RU2533590C2 - Vortex tube - Google Patents

Vortex tube Download PDF

Info

Publication number
RU2533590C2
RU2533590C2 RU2013104581/06A RU2013104581A RU2533590C2 RU 2533590 C2 RU2533590 C2 RU 2533590C2 RU 2013104581/06 A RU2013104581/06 A RU 2013104581/06A RU 2013104581 A RU2013104581 A RU 2013104581A RU 2533590 C2 RU2533590 C2 RU 2533590C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
vortex tube
nozzle inlet
nozzle
guide vanes
flow
Prior art date
Application number
RU2013104581/06A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2013104581A (en
Inventor
Александр Викторович Ловцов
Александр Семенович Носков
Владимир Павлович Сыропятов
Анатолий Вильич Хаит
Original Assignee
Общество с ограниченной ответственностью "Конструкторское бюро "ЧКЗ-ЮГСОН"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Общество с ограниченной ответственностью "Конструкторское бюро "ЧКЗ-ЮГСОН" filed Critical Общество с ограниченной ответственностью "Конструкторское бюро "ЧКЗ-ЮГСОН"
Priority to RU2013104581/06A priority Critical patent/RU2533590C2/en
Publication of RU2013104581A publication Critical patent/RU2013104581A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2533590C2 publication Critical patent/RU2533590C2/en

Links

Images

Landscapes

  • Jet Pumps And Other Pumps (AREA)
  • Pipe Accessories (AREA)
  • Nozzles (AREA)

Abstract

FIELD: power industry.
SUBSTANCE: invention relates to power engineering. A vortex tube consists of a nozzle inlet, an energy separation chamber, a throttle for deceleration of a hot flow and a diffuser. The nozzle inlet includes guide vanes of a drop shape, which are symmetrical relative to an axis passing through the vane edge. The flow part of the nozzle inlet, which is located behind the guide vanes, is made in the form of a turn restricted with two rotation surfaces, the generatrixes of which represent arcs. The guide vanes of the nozzle inlet have a possibility of being turned relative to an axis perpendicular to vane contact planes.
EFFECT: invention is aimed at increase of energy efficiency of a vortex tube operating both in subsonic and supersonic modes.
3 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к области энергетики, преимущественно к устройствам, использующим вихревой эффект для преобразования потенциальной энергии сжатого газа в тепловую при разделении газа на холодный и горячий потоки в специальным образом сформированном винтовом (вихревом) сверхзвуковом течении.The invention relates to the field of energy, mainly to devices using a vortex effect to convert the potential energy of compressed gas into heat when gas is divided into cold and hot flows in a specially formed helical (vortex) supersonic flow.

Известна улитка для вихревой трубы (RU №2263857, публ. 10.11.2005 г.) [1]. Улитка выполнена из трубы с отогнутой наружу полосой, образованной двумя или тремя пересекающимися надрезами. Также известна улитка для вихревой трубы (RU №2219444, публ. 20.12.2003 г.) [2], в которой одновременно закручиваются два симметричных потока. Известна улитка для вихревой трубы (RU №2244885, публ. 20.01.2005 г.) [3], одна часть корпуса которой выполнена меньшей, чем другая часть. Известны различные конструкции тангенциальных сопловых вводов вихревой трубы (Ш.А. Пиралишвили и др. Вихревой эффект. Эксперимент, теория, технические решения. М.: УНПЦ «Энергомаш», 2000 г., [4], стр.18), которые выполнены в виде двух и более тангенциальных каналов. Сжатый газ, подаваемый на вход в сопловой ввод, проходит по тангенциальным каналам и далее поступает в цилиндрическую или коническую камеру энергоразделения вихревой трубы. В результате формируется вихревое течение газа.Known snail for a vortex tube (RU No. 2263857, publ. 10.11.2005) [1]. The snail is made of a pipe with a strip bent outward, formed by two or three intersecting cuts. Also known is a snail for a vortex tube (RU No. 2219444, publ. 12/20/2003) [2], in which two symmetrical flows are simultaneously twisted. Known snail for a vortex tube (RU No. 2244885, publ. January 20, 2005) [3], one part of the body of which is made smaller than the other part. There are various designs of tangential nozzle inlets of a vortex tube (Sh. A. Piralishvili and others. Vortex effect. Experiment, theory, technical solutions. M: UNPTs "Energomash", 2000, [4], p. 18), which are made in the form of two or more tangential channels. Compressed gas supplied to the entrance to the nozzle inlet passes through tangential channels and then enters the cylindrical or conical chamber of energy separation of the vortex tube. As a result, a vortex gas flow is formed.

Перечисленные конструктивные варианты соплового ввода вихревой трубы позволяют создавать дозвуковое винтовое (вихревое) течение газа. В промышленных условиях эксплуатации имеющийся перепад давления, как правило, превышает критический, что позволяет разгонять газ до сверхзвуковых скоростей. В таких условиях применение перечисленных сопловых вводов приводит к ухудшению энергетической эффективности вихревой трубы.The listed design options for the nozzle input of the vortex tube allow you to create a subsonic helical (vortex) gas flow. Under industrial operating conditions, the available pressure drop, as a rule, exceeds the critical one, which makes it possible to accelerate gas to supersonic speeds. In such conditions, the use of these nozzle entries leads to a deterioration in the energy efficiency of the vortex tube.

Известна вихревая труба (RU №2285870, публ. 20.10.2006 г.) [5]. Данная вихревая труба содержит улиткообразную камеру завихрения, на входе в которую установлено сверхзвуковое сопло. Это позволяет произвести увеличение скорости движения газа в вихревой трубе до сверхзвуковых величин. При этом повышается эффективность вихревой трубы. Однако применение улиткообразной камеры завихрения приводит к возникновению несимметричного течения вблизи соплового ввода. Также улиточный сопловой аппарат вводит газ в радиальном направлении (перпендикулярно к оси вихревой трубы). Газовый поток изменяет направление движения на осевое (вдоль оси вихревой трубы) уже за сопловым аппаратом, что приводит к увеличению потерь энергии и к падению эффективности вихревой трубы.Known vortex tube (RU No. 2285870, publ. 10/20/2006) [5]. This vortex tube contains a cochlear swirl chamber at the inlet of which a supersonic nozzle is installed. This allows an increase in the gas velocity in the vortex tube to supersonic values. This increases the efficiency of the vortex tube. However, the use of a cochlear swirl chamber leads to an asymmetric flow near the nozzle inlet. The snail nozzle apparatus also introduces gas in the radial direction (perpendicular to the axis of the vortex tube). The gas flow changes the direction of motion to the axial (along the axis of the vortex tube) already behind the nozzle apparatus, which leads to an increase in energy loss and to a decrease in the efficiency of the vortex tube.

Наиболее близкой к предлагаемому изобретению является вихревая труба (RU №2370710, публ. 20.10.2009 г.) [6], в которой поворот газового потока (изменение направления движения с радиального на осевое) осуществляется при помощи дополнительного кольца, торец которого со стороны камеры энергетического разделения закруглен по радиусу окружности. Однако применяемое в данной вихревой трубе устройство соплового ввода является разновидностью тангенциальных сопловых вводов, поскольку выполнено в виде равномерно расположенных по кольцу диафрагмы плоских серповидных элементов, внутренняя или обе дуги которых размещены по касательной к соосной корпусу окружности. Серповидные элементы обладают высоким гидравлическим сопротивлением, а также их применение приводит к увеличению длины межлопаточного канала и, как следствие, к увеличению гидравлических потерь энергии в сопловом вводе, что не дает возможности в полной мере реализовать имеющийся перепад давления на вихревой трубе. Применение такого соплового ввода приводит к снижению энергетической эффективности вихревой трубы.Closest to the proposed invention is a vortex tube (RU No. 2370710, publ. 20.10.2009) [6], in which the rotation of the gas flow (change of direction from radial to axial) is carried out using an additional ring, the end of which is from the camera The energy separation is rounded along the radius of the circle. However, the nozzle inlet device used in this vortex tube is a type of tangential nozzle inlets, since it is made in the form of flat sickle-shaped elements uniformly spaced along the diaphragm ring, the inner or both arcs of which are placed tangentially to the coaxial body of the circle. Sickle-shaped elements have high hydraulic resistance, and their use leads to an increase in the length of the interscapular channel and, as a result, to an increase in hydraulic energy losses in the nozzle inlet, which makes it impossible to fully realize the existing pressure drop across the vortex tube. The use of such a nozzle input leads to a decrease in the energy efficiency of the vortex tube.

Задача предлагаемого технического решения заключается в увеличении энергетической эффективности вихревой трубы, работающей как в дозвуковом, так и в сверхзвуковом режимах (на докритическом и сверхкритическом перепадах давления). Для решения поставленной задачи в конструкцию вихревой трубы включен сопловой ввод, содержащий лопатки каплевидной формы, которые позволяют минимизировать гидравлические потери энергии газа в процессе формирования осевого винтового (вихревого) до- и сверхзвукового течения. Направляющие лопатки симметричны относительно оси, проходящей через кромку лопатки. Проточная часть соплового ввода, расположенная за направляющими лопатками, выполнена в виде поворота, ограниченного двумя поверхностями вращения, образующие которых представляют собой дуги.The objective of the proposed technical solution is to increase the energy efficiency of the vortex tube, operating both in subsonic and in supersonic modes (at subcritical and supercritical pressure drops). To solve this problem, a nozzle inlet containing drop-shaped blades is included in the design of the vortex tube, which allows minimizing hydraulic losses of gas energy during the formation of the axial helical (vortex) supersonic and flow. The guide vanes are symmetrical about the axis passing through the edge of the blade. The flowing part of the nozzle inlet, located behind the guide vanes, is made in the form of a rotation limited by two surfaces of rotation, the generators of which are arcs.

Изобретение иллюстрируется рисунками, где на фиг. 1 изображена конструктивная схема заявленной вихревой трубы; на фиг. 2 - конструктивная схема соплового ввода, установленного в заявленной вихревой трубе; на фиг. 3 - схема регулируемого соплового ввода. Вихревая труба содержит сопловой ввод 1, коническую или цилиндрическую камеру энергоразделения 2, диффузор холодного потока 3 и дроссель для торможения горячего потока 4. Дроссель может содержать две и более пластины 5, предназначенные для остановки вращательного движения газа со стороны отвода горячего потока. Также дроссель может содержать в своей конструкции отверстие (сопло) 6 для ввода дополнительного потока G4 в камеру энергоразделения.The invention is illustrated by drawings, where in FIG. 1 shows a structural diagram of the claimed vortex tube; in FIG. 2 is a structural diagram of a nozzle inlet installed in the claimed vortex tube; in FIG. 3 is a diagram of an adjustable nozzle input. The vortex tube contains a nozzle inlet 1, a conical or cylindrical energy separation chamber 2, a cold flow diffuser 3, and a throttle for braking the hot flow 4. The throttle may contain two or more plates 5 designed to stop the rotational movement of gas from the side of the hot flow outlet. The throttle may also contain in its design an opening (nozzle) 6 for introducing an additional flow G4 into the energy separation chamber.

Вихревая труба имеет следующие конструктивные размеры: диаметр камеры энергоразделения D, угол конусности камеры энергоразделения а, который обычно находится в диапазоне 0-12°, диаметр диафрагмы d1, диаметр сопла ввода дополнительного потока d2.The vortex tube has the following structural dimensions: the diameter of the energy separation chamber D, the angle of taper of the energy separation chamber a, which is usually in the range 0-12 °, the diameter of the diaphragm d1, the diameter of the nozzle for introducing an additional flow d2.

Сопловой ввод состоит из направляющих лопаток 7, имеющих каплевидную форму, которая может быть образована, например, пересечением одной окружности радиусом R1 и двух окружностей радиусом R2. Количество направляющих лопаток может варьироваться, причем максимально возможное количество лопаток не ограничено. Направляющие лопатки могут быть выполнены заодно с корпусом соплового ввода 8 или в виде отдельных деталей. Корпус соплового ввода 8 выполнен таким образом, чтобы геометрия проточной части 9 позволяла выполнить поворот вводимого газового потока и, таким образом, перевести радиальную составляющую скорости движения газа в осевую, направленную вдоль камеры энергоразделения вихревой трубы.The nozzle inlet consists of guide vanes 7 having a drop-shaped shape, which can be formed, for example, by the intersection of one circle of radius R1 and two circles of radius R2. The number of guide vanes may vary, and the maximum possible number of vanes is not limited. Guide vanes can be made integral with the nozzle inlet housing 8 or as separate parts. The nozzle inlet housing 8 is designed so that the geometry of the flow part 9 allows rotation of the introduced gas flow and, thus, translates the radial component of the gas velocity into the axial component directed along the vortex tube energy separation chamber.

Предлагаемая форма направляющих лопаток обладает низким гидравлическим сопротивлением (хорошо обтекаемая форма) и позволяет минимизировать длину межлопаточного канала 10. В результате обеспечивается минимизация гидравлических потерь, возникающих при движении газа в направляющем (лопаточном) аппарате и в сопловом вводе в целом.The proposed shape of the guide vanes has a low hydraulic resistance (well streamlined shape) and allows you to minimize the length of the interscapular channel 10. As a result, minimizes the hydraulic losses that occur when the gas moves in the guide (blade) device and in the nozzle inlet as a whole.

Основные конструктивные размеры соплового ввода: диаметры D1 и D2 определяют размер выходного сечения соплового ввода; диаметр расположения кромок направляющих лопаток D3; диаметр расположения направляющих лопаток D4; начальная ширина соплового канала b; радиусы образующих направляющей лопатки R1 и R2; радиусы поворота соплового канала R3 и R4.The main structural dimensions of the nozzle inlet: the diameters D1 and D2 determine the size of the output section of the nozzle inlet; the diameter of the edges of the guide vanes D3; the diameter of the guide vanes D4; the initial width of the nozzle channel b; the radii of the forming guide vanes R1 and R2; turning radius of the nozzle channel R3 and R4.

Крепление направляющих лопаток 7 к корпусу соплового ввода 8 может быть осуществлено при помощи штифтов 11, расположенных перпендикулярно к плоскостям прилегания лопаток 12 и обычно соосно с окружностью радиусом R1, которая является одной из образующих направляющей лопатки. В этом случае штифты 11 могут являться осью вращения для каждой из лопаток. При повороте каждой из лопаток относительно штифта 11 осуществляется изменение размера h, который определяет площадь проходного сечения соплового ввода и, следовательно, расход газа, протекающего через сопловой ввод. Поворачивать лопатки необходимо одновременно для того, чтобы выдерживать размеры h одинаковым для всех лопаток. Это позволяет получить равномерное винтовое (вихревое) течение. Минимальная величина размера h может достигать 0 мм, при этом пропускная способность соплового ввода будет близка к нулю. Механизм поворота направляющих лопаток относительно штифтов 11 может быть различным и на рисунках не представлен.The fastening of the guide vanes 7 to the body of the nozzle inlet 8 can be carried out using pins 11 located perpendicular to the contact planes of the vanes 12 and usually coaxially with a circle of radius R1, which is one of the generators of the guide vanes. In this case, the pins 11 may be the axis of rotation for each of the blades. When each of the blades rotates relative to the pin 11, a change in the size h takes place, which determines the area of the orifice of the nozzle inlet and, therefore, the flow rate of gas flowing through the nozzle inlet. It is necessary to rotate the blades at the same time in order to maintain the same dimensions h for all blades. This allows you to get a uniform helical (vortex) flow. The minimum size h can reach 0 mm, while the throughput of the nozzle input will be close to zero. The rotation mechanism of the guide vanes relative to the pins 11 may be different and not shown in the figures.

Принцип работы предлагаемой вихревой трубы заключается в следующем: сжатый газ подается на вход соплового аппарата 1 в виде потока G1. Пройдя через направляющий (лопаточный) аппарат 7 газ приобретает вращательную составляющую скорости. При этом полная скорость газа остается в дозвуковом диапазоне. В том случае, если перепад давления на вихревой трубе является сверхкритическим, переход на сверхзвуковой режим течения происходит в сопловом канале 9. Увеличение вращательной составляющей скорости движения газа осуществляется за счет уменьшения диаметра вращения от D3 до (D1+D2)/2. Продольная составляющая скорости увеличивается за счет увеличения площади проходного сечения соплового канала от (π·D3·b) до (π·(D22-D12)/4). В процессе течения газа по проточной части соплового ввода 9 осуществляется изменение направления его движения от радиального, сразу за направляющим аппаратом, до осевого на выходе из соплового ввода. Таким образом, сопловой аппарат позволяет создать сверхзвуковое вращательное движение газа, направленное вдоль оси симметрии камеры энергоразделения вихревой трубы, оптимальным образом и минимизировать гидравлические потери энергии.The principle of operation of the proposed vortex tube is as follows: compressed gas is supplied to the inlet of the nozzle apparatus 1 in the form of a stream G1. Having passed through the guide (blade) apparatus 7, the gas acquires a rotational component of speed. In this case, the total gas velocity remains in the subsonic range. In the event that the pressure drop across the vortex tube is supercritical, the transition to the supersonic flow regime occurs in the nozzle channel 9. The rotational component of the gas velocity is increased by reducing the diameter of rotation from D3 to (D1 + D2) / 2. The longitudinal component of the velocity increases due to an increase in the area of the orifice of the nozzle channel from (π · D3 · b) to (π · (D2 2 -D1 2 ) / 4). In the process of gas flow along the flowing part of the nozzle inlet 9, the direction of its movement is changed from radial, immediately behind the guide apparatus, to the axial one at the exit of the nozzle inlet. Thus, the nozzle apparatus allows creating a supersonic rotational motion of the gas directed along the axis of symmetry of the vortex tube energy separation chamber, optimally and minimizing hydraulic energy losses.

Сформированный в сопловом вводе вращающийся поток газа подается в камеру энергоразделения вихревой трубы 2, в которой таким образом формируется винтовое (вихревое) течение. В результате вихревого эффекта центральная часть вихревого течения охлаждается, а периферийная нагревается. Нагретый газ отводится в виде горячего потока G2, а охлажденный газ в виде холодного потока G3. Ввод дополнительного потока G4 осуществляется через специальное сопло 6 с целью увеличения массового расхода горячего и холодного потоков вихревой трубы. При этом конструкция вихревой трубы может быть выполнена без сопла 6 для ввода дополнительного потока.The rotating gas stream formed in the nozzle inlet is fed into the energy separation chamber of the vortex tube 2, in which a helical (vortex) flow is thus formed. As a result of the vortex effect, the central part of the vortex flow cools and the peripheral one heats up. The heated gas is discharged as a hot stream G2, and the cooled gas as a cold stream G3. The additional flow G4 is introduced through a special nozzle 6 in order to increase the mass flow rate of hot and cold vortex tube flows. In this case, the design of the vortex tube can be performed without a nozzle 6 for introducing additional flow.

Claims (3)

1. Вихревая труба, состоящая из соплового ввода, камеры энергоразделения, дросселя для торможения горячего потока и диффузора, отличающаяся тем, что сопловой ввод содержит направляющие лопатки каплевидной формы, симметричные относительно оси, проходящей через кромку лопатки.1. A vortex tube, consisting of a nozzle inlet, an energy separation chamber, a throttle for braking the hot flow and a diffuser, characterized in that the nozzle inlet contains drop-shaped guide vanes symmetrical about an axis passing through the edge of the blade. 2. Вихревая труба по п.1, отличающаяся тем, что проточная часть соплового ввода, расположенная за направляющими лопатками, выполнена в виде поворота, ограниченного двумя поверхностями вращения, образующие которых представляют собой дуги.2. The vortex tube according to claim 1, characterized in that the flowing part of the nozzle inlet, located behind the guide vanes, is made in the form of a rotation limited by two surfaces of rotation, the generators of which are arcs. 3. Вихревая труба по п.1, отличающаяся тем, что направляющие лопатки соплового ввода выполнены с возможностью поворота относительно оси, перпендикулярной к плоскостям прилегания лопаток. 3. The vortex tube according to claim 1, characterized in that the guide vanes of the nozzle input are rotatable about an axis perpendicular to the plane of contact of the vanes.
RU2013104581/06A 2013-02-04 2013-02-04 Vortex tube RU2533590C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2013104581/06A RU2533590C2 (en) 2013-02-04 2013-02-04 Vortex tube

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2013104581/06A RU2533590C2 (en) 2013-02-04 2013-02-04 Vortex tube

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2013104581A RU2013104581A (en) 2014-08-10
RU2533590C2 true RU2533590C2 (en) 2014-11-20

Family

ID=51354965

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2013104581/06A RU2533590C2 (en) 2013-02-04 2013-02-04 Vortex tube

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2533590C2 (en)

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US2907174A (en) * 1956-03-01 1959-10-06 Shell Dev Vortex tube and method of operating a vortex tube
US3173273A (en) * 1962-11-27 1965-03-16 Charles D Fulton Vortex tube
RU2370710C1 (en) * 2008-06-17 2009-10-20 ООО "Конструкторское бюро ЧКЗ-ЮГСОН" Vortex tube

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US2907174A (en) * 1956-03-01 1959-10-06 Shell Dev Vortex tube and method of operating a vortex tube
US3173273A (en) * 1962-11-27 1965-03-16 Charles D Fulton Vortex tube
RU2370710C1 (en) * 2008-06-17 2009-10-20 ООО "Конструкторское бюро ЧКЗ-ЮГСОН" Vortex tube

Also Published As

Publication number Publication date
RU2013104581A (en) 2014-08-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US8790455B2 (en) Supersonic swirling separator 2 (Sustor2)
US6540917B1 (en) Cyclonic inertial fluid cleaning apparatus
EP3059495A2 (en) Atomizers
CN106166414B (en) A kind of supersonic condensing cyclone separator
NO177294B (en) Swirl pipe gas purifier or swirl pipe particle recovery apparatus
BRPI0906376B1 (en) FLUID FLOW CONTROL VALVE
JP2012521419A5 (en)
US20150285271A1 (en) Jet pump
CN109499783A (en) A kind of preposition spiral flow-guiding device for decanter centrifuge anti-cavitation
JP6527962B2 (en) Multistage axial flow cyclone separator
RU2533590C2 (en) Vortex tube
RU2486965C2 (en) Swirling nozzle
ITMI20102239A1 (en) DYNAMIC, CYCLONIC, AXIAL AND VARIABLE FLOW SEPARATOR
CN103114876B (en) Impact type air turbine machine and wavy hair power plant
US20040177755A1 (en) Separating cyclone and method for separating a mixture
RU2658037C1 (en) Drip-liquid collector
RU2585029C2 (en) Mixer
KR101652496B1 (en) Vortex tube
RU2555102C1 (en) Working chamber of ejector
RU2624111C1 (en) Venturi scrubber with finely divided irrigation
US20220203381A1 (en) Cyclonic Fluid Separator
RU2370710C1 (en) Vortex tube
JP6561120B2 (en) Cyclone separation device comprising two cyclones connected by an optimized piping unit
RU2782937C1 (en) Flow separating device on swirling flow
RU2782072C1 (en) Device for separation of multicomponent medium (options)

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20190205