*99627*

Д.т.н. Зазуля А.Н., аспирант Левин М.Ю., д.т.н. Нагорнов С.А., аспирант Павлов С.С.

Государственное научное учреждение Всероссийский научно-исследовательский институт использования техники и нефтепродуктов Российской академии сельскохозяйственных наук, г. Тамбов

ПУТИ УВЕЛИЧЕНИЯ ЭФФЕКТА ОХЛАЖДЕНИЯ В ВИХРЕВЫХ ТРУБАХ

Простота конструкции, надежность и долговечность вихревых аппаратов являются теми качествами, которые определили область применения вихревого эффекта в технике. Однако низкий КПД существенно ограничивает область их рационального применения. В связи с этим поиск путей повышения эффективности — одна из главных задач почти всех исследовательских и опытно-конструкторских работ. Большое число экспериментальных исследований проведено для выявления рациональных геометрических соотношений вихревых труб, предназначенных для получения охлажденного воздуха. Результаты этих исследований используют при проектировании вихревых труб [1].

В настоящей работе проведены эксперименты по распределению температур в трубке Ранка, выполнено математическое моделирование процесса. Исследована ступенчатая схема соединения вихревых труб как способа повышения холодопроизводительности.

Вихревая зона исследуемой трубы выполнена в виде усеченного конуса с расширением в сторону дросселя и углом конусности 2°, в сопловом входе установлена трехзаходная улитка, дроссель выполнен в виде конуса. Схема установки, на которой проводился эксперимент, приведена на рис. 1.

Рис. 1. Схема установки: 1 - компрессор, 2 – регулятор давления, 3 – манометр, 4 – вихревая труба, 5 – рубашка охлаждения, 6 – температурный регистратор.

В эксперименте варьировались входное давление, температура воздуха и степень открытия дросселя. Результаты экспериментов сведены в таблице 1.

Таблица 1.

Эффективность охлаждения и нагрева вихревой трубкой

Входное давление, атм.	Разница температуры, °C
	Tx	Tг
2	30,15	2,55
3	33	8,37
4	38,22	2,98

Математическое моделирование, выполненное с применением программного комплекса FlowVision, позволило рассчитать температуры горячего и холодного потоков в вихревой трубе при входном давлении 4 атм. При этом температура горячего потока оказалась равной 46 °C, а холодного – минус 11 °C.

Эксперимент показал, что эффект охлаждения возрастает с увеличением давления входного потока в вихревой трубке, что соответствует литературным данным [2]. Достигнута минимальная температура холодного потока равная минус 9 ºC, а максимальная температура горячего потока +44 ºC при входном давлении в 4 атм. Построенная математическая модель работы вихревой трубы с достаточно высокой точностью согласуется с проведенным экспериментом.

Показано, что немаловажную роль играет и температура подаваемого воздуха. При неизбежном нагреве входного воздуха от компрессора (с 20 °C до 40 °C), значение эффекта охлаждения практически не изменялось, но температура холодного потока повышалась.

Для получения глубокого холода в цикле с вихревой трубой можно использовать каскадное или ступенчатое охлаждение, совмещая его с регенерацией. Достоинствами ступенчатой схемы является отсутствие теплообменников и заметно меньший, чем для каскадной схемы, относительный расход сжатого газа [2].

Для проведения экспериментов была собрана установка, состоящая из двух вихревых труб, одна из которых была с рубашкой охлаждения (рис. 2).

Рис. 2. Схема ступенчатой установки вихревых труб: 1 - компрессор, 2 - регулятор давления, 3 - манометр, 4 - вихревая труба с рубашкой охлаждения, 5 - вихревая труба, 6 - температурный регистратор.

Установка собрана таким образом, что воздух под давлением подавался на вихревую трубу (5) выход холодного потока из которой являлся входом воздушного потока вихревой трубы с рубашкой охлаждения (4). Корпус вихревой трубы охлаждался водой с температурой t_воды = 12 ºС. При такой схеме работы установки, ожидается низкая температура холодного потока на выходе из установки.

В эксперименте варьировались входное давление, температура воздуха и степень открытия дросселя. Результаты экспериментов сведены в таблице 2.

Таблица 2.

Эффективность охлаждения и нагрева ступенчатой схемы соединения вихревых труб

Давление на входе, атм.		Среднее значение разницы температур, °C		Максимальная температура потока, °C
1й трубы	2й трубы	ΔTx	ΔTг	Холодного	Горячего
3	1,75	48,71	5,43	-25,8	40,1
4	2,5	49	10,11	-28,2	44,6
5	2,5	66,82	9,62	-45,9	43,7

Эксперимент показал, что эффект охлаждения возрастает с увеличением давления входного потока в вихревой трубке, что соответствует литературным данным [1, 2]. Показано, что ступенчатая схема соединения вихревых труб значительно повышает КПД. Достигнута минимальная температура холодного потока равная -46 ºС.

Таким образом, для достижения максимального эффекта охлаждения достаточно использовать ступенчатую схему соединения вихревых труб. Использование данной схемы позволяет достичь отрицательных температур на 40 ºC ниже, чем при использовании одной трубки.

Библиографический список

1. А. Д. Суслов, С. В. Иванов, А. В. Мурашкин, Ю. В. Чижиков, Вихревые аппараты. — М.: Машиностроение, 1985. — 256 с.

2. Меркулов А.П., Вихревой эффект и его применение в технике. – М.: Издательство «Машиностроение», 1969. – 183 с.

3. Пиралишвили Ш.А., Барановский Б.В., Анализ влияния турбулентных характеристик течения в вихревых трубах на геометрию трубы и термодинамиу процесса энергоразделения. Рыбинск,1991, Деп. ВНИИТИ 1991 № 1011-В91