RU2084779C1

RU2084779C1 - Scroll fur rank vortex tube

Info

Publication number: RU2084779C1
Application number: RU93018094A
Authority: RU
Inventors: Ю.Г. Белостоцкий; А.П. Смирнов
Original assignee: Белостоцкий Юрий Григорьевич
Priority date: 1993-04-08
Filing date: 1993-04-08
Publication date: 1997-07-20

Abstract

FIELD: mechanical engineering; designing of devices using Rank vortex effect for changing gas flow temperature. SUBSTANCE: vortex tube has spiral working surface (scroll), inlet and outlet branch pipes. Novelty in design of device is that scroll working surface is inclined towards outlet branch pipe. EFFECT: increased efficiency of working process. 4 cl, 5 dwg

Description

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

Известно устройство для изменения температуры газового потока, содержащее входной патрубок, тангенциально направленный на спиральную рабочую поверхность (улитку), сочлененную с выходными каналами. Называется такое устройство "вихревая труба". Реализуется в вихревой трубе так называемый "эффект Ранка", который возникает при тангенциальном подводе и раскручивании газового потока с помощью улитки, в результате чего происходит охлаждение некоторой его части [1]
Используется вихревая труба, в основном, для охлаждения движущегося газового потока, хотя в известных вихревых трубах обязательно имеются два выходных патрубка "холодный" и "горячий", имеющие разный диаметр, из которых во время работы выходят два газовых потока, имеющих существенно различную температуру, причем в горячий патрубок выходит значительно большее количество газа, чем в холодный. Поэтому существуют конструкции не только "охлаждающих", но и "нагревательных" вихревых труб.A device for changing the temperature of a gas stream containing an inlet pipe tangentially directed to a spiral working surface (cochlea) articulated with output channels. Such a device is called a "vortex tube". The so-called "Rank effect" is realized in a vortex tube, which occurs during the tangential supply and unscrewing of the gas flow with the help of a cochlea, as a result of which some part of it is cooled [1]
A vortex tube is used mainly for cooling a moving gas stream, although in known vortex tubes there are necessarily two outlet pipes “cold” and “hot” having different diameters, from which two gas streams with substantially different temperatures exit during operation, moreover, a much larger amount of gas enters the hot branch pipe than into the cold one. Therefore, there are designs not only of "cooling", but also of "heating" vortex tubes.

Внутренняя рабочая поверхность известных улиток строится, в основном, по спирали Архимеда, образующая которой параллельна оси вихревой трубы, т.е. можно сказать, что образующая спиральной рабочей поверхности параллельна оси спирали (см. в [1] с. 9 и рис. 1.4, с. 11). Такая улитка изображена на фиг. 1. The inner working surface of the known snails is constructed mainly along the spiral of Archimedes, the generatrix of which is parallel to the axis of the vortex tube, i.e. we can say that the generatrix of the spiral working surface is parallel to the axis of the spiral (see [1] p. 9 and Fig. 1.4, p. 11). Such a snail is depicted in FIG. one.

Схематично работает известная вихревая труба следующим образом. Свободное прямолинейное движение газового потока, подводимого входным патрубком к улитке, становится круговым, вынужденным, при этом периферийные его слои уплотняются, а центральные становятся разреженными. При выходе из улитки вращающийся газ начинает разделяться на два потока периферийные уплотненные его слои, выходящие через горячий патрубок большего диаметра становятся теплее, чем на входе. Поэтому вихревая труба может использоваться и для подогрева газа. Разреженные слои, расположенные ближе к центру вращения, охлаждаются значительно сильнее и через диафрагму направляются в холодный патрубок меньшего диаметра. Поэтому и получается, что в подогретый патрубок выходит значительно больше газа, чем в холодный. The well-known vortex tube works as follows as follows. The free, rectilinear movement of the gas stream supplied by the inlet pipe to the cochlea becomes circular, forced, while its peripheral layers become denser, and the central ones become rarefied. Upon exiting the cochlea, the rotating gas begins to separate into two streams, its peripheral densified layers exiting through a larger larger hot branch pipe become warmer than at the inlet. Therefore, the vortex tube can also be used to heat the gas. Sparse layers located closer to the center of rotation are cooled much more strongly and are directed through a diaphragm into a cold pipe of smaller diameter. Therefore, it turns out that much more gas is released into the heated nozzle than into the cold one.

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.

Низкая холодопроизводительность известной вихревой трубы объясняется тем, что неустойчивый турбулентный характер движения газа внутри вихревой трубы не позволяет полностью реализовать возможности охлаждения за счет адиабатического расширения, которое реализуется в вихревой трубе. Это можно объяснить несовершенством организации кругового движения газового потока. The low cooling capacity of the known vortex tube is explained by the fact that the unstable turbulent nature of the gas movement inside the vortex tube does not fully realize the cooling possibilities due to the adiabatic expansion that is realized in the vortex tube. This can be explained by the imperfection of the organization of the circular motion of the gas stream.

Целью предлагаемого технического решения является уменьшение указанного недостатка за счет повышения эффективности изменения температуры потока газа в вихревой трубе, т. е. повышение эффективности либо охлаждения, либо его нагрева. The aim of the proposed technical solution is to reduce this drawback by increasing the efficiency of changing the temperature of the gas stream in the vortex tube, i.e., increasing the efficiency of either cooling or heating.

Поставленная цель достигается тем, что улитка выполняется со скошенной рабочей поверхностью, т. е. образующая спиральной рабочей поверхности выполняется под углом к оси спирали. This goal is achieved in that the cochlea is made with a beveled working surface, i.e., the generatrix of the spiral working surface is made at an angle to the axis of the spiral.

Сущность изобретения заключается в том, что скошенная рабочая поверхность улитки заставляет с большей интенсивностью производить разделение вращающегося потока газа по температурным фракциям, т.к. при движении газа по такой поверхности появляется боковая силовая составляющая, заставляющая его некоторую дополнительную часть перетекать в заданном направлении. The essence of the invention lies in the fact that the beveled working surface of the cochlea makes it more intensive to separate the rotating gas stream into temperature fractions, because when the gas moves along such a surface, a lateral force component appears, causing it to flow some additional part in a given direction.

На фиг. 1а изображена улитка в плане с рабочей поверхностью, выполненной по спирали Архимеда; на фиг. 1б показано сечение известной улитки образующая ее рабочей поверхности параллельна оси вихревой трубы (угол α 0^o); на фиг. 2 и 3 показано сечение предлагаемой улитки образующая ее рабочей поверхности не параллельна оси вихревой трубы и составляет с ней некий угол a.In FIG. 1a shows a snail in plan with a working surface made in a spiral of Archimedes; in FIG. 1b shows a cross section of a known cochlea forming its working surface parallel to the axis of the vortex tube (angle α 0 ^o ); in FIG. 2 and 3 show a cross section of the proposed cochlea forming its working surface is not parallel to the axis of the vortex tube and makes with it a certain angle a.

Устройство не имеет движущихся частей, поэтому динамика устройства определяется движением подаваемого в вихревую трубу газа, не являющегося элементом рассматриваемого устройства. The device does not have moving parts, so the dynamics of the device is determined by the movement of the gas supplied to the vortex tube, which is not an element of the device in question.

Работает предлагаемая конструкция следующим образом. При подаче потока газа на спиральную поверхность улитки происходит его раскручивание и разделение по температурным фракциям. Благодаря наклону рабочей поверхности, направленному в сторону одного из выходных патрубков, происходит дополнительное смещение потока в нужную сторону. Поэтому в один из патрубков будет поступать больше газа, чем при использовании известной улитки. Кроме того, благодаря появлению (фиг. 2) уширения полости (П), получившейся за счет "скоса" (по сравнению с фиг. 1) в предлагаемой конструкции, происходит дополнительное расширение и охолаживание газа. Поэтому, используя предложенную улитку, можно увеличить один выходной поток за счет уменьшения потока из другого выходного патрубка при неизменном суммарном потоке. То есть улитка с наклоненной спиральной поверхностью позволяет перераспределять потоки внутри вихревой трубы относительно выходных патрубков. The proposed design works as follows. When a gas stream is supplied to the spiral surface of the cochlea, it is unwound and separated by temperature fractions. Due to the inclination of the working surface, directed towards one of the outlet pipes, there is an additional displacement of the flow in the desired direction. Therefore, one of the nozzles will receive more gas than when using the well-known snail. In addition, due to the appearance (Fig. 2) of the broadening of the cavity (P), obtained due to the "bevel" (compared with Fig. 1) in the proposed design, there is an additional expansion and cooling of the gas. Therefore, using the proposed cochlea, it is possible to increase one output stream by reducing the flow from another output pipe with a constant total flow. That is, a cochlea with an inclined spiral surface allows you to redistribute the flows inside the vortex tube relative to the outlet pipes.

Предварительные исследования показали, что в зависимости от поставленной задачи и от состава охлаждаемого газа, половина угла раствора рабочей спиральной поверхности улитки (угол наклона) должен находиться в пределах от 1,5^o до 24^o, т.е. угол между образующейся спиральной рабочей поверхностью и осью спирали равен 1,5^o.24^o, т.е. весь раствор угла между образующей оппозитно расположенных частей рабочей спиральной поверхности улитки находится в пределах 3.48^o.Preliminary studies have shown that, depending on the task and the composition of the gas to be cooled, half of the solution angle of the spiral working surface of the cochlea (angle of inclination) should be in the range from 1.5 ^o to 24 ^o , i.e. the angle between the resulting spiral working surface and the axis of the spiral is 1.5 ^o .24 ^o , i.e. the whole solution of the angle between the generatrix of the opposite parts of the working spiral surface of the cochlea is within 3.48 ^o .

Возможен вариант, когда улитка выполняется с переменным углом наклона - как бы "скрученная" спираль. Например, спираль, имея на входе "нулевой" угол наклона, постепенно закручивается, и на выходе угол наклона достигает максимального (1,5^o.24^o) значения (фиг. 3 и 5). Поэтому такое устройство имеет переменный угол наклона спиральной поверхности к оси спирали, т.е. имеет несимметричный относительно оси вихревой трубы раствор угла между образующей оппозитно расположенных частей рабочей спиральной поверхности улитки.A variant is possible when the snail is made with a variable angle of inclination - as if a “twisted” spiral. For example, the spiral, having a “zero” angle of inclination at the input, gradually twists, and at the output the angle of inclination reaches the maximum (1.5 ^o .24 ^o ) value (Figs. 3 and 5). Therefore, such a device has a variable angle of inclination of the spiral surface to the axis of the spiral, i.e. has a solution of the angle between the generatrix of the opposite parts of the working spiral surface of the cochlea asymmetric with respect to the axis of the vortex tube.

В целях упрощения изготовления предлагаемых улиток их наклонная поверхность может формироваться за счет набора (пакета) тонких улиток. In order to simplify the manufacture of the proposed snails, their inclined surface can be formed by a set (package) of thin snails.

Поэтому такое устройство (улитка) выполняется из набора тонких улиток, имеющих разные параметры спирали (например, разный шаг спирали). Это позволяет облегчить производство таких улиток с различными параметрами, в том числе и с разными углами наклона рабочей поверхности за счет использования различных комбинаций унифицированных элементов (тонких улиток). Полученная улитка имеет ступенчатую спиральную поверхность (фиг. 4). Therefore, such a device (snail) is made of a set of thin snails having different parameters of the spiral (for example, a different pitch of the spiral). This makes it easier to manufacture such snails with various parameters, including with different angles of inclination of the working surface through the use of various combinations of standardized elements (thin snails). The resulting cochlea has a stepped spiral surface (Fig. 4).

Claims

1. A snail for vortex tube Ranka containing a spiral working surface, characterized in that the generatrix of the spiral working surface is located at an angle to the axis of the spiral.

2. The snail according to claim 1, characterized in that the angle between the generatrix of the spiral working surface and the axis of the spiral is 1.5 to 24 ^o .

3. The snail according to claim 1, characterized in that the spiral surface is made generatrix with a variable angle of inclination of the latter to the axis of the spiral.

4. A snail according to claim 1, characterized in that it is made of a set of thin snails having different spiral parameters.