Вихревая труба

В 1931 г. французским инженером Ж. Ранком был открыт вихревой эф­фект энергетического разделения газов. В 1946 г. немецкий физик Р. Хильш экспериментально исследовал этот эффект в устройстве, называемом вихре­вой трубой. Р. Хильшем был дан рад рекомендаций для конструирования, эксплуатации и определения температурной эффективности вихревой трубы.

Рис. 12.10

Принципиальная схема вихревой трубы представлена на рис. 12.10. Эф­фект Ранка проявляется в закрученном потоке вязкой сжимаемой жидкости. Установка работает следующим образом. При поступлении газа через тан­генциальное сопло 1 в трубе образуется интенсивный вихревой поток. При этом осевые слои газа заметно охлаждаются и отводятся через отверстие диафрагмы 2 в виде холодного потока. Периферийные слои газа подогрева­ются и выводятся через вентиль 3 в виде горячего потока. Изменяя положе­ние вентиля, можно изменять расходы и температуры холодного и горячего потоков. Для понижения температуры t _кнеобходимо уменьшить расход хо­лодного потока (вентиль 3 открывается). Для повышения температуры горя­чего потока следует уменьшить его расход (вентиль 3 закрывается).

Суммарное количество энергии холодного и горячего потоков, отводимых из трубы, по закону сохранения энергии будет равно количеству энергии по­ступающего сжатого газа (если труба изолирована). В результате происхо­дящих внутри вихревой трубы сложных газодинамических процессов проис­ходит перераспределение энергии. По разности температур поступающего газа l _с и получаемого холодного потока t _xможно определить понижение тем­пературы ∆ t _к

.

Повышение температуры горячего потока будет

,

где t _Г- температура горячего газа.

При постоянных температуре t _c и давлениях перед трубой и за ней разно­сти температур ∆ t _x и ∆ t _г будут изменяться в зависимости от величин масс по­токов холодного G _x и горячего G _r газов. Доля холодного воздуха

,

(где G _c - масса газа, поступающего в трубу) регулируется изменением коли­чества G _r с помощью вентиля 3.

Энергетический баланс вихревой трубы при отсутствии теплообмена ее с окружающей средой будет

,

где G _c i _c - энергия подведенного к трубе потока; G_r i _r и G _x i _x - энергия горяче­го и холодного потоков соответственно. Это уравнение можно переписать в виде

,

или

.

Так как , то

.

Отсюда

.

Разделив обе части полученного уравнения на G _c, после некоторых пре­образований получим

.

Это уравнение позволяет найти любую из величин ∆ t _х и ∆ t _г при извест­ной одной из них, а также при известном μ.

Главным преимуществом рассмотренной холодильной установки является предельная простота ее конструкции ввиду отсутствия движущихся деталей. Основным недостатком является низкий кпд., что связано с большой затра­той энергии на получение сжатого газа.