RU2281443C2

RU2281443C2 - Vortex device and method of its operation

Info

Publication number: RU2281443C2
Application number: RU2004103544/06A
Authority: RU
Inventors: Юрий Григорьевич Белостоцкий (RU); Юрий Григорьевич Белостоцкий
Original assignee: Юрий Григорьевич Белостоцкий
Priority date: 2004-02-03
Filing date: 2004-02-03
Publication date: 2006-08-10
Also published as: RU2004103544A

Abstract

FIELD: heat engineering.

SUBSTANCE: method comprises causing the gas to flow through the nozzle, accelerating a and cooling the flow, and supplying it tangentially to the inner side of a curved wall that defines a swirling chamber. After cooling the flow, the cold is removed from the outer side of the heat-conducting curved wall. The vortex device comprises supplying nozzle and inner side of the curved wall that is tangentially conjugated to the nozzle and defines the swirling chamber. The length of the swirling chamber is larger than the thickness of the scroll.

EFFECT: enhanced efficiency.

19 cl, 12 dwg

Description

Изобретение относится к области вихревых теплообменных устройств.The invention relates to the field of vortex heat exchange devices.

Известен способ работы вихревого устройства, включающий пропускание через сопло потока газа, его ускорение и охлаждение, а также тангенциальную подачу на внутреннюю поверхность криволинейной стенки [1, с.7].A known method of operation of a vortex device, including passing through a nozzle a gas stream, its acceleration and cooling, as well as the tangential supply to the inner surface of a curved wall [1, p.7].

Известный способ реализуется в конструкции вихревого устройства, которое содержит подающее сопло и тангенциально сопряженную с ним внутреннюю поверхность криволинейной (круглой) стенки [1, с.7, рис.1.1], выполненной в виде камеры закручивания с расположенной в ней улиткой.The known method is implemented in the design of the vortex device, which contains a feed nozzle and tangentially conjugated with it the inner surface of the curved (round) wall [1, p. 7, Fig. 1.1], made in the form of a swirling chamber with a snail located in it.

При этом под камерой закручивания понимается передняя часть вихревого устройства, в которой всего лишь формируется вихрь на улитке, но процесс энергообмена еще не явно выражен и фактически начинается уже за пределами этой камеры.In this case, the swirling chamber is understood as the front part of the vortex device, in which the vortex on the cochlea is just formed, but the energy exchange process is not yet clearly expressed and actually begins already outside this chamber.

Несмотря на то, что после интенсивного разгона в сопле ускорившийся поток всегда сильно охлаждается и поступает в камеру закручивания холодным, но из-за малой длины L камеры закручивания отвод холода из нее невозможен, поэтому конструктивно это никогда и не предусматривается.Despite the fact that after intensive acceleration in the nozzle, the accelerated flow is always very cooled and enters the swirl chamber cold, but due to the small length L of the swirl chamber, it is impossible to remove cold from it, therefore this is never provided for in a constructive way.

При этом длина L камеры закручивания всегда принимается равной толщине h улитки, т.е. L=h, что приблизительно всегда равняется линейному размеру сечения входного сопла. Обычно величина h не превышает нескольких миллиметров [1, с.63]. Именно такие небольшие размеры камеры не позволяют использовать ее наружную поверхность для теплообмена. Это является недостатком.The length L of the swirling chamber is always taken equal to the thickness h of the cochlea, i.e. L = h, which approximately always equals the linear size of the cross section of the inlet nozzle. Usually, the value of h does not exceed a few millimeters [1, p. 63]. It is these small dimensions of the chamber that do not allow the use of its outer surface for heat transfer. This is a disadvantage.

Для устранения такого недостатка необходимо увеличить длину камеры закручивания, выполнив условие L>h, и обеспечить теплообмен (теплоприток) через ее стенку.To eliminate this drawback, it is necessary to increase the length of the twisting chamber by fulfilling the condition L> h and to ensure heat transfer (heat gain) through its wall.

При интенсивном охлаждении в результате разгона в сопле происходит интенсивная конденсация всех легкокипящих фракций (скачок конденсации) и их вымораживание. В таком переохлажденном состоянии конденсат поступает в камеру закручивания, но из-за малой ее длины, не задерживаясь, сразу же поступает в камеру энергообмена, где конденсат интенсивно подогревается и частично испаряется. Именно в результате таких неустановившихся, хотя и кратковременных процессов, конденсат, не успевая сепарироваться, сразу поступает в осевой поток, внося в него разрушительные возмущения, что резко ухудшает характеристики вихревого устройства [2, с.66], а также не позволяет сепарировать большую часть легкокипящих фракций.During intensive cooling, as a result of acceleration in the nozzle, intense condensation of all low-boiling fractions (jump in condensation) and their freezing occur. In such a supercooled state, the condensate enters the swirl chamber, but due to its small length, without lingering, it immediately enters the energy exchange chamber, where the condensate is intensively heated and partially evaporated. It is as a result of such unsteady, albeit short-term processes, that the condensate, not having time to separate, immediately enters the axial flow, introducing destructive perturbations into it, which sharply worsens the characteristics of the vortex device [2, p.66], and also does not allow separating most low boiling fractions.

Это также является недостатком.This is also a disadvantage.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является увеличение холодопроизводительности за счет обеспечения возможности работы на сверхзвуковых скоростях, а также обеспечение возможности работы вихревой трубы на влажном газе.The technical result of the invention is to increase the cooling capacity by providing the ability to work at supersonic speeds, as well as providing the possibility of the vortex tube to work on wet gas.

Указанный технический результат в части способа достигается тем, что после (динамического) охлаждения потока в ускоряющем сопле отбирают холод от наружной части теплопроводной криволинейной стенки.The specified technical result in terms of the method is achieved by the fact that after the (dynamic) cooling of the flow in the accelerating nozzle, cold is taken from the outer part of the heat-conducting curved wall.

При этом в процессе перемещения по криволинейной стенке поток изолируют (отделяют) от оси вращения с помощью круглого дефлектора. Кроме того, после охлаждения потока отбирают конденсат от его части, движущейся по внутренней периферийной части криволинейной поверхности.Moreover, in the process of moving along a curved wall, the flow is isolated (separated) from the axis of rotation using a circular deflector. In addition, after cooling the stream, condensate is taken from its part moving along the inner peripheral part of the curved surface.

Указанный технический результат в части устройства достигается тем, что длина криволинейной поверхности, тангенциально сопряженной с подающим соплом, выполняется большей, чем толщина улитки (L>h), т.е. большей, чем линейный размер сечения среза сопла.The indicated technical result in the device part is achieved by the fact that the length of the curved surface tangentially conjugated to the feed nozzle is greater than the thickness of the cochlea (L> h), i.e. larger than the linear size of the nozzle exit section.

Сущность изобретения поясняется следующим образом.The invention is illustrated as follows.

Известно, что при ускорении в ускоряющих соплах происходит самопроизвольное (динамическое) понижение температуры газа [3, с.700]. Можно подсчитать, что при Т_вх=Т₁=293К(+20°С) и при разгоне газового потока до М₂=0,6 (W₂≅200 м/сек - типичный режим работы известных вихревых устройств), ускорившийся в сопле поток (динамически) охладится до Т₂=273К (0°С) и в термодинамическом состоянии W₃=W₂ и Т₃=T₂ поступает на внутреннюю поверхность камеры закручивания (на улитку), откуда без изменения состояния перетекает в камеру энергообмена. В камере энергообмена охлажденный периферийный поток вначале подогревается от Т₃ опять до T₁в результате энергообмена с осевым потоком и только лишь после выравнивания температур (переходной режим) начинается интенсивный процесс подогрева периферийного и выхолаживания осевого потоков (установившийся режим). Получается, что значительная доля холодопроизводительности известного вихревого устройства тратится на выравнивание температур охлажденного периферийного и осевого потоков. Это является существенным недостатком.It is known that during acceleration in accelerating nozzles a spontaneous (dynamic) decrease in gas temperature occurs [3, p. 700]. It can be calculated that when T _in = T ₁ = 293K (+ 20 ° C) and when the gas stream accelerates to M ₂ = 0.6 (W ₂ ≅ 200 m / s is a typical operating mode of known vortex devices), it accelerated in the nozzle the flow (dynamically) cools to T ₂ = 273K (0 ° C) and, in the thermodynamic state, W ₃ = W ₂ and T ₃ = T ₂ enters the inner surface of the swirl chamber (to the cochlea), from where without changing the state it flows into the energy exchange chamber. In the energy exchange chamber, the cooled peripheral flow is first heated from T ₃ again to T ₁ as a result of energy exchange with the axial flow, and only after temperature equalization (transitional mode) does the intensive process of heating the peripheral and axial flow cooling (steady state) begin. It turns out that a significant proportion of the cooling capacity of the known vortex device is spent on equalizing the temperatures of the cooled peripheral and axial flows. This is a significant drawback.

Также известно, что вихревые трубы (ВТ) не работают со сверхзвуковыми соплами [1, с.30]. Это можно объяснить тем, что такие сопла на выходе выдают очень холодный газ, низкая (динамическая) температура которого и не позволяет реализовать вихревой эффект.It is also known that vortex tubes (VT) do not work with supersonic nozzles [1, p.30]. This can be explained by the fact that such nozzles at the outlet produce very cold gas, the low (dynamic) temperature of which does not allow the vortex effect to be realized.

Если воспользоваться формулой (8.101) из [4, с.252], то можно подсчитать, что при ускорении в сверхзвуковом сопле Лаваля на входе в ВТ от дозвуковой скорости W₁=30 м/сек, т.е. от M₁≅0,1 до сверхзвуковой М₂=1,5 (W₂≅500 м/сек), воздух, поступающий из сопла в камеру энергообмена, охлаждается от T₁=293K(+20°C) до Т₂=202К(-71°С). А это, как показывает практика, сразу приводит к отказу в работе ВТ, что можно пояснить следующим образом.If we use the formula (8.101) from [4, p.252], then we can calculate that when accelerating in a supersonic Laval nozzle at the entrance to the VT from a subsonic speed W ₁ = 30 m / s, i.e. from M ₁ ≅0.1 to supersonic M ₂ = 1.5 (W ₂ ≅ 500 m / s), the air entering from the nozzle into the energy exchange chamber is cooled from T ₁ = 293K (+ 20 ° C) to T ₂ = 202K (-71 ° C). And this, as practice shows, immediately leads to the failure of the VT, which can be explained as follows.

Эксперименты с низкими входными (отрицательными) температурами (менее 0°С) показывают очень низкую температурную эффективность (и Δt_хол, и Δt_гор) обычной ВТ в этой области температур. Например, реальные эксперименты, проведенные автором данного изобретения на серийной ВТ с нерегулируемым дросселем и с дозвуковым конусным соплом, при входном давлении воздуха Р_вх=P₁=10 атм и при T₁=293K, показали, что ее температурная эффективность неизменно характеризуется Δt_хол=50...70 град и Δt_гор=35...40 град.Experiments with low inlet (negative) temperatures (less than 0 ° C) show a very low temperature efficiency (both Δt _cold and Δt _mountains ) of a conventional VT in this temperature range. For example, actual experiments conducted by the present inventors on the serial BT with fixed throttle and a subsonic conical nozzle at an inlet pressure of air P _Rin = P ₁ = 10 atm and with T ₁ = 293K, showed that its temperature efficiency invariably characterized Δt _cold = 50 ... 70 degrees and Δt _mountains = 35 ... 40 degrees.

При снижении T₁=до 253К...237К происходит общее резкое уменьшение температурной эффективности до Δt_хол=30...15 град и до Δt_гор=7...3 град.With a decrease in T ₁ = to 253K ... 237K, a general sharp decrease in temperature efficiency occurs to Δt _{cold =} 30 ... 15 degrees and to Δt _mountains = 7 ... 3 degrees.

Такие результаты убедительно показывают прямую зависимость эффективности ВТ от входной температуры, о чем утверждают и другие авторы, например, [1, с.18 и др.]. При криогенных динамических температурах, характерных для обычных сверхзвуковых сопел, вихревой эффект уже не реализуется. Получается, что для работы ВТ в сверхзвуковом режиме необходим подогрев холодного газа, поступающего из ускоряющего сопла в камеру энергообмена.Such results convincingly show a direct dependence of the efficiency of the VT on the input temperature, as other authors claim, for example, [1, p. 18 and others]. At cryogenic dynamic temperatures characteristic of conventional supersonic nozzles, the vortex effect is no longer realized. It turns out that for the VT to operate in supersonic mode, it is necessary to heat the cold gas coming from the accelerating nozzle into the energy exchange chamber.

Поэтому, если от периферийного вращающегося холодного потока обеспечить отбор части (динамического) холода за счет подогрева этого потока от наружной стенки камеры закручивания, то можно повысить эффективность работы вихревого устройства, в том числе обеспечить работоспособность ВТ со сверхзвуковыми соплами, поскольку при этом можно повысить температуру газа, поступающего в камеру энергообмена.Therefore, if part of the (dynamic) cold is secured from a peripheral rotating cold stream by heating this stream from the outer wall of the swirl chamber, it is possible to increase the efficiency of the vortex device, including ensuring the operability of the VT with supersonic nozzles, since it is possible to increase the temperature gas entering the energy exchange chamber.

Для этого нужно развить (увеличить) поверхность камеры закручивания за счет ее удлинения, т.е. длина L камеры должна быть больше, чем толщина улитки h. (В известных ВТ всегда L=h).To do this, it is necessary to develop (increase) the surface of the twisting chamber due to its elongation, i.e. the length L of the chamber should be greater than the thickness of the cochlea h. (In known VTs, L = h always).

Фиг.1 показывает предлагаемую конструкцию.Figure 1 shows the proposed design.

Вихревое устройство содержит круглую камеру закручивания 1 со стенкой 2, имеющей внутреннюю криволинейную поверхность 2'. К этой поверхности тангенциально присоединен патрубок 3 удлинителя 4 с ускоряющим соплом 5, имеющим длину L₁. Удлинитель 4 имеет длину L₂. Патрубок 3 имеет входное сечение h. Ускоряющее сопло 5 может быть выполнено или в виде сверхзвукового сопла Лаваля (фиг.1, а), или дозвукового сопла, выполненного по лемнискате (фиг.1, б), или в виде простейшего дозвукового конусного сопла (фиг.1, в). Стенка 2 камеры закручивания 1 имеет минимальную толщину и выполнена из теплопроводного материала (медь, алюминий и др.). Внутренняя поверхность стенки 2 полирована, а на внешней стороне стенки на длине L расположено теплообменное устройство, выполненное в виде теплообменных ребер 6. Для обеспечения нужного перепада давления выходной патрубок 7 содержит дроссель 8.The vortex device comprises a circular twisting chamber 1 with a wall 2 having an internal curved surface 2 '. To this surface the nozzle 3 of the extension cord 4 is tangentially attached with an accelerating nozzle 5 having a length L ₁ . Extension 4 has a length L ₂ . The pipe 3 has an inlet section h. The accelerating nozzle 5 can be made either in the form of a supersonic Laval nozzle (Fig. 1, a), or a subsonic nozzle made according to the lemniscate (Fig. 1, b), or in the form of a simple subsonic conical nozzle (Fig. 1, c). The wall 2 of the swirl chamber 1 has a minimum thickness and is made of heat-conducting material (copper, aluminum, etc.). The inner surface of the wall 2 is polished, and on the outer side of the wall along the length L there is a heat exchange device made in the form of heat exchange fins 6. To ensure the desired pressure drop, the outlet pipe 7 contains a throttle 8.

Выходной патрубок 7 камеры закручивания 1, в зависимости от технологической задачи, может быть свободно открыт в атмосферу через дроссель 8, или может присоединяться к другим устройствам, например к глушителю шума, к теплообменнику (не показаны), к камере энергообмена вихревой трубы (фиг.9, 10 и 11) и т.п.The outlet pipe 7 of the swirling chamber 1, depending on the technological task, can be freely opened into the atmosphere through the throttle 8, or can be connected to other devices, for example, to a noise muffler, to a heat exchanger (not shown), to the energy exchange chamber of the vortex tube (Fig. 9, 10 and 11), etc.

Камера закручивания может иметь или цилиндрическую (фиг.1 и др.), или коническую форму (фиг.2 и 9). При этом конус может быть или расширяющимся (фиг.2, а и фиг.9), или сужающимся (фиг.2, б).The twisting chamber may have either a cylindrical (figure 1 and others), or a conical shape (figure 2 and 9). In this case, the cone can be either expanding (figure 2, a and figure 9), or tapering (figure 2, b).

Рассматриваемое устройство работает следующим образом.The device in question works as follows.

В известных конструкциях вихревых устройств суживающееся ускоряющее сопло своим срезом обычно располагается непосредственно на входе в круглую камеру закручивания. Поэтому при использовании влажного газа процесс конденсации («скачок конденсации»), начавшись на срезе сопла, перемещается на улитку (в камеру закручивания), а оттуда - сразу в камеру энергообмена, где процесс конденсации (изменение фазового состава) некоторое время продолжается, а это как уже отмечалось, оказывает негативное влияние на процесс формирования осевого вихря.In known designs of vortex devices, the tapering accelerating nozzle with its cut is usually located directly at the entrance to the circular swirling chamber. Therefore, when using wet gas, the condensation process (“condensation jump”), starting at the nozzle exit, moves to the cochlea (into the swirl chamber), and from there - immediately to the energy exchange chamber, where the condensation process (change in phase composition) continues for some time, and this as already noted, has a negative effect on the formation of the axial vortex.

При приближении скорости потока к скорости звука (М₂→1) на срезе сопла, находящегося на входе в камеру закручивания, начинают возникать низкочастотные колебания, разрушающие структуру периферийного вихря и препятствующие формированию осевого потока.When the flow velocity approaches the speed of sound (M ₂ → 1), low-frequency oscillations begin to occur at the nozzle exit located at the entrance to the swirl chamber, which destroy the structure of the peripheral vortex and prevent the formation of axial flow.

При достижении на срезе сопла критической скорости истечения (М₂=1) часто происходит его «влажное запирание», связанное с невозможностью перемещения процесса конденсации в камеру энергообмена из-за разрушения в ней взаимодействующих потоков (возникает хаотичное перемешивание потоков).When a nozzle exit reaches a critical outflow rate (M ₂ = 1), it often “wet shuts off” due to the impossibility of moving the condensation process into the energy exchange chamber due to the destruction of interacting flows in it (chaotic mixing of flows occurs).

Но при переходе через режим М₂=1 и возрастании скорости до М₂>1 колебательный процесс становится установившимся, частота колебаний (разрушающих осевой поток) возрастает и квазитвердый периферийный вращающийся поток сформировать не удается, хотя его возникновение не противоречит динамике процесса. Этим можно объяснить, почему использование сверхзвуковых сопел пока не привело к положительным результатам [1, с.30].But when passing through the M ₂ = 1 mode and increasing the speed to M ₂ > 1, the oscillatory process becomes steady-state, the oscillation frequency (destroying the axial flow) increases and a quasi-solid peripheral rotating flow cannot be formed, although its occurrence does not contradict the dynamics of the process. This can explain why the use of supersonic nozzles has not yet led to positive results [1, p.30].

Для исправления такой ситуации необходимо перед отбором холода от наружной части теплопроводной криволинейной стенки зону окончания процесса «скачка конденсации» сместить из камеры закручивания во внутреннюю полость сопла, но только не за счет удлинения ускоряющей части, обозначенной как L₁. Для этого сопло нужно удлинить сопряженным с криволинейной поверхностью равномерным по сечению (например, прямоугольным или даже круглым цилиндрическим) удлинителем 4 (фиг.1), длина L₂ которого достаточна для обеспечения окончания процесса «скачка конденсации» до входа в камеру закручивания.To correct this situation, it is necessary to remove the end of the “condensation jump” process from the swirling chamber into the internal cavity of the nozzle before taking the cold from the outside of the heat-conducting curved wall, but not by lengthening the accelerating part, designated as L ₁ . To do this, the nozzle must be extended by the extender 4 (FIG. 1), uniform in cross section (for example, a rectangular or even round cylindrical), the length L _{2 of} which is sufficient to ensure the end of the “condensation jump” process before entering the twisting chamber.

Длина L₂ такого участка сопла: L₂≥W₂t_k, где W₂ - скорость потока на этом участке; t_k - время, необходимое для протекания процесса «скачка конденсации». Например, из практики известно, что время, необходимое для протекания процесса конденсации метана при его дросселировании, составляет около 0,025с (после его истечения из дросселя). Понижение температуры в момент ускорения газа в сверхзвуковом сопле протекает на порядок более интенсивно, чем изменение температуры при дросселировании. Поэтому длительность протекания процесса конденсации при вытекании из сверхзвукового сопла (продолжительность скачка конденсации) также можно считать на порядок более коротким. Тогда при М₂≅1 в нашем случае L₂ будет не более 0,9...1,0 метра, a L₂ при М₂≅1,5 будет не более 1,4...1,5 метра, что вполне допустимо для создания реальной конструкции.The length L _{2 of} such a nozzle section: L ₂ ≥W ₂ t _k , where W ₂ is the flow rate in this section; t _k is the time required for the process of "condensation jump". For example, it is known from practice that the time required for the methane condensation process to occur during its throttling is about 0.025 s (after it expires from the throttle). The temperature decrease at the moment of gas acceleration in the supersonic nozzle proceeds an order of magnitude more intensively than the temperature change during throttling. Therefore, the duration of the condensation process during leakage from a supersonic nozzle (the duration of the condensation jump) can also be considered an order of magnitude shorter. Then, with M ₂ ≅1, in our case, L ₂ will be no more than 0.9 ... 1.0 meters, and L ₂ with M ₂ ≅1.5 there will be no more than 1.4 ... 1.5 meters, which It is quite acceptable to create a real design.

Известно, что в витых теплообменниках теплообмен всегда более интенсивен с наружной стороны навитых трубок по сравнению с теплообменом их внутренней стороны и даже по сравнению с теплообменом прямолинейных участков. Это объясняется тем, что центробежные силы инерции, прижимая движущийся газ к периферийной стенке намотанной (изогнутой) трубки теплообменника, повышают плотность газа на этом участке и интенсифицируют теплообмен.It is known that in twisted heat exchangers, heat transfer is always more intense from the outside of the wound tubes compared to the heat transfer of their inner side and even compared to the heat transfer of straight sections. This is explained by the fact that centrifugal inertia forces, pressing the moving gas to the peripheral wall of the wound (bent) tube of the heat exchanger, increase the gas density in this section and intensify heat transfer.

Такой же эффект интенсификации теплообмена с периферийной стороны вращающегося сверхзвукового потока предлагается в данном изобретении.The same effect of the intensification of heat transfer from the peripheral side of a rotating supersonic flow is proposed in this invention.

Отбор холода от наружной поверхности стенки 2 (ее подогрев) через ребра 6 можно производить или с помощью обычного теплого дозвукового газового потока, пропускаемого через полость, образованную кожухом 9, и через патрубки 10 и 11 (фиг.3, а), или с помощью низкотемпературной жидкости (типа этиленгликоля, спирта, фреона и т.п.) (фиг.3, б).The selection of cold from the outer surface of the wall 2 (its heating) through the ribs 6 can be done either using a conventional warm subsonic gas flow passing through the cavity formed by the casing 9 and through the nozzles 10 and 11 (Fig. 3, a), or using low temperature liquid (such as ethylene glycol, alcohol, freon, etc.) (Fig.3, b).

С целью повышения эффективности теплообмена ребра охлаждения 6 можно разместить в полости тепловой трубы (см. фиг.4), где 12 - охлаждаемый объект, тоже помещенный в полость тепловой трубы [5]. На нагретом объекте 12 легкокипящая жидкость кипит и испаряется, охлаждая его, после чего конденсируется на ребрах 6, подогревая стенку 2.In order to increase the efficiency of heat transfer, the cooling fins 6 can be placed in the cavity of the heat pipe (see figure 4), where 12 is the cooled object, also placed in the cavity of the heat pipe [5]. On a heated object 12, a low-boiling liquid boils and evaporates, cooling it, after which it condenses on the fins 6, heating the wall 2.

Известно, что вращающиийся газовый вихрь стремится создать еще одну дополнительную структуру по оси вихря [5 и др.]. А такой процесс, да еще совмещенный с процессом конденсации (как уже отмечалось), действует разрушительно на сверхзвуковой поток, вводимый тангенциально внутрь камеры закручивания.It is known that a rotating gas vortex tends to create another additional structure along the axis of the vortex [5, etc.]. And such a process, combined with the condensation process (as already noted), has a destructive effect on the supersonic flow introduced tangentially into the swirl chamber.

Для уменьшения вероятности возникновения такого нежалательного явления в процессе перемещения потока по криволинейной стенке необходимо такой поток изолировать (отделить) от оси вращения с помощью круглого дефлектора (фиг.5, а). Осевой дефлектор 13 можно выполнить или в виде круглого сплошного стержня или пустотелой трубки (фиг.5, б). Тогда получается, что при наличии дефлектора поток будет вращаться уже не в цилиндрическом, а в кольцевом канале (с изолированным осевым пространством).To reduce the likelihood of such an undesirable phenomenon in the process of moving the flow along a curved wall, it is necessary to isolate (separate) this flow from the axis of rotation using a circular deflector (Fig. 5, a). The axial deflector 13 can be made either in the form of a round solid rod or a hollow tube (Fig.5, b). Then it turns out that in the presence of a deflector, the flow will no longer rotate in the cylindrical, but in the annular channel (with an isolated axial space).

Такой же «изоляции» от осевого пространства движущегося по криволинейной поверхности потока можно достигнуть, если после сопла поток завести не в прямой, а в изогнутый удлинитель, выполненный в виде изогнутой (закрученной) трубки 14, в результате чего поток тоже получит вращение (фиг.6, а) и также начнет прижиматься к внутренней поверхности периферии вращения. При этом на наружной поверхности периферии вращения можно разместить теплообменные ребра 6, благодаря которым холодный газ, подогреваясь от окружающей среды, поступит в камеру 1 более теплым. В зависимости от термодинамической задачи угол закрутки трубки 14 может иметь различное значение и даже превышать 360° (см. фиг.6, б). При этом камера закручивания может быть просто выполнена в виде изогнутой (закрученной) трубки (трубчатой спирали).The same “isolation” from the axial space of the flow moving along a curved surface can be achieved if, after the nozzle, the flow is not brought into a straight line, but into a curved extension, made in the form of a curved (twisted) tube 14, as a result of which the flow will also receive rotation (Fig. 6a) and will also begin to be pressed against the inner surface of the periphery of rotation. In this case, heat exchange fins 6 can be placed on the outer surface of the periphery of rotation, due to which cold gas, being heated from the environment, will enter the chamber 1 warmer. Depending on the thermodynamic problem, the twist angle of the tube 14 may have a different value and even exceed 360 ° (see Fig.6, b). In this case, the swirling chamber can simply be made in the form of a curved (twisted) tube (tubular spiral).

Если вместо ребер 6 на наружную периферийную поверхность трубки 14 (фиг.7) или стенки 2 (фиг.8) нанести теплоизоляцию 15, то такое устройство можно использовать в качестве конденсатоотделителя - т.е. для осушки газа. При этом в ускорившемся и охладившемся в сопле 5 газе, конденсируются тяжелые фракции (влага и др.), которые при движении по криволинейной поверхности, т.е. под действием центробежных сил, прижимаются к внутренней периферийной поверхности (2' или 14'), концентрируются на ней и тонкой пленкой стекают через конденсатоотводчик в обычный конденсатосборник (для наглядности на чертежах конденсат изображен не в виде пленки, а в виде капель).If, instead of ribs 6, thermal insulation 15 is applied to the outer peripheral surface of the tube 14 (Fig. 7) or wall 2 (Fig. 8), then such a device can be used as a condensate trap - i.e. for drying gas. In this case, in the gas accelerated and cooled in the nozzle 5, heavy fractions (moisture, etc.) condense, which, when moving along a curved surface, i.e. under the action of centrifugal forces, they are pressed against the inner peripheral surface (2 'or 14'), concentrated on it and flow down through a steam trap into a regular condensate collector with a thin film (for clarity, the condensate is shown not in the form of a film, but in the form of drops).

Кондесатоотводчик согласно фиг.7 изображен в виде прямого серповидного канала 16, а согласно фиг.8 - в виде прямого кольцевого канала 17.The steam trap according to Fig.7 is shown in the form of a direct crescent channel 16, and according to Fig.8 - in the form of a direct annular channel 17.

Даже если во время сепарации произошло замедление движения потока и температура торможения превзошла температуру, необходимую для интенсивного испарения конденсата, все равно тяжелая испарившаяся фракция продолжит движение по периферии вращения и в виде насыщенного пара будет отведена через конденсатоотводчик.Even if during the separation the flow slowed down and the braking temperature exceeded the temperature necessary for intensive evaporation of the condensate, the heavy evaporated fraction will continue to move along the periphery of rotation and will be diverted through the steam trap in the form of saturated steam.

При вращении периферийный холодный поток подогревается через стенку 2 и тормозится о ее внутреннюю криволинейную поверхность 2'. В обоих случаях происходит торможение сверхзвукового потока и наступает режим М₃<1, вполне благоприятный для работы вихревой трубы.During rotation, the peripheral cold flow is heated through the wall 2 and is braked about its inner curved surface 2 '. In both cases, the supersonic flow is decelerated and the regime M ₃ <1 sets in, which is quite favorable for the operation of the vortex tube.

Как следует из вышесказанного, рассматриваемая конструкция может работать как самостоятельное охлаждающее устройство (фиг.1...8), так и в составе вихревой трубы (фиг.9, 10 и 11).As follows from the above, the design in question can work as an independent cooling device (Fig. 1 ... 8), and as part of a vortex tube (Fig. 9, 10 and 11).

Для этого выходной патрубок 7 камеры закручивания присоединяется к входу 18 камеры энергоразделения 19 вихревой трубы, при этом полый осевой дефлектор 13 служит диффузором (патрубком) холодного конца 20. Горячий конец вихревой трубы образован отражателем 21 осевого потока и дросселем 8. В результате такая вихревая труба будет состоять из двух самостоятельных частей, имеющих каждая свою температурную зону наружной поверхности: А - холодная зона и В - горячая зона.For this, the outlet pipe 7 of the swirl chamber is connected to the input 18 of the energy separation chamber 19 of the vortex tube, while the hollow axial deflector 13 serves as a diffuser (pipe) of the cold end 20. The hot end of the vortex tube is formed by an axial flow reflector 21 and a throttle 8. As a result, such a vortex tube will consist of two independent parts, each with its own temperature zone on the outer surface: A - cold zone and B - hot zone.

Между этими зонами (между камерами 1 и 19) располагается вход 22 конденсатоотводчика 16, осушающего газ перед подачей в камеру энергообмена 19 вихревой трубы (фиг.10).Between these zones (between chambers 1 and 19) is located the inlet 22 of the steam trap 16, which drains the gas before it enters the vortex tube energy exchange chamber 19 (Fig. 10).

В отличие от камеры энергообмена вихревой трубы, имеющей строго регламентированные (расчетные) размеры, рассматриваемая камера закручивания не требует строгого соблюдения размеров, поэтому ее диаметр D может быть значительно больше диаметра вихревой трубы D_o. Увеличением диаметра камеры закручивания можно сократить ее длину L, а также добиться уменьшения потерь на трение о стенку 2′. Сопрягаются между собой эти две камеры (2 и 19) с помощью сходящегося (по ходу движения газа) конуса - конфузора 23 (фиг.11).In contrast to the vortex tube energy exchange chamber, which has strictly regulated (calculated) dimensions, the considered swirling chamber does not require strict observance of the dimensions, therefore its diameter D can be significantly larger than the diameter of the vortex tube D _o . By increasing the diameter of the twisting chamber, it is possible to shorten its length L, as well as to reduce friction losses against the wall 2 ′. These two chambers (2 and 19) are interconnected with the help of a converging cone (along the gas flow) - a confuser 23 (Fig. 11).

Для обеспечения возможности управления работой рассматриваемого устройства можно производить вдув или отсос газа из движущегося потока через пористую стенку [Кириллин, стр.250]. Такими порами можно снабдить (в любом сочетании) и стенку удлинителя 4 сопла 5, и стенку 2 камеры закручивания 1 и трубчатый диффузор 13. Вдувая или отсасывая газ из движущегося потока, можно ускорять или тормозить поток не только внутри ускоряющего сопла [Кириллин, с.251, рис.8.14], но и в местах установившегося равномерного движения. На фиг.12 одновременно показаны различные варианты такого устройства.To provide the ability to control the operation of the device in question, it is possible to inject or suck out gas from a moving stream through a porous wall [Kirillin, p. 250]. Such pores can be provided (in any combination) with the wall of the extension 4 of the nozzle 5, and the wall 2 of the swirl chamber 1 and the tubular diffuser 13. By blowing or sucking gas from a moving stream, it is possible to accelerate or slow down the flow not only inside the accelerating nozzle [Kirillin, p. 251, Fig.8.14], but also in places of steady uniform motion. On Fig simultaneously shows various options for such a device.

Таким образом, увеличение длины камеры закручивания известного вихревого устройства позволяет производить отбор холода от ее наружной стенки, А это, в свою очередь, позволяет использовать не только дозвуковые, но и сверхзвуковые потоки для производства холода.Thus, increasing the length of the swirl chamber of the known vortex device allows the selection of cold from its outer wall, and this, in turn, allows the use of not only subsonic, but also supersonic flows for producing cold.

В то же время благодаря низкой температуре стенки камеры закручивания интенсифицируется теплообмен через эту стенку. В результате резко повышается температура торможения на выходе из такой камеры и выходящий газ будет иметь значительно более высокую температуру (Т_вых>100°С), по сравнению с температурой входной (Т_вх≅20°С). Это позволяет использовать рассматриваемое устройство не только в качестве охладителя, но и в качестве нагревателя, например в качестве высокоэффективного теплового насоса. Для этого камера закручивания вихревого устройства своей оребренной охлажденной поверхностью (имеющей длину L) может быть размещена в любых стоках, в вентиляционных каналах, в дымовых трубах, в проточных водоемах и др., при этом на выходе будем постоянно получать поток горячего газа, используемого, например, для отопления помещений, в технологических производственных целях и т.п.At the same time, due to the low temperature of the wall of the swirl chamber, heat transfer through this wall is intensified. The result is sharply increased brake temperature at the outlet of a chamber and the outlet gas will have a considerably higher temperature (T _out> 100 ° C), compared with the temperature input (T _in ≅20 ° C). This makes it possible to use the device in question not only as a cooler, but also as a heater, for example, as a highly efficient heat pump. To do this, the swirl chamber of the vortex device with its finned cooled surface (having a length L) can be placed in any drains, in ventilation ducts, in chimneys, in flowing ponds, etc., while the output will constantly receive a stream of hot gas used, for example, for space heating, for technological production purposes, etc.

ЛИТЕРАТУРАLITERATURE

1. Меркулов А.П. Вихревой эффект и его применение в технике. М.: - Машиностроение, М., 1969.1. Merkulov A.P. Vortex effect and its application in technology. M .: - Engineering, M., 1969.

2. Суслов А.Д., Иванов С.В., Мурашкин А.В., Чижиков Ю.В. Вихревые аппараты. М.: - Машиностроение, 1985.2. Suslov A.D., Ivanov S.V., Murashkin A.V., Chizhikov Yu.V. Vortex devices. M .: - Engineering, 1985.

3. Физический энциклопедический словарь. М.: Советская энциклопедия, 1984.3. Physical encyclopedic dictionary. M .: Soviet Encyclopedia, 1984.

4. Кириллин В.А., Сычев В.В., Шейдлин А.Е. Техническая термодинамика. М.: Энергоатомиздат, 1983.4. Kirillin V.A., Sychev V.V., Sheidlin A.E. Technical thermodynamics. M .: Energoatomizdat, 1983.

5. Елисеев В.Б., Сергеев Д.И. Что такое тепловая труба? М., 1971.5. Eliseev VB, Sergeev D.I. What is a heat pipe? M., 1971.

6. Кушин В.В. Смерч. М.: Энергоатомиздат, 1993 г.6. Kushin V.V. Tornado. M .: Energoatomizdat, 1993

Claims

1. The method of operation of a vortex device, including passing a gas stream through a nozzle, its acceleration and cooling, as well as its tangential supply to the inner surface of a curved wall forming a swirl chamber, characterized in that after cooling the flow, the cold is taken from the outside of the heat-conducting curved wall.

2. The method of operation of the vortex device according to claim 1, characterized in that after cooling the flow in the accelerating nozzle and before selecting the cold flow is passed through the nozzle extension.

3. The method of operation of the vortex device according to claim 1, characterized in that in the process of moving along a curved wall, the flow is isolated (separated) from the axis of rotation using a circular deflector.

4. The method of operation of the vortex device according to claim 1, characterized in that the flow is fed to the input of the vortex tube energy separation chamber.

5. A vortex device containing a supply nozzle and an inner surface of a curvilinear wall forming a twisting chamber tangentially conjugated with it, characterized in that the length L of the twisting chamber is greater than the thickness h of the cochlea (L> h).

6. The vortex device according to claim 5, characterized in that the feed nozzle is associated with a curved surface through an extension of the nozzle.

7. The vortex device according to claim 6, characterized in that the length L _{2 of the} nozzle extension is taken based on the condition L ₂ > W ₂ t _k , where W ₂ is the flow rate in this section; t _k is the time required for the condensation jump to occur.

8. The vortex device according to claim 5, characterized in that along the axis of the cavity formed by the curved wall, there is a deflector made in the form of a round rod or hollow tube.

9. The vortex device of claim 8, wherein the deflector wall is made of porous material.

10. The vortex device according to claim 5 or 6, characterized in that the wall of the curved surface and / or nozzle extension is made of porous material.

11. The vortex device according to claim 6, characterized in that the swirling chamber is made in the form of a curved (twisted) tube (tubular spiral).

12. The vortex device according to claim 5, characterized in that on the outer side of the wall there is a heat exchange device.

13. The vortex device according to item 12, wherein the heat exchange device is made in the form of heat exchange ribs.

14. The vortex device according to item 12, wherein the heat exchange device is made in the form of a heat pipe.

15. The vortex device according to claim 5, characterized in that the swirl chamber has a conical shape.

16. The vortex device according to claim 5, characterized in that the peripheral part of the curved wall contains a condensate collector.

17. The vortex device according to claim 5, characterized in that the output of the swirl chamber is connected to the input of the vortex tube energy exchange chamber.

18. The vortex device according to claim 17, characterized in that the output of the swirl chamber is connected to the input of the vortex tube energy exchange chamber through the confuser.

19. The vortex device according to item 16 or 17, characterized in that between the swirl chamber and the input of the energy exchange chamber is located the entrance of the condensate collector.