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

ВЛИЯНИЕ ДАВЛЕНИЯ И ТЕМПЕРАТУРЫ ВХОДНОГО ПОТОКА ВОЗДУХА НА ТЕМПЕРАТУРЫ ВЫХОДНЫХ ПОТОКОВ ВИХРЕВОЙ ТРУБЫ

Многочисленные и достаточно разнообразные практические приложения закрученных потоков, сложность их аналитического описания объясняют интерес к ним широкого круга исследователей. Этот интерес вызван ещё и тем, что закрутку потока вследствие комплекса свойств используют для интенсификации различных, в том числе тепло- и массообменных процессов. Наиболее полно эти свойства проявляются в устройствах, реализующих эффект энергетического разделения, известный как эффект Ранка, или вихревой эффект.

Вихревой эффект реализуется в очень простом устройстве, называемом вихревой трубой (трубой Ранка—Хилша, вихревым энергоразделителем, вихревым холодильником), схематичная конструкция которой изображена на рис. 1.

Рис. 1. Вихревая трубка: 1- вход сжатого воздуха, 2 - улитка, 3 -диафрагма, 4 - вихревая зона, 5 - дроссель, 6 - регулятор.

При втекании газа через сопло образуется интенсивный круговой поток, приосевые слои которого заметно охлаждаются и отводятся через отверстие диафрагмы в виде холодного потока, а периферийные слои подогреваются и вытекают через дроссель в виде горячего потока. По мере прикрытия дросселя общий уровень давления в вихревой трубе повышается и расход холодного потока через отверстие диафрагмы увеличивается при соответствующем уменьшении расхода горячего потока. При этом температуры холодного и горячего потоков также изменяются [1].

Имеется несколько десятков теоретических работ, в которых делаются попытки вскрыть физическую сущность вихревого эффекта и дать его аналитическое решение [1]. Однако экспериментальные исследования процессов, протекающих внутри вихревой трубки весьма затруднительны, т.к. размещение приборов вызывают возмущение в потоке, что снижает точность измерений. Гипотеза взаимодействия вихрей позволяет построить предельные характеристики вихревой трубы, но использование их для инженерных расчетов связано с введением поправок на влияние пограничного слоя диафрагмы и осевых скоростей в вихре, на отклонение от адиабатного распределения параметров по радиусу соплового сечения и других поправок, которые приводят к заметному отличию действительных характеристик от теоретических и влияние которых невозможно учесть расчетным путем [1].

Все это говорит о сложности процессов, протекающих в вихревой трубке. Поэтому основой расчета вихревой трубы в настоящее время следует считать эмпирические данные, полученные при ее исследовании и обработанные согласно обобщенным зависимостям.

В настоящей работе проведены эксперименты по распределению температур в трубке Ранка с рубашкой охлаждения. В проводимых экспериментах к трубке не подводилась вода для охлаждения. Это сделано с целью определить максимальный охлаждающий эффект, который сможет выдать вихревая трубка.

Вихревая зона исследуемой трубе 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.2.

Рис.2. 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, графическое изображение приведено на рис. 3.

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

Рис. 3. Эффективность охлаждения и нагрева вихревой трубкой.

Таким образом, 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 -9 ºС, а максимальная температура горячего потока +44 ºС.

Библиографический список

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

2. 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.