DE1751223A1

DE1751223A1 - Vortex tube

Info

Publication number: DE1751223A1
Application number: DE19681751223
Authority: DE
Inventors: Kolyschew Natan D; Merkulow Aleksandr P
Original assignee: KUIBYSHEVSKY AWIAZIONNY
Current assignee: KUIBYSHEVSKY AWIAZIONNY
Priority date: 1968-04-23
Filing date: 1968-04-23
Publication date: 1971-02-25
Also published as: DE1751223C3; DE1751223B2

Description

Wirbelrohr Die Erfindung bezieht sich auf Apparate' deren Wirkung auf yLIG -E dem Wirbeleffekt der energetischen Gastrennung ber t, ins- besondere auf Wirbelrohre.Vortex tube The invention relates to apparatus' whose effect on yLIG -E the vortex effect of energetic gas separation, especially special on vortex tubes.

Bisher sind Wirbelrohre bekannt, die aus einem Hohlzylinder und zur inneren Zylinderfläche tangentialgerichteten Düsen zum Einblasen des Gases bestehen, wobei die Düsen an einem Zylinderende angeordnet sind. Das düsenseitige Ende des Zylinders ist dabei mit einer ebenen Blende mit zentraler Öffnung abgedeckt.So far vortex tubes are known, which consist of a hollow cylinder and to inner cylinder surface consist of tangentially directed nozzles for injecting the gas, wherein the nozzles are arranged at one end of the cylinder. The nozzle-side end of the The cylinder is covered with a flat panel with a central opening.

Am gegenüberliegenden Rohrende sind ein Kreuzstück und eine Drosseleinrichtung eingebaut (au*egeführt in der sowjetischen Zeitschrift "Kältetechnik"q Nr. 3 , 1958, Artikel "Kennlinien und Be#echnung der Wirbelkältemaschine").At the opposite end of the pipe, a cross piece and a throttle device are installed (listed in the Soviet magazine "Kältetechnik" q No. 3 , 1958, article "Characteristic curves and calculation of the vortex refrigeration machine").

Das durch die Düsen eingeblasene Gas bildet im Inneren des Hohlzylinders einen starken Wirbel, der sich am Hohlraumumfang des Zylinders zur Drosseleinrichtung hin bewegt. Bei Bewegung des girbelg längs des Zylinderraumes nimmt dessen Umlaufgeschwindigkeit ab und die Turbulenz des Gasstromes vergrößert sich, dadurch werden Elementarteilchen mit verminderter Tangentialgeschwindigkeit in die Rohrachsengegend gelenkt.The gas blown in through the nozzles forms inside the hollow cylinder a strong vortex that extends around the circumference of the cavity of the cylinder for Throttle device moved out. When moving the girbelg along the cylinder space its velocity decreases and the turbulence of the gas flow increases themselves, thereby becoming elementary particles with reduced tangential velocity steered into the pipe axis area.

Die Umlaufgeschwindigkeitsverminderung des dirbels ruft eine Abnahme des radialen Druckgradienten und den Aufbau eines axialen Druckgradienten hervor,,der die Elementarteilchen der Achsengegenäzwingt, sich längs der Zylinderachse in Gegenrichtung, zur Blende hin, zu bewegen.The reduction in the speed of rotation of the dirbel causes a decrease of the radial pressure gradient and the build-up of an axial pressure gradient forces the elementary particles of the axis to move along the cylinder axis in the opposite direction, to move towards the aperture.

Mit dem Heranrücken an die Blende wird dieser Elementarteilchenstrom mit einem immer stärker werdenden Umfangswirbel umgeben und durch diesen verdrillt.As you move closer to the diaphragm, this stream of elementary particles becomes surrounded by an ever-increasing circumferential vortex and twisted by it.

Die Drehung des turbulenten Gasstromes in Achsenumgebung folgt in etwa den Gesetzmäßigkeiten eines starren Körpers. Der Gasstrom tauscht die Energie mit dem Umfangswirbel adiabatisch aus, so daß ein radialer Temperaturgradient entsteht. Der Energieumtausch führt zu einem starken Abfall der Temperatur der Elementarteilchen in Achsenumgebung, welcher dem Druckverhältnis zwischen Umfang und Achse des Zylinderwirbelraumes proportional ist. Bei ausreichender Steigerung der Gesamtdrucknöhe im Wirbelinneren mittels einer Drossel kann erreicht werden, daß die Stromteilchen der Achsenumgebung über die BlendenÖffnung in form eines kalten Stromes herausfließen.The rotation of the turbulent gas flow in the vicinity of the axis follows in about the laws of a rigid body. The gas flow exchanges the energy adiabatically with the circumferential vortex, so that a radial temperature gradient is created. The exchange of energy leads to a sharp drop in the temperature of the elementary particles in the vicinity of the axis, which is the pressure ratio between the circumference and the axis of the cylinder vortex space is proportional. With a sufficient increase in the total print height in the vortex interior by means of a throttle can be achieved that the flow particles the axis environment flow out through the aperture in the form of a cold stream.

Der die Drossel durchfließende Gasstrom weist dabei eine höhere Temperatur auf, als der durch die Düsen zugeführte Gasstrom.The gas stream flowing through the throttle has a higher temperature than the gas flow supplied through the nozzles.

Der erreichte Kühlungseffekt, der-hier als Temperaturdifferenz zwischen zugeführtem Gas und kaltem Gasstrom definiert wird, ist durch das Druckverhältnis zwisdhen dem durch die Düsen. zugeführten@Gas und dem durch die Blendenöffnung abgeführten kalten Gasstrom beschränkt und liegt bei bekannten Wirbelrohren in der Größenordnung von 60 bis 800C. Diese Temperaturdifferenz ist lediglich in Achsenumgebung des Wirbels vor der Blende zu beobachten, während bei Ausströmung des kalten Gasstromes durch die Blendenöffnung sich zu diesem eine warme-Grenzschicht mischt, die an der inneren Blendenebene von den Düsenmündungen zu der Blendenöffnung hin fließt und den Kühlungseffekt des kalten Gasstromes um 10 bis 1500 mindert.The cooling effect achieved, which is defined here as the temperature difference between the supplied gas and the cold gas stream, is due to the pressure ratio between that through the nozzles. supplied @ gas and the cold gas flow discharged through the aperture and is in known vortex tubes in the order of 60 to 800C. This temperature difference can only be observed in the axial vicinity of the vortex in front of the diaphragm, while when the cold gas stream flows out through the diaphragm opening, a warm boundary layer mixes with it, which flows at the inner diaphragm plane from the nozzle mouths to the diaphragm opening and the cooling effect of the cold Gas stream reduced by 1 0 to 1500.

Mit der Erfindung sollen diese Schwierigkeiten beseitigt werden und ein Wirbelrohr angegeben werden, das bei relativ einfachem Aufbau eine beträchtliche Vergrößerung des Kühlungseffektes gewährleistet. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß die Düsen zum G_seinblasen im Mittelteil des Hohlzylinders angeordnet sind und daß die Enden des Zylinders in Form von entdrallenden Spaltdiffusoren ausgeführt sind und daß im Inneren des Hohlzylinders ein abzukühlender Körper angeordnet ist, Ein Versuchsmuster eines Wirbelrohres, welches entsprechend der vorliegenden Erfindung ausgelegt worden ist, gewährleistet bei einem lichten Zylinderdurchmesser von 30 mm, einem Druck der den Düsen zugeführten Luft von 4 atm einer Lufttemperatur von +20o0 und Atmosphärendruck am Diffusorenaustritt eine Abkühlung der Achsengegend auf -130°C, gemessen an den Düsenmündungen.With the invention these difficulties are to be eliminated and a vortex tube can be specified, which with a relatively simple structure a considerable Enlargement of the cooling effect guaranteed. This is according to the invention achieved in that the nozzles for G_Einbasen in the middle part of the hollow cylinder are arranged and that the ends of the cylinder in the form of untwisting gap diffusers are executed and that a body to be cooled is arranged in the interior of the hollow cylinder is, A test sample of a vortex tube, which according to the present Invention has been designed, guaranteed with a clear cylinder diameter of 30 mm, a pressure of air supplied to the nozzles of 4 atm of an air temperature of + 20o0 and atmospheric pressure at the diffuser outlet a cooling of the axis area to -130 ° C, measured at the nozzle mouths.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Wirbelrohres dargestellt. Es zeigt Fig. 1 ein erfindungsgemäßes Wirbelrohr im Längsschnitt; Fig. 2 einen Schnitt nach der Linie II-II in der Fig. 1; Das erfindungsgemäße Wirbelrohr besteht aus einem Hohlzylinder 1 (Fig. 1), in dessen Mittelteil Tangentialdüsen 2 eingebaut sind (Fig. 2). An beiden Enden des Hohlzylinders sind den Gasstrom entdrallende Einrichtungen angebracht, die hier als Spaltdiffusoren 3 ausgeführt sind. Längs der Achse des Zylinders 1 ist ein abzukühlender Körper angeordnet, der hier von einäm zylindrischen Metallstab 4 dargestellt wird. Die Strömungsquerschnitte der Düsen 2 können geändert werden, indem man die die Düsen bildenden Bauteile 5 um die .Achsen 6 dreht.In the drawing is an embodiment of an inventive Vortex tube shown. 1 shows a vortex tube according to the invention in longitudinal section; FIG. 2 shows a section along the line II-II in FIG. 1; The vortex tube according to the invention consists of a hollow cylinder 1 (Fig. 1), in the middle part of which tangential nozzles 2 are installed (Fig. 2). The gas flow is untwisted at both ends of the hollow cylinder Devices attached, which are designed as gap diffusers 3 here. Along the axis of the cylinder 1 is a body to be cooled is arranged here by a cylindrical metal rod 4 is shown. The flow cross-sections of the Nozzles 2 can be changed by changing the components forming the nozzles 5 µm the axes 6 rotates.

Wird das komprimierte Gas über die Düsen eingeblasen, so entsteht im Inneren des Zylinders 1 ein starker Wirbel, welcher sich nach beiden Zylinderenden bewegt. Die Achsengegend wird mit gekühlten Wirbelteilen ausgefüllt, die von den Zylinderenden her zu dessen Mitte zurückkehren und nachher durch Umfangswirbel aufgefangen und mitgenommen werden. Beim Durchgang des Wirbels durch die Entdralldiffusoren 3 wird die kinetische Energie der Kreisbewegung in Druckenergie zurückgewandelt und die Luft strömt in die Umgebung mit Atmosphären-Druck aus.If the compressed gas is blown in through the nozzles, it is produced a strong vortex inside the cylinder 1, which spreads to both ends of the cylinder emotional. The area of the axis is filled with cooled vertebral parts, which are caused by the Return the cylinder ends to its center and then catch them by circumferential vortices and be taken away. When the vortex passes through the swirl diffusers 3 the kinetic energy of the circular motion is converted back into pressure energy and the air flows out into the atmosphere at atmospheric pressure.

In der Achsengegend der Wirbelzone des Zylinders@nimmt der Druck bis auf ®s1 atm ab. Der so geschaffene Druckgradient zwischen Umfang und Achse stellt auch einen dementsprechenden Kühlungseffekt der Gasteilchen in der Aohaengegend sicher..In the area of the axis of the vortex zone of the cylinder @ the pressure increases to down to ®s1 atm. The pressure gradient created in this way between the circumference and the axis represents also a corresponding cooling effect of the gas particles in the Aohaeng area for sure..

Die hohe Turbulenz der Wirbelteile in Achaengegend gewährleistet einen intensiven Wärmeaustauaoh zwisah®n diesen und '. dem in der Aoh®engegend untergebraohten abzukühlenden Körperg dem zylindrischen Metallstab 4. Die Wärmeübergangazahl vom Gasstrom zu dem Metallstab erreicht den Wert v04 etwa 500 kcal/m2th.grd., was spezifische Wärmeströme von etwa 5.'104 kcal/m2.h. vom abzukühlenden Stab 4 zu den dirbelteilen bewirkt.The high turbulence of the vortex parts in the Achaegegend guarantees one intensive heat exchange between these and '. the one in the Aoh® area body to be cooled the cylindrical metal rod 4. The heat transfer number from the gas flow to the metal rod, the value v04 reaches about 500 kcal / m2th.grd. what specific heat flows of about 5,104 kcal / m2.h. from the 4 rod to be cooled to the dirbelteile causes.

Die Regelung des Kühlungseffektes der Wirbelschichten in der Achsengegend wird durch Veränderung der Strömungsquerschnitte der Düsen mittels Drehung der Baukörper 5 um ihre Achsen 6 vorgenommen.The regulation of the cooling effect of the fluidized beds in the area of the axis is achieved by changing the flow cross-sections of the nozzles by rotating the structure 5 made about their axes 6.

Claims

Claim. @ Irbelrohr for energetic gas separation, which consists of a hollow cylinder and the inner. The cylinder surface consists of tangentially directed nozzles for blowing in the gas , characterized in that the nozzles (2) for blowing in are arranged in the middle part of the hollow cylinder (1) and the ends of the cylinder (1) are in the form of de-twisting gap diffusers ( 3) and a body (4) to be cooled is arranged in the interior of the hollow cylinder (1).