RU191480U1 - Vortex tube - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к области холодильной техники, работающей на использовании свойств расширяющегося газового потока, в частности на использовании свойств вращающегося газового потока в вихревых трубах, а именно к конструкциям последних. Полезная модель направлена на обеспечение повышения эффективности работы вихревой трубы за счет интенсификации закрутки рабочего тела в сопловом вводе. Вихревая труба содержит патрубок с камерой энергоразделения, патрубок с диффузором холодного потока и установленную между ними кольцевую камеру подвода рабочего тела (например, воздуха) с размещенным в ней сопловым вводом, выполненным в виде цилиндрической шайбы с центральным каналом, одинакового в зоне прилегания с входом диффузора холодного потока диаметра, и с основными периферийными каналами на одной торцевой поверхности, предназначенными для прилегания к торцевой стенке патрубка с диффузором холодного потока, с возможностью подачи потока рабочего тела от кольцевой камеры к центральному каналу с закруткой относительно оси последнего. На другой торцевой поверхности цилиндрической шайбы выполнены дополнительные периферийные каналы с площадями проходных поперечных сечений на входе и выходе, отличными от площадей проходных поперечных сечений на входе и выходе основных периферийных каналов, предназначенные для прилегания к торцевой стенке патрубка с камерой энергоразделения с возможностью подачи потока рабочего тела от кольцевой камеры к центральному каналу с закруткой относительно оси последнего в том же направлении, что и основными периферийными каналами. В камере энергоразделения установлен развихритель горячего потока. 4 ил.The utility model relates to the field of refrigeration technology, working on the use of the properties of an expanding gas stream, in particular on the use of the properties of a rotating gas stream in vortex tubes, namely, the structures of the latter. The utility model is aimed at providing increased efficiency of the vortex tube due to the intensification of the swirl of the working fluid in the nozzle inlet. The vortex tube contains a nozzle with an energy separation chamber, a nozzle with a cold flow diffuser, and an annular chamber for supplying a working fluid (for example, air) installed between them with a nozzle inlet made in the form of a cylindrical washer with a central channel that is identical in the contact zone with the diffuser inlet cold flow diameter, and with the main peripheral channels on one end surface, designed to fit to the end wall of the pipe with a cold flow diffuser, with the possibility of the flow of the working fluid from the annular chamber to the central channel with a swirl relative to the axis of the latter. On the other end surface of the cylindrical washer, additional peripheral channels are made with cross-sectional areas at the inlet and outlet different from the main cross-sectional areas at the inlet and outlet of the main peripheral channels, designed to fit to the end wall of the pipe with an energy separation chamber with the possibility of supplying a working fluid stream from the annular chamber to the Central channel with a twist relative to the axis of the latter in the same direction as the main peripheral channels. A hot flow swirl is installed in the energy separation chamber. 4 ill.

Description

Полезная модель относится к области холодильной техники, работающей на использовании свойств расширяющегося газового потока, в частности на использовании свойств вращающегося газового потока в вихревых трубах, а именно, к конструкциям последних.The utility model relates to the field of refrigeration technology that uses the properties of an expanding gas stream, in particular, uses the properties of a rotating gas stream in vortex tubes, namely, the structures of the latter.

Известна вихревая труба Дж. Ранка с сопловым вводом, выполненным в виде размещенных в трубе между камерой энергоразделения и диффузором холодного потока отдельных сопел (патент США №1952281, опубл. 27.03.1934).Known vortex tube J. Rank with a nozzle inlet, made in the form of individual nozzles placed in the pipe between the energy separation chamber and the diffuser of cold flow (US patent No. 1952281, publ. 03/27/1934).

Суть вихревого эффекта заключается в разделении газа при закручивании в цилиндрической или конической камере на две фракции. На периферии образуется закрученный поток с большей температурой, а в центре - закрученный охлажденный поток.The essence of the vortex effect is the separation of gas during twisting in a cylindrical or conical chamber into two fractions. A swirling flow with a higher temperature is formed on the periphery, and a swirling cooled flow in the center.

Вихревая труба Дж. Ранка обладает следующими преимуществами:J. Rank vortex tube has the following advantages:

- отсутствие необходимости в хладагентах и теплоносителях;- lack of need for refrigerants and coolants;

- простота конструкции, компактность;- simplicity of design, compactness;

- дешевизна изготовления, простота обслуживания и ремонта;- cheap manufacturing, ease of maintenance and repair;

- отсутствие подвижных узлов и, как следствие, высокая надежность;- lack of mobile nodes and, as a result, high reliability;

- высокая скорость выхода на рабочий режим;- high speed exit to working mode;

- возможность осуществления нескольких процессов одновременно (охлаждение, нагрев, фазоотделение).- the ability to carry out several processes simultaneously (cooling, heating, phase separation).

К общим недостаткам вихревой трубы Дж. Ранка следует отнести:The general disadvantages of the vortex tube of J. Rank are:

- относительно низкую энергетическую эффективность и удельную холодопроизводительность;- relatively low energy efficiency and specific cooling capacity;

- необходимость использования мощного компрессора для получения низких температур.- the need to use a powerful compressor to obtain low temperatures.

Кроме того, первая вихревая труба, равно как и ее сопловый ввод, обладали крайне низкой технологичностью.In addition, the first vortex tube, as well as its nozzle input, had extremely low adaptability.

С момента создания Дж. Ранком первой вихревой трубы, целью большого количества технических решений были улучшение конструкции и минимизация вышеуказанных недостатков.Since the creation of the first vortex tube by J. Rank, the goal of a large number of technical solutions has been to improve the design and minimize the above disadvantages.

Наиболее близкой к заявляемой как по совокупности существенных признаков, так и по достигаемому техническому результату и выбранной в качестве прототипа является вихревая труба, содержащая патрубок с камерой энергоразделения, патрубок с диффузором холодного потока и установленную между ними кольцевую камеру подвода рабочего тела с размещенным в ней сопловым вводом, выполненным в виде цилиндрической шайбы с центральным каналом, одинакового в зоне прилегания с входом диффузора холодного потока диаметра, и с периферийными каналами на одной на торцевой поверхности, предназначенными для прилегания к торцевой стенке патрубка с диффузором холодного потока с возможностью подачи потока рабочего тела от кольцевой камеры к центральному каналу с закруткой относительно оси последнего («Вихревая труба Ранка-Хилша как перспективное устройство получения низких температур», Белоусов A.M., Исрафилов И.Х., Харчук С.И., Рис. 1, с. 2, Научный журнал НИУ ИТМО. Серия «Холодильная техника и кондиционирование» №2, от 2014 года).Closest to the claimed one, both in terms of the essential features and the technical result achieved and chosen as a prototype, is a vortex tube containing a nozzle with an energy separation chamber, a nozzle with a cold flow diffuser and an annular chamber for supplying a working fluid between them and a nozzle placed in it an input made in the form of a cylindrical washer with a central channel, the same in the contact zone with the inlet of the diffuser of a cold flow of diameter, and with peripheral channels on on the end surface, designed to fit to the end wall of the nozzle with a cold flow diffuser with the possibility of feeding the working fluid from the annular chamber to the central channel with a swirl relative to the axis of the latter ("Rank-Hillsch vortex tube as a promising device for obtaining low temperatures", Belousov AM , Israfilov I.Kh., Kharchuk S.I., Fig. 1, p. 2, Scientific journal NRU ITMO. Series “Refrigeration and Air Conditioning” No. 2, from 2014).

В отличие от вышерассмотренного аналога как собственно вихревая труба, так и ее сопловый ввод выполнены в высшей степени технологично, могут быть изготовлены с помощью простейших операций как на универсальном, так и на специальном высокопроизводительном оборудовании. Кроме того, повышенная по сравнению с аналогом эффективность соплового ввода обеспечена оптимизацией профиля и увеличением числа каналов, подводящих с закруткой рабочее тело (например, воздух) через канал в камеру энергоразделения.In contrast to the above analogue, both the vortex tube itself and its nozzle input are made in a highly technological way, can be manufactured using simple operations on both universal and special high-performance equipment. In addition, the nozzle input efficiency increased compared to the analogue is ensured by profile optimization and an increase in the number of channels supplying a working fluid (for example, air) through the channel to the energy separation chamber.

Недостатком прототипа, в том числе технической проблемой является его невысокую эффективность, обусловленную ограниченностью площадки - торца шайбы со стороны патрубка с диффузором холодного потока - для размещения достаточного для интенсивной закрутки подаваемого в камеру энергоразделения рабочего тела периферийных каналов сложного профиля.The disadvantage of the prototype, including a technical problem, is its low efficiency, due to the limited area — the end of the washer on the side of the nozzle with a cold flow diffuser — to accommodate the peripheral channels of a complex profile that are sufficient for intensive swirling of the energy separation of the working medium supplied to the chamber.

Задача полезной модели - обеспечение возможности размещения большего, чем в прототипе, периферийных каналов сложного профиля для интенсификации закрутки рабочего тела на входе в камеру энергоразделения.The objective of the utility model is to provide the possibility of placing more than in the prototype, peripheral channels of a complex profile to intensify the swirling of the working fluid at the entrance to the energy separation chamber.

Техническим результатом является повышение эффективности работы вихревой трубы за счет интенсификации закрутки рабочего тела в сопловом вводе.The technical result is to increase the efficiency of the vortex tube due to the intensification of the swirl of the working fluid in the nozzle inlet.

Заявленный технический результат достигается тем, что в вихревой трубе, содержащей патрубок с камерой энергоразделения, патрубок с диффузором холодного потока и установленную между ними кольцевую камеру подвода рабочего тела с размещенным в ней сопловым вводом, выполненным в виде цилиндрической шайбы с центральным каналом, одинакового в зоне прилегания с входом диффузора холодного потока диаметра, и с периферийными каналами на одной на торцевой поверхности, предназначенными для прилегания к торцевой стенке патрубка с диффузором холодного потока с возможностью подачи потока рабочего тела от кольцевой камеры к центральному каналу с закруткой относительно оси последнего, на другой торцевой поверхности цилиндрической шайбы выполнены дополнительные периферийные каналы с площадями проходных поперечных сечений на входе и выходе, отличными от площадей проходных поперечных сечений на входе и выходе основных периферийных каналов, предназначенные для прилегания к торцевой стенке патрубка с камерой энергоразделения с возможностью подачи потока рабочего тела от кольцевой камеры к центральному каналу с закруткой относительно оси последнего в том же направлении, что и основными периферийными каналами, предназначенными для прилегания к торцевой стенке патрубка с диффузором холодного потока.The claimed technical result is achieved by the fact that in a vortex tube containing a nozzle with an energy separation chamber, a nozzle with a cold flow diffuser and an annular working medium supply chamber installed between them with a nozzle inlet made in it in the form of a cylindrical washer with a central channel identical in the zone fit with the inlet of the diffuser of a cold stream of diameter, and with peripheral channels on one on the end surface, designed to fit to the end wall of the pipe with a diffuser with the possibility of supplying the flow of the working fluid from the annular chamber to the central channel with a swirl relative to the axis of the latter, additional peripheral channels are made on the other end surface of the cylindrical washer with the areas of the passage cross-sections at the input and output, different from the areas of the passage cross-sections at the input and output the main peripheral channels designed to fit to the end wall of the pipe with an energy separation chamber with the ability to supply a flow of the working fluid from the annular chamber to the central channel with a twist relative to the axis of the latter in the same direction as the main peripheral channels designed to fit to the end wall of the pipe with a cold flow diffuser.

Полезная модель поясняется изображениями:The utility model is illustrated by the images:

- на фиг. 1 изображена вихревая труба, общий вид, продольный разрез;- in FIG. 1 shows a vortex tube, General view, a longitudinal section;

- на фиг. 2 - сопловой ввод, общий вид в изометрии;- in FIG. 2 - nozzle input, a general view in isometry;

- на фиг. 3 - сопловой ввод, вид спереди;- in FIG. 3 - nozzle input, front view;

- на фиг. 4 - сопловой ввод, вид сбоку.- in FIG. 4 - nozzle input, side view.

На фиг. 1 стрелками обозначены движения рабочего тела, а именно А - направление подачи рабочего тела, В - направление выхода горячего потока, С - направление выхода холодного потока.In FIG. 1, the arrows indicate the movement of the working fluid, namely, A — direction of supply of the working fluid, B — direction of the exit of the hot stream, C — direction of the exit of the cold stream.

Вихревая труба содержит патрубок 1 с камерой 2 энергоразделения, патрубок 3 с диффузором 4 холодного потока и установленную между ними кольцевую камеру 5 подвода рабочего тела (например, воздуха) с размещенным в ней сопловым вводом 6, выполненным в виде цилиндрической шайбы 7 с центральным каналом 8, одинакового в зоне прилегания с входом диффузора 4 холодного потока диаметра (d1=d2), и с основными периферийными каналами 9 на одной на торцевой поверхности 10, предназначенными для прилегания к торцевой стенке 11 патрубка 3 с диффузором 4 холодного потока с возможностью подачи потока рабочего тела от кольцевой камеры 5 к центральному каналу 8 с закруткой относительно оси последнего. На другой торцевой поверхности 12 цилиндрической шайбы 7 выполнены дополнительные периферийные каналы 13 с площадями проходных поперечных сечений на входе S3 (см. фиг. 3) и выходе S4 (на чертежах не показано), отличными от площадей проходных поперечных сечений на входе S1 (см. фиг. 3 и фиг. 4) и выходе S2 (см. фиг. 4) основных периферийных каналов 9 (т.е. S3≠S1, a S4≠S2), предназначенные для прилегания к торцевой стенке 14 патрубка 1 с камерой 2 энергоразделения с возможностью подачи потока рабочего тела от кольцевой камеры 5 к центральному каналу 8 с закруткой относительно оси последнего в том же направлении, что и основными периферийными каналами 9. В камере 2 энергоразделения установлен развихритель 15 горячего потока.The vortex tube contains a pipe 1 with an energy separation chamber 2, a pipe 3 with a cold flow diffuser 4, and an annular chamber 5 for supplying a working fluid (for example, air) installed between them with a nozzle inlet 6 located in it and made in the form of a cylindrical washer 7 with a central channel 8 identical in the zone of contact with the inlet of the diffuser 4 of a cold flow of diameter (d1 = d2), and with the main peripheral channels 9 on one on the end surface 10, designed to fit to the end wall 11 of the pipe 3 with diffuser 4 of cold sweat ka for supplying the working fluid flow from the annular chamber 5 to the central channel 8 with a twist about the axis of the latter. On the other end surface 12 of the cylindrical washer 7, additional peripheral channels 13 are made with cross-sectional areas at the inlet S3 (see Fig. 3) and outlet S4 (not shown in the drawings) different from the cross-sectional areas at the inlet S1 (see Fig. 3 and Fig. 4) and the outlet S2 (see Fig. 4) of the main peripheral channels 9 (i.e., S3 ≠ S1, a S4 ≠ S2) designed to fit to the end wall 14 of the pipe 1 with the energy separation chamber 2 with the possibility of feeding the flow of the working fluid from the annular chamber 5 to the Central channel 8 with a twist of rel relative to the axis of the latter in the same direction as the main peripheral channels 9. In the chamber 2 of the energy separation is installed a swirl 15 hot stream.

Вихревая труба работает следующим образом.Vortex tube works as follows.

Рабочее тело А (воздух) при помощи генератора (на чертежах не показан) подается под высоким давлением тангенциально в кольцевую камеру 5 через основные 9 и дополнительные 13 периферийные каналы соплового ввода 6, осуществляя интенсификацию закрутки рабочего тела. Расширяясь внутри трубы, воздух организует быстро вращающийся вихрь. При этом образуются периферийный поток, движущийся от соплового ввода 6 к развихрителю 15 и вращающийся по закону потенциального кругового потока (см. фиг. 1 - направление В), и приосевой поток, перемещающийся от развихрителя 15 обратно к сопловому вводу 6, вращающийся по закону квазитвердого тела и далее поступающий через центральный канал 8 в патрубок 3 (см. фиг. 1 - направление С).The working fluid A (air) is supplied with a generator (not shown in the drawings) under high pressure tangentially into the annular chamber 5 through the main 9 and additional 13 peripheral channels of the nozzle inlet 6, intensifying the swirling of the working fluid. Expanding inside the pipe, the air organizes a rapidly rotating vortex. In this case, a peripheral flow is formed, moving from the nozzle inlet 6 to the reamer 15 and rotating according to the law of the potential circular flow (see Fig. 1 - direction B), and the axial flow moving from the reamer 15 back to the nozzle inlet 6, rotating according to the law of quasi-solid body and then coming through the Central channel 8 into the pipe 3 (see Fig. 1 - direction C).

Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного технического решения следующей совокупности условий:Thus, the above information indicates the fulfillment of the following set of conditions when using the claimed technical solution:

- объект, воплощающий заявленное техническое решение, при его осуществлении предназначен для получения холода и может быть использован для охлаждения зоны резания при операциях токарной, фрезерной и др. обработок, и может найти применение в различных отраслях машиностроения;- the object embodying the claimed technical solution, when it is implemented, is designed to produce cold and can be used to cool the cutting zone during operations of turning, milling, and other treatments, and can find application in various branches of mechanical engineering;

- для заявленного объекта в том виде, как он охарактеризован в формуле полезной модели, подтверждена возможность его осуществления с помощью вышеописанных в заявке средств и методов;- for the claimed object in the form described in the utility model, the possibility of its implementation using the means and methods described above in the application is confirmed;

- объект, воплощающий заявленное техническое решение, при его осуществлении способен обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата.- the object embodying the claimed technical solution, when implemented, is able to ensure the achievement of the technical result perceived by the applicant.

Следовательно, заявленный объект соответствует условий патентоспособности «новизна» и «промышленная применимость» по действующему законодательству.Therefore, the claimed object meets the conditions of patentability "novelty" and "industrial applicability" under applicable law.

Claims (1)

Вихревая труба, содержащая патрубок с камерой энергоразделения, патрубок с диффузором холодного потока и установленную между ними кольцевую камеру подвода рабочего тела с размещенным в ней сопловым вводом, выполненным в виде цилиндрической шайбы с центральным каналом, одинакового в зоне прилегания с входом диффузора холодного потока диаметра, и с периферийными каналами на одной на торцевой поверхности, предназначенными для прилегания к торцевой стенке патрубка с диффузором холодного потока с возможностью подачи потока рабочего тела от кольцевой камеры к центральному каналу с закруткой относительно оси последнего, отличающаяся тем, что на другой торцевой поверхности цилиндрической шайбы выполнены дополнительные периферийные каналы с площадями проходных поперечных сечений на входе и выходе, отличными от площадей проходных поперечных сечений на входе и выходе основных периферийных каналов, предназначенные для прилегания к торцевой стенке патрубка с камерой энергоразделения с возможностью подачи потока рабочего тела от кольцевой камеры к центральному каналу с закруткой относительно оси последнего в том же направлении, что и основными периферийными каналами, предназначенными для прилегания к торцевой стенке патрубка с диффузором холодного потока.A vortex tube containing a nozzle with an energy separation chamber, a nozzle with a cold flow diffuser, and an annular working fluid supply chamber installed between them with a nozzle inlet made in the form of a cylindrical washer with a central channel that is identical in the contact zone with the diameter of the cold flow diffuser inlet, and with peripheral channels on one on the end surface, designed to fit to the end wall of the pipe with a cold flow diffuser with the ability to supply a working fluid flow t of the annular chamber to the Central channel with a twist relative to the axis of the latter, characterized in that on the other end surface of the cylindrical washer additional peripheral channels are made with the areas of the passage cross sections at the input and output, different from the areas of the passage cross sections at the input and output of the main peripheral channels, designed to fit to the end wall of the nozzle with an energy separation chamber with the ability to supply a flow of the working fluid from the annular chamber to the central channel with with a handle relative to the axis of the latter in the same direction as the main peripheral channels designed to fit to the end wall of the pipe with a cold flow diffuser.

Images