8.2. Вихревые трубы

В вихревых трубах для получения холода используется эффект расширения сжатого газа. Известно, что при изменении объема газа без теплообмена с окружающей средой (адиабатический процесс) изменение температуры идеального газа определяется уравнением

,

где ,и,- температура и давление, соответственно, на входе и выходе,- показатель адиабаты.

Рис. 8.2.1. Устройство вихревой трубы

Вихревая труба (рис. 8.2.1) представляет собой цилиндр 1, в который через отверстие 2 (сопло), расположенное по касательной к его внутренней поверхности, вводится сжатый воздух, образующий внутри трубы вихрь.

Прилегающий к соплу конец трубы закрыт диафрагмой 3 с центрально расположенным в ней отверстием, а на другом конце трубы установлен дроссель 4.

Сжатый газ при выходе из сопла расширяется, при этом уменьшается его давление и как следствие температура. Внутри трубы расширяющийся газ движется вихреобразно и поступательно, причём его угловая скорость в поперечном сечении трубы у сопла не одинакова - наибольшей скоростью обладают центральные слои, наименьшей наружные. В результате трения внутренние слои газа, имеющие большую скорость, часть своей энергии будут передавать наружным слоям, вследствие чего внутренние слои дополнительно охлаждаются, угловые скорости слоев сглаживаются и у дросселя они практически одинаковы во всем сечении.

При определенной степени расширения газовый поток в вихре разделяется на две составляющие: газ, выходящий через отверстие в диафрагме, будет иметь более низкую температуру, чем газ, выходящий из сопла после его расширения; газ, выходящий через дроссель, наоборот, будет более горячим. Такое разделение газовых потоков называется эффектом Ранке.

Вихревая труба может работать по противоточной и прямоточной схемам. При противотоке направление горячего и холодного воздуха противоположно, как в рассмотренном случае. Если же конец трубы у сопла полностью закрыть и холодный воздух отводить через дроссель по центрально расположенной трубе, то такая труба будет работать по прямоточной схеме (рис. 8.2.2).

Рис. 8.2.2. Конструкция вихревой трубы с прямотоком

Основными факторами, определяющими эффективность работы вихревой трубы, являются величина отверстия диафрагмы , давление газа перед соплом, размеры трубыи, размеры и конструкция сопла.

На практике диаметр отверстия диафрагмы берут в пределах , где- внутренний диаметр горячей трубы.

Диаметр диафрагмы холодного потока, если нужно получить максимальную холодопроизводительность, составляет 0,6 от диаметра горячей трубы и 0,3, если нужно получить наибольшее понижение температуры.

Эквивалентную площадь сопла выбирают в зависимости от поперечного сечения горячей трубы: .

Вихревые трубы отличаются главным образом конструктивным оформлением соплового входа. Наиболее простой конструкцией является цилиндрическое сопло, расположенное тангенциально внутренней поверхности вихревой трубы (рис. 8.2.3,а).

Однако лучшие результаты дает лотковое сопло (рис. 8.2.3,б), представляющее одну или две лотковые канавки, плавно сопрягающиеся с профилем вихревой трубы на дуге .

Рис. 8.2.3. Конструкция сопел вихревых труб

Длина вихревой зоны трубы зависит от ее диаметра и принимается равной примерно .

На холодопроизводительность и температуру холодного воздуха существенное влияние оказывает давление воздуха на входе: с увеличением давления эффективность трубы увеличивается.

При изготовлении вихревого холодильника для уменьшения тепловых потерь материал сопла, диафрагмы и патрубка холодного потока следует брать с малым коэффициентом теплопроводности.

Следует отметить, что получение холода в вихревом холодильнике требует больших энергетических затрат по сравнению с другими методами. Например, для получения понижения температуры на величину - 40 °С вихревой холодильник даже при небольших холодопроизводительностях (около 100 Вт) требует в 10 раз больше расхода энергии, чем компрессионные холодильные машины. Существенным преимуществом вихревой трубы является простота ее конструкции, надежность в работе, практически неограниченный ресурс и небольшие размеры и масса. Поэтому они находят широкое применение там, где имеются источники сжатого воздуха (в авиации, на космических кораблях, в ракетной технике).