RU2081376C1

RU2081376C1 - Method of change of temperature of gas flow

Info

Publication number: RU2081376C1
Application number: RU93033772A
Authority: RU
Original assignee: Белостоцкий Юрий Григорьевич
Priority date: 1993-07-01
Filing date: 1993-07-01
Publication date: 1997-06-10

Abstract

FIELD: refrigerating engineering; vortex tubes. SUBSTANCE: during operation of vortex tube, working gas pressure differential is limited. EFFECT: enhanced efficiency. 1 tbl

Description

Изобретение относится к области использования вихревого эффекта Ранка для изменения температуры (охлаждения) движущегося газового потока. The invention relates to the use of the vortex Rank effect to change the temperature (cooling) of a moving gas stream.

Известен способ изменения температуры газового потока, заключающийся в тангенциальной подаче на спиральную рабочую поверхность улитки газового потока, движущегося под действием разности давлений между входом и выходом устройства. A known method of changing the temperature of the gas stream, which consists in tangential supply to the spiral working surface of the cochlea of a gas stream moving under the action of the pressure difference between the input and output of the device.

В улитке газовый поток разгоняется по сужающейся спирали до околозвуковых скоростей и, благодаря центробежным силам, создает вакуумную полость по оси вихревой трубы. В этом режиме газ охлаждается в процессе адиабатического расширения в проточном канале спиралевидного газового потока, а также и за счет совершения работы по созданию центробежными силами вакуумной полости. In the cochlea, the gas flow accelerates in a narrowing spiral to transonic speeds and, thanks to centrifugal forces, creates a vacuum cavity along the axis of the vortex tube. In this mode, the gas is cooled in the process of adiabatic expansion in the flow channel of a spiral gas stream, as well as due to the work done to create a vacuum cavity by centrifugal forces.

Реализуется этот способ в так называемой "вихревой трубе" и называется "эффектом Ранка". This method is implemented in the so-called "vortex tube" and is called the "Rank effect".

Используется вихревая труба, в основном, для охлаждения движущегося газового потока, хотя в известных вихревых трубах обязательно имеются два выходных патрубка холодный и "горячий", из которых во время работы выходят два газовых потока, имеющих различную температуру, т.е. не весь газовый поток, проходящий через вихревую трубу, охлаждается. A vortex tube is used mainly for cooling a moving gas stream, although in known vortex tubes there are always two outlet pipes cold and “hot”, from which two gas flows with different temperatures exit during operation, i.e. not all gas flow passing through the vortex tube is cooled.

Следовательно, известная конструкция охлаждающей вихревой трубы имеет низкую эффективность. Это является недостатком. Therefore, the known design of the cooling vortex tube has a low efficiency. This is a disadvantage.

В известной вихревой трубе свободное движение газового потока, подводимого к улитке, имеющего на входе в основном ламинарный режим, становится круговым, вынужденным, с переходом к явно выраженному турбулентному характеру движения. In the well-known vortex tube, the free movement of the gas stream supplied to the cochlea, which has a mainly laminar mode at the inlet, becomes circular, forced, with a transition to a pronounced turbulent nature of the movement.

Низкая холодопроизводительность известной вихревой трубы объясняется тем, что неустойчивый, переходящий к турбулентному характер движения газа внутри вихревой трубы не позволяет полностью реализовать законы адиабатического расширения, связывающие процесс охлаждения с "вихревым эффектом" Ранка. Это можно объяснить несовершенством организации движения газового потока. The low cooling capacity of the known vortex tube is explained by the fact that the unstable transition to the turbulent nature of the gas movement inside the vortex tube does not allow the full implementation of the laws of adiabatic expansion, which associate the cooling process with the Rank vortex effect. This can be explained by the imperfection of the organization of the gas flow.

Целью предлагаемого технического решения является уменьшение указанного недостатка, т.е. повышение эффективности охлаждения. The aim of the proposed technical solution is to reduce this drawback, i.e. improved cooling performance.

Поставленная цель достигается тем, что на всей длине проточной части вихревой трубы создаются условия для организации (упорядочения) режима движения газового потока. Поэтому для получения максимального эффекта охлаждения в проточной части вихревой трубы необходимо организовать и сохранить ламинарный режим течения газового потока, причем этот режим необходимо организовать как по сечению, так и по длине потока. This goal is achieved by the fact that along the entire length of the flowing part of the vortex tube, conditions are created for organizing (streamlining) the gas flow regime. Therefore, to obtain the maximum cooling effect in the flow part of the vortex tube, it is necessary to organize and maintain the laminar flow regime of the gas stream, and this mode must be organized both in cross section and along the length of the stream.

Для реализации предложения возможно использовать как внутренние, так и внешние факторы, способствующие созданию (организации) и сохранению указанных режимов движения газа. To implement the proposal, it is possible to use both internal and external factors that contribute to the creation (organization) and preservation of the indicated gas movement modes.

К внутренним факторам относятся дополнительные (по отношению к известным) элементы, вводимые в конструкцию вихревой трубы. К внешним факторам относятся, прежде всего, режимы работы вихревой трубы, задаваемые параметрами рабочего газа на входе и выходе из устройства. Internal factors include additional (relative to known) elements introduced into the design of the vortex tube. External factors include, first of all, the vortex tube operating modes defined by the working gas parameters at the inlet and outlet of the device.

Исследованиями, проведенными авторами, установлено, что введение ограничения перепада давления на вихревой трубе позволяет резко увеличить ее холодопроизводительность. Обычно (так сейчас принято) в вихревую трубу подают весь имеющийся расход (поток) газа, считая, что чем выше скорость образуется в ее улитке, тем больший эффект холодообразования будет получен. Но это ошибочный подход. Studies by the authors found that the introduction of restrictions on the pressure drop across the vortex tube allows a sharp increase in its cooling capacity. Usually (as is now customary), the entire available gas flow rate (flow) is fed into the vortex tube, assuming that the higher the speed is formed in its cochlea, the greater the effect of cold formation will be obtained. But this is an erroneous approach.

Известно, что эффективность охлаждения газа при любом процессе охлаждения (дросселирование, детандирование, эффект Ранка и т.п.) определяется:
свойствами газа;
внешней работой, направленной на проталкивание газа по трубопроводу и каналам вихревой трубы или на движение поршня в детандере;
-внутренней работой, определяемой интенсивностью процесса адиабатического расширения газа (направляемого на охлаждение газа), всегда совмещенного с диссипативными процессами (направленными на нагрев газа).It is known that the efficiency of gas cooling during any cooling process (throttling, expansion, Rank effect, etc.) is determined by:
gas properties;
external work aimed at pushing gas through the pipeline and the channels of the vortex tube or on the movement of the piston in the expander;
-internal work, determined by the intensity of the adiabatic expansion of the gas (directed to cooling the gas), always combined with dissipative processes (aimed at heating the gas).

Для газа, расширяющегося в вихревой трубе, процесс охлаждения зависит прежде всего от диссипативных процессов (паразитного нагрева), который сопровождается релаксацией вихревой структуры. Такой нагрев может даже повышать эффект охлаждения, например, при дросселировании гелия или водорода при комнатных и даже более низких температурах. For a gas expanding in a vortex tube, the cooling process depends primarily on dissipative processes (spurious heating), which is accompanied by relaxation of the vortex structure. Such heating can even increase the cooling effect, for example, by throttling helium or hydrogen at room and even lower temperatures.

Как показывают проведенные исследования, основной вклад в нагрев расширяющегося газа вносит процесс его турбулизации многочисленные вихри, возникающие при этом в турбулентном потоке, отдавая друг другу свою кинетическую энергию разогреваются. As the studies show, the main contribution to the heating of an expanding gas is made by the process of turbulization of it, the numerous vortices that arise in the turbulent flow, giving each other their kinetic energy, are heated.

Поэтому задачей любого исследования, направленного на повышение эффективности охлаждения, должен быть поиск способов предотвращения турбулизации (сохранение ламинарности) газа при его расширении. Therefore, the objective of any study aimed at improving the cooling efficiency should be to find ways to prevent turbulization (maintaining laminarity) of the gas during its expansion.

Одним из таких способов является использование эффекта Ранка в вихревой трубе. Сущность предотвращения турбулизации (сохранение ламинарности) при раскручивании газа в улитке вихревой трубы заключается в первоначальном сжатии потока газа центробежными силами, возникающими при его вращении. One such method is to use the Rank effect in a vortex tube. The essence of preventing turbulization (maintaining laminarity) when the gas is unwound in the cochlear vortex tube consists in the initial compression of the gas stream by centrifugal forces arising from its rotation.

Однако и при реализации эффекта Ранка эффективность охлаждения все же невелика лишь в два раза выше эффекта дросселирования. Это можно объяснить тем, что газ начинает расширяться и охлаждаться при выходе из улитки, но в этот момент стабилизирующее воздействие на него центробежных сил ослабевает. И если скорость газа велика (если велик перепад давлений), то его ламинарный режим течения срывается на турбулентность. However, even when the Rank effect is realized, the cooling efficiency is still small, only twice as high as the throttling effect. This can be explained by the fact that the gas begins to expand and cool when leaving the cochlea, but at this moment the stabilizing effect of centrifugal forces on it weakens. And if the gas velocity is high (if the pressure drop is large), then its laminar flow regime breaks down to turbulence.

Считается, что чем выше давление, подаваемое на вход вихревой трубы (т. е. чем выше перепад давления между входом и выходом), тем выше должен быть эффект охлаждения. Но этого не происходит, т.к. на определенном этапе возрастания рабочего давления (возрастания перепада давления) происходит срыв ламинарности потока и возникшая турбулентность разогревает газ, уменьшая эффект охлаждения. It is believed that the higher the pressure applied to the inlet of the vortex tube (i.e., the higher the pressure drop between the inlet and the outlet), the higher the cooling effect should be. But this does not happen, because at a certain stage of increasing working pressure (increasing pressure drop), the flow laminarity breaks down and the turbulence that arises heats the gas, reducing the cooling effect.

Поэтому, чтобы добиться максимального эффекта охлаждения, в режим работы вихревой трубы необходимо ввести ограничение перепада давления. То есть для каждого значения входного давления одной и той же вихревой трубы необходимо определить то минимальное выходное давление (перепад), при котором еще сохраняется ламинарность потока и, следовательно, наиболее выгодный режим адиабатического расширения газа. Therefore, in order to achieve the maximum cooling effect, it is necessary to introduce a pressure drop limitation into the vortex tube operation mode. That is, for each value of the inlet pressure of the same vortex tube, it is necessary to determine the minimum outlet pressure (differential) at which the laminarity of the flow is still preserved and, therefore, the most favorable mode of adiabatic expansion of the gas.

Таким образом, можно сказать, что для высокоэффективной работы вихревой трубы с выходом охлажденного газа (воздуха), например, в атмосферу, т.е. при работе без "подпора", входное давление (в зависимости от параметров улитки, например ее радиуса) должно измеряться всего лишь долями атмосферы. Поэтому, для того чтобы практически полноценно реализовать процесс адиабатического расширения достаточно высокого входного давления (например, в несколько атмосфер), необходимо создавать технологическую установку, состоящую из нескольких последовательно сочлененных вихревых труб, реализующих суммарный эффект ламинарного расширения воздуха. Thus, it can be said that for highly efficient operation of a vortex tube with the release of chilled gas (air), for example, into the atmosphere, i.e. when working without "backwater", the inlet pressure (depending on the parameters of the cochlea, for example its radius) should be measured only by fractions of the atmosphere. Therefore, in order to practically fully realize the adiabatic expansion of a sufficiently high inlet pressure (for example, to several atmospheres), it is necessary to create a technological installation consisting of several successively connected vortex tubes that realize the total effect of laminar expansion of air.

Исследования, проведенные авторами на вихревой трубе специальной конструкции, показали, что чем меньший перепад рабочего давления реализуется в вихревой трубе, тем выше эффект холодообразования. Так, обнаружено, что, например, для воздуха при 10 атм на входе вихревой трубы задаваемые перепады давлений обеспечивают характеристики холодообразования ΔT/ΔP (отношение понижения температуры ΔT в градусах к падению давления ΔP в атмосферах), представленные в таблице. Studies conducted by the authors on a vortex tube of a special design showed that the smaller the difference in working pressure is realized in the vortex tube, the higher the effect of cold formation. So, it was found that, for example, for air at 10 atm at the inlet of the vortex tube, the preset pressure differences provide the characteristics of cold formation ΔT / ΔP (the ratio of the decrease in temperature ΔT in degrees to the pressure drop ΔP in atmospheres) presented in the table.

Получается, что чем меньше перепад давлений, тем выше полученный эффект, т. е. тем в большей степени реализуются возможности процесса адиабатического расширения. It turns out that the smaller the pressure drop, the higher the effect obtained, that is, the more the possibilities of the adiabatic expansion are realized.

Такой подход позволяет создавать устройства для безинверсного охлаждения любого газа в любой области температур. This approach allows you to create devices for the inverse cooling of any gas in any temperature range.

Реализация процесса создания и сохранения ламинарного движения потока газа позволяет эффективность вихревого процесса охлаждения приблизить вплотную к эффективности процесса адиабатического расширения, т.е. резко повысить его КПД. Конструктивно это выразится в том, что горячий выходной патрубок вихревой трубы можно закрыть или вообще удалить (однопоточный режим), а из вихревой трубы будет выходить только холодный поток с более низкой температурой, чем у известных конструкций. The implementation of the process of creating and maintaining the laminar motion of the gas flow allows the efficiency of the vortex cooling process to come close to the efficiency of the adiabatic expansion process, i.e. sharply increase its efficiency. Structurally, this will result in the fact that the hot outlet pipe of the vortex tube can be closed or removed altogether (single-flow mode), and only the cold stream with a lower temperature will exit the vortex tube than with the known structures.

Таким образом, предложение позволяет существенно повысить эффективность охлаждения потока газа за счет его ламинаризации в проточном канале вихревой трубы. Thus, the proposal can significantly improve the cooling efficiency of the gas stream due to its laminarization in the flow channel of the vortex tube.

Claims

The method of changing the temperature of the gas stream, which consists in tangentially supplying to the spiral working surface of the cochlea a vortex tube of a gas stream moving under the action of a pressure difference, characterized in that during the operation of the vortex tube, a difference in the working gas pressure differential is introduced.