Вихревое охлаждение впервые было предложено французским инженером Ранком в 1933 г. Теоретический анализ, опытное исследование и разработка вихревых охлаждающих устройств проводились и успешно ведутся во многих исследовательских лабораториях.
Устройство, принцип действия и показатели эффективности работы вихревой трубы представлены на рис. 1.
Рис. 1 (картинка в предпросмотре). Охлаждение вихревой трубой: а – устройство трубы: 1 – дроссельный клапан; 2 – горячий конец трубы; 3 – сопло; 4 – диафрагма; 5 – холодный конец трубы; б – зависимость степени охлаждения Δtх = t – tх и нагревания Δtг = tг – t от массовой доли холодного воздуха μ = Gх /G.
Предварительно сжатый и охлажденный водой http://holod-proekt.com/vozmozhnosti/holodilnaya-ustanovka-dlya-kladovih-pomescheniy/ воздух в количестве G кг при давлении p и температуре t подается в сопло 3 (рис. 1, а), где он расширяется, охлаждается и приобретает большую скорость и кинетическую энергию. Поскольку воздух поступает в трубу тангенциально, то он в поперечном сечении трубы образует свободный вихрь, угловая скорость которого велика у оси и мала у периферии трубы. Избыток кинетической энергии внутренних слоев передается (трением) внешним, повышая их температуру. Этот процесс происходит настолько быстро, что внутрение слои, отдав энергию периферийным и еще больше охладившись, не успевают получать от них эквивалентного возврата теплоты, т. е. в поле вихревого разделения воздуха не наступает термического равновесия.
Находясь вблизи центрального отверстия диафрагмы 4, холодный воздух выходит через него к правому свободному концу трубы 5, называемому холодным. Нагретые периферийные слои движутся влево к дроссельному клапану 1 и через него выходят из горячего конца трубы 2. Количества получаемого горячего Gг и холодного Gх воздуха, а следовательно, и температуры того и другого tг и tх регулируются степенью открытия клапана.
Охлаждение холодного потока Δtх = t – tх в вихревой трубе (рис. 1, б) меньше, чем в адиабатическом обратимом процессе расширения, и больше, чем при дросселировании. Как видно на графике, наибольшему охлаждению Δtх = 45 °C соответствует p ≈ 0, 5 МПа, μ = Gх /G = 0, 3, что при t = 10 °C дает tх = –35 °C. Это примерно половина разности температур в изоэнтропическом процессе расширения. Наибольшая удельная холодопроизводительность (http://holod-proekt.com/brendi/bitzer/kompressori-bitzer/porshnevie-kompressori-bitzer/polugermetichnie-odnostupenchatie-porshnevie-kompressori-bitzer/standartnie-polugermetichnie-odnostupenchatie-porshnevie-kompressori-bitzer/) q0 = μ·cp·Δtх кДж/кг достигается при μ ≈ 0, 6…0, 7, однако она сама по себе невысока и составляет 12, 5…21 кДж/кг.
Термодинамические процессы вихревой трубы малоэффективны. На охлаждение вихревой трубой расходуется энергии примерно в 8…10 раз больше, чем воздушной машиной. Однако такой способ одновременного получения холода и тепла исключительно прост (если имеется система сжатого воздуха или, например, природного газа достаточного давления), поэтому он применим в тех случаях, когда необходимо получать холод и тепло периодически и в небольших количествах, а также когда простота конструкции, малые масса и габарит играют решающую роль.
Эффективность работы вихревой трубы может быть повышена за счет охлаждения водой горячего конца трубы и увеличения доли холодного воздуха μ, причем энергию окружающей среде можно полностью передавать не с горячим потоком, а в виде теплоты с охлаждающей водой: проточной или барботируемой горячим воздухом. В первом случае расход воды составляет приблизительно 1, 5 кг на 1 кг сжатого воздуха, подаваемого в вихревую трубу, а во втором он сокращается в 100 и более раз, так как для охлаждения используется скрытая теплота парообразования воды, увлажняющей горячий воздух.
rss
