RU2377478C1

RU2377478C1 - Vortex tube

Info

Publication number: RU2377478C1
Application number: RU2008144589/06A
Authority: RU
Inventors: Александр Викторович Ловцов (RU); Александр Викторович Ловцов
Original assignee: ООО "Конструкторское бюро ЧКЗ-ЮГСОН"
Priority date: 2008-11-11
Filing date: 2008-11-11
Publication date: 2009-12-27

Abstract

FIELD: heating systems.

SUBSTANCE: invention is intended for developing a new vortex tube design. Vortex tube includes body with energy separation chamber on hot flow outlet side of which there located is deswirler, throttle device and cover, and on cold flow outlet side - diaphragm and nozzle inlet of separated gas. Deswirler is made in the form of one flat spiral located in the centre, and/or several flat spirals located on circles coaxial to vortex tube; those spirals are attached with their edges to the cover and installed so that winding of spiral from its periphery to centre coincides with gas flow rotation direction. Cover is equipped with through holes coaxial to each spiral of deswirler.

EFFECT: increasing operating efficiency of vortex tube at its being used for gas flow division into two flows with low and high temperatures respectively, more beneficial use of energy potential of flow swirled by means of nozzle flow inlet.

2 cl, 1 dwg

Description

Настоящее изобретение относится к устройствам, использующим вихревой эффект разделения газового потока на две части, одна из которых имеет высокую, а другая - низкую температуру, и может быть широко применено в холодильной технике, в строительстве при создании систем кондиционирования воздуха и других отраслях хозяйства.The present invention relates to devices using the vortex effect of dividing the gas stream into two parts, one of which has a high and the other a low temperature, and can be widely used in refrigeration, construction, air conditioning systems and other industries.

Вихревая труба в своем основном исходном варианте содержит корпус с камерой энергетического разделения, сопловой ввод потока газа, диафрагму, дроссельное устройство и трубы для вывода холодного и горячего потока (см., например, А.В.Мартынов, В.М.Бродянский «Что такое вихревая труба». М.: «Энергия», 1976 г., стр.6 и 7). Диафрагма и труба вывода холодного потока размещены на «холодном» конце вихревой трубы, т.е. на стороне установки соплового ввода. Соответственно, дроссельное устройство и труба вывода горячего потока размещены на противоположном «горячем» конце вихревой трубы.The vortex tube in its main initial version contains a housing with an energy separation chamber, a nozzle inlet for the gas flow, a diaphragm, a throttle device and pipes for the output of cold and hot flow (see, for example, A.V. Martynov, V.M. Brodyansky “What such is a vortex tube. ”M.:“ Energy ”, 1976, pp. 6 and 7). The diaphragm and the cold flow outlet pipe are located on the “cold” end of the vortex tube, i.e. on the installation side of the nozzle input. Accordingly, the throttle device and the hot flow outlet pipe are located at the opposite “hot” end of the vortex tube.

Известна вихревая труба, на стороне вывода горячего потока которой установлен развихритель, изготавливаемый, в основном, в виде крестовины (см., например, Ш.А. Пиралишвили и др. «Вихревой эффект, эксперимент, теория, технические решения», М., изд. УНПЦ «ЭНЕРГОМАШ», 2000 г., стр.41-42).A vortex tube is known, on the side of the hot flow outlet of which a vortex tube is installed, which is made mainly in the form of a cross (see, for example, Sh.A. Piralishvili and others. “Vortex effect, experiment, theory, technical solutions”, M., published by the Scientific and Practical Center "Energomash", 2000, pp. 41-42).

Известны вихревые трубы с развихрителями, размещенными как на «горячем», так и на «холодном» концах (см., например, авторское свидетельство СССР №1677458, опубликовано 15.09.1991 года, бюл. №34).Vortex tubes with vortexers placed both on the “hot” and “cold” ends are known (see, for example, USSR copyright certificate No. 1677458, published September 15, 1991, bull. No. 34).

Вышеупомянутые аналогичные настоящему изобретению технические решения обладают общим недостатком, связанным с низким коэффициентом полезного действия вихревой трубы.The aforementioned technical solutions similar to the present invention have a common disadvantage associated with the low efficiency of the vortex tube.

Наиболее близким к настоящему изобретению является техническое решение по патенту России №2213914 «Способ вихревого энергоразделения потока и устройство его реализующее» (дата публикации - 10.10.2003 года). Собственно вихревая труба по данному изобретению содержит камеру энергетического разделения с многосопловым тангенциальным вводом разделяемого газа и диафрагмой вывода приосевого холодного потока. «Горячий» конец вихревой трубы, по сути, снабжен крышкой и развихрителем, выполненным в представленном варианте в виде перфорированной пластины. Недостатком данной конструкции, не рассматривая сложности заявленного способа, требующего ряда дополнительных устройств, является также недостаточный коэффициент полезного действия вихревой трубы из-за нерациональных потерь энергии разделяемого потока.Closest to the present invention is the technical solution according to the patent of Russia No. 2213914 "Method of vortex energy separation of a stream and its device that implements" (publication date - 10.10.2003). Actually the vortex tube according to this invention contains an energy separation chamber with a multi-nozzle tangential inlet of the gas to be separated and a diaphragm for the outlet of the axial cold stream. The "hot" end of the vortex tube, in fact, is equipped with a cover and a swirl made in the presented embodiment in the form of a perforated plate. The disadvantage of this design, not considering the complexity of the claimed method, requiring a number of additional devices, is also the insufficient efficiency of the vortex tube due to irrational energy losses of the shared stream.

Техническая задача настоящего изобретения состоит в создании вихревой трубы с новым типом развихрителя.The technical task of the present invention is to create a vortex tube with a new type of swirl.

Технический результат состоит в увеличении эффективности работы вихревой трубы при ее применении для разделения газового потока на два соответственно с низкой и высокой температурой, в более полезном использовании энергетического потенциала, закрученного с помощью соплового ввода потока.The technical result consists in increasing the efficiency of the vortex tube when it is used to separate the gas stream into two, respectively, low and high temperature, in a more useful use of the energy potential, swirling using the nozzle inlet stream.

Для достижения указанного технического результата в вихревой трубе, содержащей корпус с камерой энергетического разделения, на стороне вывода горячего потока которой размещены развихритель, дроссельное устройство и крышка, а на стороне вывода холодного потока - диафрагма и сопловой ввод разделяемого газа, развихритель выполнен в виде одной, размещенной по центру, и/или нескольких, размещенных на соосных вихревой трубе окружностях, плоских спиралей, примыкающих торцами к крышке и установленных таким образом, что закручивание спирали от ее периферии к центру совпадает с направлением вращения газового потока. Крышка снабжена сквозными соосными каждой спирали развихрителя отверстиями.To achieve the specified technical result in a vortex tube containing a housing with an energy separation chamber, on the output side of the hot flow of which a swirl, a throttle device and a cover are placed, and on the side of the output of a cold flow - a diaphragm and a nozzle inlet of a shared gas, the swirl is made in the form of one placed in the center, and / or several circles placed on the coaxial vortex tube, flat spirals adjacent to the lid ends and installed in such a way that the spiral twists from its periphery to the center coincides with the direction of rotation of the gas stream. The lid is provided with through holes coaxial with each spiral of the reamer.

Сущность настоящего изобретения состоит в следующем.The essence of the present invention is as follows.

В литературных источниках, касающихся принципа работы и конструирования вихревых труб, многократно отмечена роль А.П.Меркулова, сделавшего одно из первых плодотворных предложений, увеличивающих эффективность работы трубы при одновременном значительном снижении ее длины. Суть данного предложения состояла в оснащении вихревой трубы на ее «горячем» конце развихрителем, обычно выполняемом в виде крестовины (см., например, А.Д.Суслов и др. «Вихревые аппараты». М.: «Машиностроение», 1985 г., стр.31-33; Ш.А.Пиралишвили и др. «Вихревой эффект, эксперимент, теория, технические решения», М., изд. УНПЦ «ЭНЕРГОМАШ», 2000 г., стр.42). Установка развихрителя приводит к искусственному торможению вихревого потока на «горячем» конце камеры разделения, которое по гипотезе А.П.Меркулова создает благоприятные условия для формирования приосевого потока, направленного к диафрагме. Исследовались развихрители иных конструкций, однако экспериментальные материалы до сего дня не позволяют сформулировать достаточно четкие рекомендации по выбору конструкции развихрителя. Отмечают, что генерация колебаний при установке развихрителя в определенном диапазоне частот возможно является главным фактором повышения эффективности процесса. Следует особо отметить, что достаточно грубое торможение потока при установке развихрителя безусловно приводит к потере энергии потока и снижает положительный эффект установки развихрителя.In the literature on the principle of operation and design of vortex tubes, the role of A.P. Merkulov was repeatedly noted, who made one of the first fruitful proposals that increase the efficiency of the pipe while significantly reducing its length. The essence of this proposal was to equip the vortex tube at its “hot” end with a swirler, usually made in the form of a cross (see, for example, A.D. Suslov and other “Vortex Devices.” M .: “Mechanical Engineering”, 1985 , pp. 31-33; Sh.A. Piralishvili et al. “Vortex effect, experiment, theory, technical solutions”, Moscow, ed. UNPTs “ENERGOMASH”, 2000, p. 42). The installation of the rotator leads to artificial braking of the vortex flow at the “hot” end of the separation chamber, which, according to A. Merkulov’s hypothesis, creates favorable conditions for the formation of the axial flow directed towards the diaphragm. Exchangers of other designs were studied, however, experimental materials to this day do not allow formulating sufficiently clear recommendations for choosing the design of the expander. It is noted that the generation of oscillations during the installation of a swirl in a certain frequency range is probably the main factor in increasing the efficiency of the process. It should be specially noted that sufficiently rough braking of the flow during the installation of the swirler certainly leads to a loss of flow energy and reduces the positive effect of the installation of the swirler.

Для повышения эффективности вихревых труб предложено также вводить в камеру разделения дополнительный поток, что реализовано в прототипе изобретения. Показано экспериментально, что при большой массовой доле формируемый из дополнительного потока приосевой поток получает кинетическую энергию, составляющую незначительную часть первоначальной энергии вытекающего из сопла газа. Благодаря этому увеличение расхода охлажденного потока при введении в камеру разделения дополнительного потока приводит к повышению коэффициента полезного действия трубы.To increase the efficiency of vortex tubes, it is also proposed to introduce an additional stream into the separation chamber, which is implemented in the prototype of the invention. It was shown experimentally that with a large mass fraction, the axial flow generated from the additional flow receives kinetic energy, which constitutes a small part of the initial energy of the gas flowing out of the nozzle. Due to this, an increase in the flow rate of the cooled stream when an additional stream is introduced into the separation chamber leads to an increase in the pipe efficiency.

Согласно современным представлениям, возмущения, возникающие в сдвиговых течениях, играют существенную роль в происходящих процессах теплообмена. В закрученных течениях это проявляется особенно отчетливо и своеобразно. Распад вихря приводит к появлению прецессии вихревого ядра. Известные на сегодня расчеты и компьютерная визуализация последних подтверждают наличие прецессирующего приосевого вихревого жгута и периодически расположенных вдоль оси крупномасштабных вихревых структур - вторичных вихревых течений (см., например, А.А.Фузеева «Численное моделирование температурной стратификации в вихревых трубах». Журнал «Математическое моделирование», 2006 год, т.18, №9, стр.113-120). Предполагают, что перенос массы этими вихрями в радиальном направлении в поле с наличием радиального градиента давления вносит значительный вклад в температурное разделение в процессе реализации квазихолодильных циклов.According to modern concepts, perturbations arising in shear flows play a significant role in the ongoing heat transfer processes. In swirling currents, this manifests itself especially distinctly and peculiarly. The collapse of the vortex leads to the appearance of a precession of the vortex core. Today’s calculations and computer visualization of the latter confirm the presence of a precessing paraxial vortex bundle and large-scale vortex structures periodically located along the axis — secondary vortex flows (see, for example, A. A. Fuzeev “Numerical simulation of temperature stratification in vortex tubes.” Mathematical Journal modeling ”, 2006, vol. 18, No. 9, pp. 113-120). It is assumed that the mass transfer of these vortices in the radial direction in the field with the presence of a radial pressure gradient makes a significant contribution to the temperature separation during the implementation of quasi-refrigeration cycles.

Принципиально настоящее изобретение в ходе его экспериментальной проверки в значительной мере подтверждает высказанные выше соображения, носящие теоретический характер, но позволяющие в определенной мере объяснить эффект разделения потока на горячий и холодный в вихревой трубе. Особенности предложенного целесообразно рассмотреть при описании работы устройства.In principle, the present invention during its experimental verification largely confirms the above considerations, which are theoretical in nature, but allow to some extent explain the effect of the separation of the flow into hot and cold in a vortex tube. Features proposed should be considered when describing the operation of the device.

Конструкция вихревой трубы по настоящему изобретению в его полном варианте приведена на чертеже.The design of the vortex tube of the present invention in its full version is shown in the drawing.

Вихревая труба содержит корпус 1 с камерой энергетического разделения 2 и сопловым вводом 3 исходного газового потока. На стороне вывода холодного потока размещена диафрагма 4. На стороне вывода горячего потока размещена крышка 5 и дроссель 6 (в данном варианте дроссель выполнен в виде дросселирующих отверстий). На представленной на чертеже конструкции развихритель выполнен в виде 4-х размещенных на соосной вихревой трубе окружности, плоских спиралей 7, примыкающих торцами к крышке 5 и установленных таким образом, что закручивание спирали от ее периферии к центру совпадает с направлением вращения газового потока, т.е. в данном случае по часовой стрелке. В крышке 5 выполнены четыре сквозных отверстия 8. Каждое отверстие 8 соосно соответствующей спирали 7.The vortex tube comprises a housing 1 with an energy separation chamber 2 and a nozzle inlet 3 of the initial gas stream. A diaphragm 4 is placed on the output side of the cold flow. On the output side of the hot flow, a cover 5 and a throttle 6 are placed (in this embodiment, the throttle is made in the form of throttling holes). In the design shown in the drawing, the reamer is made in the form of 4 circles arranged on a coaxial vortex tube, flat spirals 7 adjacent to the cover 5 by their ends and installed in such a way that the twisting of the spiral from its periphery to the center coincides with the direction of rotation of the gas stream, t. e. in this case, clockwise. Four through holes 8 are made in the cover 5. Each hole 8 is aligned with the corresponding spiral 7.

Вихревая труба по настоящему изобретению работает следующим образом.The vortex tube of the present invention operates as follows.

Поток компримированного газа (воздуха) подают в камеру энергетического разделения 2, сформированную корпусом 1 с крышкой 5, через сопловой ввод 3. Сопловой ввод 3 в свою очередь формирует закрученный вихревой поток, движущийся в пристенной области камеры энергетического разделения 2. Параллельно в камере энергетического разделения 2 образуется приосевой поток, вращающийся в том же направлении, что и пристенный, но движущийся в направлении диафрагмы 4. Благодаря энергетическим процессам, проходящим в камере энергетического разделения и до сего дня не получившим точного математического описания, пристенный поток приобретает повышенную, а приосевой - пониженную температуру. Дроссельные отверстия 6 при соответствующем оснащении внешними устройствами, например вентилем на общем горячем потоке, позволяют регулировать разделение как в отношении массы холодного и горячего потоков, так и в отношении их температуры. Приосевой поток покидает вихревую трубу через диафрагму 4.The stream of compressed gas (air) is supplied to the energy separation chamber 2, formed by the housing 1 with the cover 5, through the nozzle inlet 3. The nozzle inlet 3 in turn forms a swirling vortex flow moving in the wall region of the energy separation chamber 2. In parallel in the energy separation chamber 2, an axial flow is formed, rotating in the same direction as the wall flow, but moving in the direction of the diaphragm 4. Owing to the energy processes that take place in the energy separation chamber and up to the first day did not get an accurate mathematical description, trim the flow gets higher, and the axial - lower temperature. The throttle openings 6, when appropriately equipped with external devices, for example, a valve on a common hot stream, allow you to adjust the separation both in relation to the mass of cold and hot streams, and in relation to their temperature. The paraxial flow leaves the vortex tube through the diaphragm 4.

Особенность работы вихревой трубы по настоящему изобретению заключается в следующем.A feature of the operation of the vortex tube of the present invention is as follows.

В данном варианте закрученный по часовой стрелке в основном пристенный поток попадает в отдельные спирали 7 и приобретает в ней дополнительную скорость, благодаря уменьшению радиуса поворота. Торможения потока и, соответственно, потери энергии, о чем говорилось выше, не происходит. Спирали помогают при этом формированию приосевого потока, образуют, вероятно, не один, а несколько прецессирующих приосевых вихревых жгутов и способствуют появлению крупномасштабных вихревых структур - вторичных вихревых течений. Именно этим можно объяснить полученное нами повышение коэффициента полезного действия вихревой трубы.In this embodiment, clockwise swirling in the main, the near-wall flow enters individual spirals 7 and acquires additional speed in it, due to a decrease in the radius of rotation. Inhibition of the flow and, accordingly, energy loss, as mentioned above, does not occur. In this case, the spirals help the formation of the paraxial flow, probably form not one, but several precessing paraxial vortex bundles and contribute to the appearance of large-scale vortex structures - secondary vortex flows. This can explain the obtained increase in the efficiency of the vortex tube.

Следует отметить, что размещение только одной спирали, соосной вихревой трубе, также приводит к увеличению эффективности ее работы, что может быть объяснено изложенным выше образом.It should be noted that the placement of only one spiral, a coaxial vortex tube, also leads to an increase in the efficiency of its work, which can be explained in the manner described above.

Ранее указывалось на положительное воздействие дополнительно вводимого потока. Если в известных вихревых трубах чаще всего необходима принудительная его подача, то в настоящем изобретении в зоне центра каждой спирали формируется пониженное давление. При этом дополнительный поток поступает в камеру энергетического разделения 2 через сквозные отверстия 8.Previously indicated the positive effects of additionally introduced stream. If forced flow is most often required in known vortex tubes, then in the present invention a reduced pressure is formed in the center zone of each spiral. In this case, an additional stream enters the chamber of energy separation 2 through the through holes 8.

При экспериментальном исследовании вихревой трубы, конструкция которой соответствует настоящему изобретению, определен коэффициент полезного действия в среднем на 20% более высокий, чем у аналогичной трубы с развихрителем в виде крестовины.In an experimental study of a vortex tube, the construction of which is in accordance with the present invention, the efficiency is determined to be on average 20% higher than that of a similar pipe with a crosspiece in the form of a cross.

Таким образом, можно утверждать, что полученный положительный эффект обязан тем изменениям конструкции вихревой трубы, которые и заявлены в настоящем изобретении.Thus, it can be argued that the resulting positive effect is due to those changes in the design of the vortex tube, which are claimed in the present invention.

Claims

1. Вихревая труба, содержащая корпус с камерой энергетического разделения, на стороне вывода горячего потока которой размещены развихритель, дроссельное устройство и крышка, а на стороне вывода холодного потока - диафрагма и сопловой ввод разделяемого газа, отличающаяся тем, что развихритель выполнен в виде одной, размещенной по центру, и/или нескольких, размещенных на соосных вихревой трубе окружностях, плоских спиралей, примыкающих торцами к крышке и установленных таким образом, что закручивание спирали от ее периферии к центру совпадает с направлением вращения газового потока.1. A vortex tube containing a housing with an energy separation chamber, on the output side of the hot stream of which a swirl, a throttle device and a cover are placed, and on the side of the output of a cold flow - a diaphragm and a nozzle inlet of a shared gas, characterized in that the swirl is made in the form of one, placed in the center, and / or several circles placed on the coaxial vortex tube, flat spirals adjacent to the lid ends and installed in such a way that the spiral twists from its periphery to the center coincide t with the direction of rotation of the gas stream.

2. Вихревая труба по п.1, отличающаяся тем, что крышка снабжена сквозными соосными каждой спирали развихрителя отверстиями. 2. The vortex tube according to claim 1, characterized in that the lid is provided with holes through the coaxial through each coaxial of the reamer spiral.