RU2207472C2

RU2207472C2 - Vortex pipe

Info

Publication number: RU2207472C2
Application number: RU2001118548/06A
Authority: RU
Inventors: Ф.Н. Зайченко; А.Г. Пивкин; А.И. Агафонов; В.М. Сесёлкин; О.А. Орешин; Д.Ф. Зайченко
Original assignee: Зайченко Федор Николаевич; Пивкин Александр Григорьевич; Агафонов Анатолий Иванович; Сесёлкин Виталий Михайлович; Орешин Олег Алексеевич; Зайченко Дмитрий Федорович
Priority date: 2001-07-05
Filing date: 2001-07-05
Publication date: 2003-06-27

Abstract

FIELD: heat engineering. SUBSTANCE: vortex pipe has nozzle input, diaphragm with central body, cold flow discharge pipe and slit-type diffuser adapted for discharge of hot flow and provided with axial pipe for introducing of cooled flow, with internal diameter of axial pipe being smaller than diameter of opening in diaphragm. Diaphragm is positioned at inlet end of cold flow discharge pipe arranged coaxially in casing mounted on cold end of vortex flows interference pipe. Induced vortex flow separator arranged around diaphragm opening is made in the form of annular slot formed in diaphragm material. Cooled flow ejector on slit-type diffuser wall has sleeve with axial cooled flow inlet pipe and aerodynamic blades. Axial pipe is extending through sleeve bottom. Aerodynamic blades are arranged in cantilevered relation on sleeve bottom around pipe discharge opening and are made narrowing from base to end. Blade inlet edges are oriented in direction opposite to oncoming vortex flow. Nozzle inlet is defined by combined tangential nozzles and annular cavity having oval-shaped section. Nozzle inlet annular cavity is communicated with vortex flows interference pipe through annular axial channel defined by diaphragm side surface and pipe internal surface. Vortex pipe may be used in vehicle conditioners. EFFECT: increased efficiency in utilizing kinetic energy of free and induced vortex flows. 16 cl, 6 dwg

Description

Изобретение относится к теплотехнике и предназначено, в частности, для реализации вихревых кондиционеров транспортных средств. Вихревые кондиционеры при их использовании в составе транспортных средств из-за специфики условий эксплуатации самих транспортных средств имеют ряд достоинств по сравнению с кондиционерами, реализованными на основе парокомпрессионной холодильной машины. К достоинствам вихревых кондиционеров можно отнести их более высокую надежность, живучесть, ремонтопригодность, способность длительно работать в условиях вибрации, для работы используется экологически чистое рабочее тело (воздух), меньше крупногабаритных составных частей (отсутствует второй теплообменник и циркуляционный вентилятор), нет необходимости в квалифицированном персонале и специальном оборудовании для обслуживания кондиционеров. Кроме того, прогнозируемая цена вихревых кондиционеров для транспортных средств примерно в два раза меньше существующих транспортных парокомпрессионных кондиционеров. The invention relates to heat engineering and is intended, in particular, for the implementation of vortex air conditioners for vehicles. Vortex air conditioners, when used as part of vehicles, due to the specific operating conditions of the vehicles themselves, have several advantages compared to air conditioners based on a vapor compression refrigeration machine. The advantages of vortex air conditioners include their higher reliability, survivability, maintainability, ability to work for a long time under vibration conditions, an environmentally friendly working fluid (air) is used for work, fewer bulky components (there is no second heat exchanger and circulation fan), there is no need for a qualified personnel and special equipment for servicing air conditioners. In addition, the predicted price of vortex air conditioners for vehicles is approximately half that of existing vapor compression air conditioners.

Известна вихревая труба, содержащая коническую трубу с сопловым вводом, диафрагму вывода холодного потока, диффузор и трубку ввода дополнительного потока, установленную по оси трубы со стороны диффузора Вокруг трубки ввода дополнительного потока установлены сообщенные с полостью трубы и коаксиально расположенные стакан и цилиндрический экран, образующий со стаканом и трубкой двухходовой канал для отбора и возврата заторможенного потока в полость трубы [1]. Known vortex tube containing a conical pipe with a nozzle inlet, a diaphragm for outputting a cold stream, a diffuser and an additional flow inlet pipe installed along the pipe axis from the diffuser side. Around the additional flow inlet pipe are connected to the pipe cavity and a coaxially located glass and a cylindrical screen forming glass and tube two-way channel for the selection and return of the inhibited flow into the cavity of the pipe [1].

Недостатком вихревой трубы является ее невысокий холодильный КПД. Это объясняется множеством причин. Во-первых, не учитывается наличие в вихревой трубе, кроме свободного и вынужденного вихрей, третьего вихря - промежуточного. Дело в том, что движущиеся рядом встречные потоки не взаимодействуют между собой непосредственно, между ними всегда существует промежуточный вихрь. Промежуточный вихрь в трубе взаимодействия свободного и вынужденного вихрей формируется из внутренней, менее нагретой части свободного вихря, и из внешней, менее охлажденной чисти вынужденного вихря, имеет замкнутый контур движения в продольной плоскости вихревой трубы и обладает максимальной тангенциальной скоростью почти во всех сечениях трубы взаимодействия вихрей. В результате того, что в вихревой трубе не учитывается наличие третьего вихря, конструкция аналога не обеспечивает селекцию вынужденного вихря перед его выводом из вихревой трубы на более охлажденную и менее охлажденную части, а также не устраняет эффект подмешивания пограничного слоя в выходящий холодный поток. Во-вторых, использование соплового ввода традиционного типа приводит к возникновению неравномерности давления и расхода потока, наличию пульсаций аксиальной и радиальной составляющих его полной скорости по периферии трубы взаимодействия вихрей, что затягивает по времени процесс формирования свободного вихря. Неpaвномерность расхода потока по периферии трубы взаимодействия вихрей также предопределяет наличие отдельных вихревых жгутов в свободном и вынужденном вихрях, это приводит к многоточечному их взаимодействию вместо площадного, что существенно снижает уровень теплопередачи от вынужденного к свободному вихрю. В-третьих, конструкция прототипа не учитывает изменение плотности вынужденного вихря по ходу его движения. Последствием этого является наличие возвратного течения вынужденного вихря в приосевой зоне трубы взаимодействия вихрей. В-четвертых, на горячем конце трубы производится преднамеренное торможение части свободного вихря. Это исключает возможность использования (утилизации) кинетической энергии заторможенной части свободного вихря для обеспечения предварительной закрутки дополнительного потока. Кроме того, при торможении вихря часть его кинетической энергии преобразуется в тепло, т.е. неоправданно повышается температура потока. Перечисленные недостатки рассматриваемой вихревой трубы существенно снижают ее холодильный КПД. The disadvantage of a vortex tube is its low refrigeration efficiency. There are many reasons for this. Firstly, the presence in the vortex tube, except for the free and forced vortices, of the third vortex — the intermediate one — is not taken into account. The fact is that countercurrent flows moving nearby do not interact directly with each other, between them there always exists an intermediate vortex. An intermediate vortex in the interaction tube of a free and forced vortex is formed from the internal, less heated part of the free vortex, and from the external, less cooled pure vortex, has a closed motion loop in the longitudinal plane of the vortex tube and has a maximum tangential velocity in almost all sections of the vortex interaction tube . As a result of the fact that the presence of the third vortex is not taken into account in the vortex tube, the analogue design does not provide for the selection of the forced vortex before it is withdrawn from the vortex tube to more chilled and less chilled parts, and also does not eliminate the effect of mixing the boundary layer into the outgoing cold stream. Secondly, the use of a nozzle input of a traditional type leads to the appearance of uneven pressure and flow rate, the presence of pulsations of the axial and radial components of its full speed along the periphery of the vortex interaction tube, which delays the formation of a free vortex in time. The irregularity of the flow rate around the periphery of the vortex interaction tube also determines the presence of separate vortex bundles in the free and forced vortices, this leads to their multipoint interaction instead of the areal one, which significantly reduces the level of heat transfer from the forced to the free vortex. Thirdly, the design of the prototype does not take into account the change in the density of the forced vortex in the direction of its movement. The consequence of this is the presence of the return flow of the forced vortex in the axial zone of the vortex interaction pipe. Fourth, at the hot end of the pipe, a part of the free vortex is deliberately braked. This excludes the possibility of using (utilizing) the kinetic energy of the inhibited part of the free vortex to provide preliminary swirling of the additional flow. In addition, when a vortex decelerates, part of its kinetic energy is converted into heat, i.e. the flow temperature rises unreasonably. The listed disadvantages of the considered vortex tube significantly reduce its refrigeration efficiency.

Известен ближайший аналог (прототип) заявленного изобретения как наиболее близкий ему по совокупности существенных признаков. Данный аналог представляет собой вихревую трубу, содержащую сопловой ввод, трубу взаимодействия свободного и вынужденного вихрей, диафрагму с центральным телом, трубку вывода холодного потока, щелевой диффузор вывода горячего потока с осевой трубкой ввода охлаждаемого потока, внутренний диаметр которой меньше диаметра отверстия диафрагмы [2]. The closest analogue (prototype) of the claimed invention is known as the closest to it in the aggregate of essential features. This analogue is a vortex tube containing a nozzle inlet, a free-forced vortex interaction tube, a diaphragm with a central body, a cold flow outlet tube, a hot flow outlet diffuser with an axial cooled flow inlet tube, the inner diameter of which is smaller than the diameter of the diaphragm hole [2] .

Конструкции прототипа свойственны недостатки, перечисленные выше, но один из главных недостатков отсутствует. Нa горячем конце вихревой трубы свободный вихрь не тормозится. Однако конструкция вихревой трубы не учитывает изменение плотности свободного и вынужденного вихрей и их взаимное влияние. Следствием этого является повышенное гидравлическое сопротивление вихревой трубы и наличие возвратного течения вынужденного вихря в приосевой зоне трубы взаимодействия вихрей. Вихревая труба не обеспечивает в должной мере утилизацию мистической энергии свободного и вынужденного вихрей. Указанные выше конструктивные особенности прототипа не позволяют существенно улучшить работу устройства
Задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышение холодильного КПД вихревой трубы.The prototype designs are characterized by the disadvantages listed above, but one of the main disadvantages is missing. At the hot end of the vortex tube, the free vortex does not slow down. However, the design of the vortex tube does not take into account the change in the density of free and forced vortices and their mutual influence. The consequence of this is the increased hydraulic resistance of the vortex tube and the presence of a forced vortex return flow in the axial zone of the vortex interaction tube. A vortex tube does not adequately utilize the mystical energy of a free and forced vortex. The above design features of the prototype do not significantly improve the operation of the device
The problem to which the invention is directed, is to increase the refrigeration efficiency of the vortex tube.

Техническим результатом изобретения является обеспечение тeмпературной селекции вынужденного вихря перед его выводом из трубы взаимодействия вихрей, повышение теплопередачи от вынужденного к свободному вихрю, уменьшение гидравлического сопротивления трубы взаимодействия вихрей и исключение возвратного течения в ее приосевой зоне, обеспечение более высокого уровня утилизации кинетической энергии свободного и вынужденного вихрей. The technical result of the invention is the provision of temperature selection of a forced vortex before it is withdrawn from the vortex interaction tube, increasing heat transfer from the forced to the free vortex, reducing the hydraulic resistance of the vortex interaction tube and eliminating the return flow in its axial zone, providing a higher level of utilization of the kinetic energy of the free and forced whirlwind.

Упомянутая задача достигается тем, что вихревая труба содержит сопловой ввод, трубу взаимодействия свободного и вынужденного вихрей, диафрагму с центральным телом, трубку вывода холодного потока, щелевой диффузор вывода горячего потока с осевой трубкой ввода охлаждаемого потока, внутренний диаметр которой меньше диаметра отверстия диафрагмы, одновременно с этим диафрагма размещена на входном конце трубки вывода холодного потока, расположенной коаксиально в корпусе, который установлен на холодном конце трубы взаимодействия вихрей, вокруг отверстия диафрагмы выполнен сепаратор вынужденного вихря в виде кольцевой выемки в материале диафрагмы, на стенке щелевого диффузора установлен эжектор охлаждаемого потока, выполненный в виде стакана с осевой трубкой ввода охлаждаемого потока и аэродинамическими лопатками, при этом осевая трубка ввода охлаждаемого потока пропущена через дно стакана, аэродинамические лопатки установлены консольно на дне стакана вокруг выходного отверстия трубки и выполнены сужающимися от основания к концу, а входные кромки лопаток ориентированы против набегающего вихря, сопловой ввод выполнен как сочетание тангенциальных сопел и кольцевой полости овального сечения, расположенной в пространстве между трубкой вывода холодного потока, диафрагмой, стенкой и дном корпуса, причем выходы тангенциальных сопел в пределах кольцевой полости размещены ближе к дну корпуса, чем к диафрагме, кольцевая полость соплового ввода соединена с трубой взаимодействия вихрей через кольцевой аксиальный канал, образованный боковой поверхностью диафрагмы и внутренней поверхностью трубы взаимодействия вихрей или стенки корпуса, в конструкции вихревой трубы совместно использованы коническая труба взаимодействия вихрей, диаметр которой увеличивается в сторону горячего конца вихревой трубы, и коническое центральное тело диафрагмы, выполненное сквозным через трубу взаимодействия вихрей, диаметр которого в пределах трубы взаимодействия вихрей уменьшается в сторону горячего конца вихревой трубы, вместе с этим угол раствора конуса трубы взаимодействия вихрей и угол раствора конуса центрального тела диафрагмы выбраны таким образом, что обеспечивается цилиндрическая форма границы раздела свободного и вынужденного вихрей. The mentioned problem is achieved in that the vortex tube contains a nozzle inlet, a free-forced vortex interaction tube, a diaphragm with a central body, a cold flow outlet tube, a hot flow outlet diffuser with an axial cooled flow inlet tube, the inner diameter of which is smaller than the diameter of the diaphragm opening, at the same time with this, the diaphragm is placed at the inlet end of the cold flow outlet tube, located coaxially in the housing, which is installed at the cold end of the vortex interaction tube, in the circle of the diaphragm hole is a forced vortex separator in the form of an annular recess in the material of the diaphragm, a cooled flow ejector mounted on the wall of the slot diffuser is made in the form of a cup with an axial tube for introducing a cooled stream and aerodynamic vanes, while the axial tube for introducing a cooled stream is passed through the bottom of the glass aerodynamic blades are mounted cantilever on the bottom of the glass around the outlet of the tube and are made tapering from the base to the end, and the input edges of the blades are orientated s against the incident vortex, the nozzle entry is made as a combination of tangential nozzles and an annular cavity of oval cross-section located in the space between the cold flow outlet tube, the diaphragm, the wall and the bottom of the housing, and the outputs of the tangential nozzles within the annular cavity are located closer to the bottom of the housing than to the diaphragm, the annular cavity of the nozzle inlet is connected to the vortex interaction pipe through the annular axial channel formed by the lateral surface of the diaphragm and the inner surface of the pipe vortices or casing walls, in the design of the vortex tube, a conical vortex interaction tube, the diameter of which increases towards the hot end of the vortex tube, and a conical central diaphragm body made through the vortex interaction tube, the diameter of which within the vortex interaction tube decreases towards the hot end of the vortex tube, together with this, the angle of the cone of the tube of interaction of the vortices and the angle of the cone of the central body of the diaphragm are chosen in such a way which ensures the cylindrical shape of the interface between free and forced vortices.

В процессе проведенного поиска по источникам научно-технической и патентной информации не обнаружено устройство, характеризующееся совокупностью существенных признаков, совпадающих с заявляемым изобретением и обеспечивающее такой же технический результат. Таким образом, заявляемое изобретение представляет собой техническое решение задачи, является новым и обладает изобретательским уровнем. In the process of a search by sources of scientific, technical and patent information, a device was found that is characterized by a combination of essential features that match the claimed invention and provide the same technical result. Thus, the claimed invention is a technical solution to the problem, is new and has an inventive step.

На фиг. 1 изображен продольный разрез описываемой вихревой трубы и схематично ее подключение к охлаждаемому объекту и основным элементам кондиционера; на фиг. 2 - разрез А-А на фиг.1, на фиг.3 - разрез Б-Б на фиг.1, на фиг.4 - вариант выполнения диафрагмы с кольцевой канавкой на ее боковой поверхности и вариант кольцевой полости соплового ввода с кольцевой канавкой на стенке корпуса; на фиг.5 - вариант выполнения диафрагмы с вогнутой боковой поверхностью; на фиг. 6 - вариант выполнения диафрагмы с выпуклой боковой поверхностью и с кольцевой канавкой на ней. In FIG. 1 shows a longitudinal section of the described vortex tube and schematically its connection to the cooled object and the main elements of the air conditioner; in FIG. 2 - section aa in figure 1, figure 3 - section bb in figure 1, figure 4 is an embodiment of a diaphragm with an annular groove on its side surface and a variant of the annular cavity of a nozzle input with an annular groove on body wall; figure 5 is an embodiment of a diaphragm with a concave lateral surface; in FIG. 6 is an embodiment of a diaphragm with a convex lateral surface and with an annular groove on it.

На холодном конце вихревой трубы установлен корпус 1 и коаксиально в нем трубка 2 вывода холодного потока. Нa входном конце трубки 2 закреплена диафрагма 3. Кольцевая полость 4 соплового ввода расположена между трубкой 2, диафрагмой 3, стенкой и дном корпуса 1 и снабжена тангенциальными соплами 5. Тангенциальные сопла 5 могут быть подведены к кольцевой канавке 6, выполненной в стенке корпуса 1, причем кольцевая канавка 6 размещается ближе к дну корпуса 1, чем к диафрагме 3. Кольцевая полость 4 через кольцевой аксиальный канал 7 соединяется с трубой 8 взаимодействия свободного и вынужденного вихрей. На боковой поверхности диафрагмы 3, являющейся внутренней стенкой кольцевого аксиального канала 7, выполнена кольцевая канавка 9. Центральное тело 10 диафрагмы 3 выполнено в виде усеченного конуса и сквозным через трубу 8 взаимодействия вихрей, его диаметр в пределах трубы 8 уменьшается в сторону ее горячего конца. Центральное тело 10 закреплено в трубке 2 вывода холодного потока пoсредством радиальных пластин 11, входные кромки которых отогнуты и ориентированы против вращения вынужденного вихря. В трубке 12 ввода охлаждаемого потока центральное тело 10 закреплено посредством радиальных пластин (крестовины) 13. Вокруг отверстия диафрагмы 3 выполнен сепаратор вынужденного вихря в виде кольцевой выемки 14 в материале диафрагмы 3, при этом поверхность кольцевой выемки 14 покрыта материалом с низкой теплопроводностью. В стенке щелевого диффузора 15 установлен эжектор охлаждаемого потока, выполненный в виде стакана 16 с осевой трубкой 12 ввода охлаждаемого потока и аэродинамическими лопатками 17, причем осевая трубка 12 пропущена через дно стакана 16, аэродинамические лопатки 17 установлены консольно на дне стакана 16 вокруг выходного отверстия трубки 12 и выполнены сужающимися от основания к концу. С целью снижения аэродинамических пoтерь при повороте потока в районе дна стакана аэродинамические лопатки 17 эжектора охлаждаемого потока установлены в кольцевую выемку, выполненную в дне стакана 16 между осевой трубкой 12 ввода охлаждаемого потока и стенкой стакана 16. Щелевой диффузор 15 выполнен в варианте с газосборной улиткой 18. Возможен другой вариант реализации эжектора охлаждаемого потока. В этом случае эжектор охлаждаемого потока выполнен в виде стакана с расположенным внутри усеченным конусом, большее основание которого обращено к дну стакана и равно внутреннему диаметру стакана, при этом усеченный конус имеет осевой канал, являющийся продолжением трубки ввода охлаждаемого потока, в материале конуса выполнены каналы, выходы которых ориентированы тангенциально к поверхности осевого канала, а входы ориентированы против набегающего вихря. С целью снижения гидравлического сопротивления эжектора охлаждаемого потока осевой канал усеченного конуса по ходу движения вынужденного вихря выполнен конически-цилиндрическим с расширением конической части в сторону диафрагмы вихревой трубы. At the cold end of the vortex tube, a housing 1 is installed and a tube 2 for outputting a cold flow coaxially in it. A diaphragm 3 is fixed at the inlet end of the tube 2. An annular cavity 4 of the nozzle entry is located between the tube 2, the diaphragm 3, the wall and the bottom of the housing 1 and is provided with tangential nozzles 5. The tangential nozzles 5 can be brought to the annular groove 6 made in the wall of the housing 1, moreover, the annular groove 6 is located closer to the bottom of the housing 1 than to the diaphragm 3. The annular cavity 4 through the annular axial channel 7 is connected to the pipe 8 of the interaction of free and forced vortices. An annular groove 9 is made on the lateral surface of the diaphragm 3, which is the inner wall of the annular axial channel 7. The central body 10 of the diaphragm 3 is made in the form of a truncated cone and the vortices interact through the pipe 8, its diameter within the pipe 8 decreases towards its hot end. The central body 10 is fixed in the tube 2 output cold flow through radial plates 11, the input edges of which are bent and oriented against rotation of the forced vortex. In the tube 12 for introducing a cooled flow, the central body 10 is fixed by means of radial plates (crosses) 13. A forced vortex separator is made around the opening of the diaphragm 3 in the form of an annular recess 14 in the material of the diaphragm 3, while the surface of the annular recess 14 is covered with a material with low thermal conductivity. In the wall of the slit diffuser 15, a cooled flow ejector is installed, made in the form of a can 16 with an axial tube 12 for introducing a cooled flow and aerodynamic blades 17, with the axial tube 12 being passed through the bottom of the can 16, aerodynamic blades 17 are mounted cantilever on the bottom of the can 16 around the tube outlet 12 and are made tapering from the base to the end. In order to reduce aerodynamic losses when turning the flow in the region of the bottom of the glass, the aerodynamic blades 17 of the cooled flow ejector are installed in an annular recess made in the bottom of the glass 16 between the axial tube 12 of the input of the cooled stream and the wall of the glass 16. The slot diffuser 15 is made in the embodiment with a gas-collecting snail 18 A different embodiment of the cooled flow ejector is possible. In this case, the ejector of the cooled stream is made in the form of a cup with a truncated cone located inside, the larger base of which faces the bottom of the cup and is equal to the inner diameter of the cup, while the truncated cone has an axial channel that is a continuation of the inlet pipe of the cooled stream, channels are made in the cone material, the exits of which are oriented tangentially to the surface of the axial channel, and the entrances are oriented against the incident vortex. In order to reduce the hydraulic resistance of the ejector of the cooled flow, the axial channel of the truncated cone along the forced vortex is made conical-cylindrical with the extension of the conical part towards the diaphragm of the vortex tube.

Вихревая труба обслуживает два контура движения воздуха - контур отвода тепла во внешнюю срeдy и контур охлаждения объекта. Контур отвода тепла во внешнюю среду может быть разомкнутым при использовании внешнего источника сжатого воздуха или замкнутым при наличии в составе кондиционера собственного нагнетателя воздуха. В состав замкнутого контура отвода тепла во внешнюю срeдy входят: тангенциальные сопла 5; кольцевая полость 4; кольцевой аксиальный канал 7; периферийная зона трубы 8 взаимодействия вихрей; щелевой диффузор 15 вывода горячего потока с газосборной улиткой 18; нагнетатель воздуха 19; охладитель воздуха 20. В состав контура охлаждения объекта входят: осевая трубка 12 ввода охлаждаемого потока; приосевая зона стакана 16; приосевая зона трубы 8 взаимодействия вихрей; oтверстие диафрагмы 3, трубка 2 вывода холодного потока; охлаждаемый объект 21 (камера холода, кабина или салон транспортного средства). В обоих контурах движения воздуха соединительные воздуховоды условно опущены. The vortex tube serves two circuits of air movement - the circuit of heat removal to the external medium and the cooling circuit of the object. The heat removal circuit to the external environment can be open when using an external source of compressed air or closed if the air conditioner has its own air blower. The composition of the closed loop heat dissipation into the external environment includes: tangential nozzle 5; annular cavity 4; annular axial channel 7; the peripheral zone of the pipe 8 interaction of the vortices; slotted diffuser 15 of the output of the hot stream with a gas collection coil 18; air blower 19; air cooler 20. The structure of the cooling circuit of the object includes: axial tube 12 for entering the cooled stream; paraxial zone of the glass 16; the near-axis zone of the pipe 8 is the interaction of vortices; aperture 3, tube 2 output cold flow; object 21 to be cooled (cold chamber, cabin or vehicle interior). In both circuits of air movement, the connecting ducts are conditionally omitted.

Устройство по заявляемому изобретению работает следующим образом. Работу вихревой трубы удобнее излагать, рассматривая функционирование каждого контура движения воздуха в отдельности. Функционирование контура отвода тепла во внешнюю срeдy заключается в следующем. В тангенциальных соплах 5 воздух ускоряется, снижает давление, температуру и подается в кольцевую полость 4, где он закручивается. Для снижения потерь кинетической энергии при переходе высокоскоростного потока из сопел 5 в кольцевую полость 4 на стенке корпуса 1 может быть выполнена кольцевая канавка 6, к которой подводятся выходы тангенциальных сопел 5. При перeходе закрученного потока из кольцевой полости 4 в кольцевой аксиальный канал 7 осуществляется деление потока на две части. Одна часть потока сразу поступает в периферийную зону трубы 8 взаимодействия вихрей через аксиальный канал 7, а другая, избыточная в данной части кольцевой полости 4, плавно переводится по спирали на участок кольцевой полости 4, где имеется недостаток расхода воздуха. Этим достигается стабилизация аксиальной и радиальной составляющих абсолютной скорости потока, выравнивание давления и расхода потока по периметру кольцевой полости 4 перед его подачей в трубу 8 взаимодействия вихрей. Дополнительно стабилизировать поток можно в аксиальном канале 7, если на боковой поверхности диафрагмы 3, которая является внутренней стенкой кольцевого аксиального канала 7, выполнить кольцевую канавку 9. Эффект стабилизации потока можно усилить, если аксиальный канал 7 изготовить с конфузорно-диффузорным профилем, т. е. выполнить боковою поверхность диафрагмы 3 с выпуклой боковой поверхностью, при этом кольцевая канавка 9 или первaя кольцевая канавка, если их несколько, должна быть размещена на боковой поверхности диафрагмы 3 в начале диффузорной части аксиального канала 7. Другой вариант усиления стабилизации потока - это использование аксиального канала 7 с диффузорно-конфузорным профилем, т. е. боковая поверхность диафрагмы 3 выполняется с вогнутой боковой поверхностью. Стабилизация потока необходима для того, чтобы кольцевой аксиальный канал 7 и сепаратор вынужденного вихря, выполненный в виде кольцевой выемки 14 в материале диафрагмы 3, могли совместно эффективно выполнять функцию эжектора промежуточного вихря. Кроме того, стабилизация потока устраняет наличие отдельных вихревых жгутов в свободном и вынужденном вихрях, что обеспечивает площадное взаимодействие вихрей и высокий уровень теплопередачи между ними. Высокоскоростной закрученный поток выходит из кольцевого аксиального канала 7 и поступает в перифepийнyю зону трубы 8 взаимодействия вихрей, где эжектирует (отводит) из приосевой зоны трубы 8 по поверхности кольцевой выемки 14 менее охлажденную (внешнюю) часть вынужденного вихря. Смешиваясь, оба потока образуют свободный вихрь, который, двигаясь от диафрагмы 3 к стенке щелевого диффузора 15 вывода горячего потока, взаимодействует с вынужденным вихрем и охлаждает его, одновременно повышает свою температуру. Нагреваясь, свободный вихрь уменьшает свою плотность, при этом увеличивается потребная площадь в периферийной зоне трубы 8 взаимодействия вихрей для его пропуска. Увеличение площади в периферийной зоне трубы 8 взаимодействия вихрей осуществляется за счет использования конической трубы 8 взаимодействия вихрей. Нагретый свободный вихрь делится кромкой стенки стакана 16 на более и менее нагретую части, т.е. осуществляется температурная селекция свободного вихря. Для снижения теплообмена между уже разделенными частями свободного вихря стакан 16 выполнен из материала с низкой теплопроводностью. Менее нагретая часть свободного вихря, она же - промежуточный вихрь, принудительно и послойно переводится аэродинамическими лопатками 17 в приосевую зону стакана 16 для обеспечения эжектирования и предварительной закрутки охлаждаемого потока, а также формирования вынужденного вихря. Принудительность перевода промежуточного вихря исключает самопроизвольный и преждевременный переход элементов свободного вихря в вынужденный и тем самым обеспечивает максимальную продолжительность их взаимодействия. Это, при прочих равных условиях, позволяет уменьшить длину трубы 8 взаимодействия вихрей примерно в полтора раза и существенно снизить потери кинетической энергии свободного вихря. Послойный перевод промежуточного вихря обеспечивается за счет использования сужающихся от основания к концу аэродинамических лопаток 17. С целью снижения аэродинамических потерь потока на лопатках 17 они выполнены с вогнутым профилем и геометрически закручены, а концевые части лопаток выполнены закругленными. Рекомендуемое количество аэродинамических лопаток эжектора охлаждаемого потока составляет 8-18 штук. Ввиду значительного количества лопаток oни должны иметь толщину в пределах 0,5-1,2 мм (чем больше лопаток, тем меньше толщина), что предопределяет их недостаточную жесткость. Для повышения жесткости лопаток 17 эжектора охлаждаемого потока их концевые части скрепляются между собой кольцом, при этом вместе взятые по высоте лопатки и кольцо не выступают в трубу 8 взаимодействия вихрей. Более нагретая часть свободного вихря подвергается дальнейшему нагреву за счет последовательного снижения скорости и повышения давления в канале щелевого диффузора 15 и его газосборной улитке 18 и под избыточным давлением подается в нагнетатель воздуха 19, где происходит его окончательное сжатие и повышение температуры до максимальной величины в цикле. Обеспечение вихревой трубой наддува входа нагнетателя 19 за счет утилизации кинетической энергии горячей составляющей свободного вихря значительно уменьшает потребную мощность для привода нагнетателя 19. После нагнетателя 19 сжатый воздух охлаждается в охладителе воздуха 20 (тепло отводится в окружающую средy) и подается в тангенциальные сопла 5. Нa этом контур отвода тепла во внешнюю среду замыкается. The device according to the claimed invention works as follows. It is more convenient to state the operation of a vortex tube, considering the functioning of each air movement circuit separately. The functioning of the heat removal circuit to the external environment is as follows. In tangential nozzles 5, air is accelerated, reduces pressure, temperature and is fed into the annular cavity 4, where it is twisted. To reduce the kinetic energy loss during the transition of a high-speed flow from nozzles 5 to the annular cavity 4, an annular groove 6 can be made on the wall of the housing 1, to which the outputs of the tangential nozzles 5 are fed. When the swirling flow passes from the annular cavity 4 to the annular axial channel 7, division flow into two parts. One part of the flow immediately enters the peripheral zone of the vortex interaction pipe 8 through the axial channel 7, and the other, redundant in this part of the annular cavity 4, smoothly spirals to the section of the annular cavity 4, where there is a lack of air flow. This achieves stabilization of the axial and radial components of the absolute flow velocity, equalization of pressure and flow rate along the perimeter of the annular cavity 4 before it is supplied to the vortex interaction pipe 8. Additionally, the flow can be stabilized in the axial channel 7, if an annular groove 9 is made on the lateral surface of the diaphragm 3, which is the inner wall of the annular axial channel 7. The effect of stabilization of the flow can be enhanced if the axial channel 7 is made with a confuser-diffuser profile, i.e. .perform the lateral surface of the diaphragm 3 with a convex lateral surface, while the annular groove 9 or the first annular groove, if there are several, should be placed on the lateral surface of the diaphragm 3 at the beginning of the diff patterned portion of the axial bore 7. Another embodiment of stabilization of the gain flow - is the use of an axial channel 7 with diffuser-convergent profile, ie, the side surface of the diaphragm 3 is performed with a concave lateral surface... Stabilization of the flow is necessary so that the annular axial channel 7 and the forced vortex separator, made in the form of an annular recess 14 in the material of the diaphragm 3, can jointly perform the function of an ejector of the intermediate vortex. In addition, stabilization of the flow eliminates the presence of separate vortex bundles in the free and forced vortices, which provides areal interaction of the vortices and a high level of heat transfer between them. A high-speed swirling flow exits the annular axial channel 7 and enters the peripheral zone of the vortex interaction pipe 8, where the less cooled (external) part of the forced vortex ejects (leads) from the axial zone of the pipe 8 along the surface of the annular recess 14. Mixed, both streams form a free vortex, which, moving from the diaphragm 3 to the wall of the slit diffuser 15 for output of the hot stream, interacts with the forced vortex and cools it, while increasing its temperature. When heated, a free vortex decreases its density, while the required area in the peripheral zone of the pipe 8 of interaction of the vortices for its passage increases. The increase in the area in the peripheral zone of the vortex interaction pipe 8 is achieved through the use of a conical vortex interaction pipe 8. The heated free vortex is divided by the edge of the wall of the glass 16 into more or less heated parts, i.e. temperature selection of a free vortex is carried out. To reduce heat transfer between the already separated parts of the free vortex, the glass 16 is made of a material with low thermal conductivity. The less heated part of the free vortex, which is also an intermediate vortex, is forcibly and layer-by-layer transferred by the aerodynamic blades 17 into the axial zone of the cup 16 to ensure ejection and preliminary swirling of the cooled stream, as well as the formation of a forced vortex. The forced translation of the intermediate vortex eliminates the spontaneous and premature transition of the elements of a free vortex into a forced one and thereby ensures the maximum duration of their interaction. This, ceteris paribus, allows you to reduce the length of the tube 8 of the interaction of the vortices by about one and a half times and significantly reduce the loss of kinetic energy of the free vortex. The layered translation of the intermediate vortex is ensured through the use of aerodynamic blades 17 narrowing from the base to the end 17. In order to reduce aerodynamic flow losses on the blades 17 they are made with a concave profile and are geometrically twisted, and the end parts of the blades are rounded. The recommended number of aerodynamic blades of the ejector of the cooled flow is 8-18 pieces. Due to the significant number of blades, they must have a thickness in the range of 0.5-1.2 mm (the more blades, the smaller the thickness), which determines their insufficient rigidity. To increase the rigidity of the blades 17 of the ejector of the cooled stream, their end parts are fastened together by a ring, while the blades and the ring taken together in height do not protrude into the vortex interaction pipe 8. The warmer part of the free vortex is further heated by successively lowering the speed and increasing the pressure in the channel of the slit diffuser 15 and its gas collection coil 18 and under excess pressure is supplied to the air blower 19, where it is finally compressed and the temperature rises to a maximum value in the cycle. Providing a vortex tube to pressurize the inlet of the supercharger 19 by utilizing the kinetic energy of the hot component of the free vortex significantly reduces the required power to drive the supercharger 19. After the supercharger 19, the compressed air is cooled in the air cooler 20 (heat is removed to the environment) and fed to the tangential nozzles 5. Ha This circuit removes heat into the environment closes.

Функционирование контура охлаждения объекта заключается в следующем. Охлаждаемый поток через трубку 12 втягивается в приосевую зону стакана 16 за счет его эжектирования промежуточным вихрем, принудительно поданным в приосевую зону стакана 16 аэродинамическими лопатками 17. В данном случае эжектор охлаждаемого потока, используя кинетическую энергию промежуточного вихря, работает как вакуумный насос по отношению к охлаждаемому объекту 21. Это способствует увеличению расхода охлаждаемого потока через трубу 8 взаимодействия вихрей и препятствует общему снижению давления в трубе 8 из-за вывода из нее воздуха радиальными пластинами 11. При эжектировании охлаждаемого потока промежуточным вихрем происходит их смешивание и формирование вынужденного вихря. Кроме того, при смешивании происходит первоначальная закрутка охлаждаемого потока и снижение угловой скорости промежуточного вихря, что предотвращает его самопроизвольный возврат в периферийную зону трубы 8 взаимодействия вихрей. Сформированный вынужденный вихрь, двигаясь к диафрагме 3, взаимодействует со свободным вихрем и нагревает его, одновременно охлаждается сам. Охлаждаясь, вынужденный вихрь увеличивает свою плотность, при этом снижается потребная площадь пoперечных сечений в приосевой зоне трубы 8 взаимодействия вихрей для его пропуска. Уменьшение площади поперечных сечений трубы 8 взаимодействия вихрей в ее приосевой зоне осуществляется за счет использования центрального тела 10 диафрагмы 3, выполненного сквозным через трубу 8 взаимодействия вихрей, с диаметром, уменьшающимся в сторону ее горячего конца. Для регулирования тепловых потоков по материалу центрального тела 10 оно выполнено составным, одна его часть, в пределах трубки вывода холодного потока и до 0,35 длины трубы 8 взаимодействия вихрей, изготовлена из материала с высокой теплопроводностью, другая часть, до трубки 12 ввода охлаждаемого потока включительно, изготовлена из материала с низкой теплопроводностью. Для усиления эффекта охлаждения вынужденного вихря, выводимого из трубы 8, часть центрального тела 10, в пределах трубки 2 вывода холодного потока и до 0,35 длины трубы 8 взаимодействия вихрей, может быть изготовлена в качестве тепловой трубы. Совместное использование в конструкции вихревой трубы конической трубы 8 взаимодействия вихрей и центрального тела 10 диафрагмы 3 позволяет существенно уменьшить гидравлическое сопротивление вихревой трубы и исключить возможность возвратного течения вынужденного вихря в приосевой зоне трубы 8. Это достигается за счет того, что цилиндричность или небольшая конусность (не более одного градуса) границы раздела свободного и вынужденного вихрей обеспечивают движение свободного и вынужденного вихрей по спирали с постоянно увеличивающимся ее радиусом. В этом случае гидравлическое сопротивление вихревой трубы минимальное. Охлажденный вынужденный вихрь делится кромкой кольцевой выемки 14 на две части, т.е. осуществляется тeмператypнaя селекция вынужденного вихря. Менее охлажденная, обладающая большой тангенциальной скоростью, часть вынужденного вихря, она же промежуточный вихрь, безударно переводится кольцевой выемкой 14 в периферийную зону трубы 8 взаимодействия вихрей. Более охлажденная часть вынужденного вихря выводится из трубы 8 взаимодействия вихрей через отверстие диафрагмы 3 и трубку 2 вывода холодного потока. В трубке 2 вывода холодного потока размещены радиальные пластины 11, входные кромки которых отогнуты и ориентированы против набегающего потока. Пластины 11 прекращают вращательное движение холодного потока, что полностью исключает возникновение вторичного вихревого эффекта в трубке 2 вывода холодного потока, и, обладая свойством осевого вентилятора, обеспечивают подачу воздуха в охлаждаемый объект. Из трубки 2 вывода холодного потока воздух подается в охлаждаемый объект 21. Охлаждая объект 21 (кабину или салон транспортного средства), воздух нагревается и далее возвращается в трубку 12 ввода охлаждаемого потока. На этом контур охлаждения объекта замыкается. The functioning of the cooling circuit of the object is as follows. The cooled stream through the tube 12 is drawn into the axial zone of the nozzle 16 due to its ejection by an intermediate vortex, forcedly fed into the axial zone of the nozzle 16 by aerodynamic blades 17. In this case, the ejector of the cooled flow, using the kinetic energy of the intermediate vortex, works as a vacuum pump with respect to the cooled object 21. This helps to increase the flow rate of the cooled stream through the tube 8 of the interaction of vortices and prevents the overall decrease in pressure in the pipe 8 due to the removal of air from it rad with real plates 11. During the ejection of a cooled stream by an intermediate vortex, they mix and form a forced vortex. In addition, when mixing, the initial spin of the cooled stream and the decrease in the angular velocity of the intermediate vortex occur, which prevents its spontaneous return to the peripheral zone of the vortex interaction pipe 8. Formed forced vortex, moving to the diaphragm 3, interacts with the free vortex and heats it, at the same time cools itself. When cooling, the forced vortex increases its density, while the required cross-sectional area in the axial zone of the pipe 8 of the interaction of the vortices for its passage decreases. The reduction of the cross-sectional area of the vortex interaction pipe 8 in its axial zone is achieved by using the central body 10 of the diaphragm 3, made through the vortex interaction pipe 8, with a diameter decreasing towards its hot end. To regulate heat fluxes according to the material of the central body 10, it is made integral, one part of it, within the cold flow outlet tube and up to 0.35 length of the vortex interaction tube 8, is made of material with high thermal conductivity, the other part, up to the cooled flow inlet tube 12 inclusive, made of a material with low thermal conductivity. In order to enhance the cooling effect of the forced vortex discharged from the pipe 8, a part of the central body 10, within the cold flow outlet pipe 2 and up to 0.35 of the length of the vortex interaction pipe 8, can be made as a heat pipe. The joint use in the design of the vortex tube of the conical pipe 8 of the interaction of the vortices and the central body 10 of the diaphragm 3 can significantly reduce the hydraulic resistance of the vortex tube and exclude the possibility of the return flow of the forced vortex in the axial zone of the pipe 8. This is achieved due to the fact that the cylindricity or small taper (not more than one degree) the boundary between the free and forced vortices ensures the movement of the free and forced vortices in a spiral with a constantly increasing its radius. In this case, the hydraulic resistance of the vortex tube is minimal. The cooled forced vortex is divided into two parts by the edge of the annular recess 14, i.e. temperature selection of the forced vortex is carried out. A less cooled part, with a high tangential velocity, a part of the forced vortex, which is also an intermediate vortex, is shocklessly transferred by an annular recess 14 into the peripheral zone of the vortex interaction tube 8. The more cooled part of the forced vortex is discharged from the vortex interaction pipe 8 through the opening of the diaphragm 3 and the cold flow outlet pipe 2. In the tube 2 of the output of the cold flow placed radial plate 11, the inlet edges of which are bent and oriented against the incident flow. The plates 11 stop the rotational movement of the cold stream, which completely eliminates the occurrence of a secondary vortex effect in the tube 2 output cold flow, and, having the property of an axial fan, provide air to the cooled object. From the cold flow outlet pipe 2, air is supplied to the cooled object 21. By cooling the object 21 (the cabin or the passenger compartment of the vehicle), the air is heated and then returned to the cooled flow inlet pipe 12. This closes the cooling circuit of the object.

Устройство по предлагаемому изобретению промышленно применимо и обеспечивает селекцию вынужденного вихря, повышает уровень теплопередачи от вынужденного к свободному вихрю, обеспечивает более высокий уровень утилизации кинетической энергии свободного и вынужденного вихрей, уменьшает гидравлическое сопротивление трубы взаимодействия вихрей и не допускает возвратного течения вынужденного вихря в приосевой зоне трубы взаимодействия вихрей. Все это позволяет повысить холодильный КПД рассматриваемой вихревой трубы по сравнению с прототипом не менее чем в два раза. The device according to the invention is industrially applicable and provides for the selection of a forced vortex, increases the level of heat transfer from the forced to the free vortex, provides a higher level of utilization of the kinetic energy of the free and forced vortices, reduces the hydraulic resistance of the vortex interaction tube and prevents the forced vortex from returning in the axial zone of the pipe vortex interactions. All this allows to increase the refrigeration efficiency of the considered vortex tube in comparison with the prototype at least twice.

Источники информации
1. SU 1208429 A, F 25 B 9/02, 1984.Sources of information
1. SU 1208429 A, F 25 B 9/02, 1984.

2. Меркулов А.П. Вихревой эффект и его применение в технике. М.: Машиностроение, 1969, с. 97-99. 2. Merkulov A.P. Vortex effect and its application in technology. M.: Mechanical Engineering, 1969, p. 97-99.

Claims

1. A vortex tube containing a nozzle inlet, a free-forced vortex interaction tube, a diaphragm with a central body, a cold flow outlet tube, a hot flow outlet diffuser with an axial cooled flow inlet tube, the inner diameter of which is smaller than the diameter of the diaphragm opening, characterized in that the diaphragm is placed at the inlet end of the cold flow outlet tube, located coaxially in the housing, which is mounted on the cold end of the vortex interaction tube, around the diaphragm opening n forced vortex separator in the form of an annular recess in the material of the diaphragm, an ejector of a cooled flow made in the form of a glass with an axial tube for introducing a cooled stream and aerodynamic vanes is installed on the wall of the slot diffuser, while the axial tube for introducing a cooled stream is passed through the bottom of the glass, aerodynamic blades are installed cantilever on the bottom of the glass around the outlet of the tube and made tapering from the base to the end, and the input edges of the blades are oriented against the incident vortex, nozzles The howling input is made as a combination of tangential nozzles and an annular cavity of oval cross-section located in the space between the cold flow outlet tube, the diaphragm, the wall and the bottom of the housing, and the outputs of the tangential nozzles within the annular cavity are located closer to the bottom of the housing than to the diaphragm, the annular cavity of the nozzle the input is connected to the vortex interaction pipe through an annular axial channel formed by the lateral surface of the diaphragm and the inner surface of the vortex interaction pipe or the housing wall, in vortex tube structures, a conical vortex interaction tube, the diameter of which increases towards the hot end of the vortex tube, and a conical central diaphragm body made through the vortex interaction tube, the diameter of which within the vortex interaction tube decreases toward the hot end of the vortex tube, are used together with this the angle of the cone of the tube interaction vortices and the angle of the cone of the Central body of the diaphragm are selected in such a way that provides I form the interface between the free and forced vortices.

2. The vortex tube according to claim 1, characterized in that the opening angle of the cone of the vortex interaction pipe and the opening angle of the cone of the central body of the diaphragm are selected so that the interface between the free and forced vortices has the shape of a truncated cone with a solution angle of not more than one degree.

3. The vortex tube according to claim 1, characterized in that the outputs of the tangential nozzles are connected to an annular groove made on the inner surface of the housing wall within the annular cavity of the nozzle inlet, and the annular groove is located closer to the bottom of the housing than to the diaphragm.

4. The vortex tube according to claim 1, characterized in that the aerodynamic blades of the cooled stream ejector are installed in an annular recess made in the bottom of the glass between the axial tube of the input of the cooled stream and the wall of the glass.

5. The vortex tube according to claim 1, characterized in that the aerodynamic blades of the cooled flow ejector are made with a concave profile and are geometrically twisted.

6. The vortex tube according to claim 1 or 5, characterized in that the end parts of the aerodynamic blades of the cooled flow ejector are rounded.

7. The vortex tube according to claim 1 or 5, characterized in that the end parts of the aerodynamic blades of the ejector of the cooled stream are fastened together by a ring, while the blades and the ring taken together in height do not protrude into the vortex interaction tube.

8. The vortex tube according to claim 1, characterized in that the surface of the annular recess of the forced vortex separator is coated with a material with low thermal conductivity.

9. The vortex tube according to claim 1, characterized in that the glass of the ejector of the cooled stream is made of a material with low thermal conductivity.

10. The vortex tube according to claim 1, characterized in that the ejector of the cooled stream is made in the form of a cup with a truncated cone located inside, the larger base of which faces the bottom of the cup and is equal to the inner diameter of the cup, while the truncated cone has an axial channel, which is a continuation of the tube the input of the cooled flow, channels are made in the material of the cone, the outputs of which are oriented tangentially to the surface of the axial channel, and the inputs are oriented against the incident vortex.

11. The vortex tube according to claim 10, characterized in that the axial channel of the truncated cone in the direction of movement of the forced vortex is made conical-cylindrical with the extension of the conical part towards the diaphragm of the vortex tube.

12. The vortex tube according to claim 1, characterized in that at least one annular groove is made on the lateral surface of the diaphragm, which is the inner wall of the annular axial channel.

13. The vortex tube according to claim 12, characterized in that the annular axial channel is made of confuser-diffuser, while the first annular groove in the direction of the flow on the lateral surface of the diaphragm is located at the beginning of its diffuser part.

14. The vortex tube according to claim 1, characterized in that the annular axial channel is made diffuser-confuser.

15. The vortex tube according to claim 1, characterized in that the central body of the diaphragm is made integral, one part within the outlet pipe of the cold stream and up to 0.35 lengths of the interaction tube of the vortices is made of a material with high thermal conductivity, the other part is up to the input tube of the cooled The flow inclusive is made of a material with low thermal conductivity.

16. The vortex tube according to claim 15, characterized in that a part of the central body of the diaphragm within the outlet pipe of the cold stream and up to 0.35 lengths of the vortex interaction tube is made as a heat pipe.