вихревая труба

Формула изобретения

Вихревая труба, содержащая камеру энергетического разделения с тангенциальным сопловым вводом, диафрагму с центральным отверстием и дроссель, на крестовине которого установлены радиально расположенные лопасти, отличающаяся тем, что диафрагма выполнена заодно с расширяющимся к выходу раструбом, вход которого соединен с центральным отверстием.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к холодильной технике, а точнее к устройствам, использующим вихревой эффект разделения газа, и предназначено для охлаждения различных объектов, например, в металлообрабатывающей промышленности для охлаждения режущего инструмента холодным потоком воздуха.

Известны вихревые трубы, содержащие камеру энергетического разделения с тангенциальным сопловым вводом сжатого газа, диафрагму с центральным отверстием для вывода холодного потока и дроссельный вентиль для вывода горячего потока, хвостовая часть дроссельного вентиля выполнена в виде крестовины для спрямления вихревого потока. Дроссельный вентиль соединен с глушителем с целью уменьшения шума при работе устройства (авт. свид. СССР 547603, 1977, авт. свид. СССР 606044, 1978).

Перечисленные аналоги имеют недостаточную термодинамическую эффективность, так как входящий вихревой поток частично смешивается с холодным потоком, идущим ему навстречу.

Наиболее близкой по конструктивному выполнению является вихревая труба, содержащая камеру энергетического разделения с тангенциальным сопловым вводом сжатого газа. При оси камеры расположена диафрагма с центральным отверстием вывода охлажденного потока. На другом конце камеры установлен дроссель, на крестовине которого закреплены радиально расположенные лопасти. Гладкостенная втулка жестко соединена с лопастями и образует со стенкой камеры кольцевую полость. Дроссель соединен с глушителем [1]

Общими признаками прототипа и заявляемого устройства являются наличие камеры энергетического разделения с тангенциальным сопловым вводом, диафрагмы с центральным отверстием вывода охлажденного потока, дросселя, на крестовине которого установлены радиально расположенные лопасти, выполняющие функцию рассекателя вихревого потока. Дроссель соединен с глушителем.

Устройство-прототип имеет следующие недостатки. Входящий вихревой поток частично смешивается потоком, идущим ему навстречу. Это снижает термодинамическую эффективность вихревой трубы.

Технической задачей, поставленной при создании заявляемого устройства, является повышение термодинамической эффективности путем устранения смешивания тангенциально входящего вихревого потока и идущего ему навстречу охлажденного приосевого потока.

Задача решена тем, что в вихревой трубе, содержащей камеру энергетического разделения с тангенциальным сопловым вводом, диафрагму с центральным отверстием и дроссель, на крестовине которого установлены радиально расположенные лопасти, согласно изобретению, предусмотрено следующее: диафрагма выполнена за одно целое с отделителем потоков в виде расширяющегося к выходу раструба, вход которого соединен с центральным отверстием диафрагмы.

Отличительным признаком заявляемого устройства является новое конструктивное выполнение детали.

Диафрагма выполнена за одно целое с отделением потоков. Отделитель потоков представляет собой раструб, расширяющийся к выходу. Раструб расположен по центру диафрагмы. Вход раструба соединен с центральным отверстием вывода охлажденного потока на диафрагме.

Тангенциально входящий поток сжатого газа движется в камере энергетического разделения по винтовой линии с увеличивающимся шагом.

Выполнение отделителя потоков в виде раструба, расширяющегося к выходу, позволяет направить выходящий вихревой поток к периферии, отделить его от идущего ему навстречу холодного потока.

Кроме того, новое конструктивное выполнение диафрагмы с раструбом позволяет ликвидировать эффект подмешивания к холодному потоку теплого пограничного слоя, текущего по плоскости диафрагмы.

Это приводит к увеличению эффективности вихревой трубы, содействует более глубокому разделению потоком, позволяет уменьшить трение между входящим потоком и идущим ему навстречу холодным потоком. Других технических решений со сходными отличительными признаками не обнаружено в патентной и научно-технической литературе, следовательно, предлагаемое устройство удовлетворяет критериям новизны и изобретательского уровня.

На фиг. 1 изображена предлагаемая вихревая схема; на фиг. 2 разрез А-А на фиг. 1.

Вихревая труба содержит цилиндрическую камеру 1 энергетического разделения. Тангенциальный сопловый ввод 2 выполнен в виде улитки и соединен со штуцером 3. Штуцер 3 подключен к источнику сжатого газа. По оси камеры 1 энергетического разделения установлена диафрагма 4. Диафрагма 4 имеет центральное отверстие вывода охлажденного потока и примыкает к ниппелю 5, который пропускает газ в одном направлении для охлаждения предназначенного объекта. На другом конце камеры 1 установлен дроссель 6, жестко соединенный с корпусом глушителя 7. С помощью дросселя устанавливается определенное соотношение между горячим и охлажденным потоками при номинальном режиме. На торцевой конец дросселя 6, выполненного в виде спрямляющей крестовины, насажены лопасти 8 в виде радиально расположенных пластин. Лопасти 8 выполняют функцию рассекателя вихревого потока.

Отделитель 9 потоков представляет собой расширяющийся к выходу раструб, расположенный по центру диафрагмы и выполненный за одно целое с ней. Такое конструктивное выполнение диафрагмы с раструбом, с центральным отверстием вывода способствует разделению входящего вихревого потока и идущего ему навстречу охлажденного приосевого потока, устраняет смешивание потоков.

Дроссель 6 жестко соединен с корпусом глушителя 7, который имеет резьбовое соединение с наружным диаметром камеры 1 энергетического разделения. Вращением корпуса глушителя 7 осуществляется управление положением дросселя 6. При вывинчивании корпуса глушителя 7 увеличивается площадь проходного сечения щелевого зазора дросселя 6, что приводит к снижению температуры охлажденного потока.

Вихревая труба работает следующим образом.

Сжатый газ от источника через штуцер 3 подается к сопловому вводу 2, проходя через который, он закручивается и поступает в камеру 1 энергетического разделения в виде вихревого потока. Отделитель 9 потоков в виде раструба отбрасывает вихревой поток к стенкам камеры 1, что способствует увеличению скорости вращения входящего потока. Перемещаясь от соплового ввода 2 к дросселю 6, вихревой поток постепенно теряет свою закрутку, что приводит к росту давления у приосевых слоев газа и к появлению градиента давления, под воздействием которого приосевой поток газа начинает перемещаться к центральному отверстию раструба 9 и диафрагмы 4 и далее через ниппель 5 в виде охлажденного потока.

Между двумя перемещающимися в противоположных направлениях вихрями происходит интенсивный энергообмен, результатом которого является охлаждение приосевых слоев и нагрев периферийных.

Периферийные горячие слои газа поступают через щелевой зазор и отверстия в дросселе 6 в полость глушителя 7 и далее в атмосферу.

Опыты подтвердили, что эффект разделения потоков зависит от соотношения диаметров отверстий подвода и отвода газа, формы и длины камеры энергетического разделения, а также расположения и длины рассекателя потоков (лопастей) и отделителя потоков (раструба).

Отделитель потоков 9 в виде раструба позволяет придать большую скорость вращения тангенциально входящему в камеру вихревому потоку, что способствует закручиванию потока.

При увеличении скорости входящий поток перемещается по винтовой линии с возрастающим шагом. Раструб позволяет отбросить входящий поток от центра и расчищает путь для холодного приосевого потока. Происходит более глубокое разделение потоков. Это дает возможность уменьшить длину вихревой трубы.

Регулировка работы вихревой трубы осуществляется следующим образом.

Перемещая в осевом направлении узел, образованный корпусом глушителя 7 с жестко соединенным с ним дросселем 6, производят регулирование щелевого зазора между стенкой камеры 1 и дросселем 6. С изменением площади проходного сечения щелевого зазора дросселя 6 изменяется соотношение между расходом охлажденной и подогретой частями газа.

Опытным путем подобраны параметры вихревой трубы: минимальный диаметр и длина камеры энергетического разделения, относительная площадь соплового ввода, относительный диаметр центрального отверстия диафрагмы и раструба, а также размеры длина лопастей, длина и наружный диаметр расширяющегося раструба.

Экономическая эффективность заявляемого устройства заключается в увеличении холодопроизводительности, а также снижении габаритов конструкции за счет уменьшения длины камеры энергетического разделения.