-С.9-12.

19.Чижиков Ю.В. Об истечении газа из сопла вихревой трубы/./Вихревой эффект и его применение в технике:Труды V Всесоюзной науч. техн. конф. - Куйбышев,-1988.-С. 12-16.

' 20.Балаклейский С.И., Мымрин Ю.А.. Чижиков Ю.В. Совершенствование методов технико-экономической оценки систем кондиционирования воздуха пассажирских само-летов//Научно-технический прогресс и эксплуатация воздушного транспорта: Тезисы докладов Всесоюзной науч. техн. конф.-М.-1990.-С.8-9.

21.Суслов А.Д.. Воробьев И.И. Чижиков Ю.В. Исследование процесса термо-влажностной обработки воздуха в вихревой трубе//Извесгия вузов. Машиностроение,-1990.-№ 6.-С.35-41.

2 2. Чиж и ко в Ю.В., Садецкий AT, Повышение эффективности разделения воздуха в вихревом ректификаторе с использованием высокоградиентных магнитных полей// Труды МГТУ,-1991.-№ 554.-Криогенная техника и кондиционирование.-С.217-223.

23. Voronine G.I., Souslov A.D., Tchijikov U.V. Etude et calculs des refrigerateurs a vertex // Bull. Inst. International de Froid. -{Paris), -1975. -V. IV. -№3. -P.665-671.

24.Чижиков Ю.В. О зависимости величины эффекта Ранка от физической природы рабочего тела//Известия РАН. Энергетика,-1977. -№ 2.-С.130-133.

25.Чижиков Ю.В. О подобии течений в вихревой трубе// Известия РАН. Энергетика ,1997,-№ 5.-С.157-163.

Кроме того, содержание диссертации отражено в 105 авторских свидетельствах и 11 зарубежных патентах.