вихревая труба

Формула изобретения

1. Вихревая труба, содержащая сопловой ввод, трубу взаимодействия свободного и вынужденного вихрей, диафрагму с центральным телом, трубку вывода холодного потока, щелевой диффузор вывода горячего потока с осевой трубкой ввода охлаждаемого потока, внутренний диаметр которой меньше диаметра отверстия диафрагмы, отличающаяся тем, что диафрагма размещена на входном конце трубки вывода холодного потока, расположенной коаксиально в корпусе, который установлен на холодном конце трубы взаимодействия вихрей, вокруг отверстия диафрагмы выполнен сепаратор вынужденного вихря в виде кольцевой выемки в материале диафрагмы, на стенке щелевого диффузора установлен эжектор охлаждаемого потока, выполненный в виде стакана с осевой трубкой ввода охлаждаемого потока и аэродинамическими лопатками, при этом осевая трубка ввода охлаждаемого потока пропущена через дно стакана, аэродинамические лопатки установлены консольно на дне стакана вокруг выходного отверстия трубки и выполнены сужающимися от основания к концу, а входные кромки лопаток ориентированы против набегающего вихря, сопловой ввод выполнен как сочетание тангенциальных сопел и кольцевой полости овального сечения, расположенной в пространстве между трубкой вывода холодного потока, диафрагмой, стенкой и дном корпуса, причем выходы тангенциальных сопел в пределах кольцевой полости размещены ближе к дну корпуса, чем к диафрагме, кольцевая полость соплового ввода соединена с трубой взаимодействия вихрей через кольцевой аксиальный канал, образованный боковой поверхностью диафрагмы и внутренней поверхностью трубы взаимодействия вихрей или стенки корпуса, в конструкции вихревой трубы совместно использованы коническая труба взаимодействия вихрей, диаметр которой увеличивается в сторону горячего конца вихревой трубы, и коническое центральное тело диафрагмы, выполненное сквозным через трубу взаимодействия вихрей, диаметр которого в пределах трубы взаимодействия вихрей уменьшается в сторону горячего конца вихревой трубы, вместе с этим угол раствора конуса трубы взаимодействия вихрей и угол раствора конуса центрального тела диафрагмы выбраны таким образом, что обеспечивается цилиндрическая форма границы раздела свободного и вынужденного вихрей.

2. Вихревая труба по п.1, отличающаяся тем, что угол раствора конуса трубы взаимодействия вихрей и угол раствора конуса центрального тела диафрагмы выбраны таким образом, что граница раздела свободного и вынужденного вихрей имеет форму усеченного конуса с углом раствора не более одного градуса.

3. Вихревая труба по п.1, отличающаяся тем, что выходы тангенциальных сопел подведены к кольцевой канавке, выполненной на внутренней поверхности стенки корпуса в пределах кольцевой полости соплового ввода, причем кольцевая канавка размещена ближе к дну корпуса, чем к диафрагме.

4. Вихревая труба по п.1, отличающаяся тем, что аэродинамические лопатки эжектора охлаждаемого потока установлены в кольцевую выемку, выполненную в дне стакана между осевой трубкой ввода охлаждаемого потока и стенкой стакана.

5. Вихревая труба по п.1, отличающаяся тем, что аэродинамические лопатки эжектора охлаждаемого потока выполнены с вогнутым профилем и геометрически закручены.

6. Вихревая труба по п.1 или 5, отличающаяся тем, что концевые части аэродинамических лопаток эжектора охлаждаемого потока выполнены закругленными.

7. Вихревая труба по п.1 или 5, отличающаяся тем, что концевые части аэродинамических лопаток эжектора охлаждаемого потока скреплены между собой кольцом, при этом вместе взятые по высоте лопатки и кольцо не выступают в трубу взаимодействия вихрей.

8. Вихревая труба по п.1, отличающаяся тем, что поверхность кольцевой выемки сепаратора вынужденного вихря покрыта материалом с низкой теплопроводностью.

9. Вихревая труба по п.1, отличающаяся тем, что стакан эжектора охлаждаемого потока выполнен из материала с низкой теплопроводностью.

10. Вихревая труба по п.1, отличающаяся тем, что эжектор охлаждаемого потока выполнен в виде стакана с расположенным внутри усеченным конусом, большее основание которого обращено к дну стакана и равно внутреннему диаметру стакана, при этом усеченный конус имеет осевой канал, являющийся продолжением трубки ввода охлаждаемого потока, в материале конуса выполнены каналы, выходы которых ориентированы тангенциально к поверхности осевого канала, а входы ориентированы против набегающего вихря.

11. Вихревая труба по п.10, отличающаяся тем, что осевой канал усеченного конуса по ходу движения вынужденного вихря выполнен конически-цилиндрическим с расширением конической части в сторону диафрагмы вихревой трубы.

12. Вихревая труба по п.1, отличающаяся тем, что на боковой поверхности диафрагмы, являющейся внутренней стенкой кольцевого аксиального канала, выполнено не менее одной кольцевой канавки.

13. Вихревая труба по п.12, отличающаяся тем, что кольцевой аксиальный канал выполнен конфузорно-диффузорным, при этом первая по ходу движения потока кольцевая канавка на боковой поверхности диафрагмы размещена в начале его диффузорной части.

14. Вихревая труба по п.1, отличающаяся тем, что кольцевой аксиальный канал выполнен диффузорно-конфузорным.

15. Вихревая труба по п.1, отличающаяся тем, что центральное тело диафрагмы выполнено составным, одна его часть в пределах трубки вывода холодного потока и до 0,35 длины трубы взаимодействия вихрей изготовлена из материала с высокой теплопроводностью, другая часть до трубки ввода охлаждаемого потока включительно изготовлена из материала с низкой теплопроводностью.

16. Вихревая труба по п.15, отличающаяся тем, что часть центрального тела диафрагмы в пределах трубки вывода холодного потока и до 0,35 длины трубы взаимодействия вихрей изготовлена в качестве тепловой трубы.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к теплотехнике и предназначено, в частности, для реализации вихревых кондиционеров транспортных средств. Вихревые кондиционеры при их использовании в составе транспортных средств из-за специфики условий эксплуатации самих транспортных средств имеют ряд достоинств по сравнению с кондиционерами, реализованными на основе парокомпрессионной холодильной машины. К достоинствам вихревых кондиционеров можно отнести их более высокую надежность, живучесть, ремонтопригодность, способность длительно работать в условиях вибрации, для работы используется экологически чистое рабочее тело (воздух), меньше крупногабаритных составных частей (отсутствует второй теплообменник и циркуляционный вентилятор), нет необходимости в квалифицированном персонале и специальном оборудовании для обслуживания кондиционеров. Кроме того, прогнозируемая цена вихревых кондиционеров для транспортных средств примерно в два раза меньше существующих транспортных парокомпрессионных кондиционеров.

Известна вихревая труба, содержащая коническую трубу с сопловым вводом, диафрагму вывода холодного потока, диффузор и трубку ввода дополнительного потока, установленную по оси трубы со стороны диффузора Вокруг трубки ввода дополнительного потока установлены сообщенные с полостью трубы и коаксиально расположенные стакан и цилиндрический экран, образующий со стаканом и трубкой двухходовой канал для отбора и возврата заторможенного потока в полость трубы [1].

Недостатком вихревой трубы является ее невысокий холодильный КПД. Это объясняется множеством причин. Во-первых, не учитывается наличие в вихревой трубе, кроме свободного и вынужденного вихрей, третьего вихря - промежуточного. Дело в том, что движущиеся рядом встречные потоки не взаимодействуют между собой непосредственно, между ними всегда существует промежуточный вихрь. Промежуточный вихрь в трубе взаимодействия свободного и вынужденного вихрей формируется из внутренней, менее нагретой части свободного вихря, и из внешней, менее охлажденной чисти вынужденного вихря, имеет замкнутый контур движения в продольной плоскости вихревой трубы и обладает максимальной тангенциальной скоростью почти во всех сечениях трубы взаимодействия вихрей. В результате того, что в вихревой трубе не учитывается наличие третьего вихря, конструкция аналога не обеспечивает селекцию вынужденного вихря перед его выводом из вихревой трубы на более охлажденную и менее охлажденную части, а также не устраняет эффект подмешивания пограничного слоя в выходящий холодный поток. Во-вторых, использование соплового ввода традиционного типа приводит к возникновению неравномерности давления и расхода потока, наличию пульсаций аксиальной и радиальной составляющих его полной скорости по периферии трубы взаимодействия вихрей, что затягивает по времени процесс формирования свободного вихря. Неpaвномерность расхода потока по периферии трубы взаимодействия вихрей также предопределяет наличие отдельных вихревых жгутов в свободном и вынужденном вихрях, это приводит к многоточечному их взаимодействию вместо площадного, что существенно снижает уровень теплопередачи от вынужденного к свободному вихрю. В-третьих, конструкция прототипа не учитывает изменение плотности вынужденного вихря по ходу его движения. Последствием этого является наличие возвратного течения вынужденного вихря в приосевой зоне трубы взаимодействия вихрей. В-четвертых, на горячем конце трубы производится преднамеренное торможение части свободного вихря. Это исключает возможность использования (утилизации) кинетической энергии заторможенной части свободного вихря для обеспечения предварительной закрутки дополнительного потока. Кроме того, при торможении вихря часть его кинетической энергии преобразуется в тепло, т.е. неоправданно повышается температура потока. Перечисленные недостатки рассматриваемой вихревой трубы существенно снижают ее холодильный КПД.

Известен ближайший аналог (прототип) заявленного изобретения как наиболее близкий ему по совокупности существенных признаков. Данный аналог представляет собой вихревую трубу, содержащую сопловой ввод, трубу взаимодействия свободного и вынужденного вихрей, диафрагму с центральным телом, трубку вывода холодного потока, щелевой диффузор вывода горячего потока с осевой трубкой ввода охлаждаемого потока, внутренний диаметр которой меньше диаметра отверстия диафрагмы [2].

Конструкции прототипа свойственны недостатки, перечисленные выше, но один из главных недостатков отсутствует. Нa горячем конце вихревой трубы свободный вихрь не тормозится. Однако конструкция вихревой трубы не учитывает изменение плотности свободного и вынужденного вихрей и их взаимное влияние. Следствием этого является повышенное гидравлическое сопротивление вихревой трубы и наличие возвратного течения вынужденного вихря в приосевой зоне трубы взаимодействия вихрей. Вихревая труба не обеспечивает в должной мере утилизацию мистической энергии свободного и вынужденного вихрей. Указанные выше конструктивные особенности прототипа не позволяют существенно улучшить работу устройства

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышение холодильного КПД вихревой трубы.

Техническим результатом изобретения является обеспечение тeмпературной селекции вынужденного вихря перед его выводом из трубы взаимодействия вихрей, повышение теплопередачи от вынужденного к свободному вихрю, уменьшение гидравлического сопротивления трубы взаимодействия вихрей и исключение возвратного течения в ее приосевой зоне, обеспечение более высокого уровня утилизации кинетической энергии свободного и вынужденного вихрей.

Упомянутая задача достигается тем, что вихревая труба содержит сопловой ввод, трубу взаимодействия свободного и вынужденного вихрей, диафрагму с центральным телом, трубку вывода холодного потока, щелевой диффузор вывода горячего потока с осевой трубкой ввода охлаждаемого потока, внутренний диаметр которой меньше диаметра отверстия диафрагмы, одновременно с этим диафрагма размещена на входном конце трубки вывода холодного потока, расположенной коаксиально в корпусе, который установлен на холодном конце трубы взаимодействия вихрей, вокруг отверстия диафрагмы выполнен сепаратор вынужденного вихря в виде кольцевой выемки в материале диафрагмы, на стенке щелевого диффузора установлен эжектор охлаждаемого потока, выполненный в виде стакана с осевой трубкой ввода охлаждаемого потока и аэродинамическими лопатками, при этом осевая трубка ввода охлаждаемого потока пропущена через дно стакана, аэродинамические лопатки установлены консольно на дне стакана вокруг выходного отверстия трубки и выполнены сужающимися от основания к концу, а входные кромки лопаток ориентированы против набегающего вихря, сопловой ввод выполнен как сочетание тангенциальных сопел и кольцевой полости овального сечения, расположенной в пространстве между трубкой вывода холодного потока, диафрагмой, стенкой и дном корпуса, причем выходы тангенциальных сопел в пределах кольцевой полости размещены ближе к дну корпуса, чем к диафрагме, кольцевая полость соплового ввода соединена с трубой взаимодействия вихрей через кольцевой аксиальный канал, образованный боковой поверхностью диафрагмы и внутренней поверхностью трубы взаимодействия вихрей или стенки корпуса, в конструкции вихревой трубы совместно использованы коническая труба взаимодействия вихрей, диаметр которой увеличивается в сторону горячего конца вихревой трубы, и коническое центральное тело диафрагмы, выполненное сквозным через трубу взаимодействия вихрей, диаметр которого в пределах трубы взаимодействия вихрей уменьшается в сторону горячего конца вихревой трубы, вместе с этим угол раствора конуса трубы взаимодействия вихрей и угол раствора конуса центрального тела диафрагмы выбраны таким образом, что обеспечивается цилиндрическая форма границы раздела свободного и вынужденного вихрей.

В процессе проведенного поиска по источникам научно-технической и патентной информации не обнаружено устройство, характеризующееся совокупностью существенных признаков, совпадающих с заявляемым изобретением и обеспечивающее такой же технический результат. Таким образом, заявляемое изобретение представляет собой техническое решение задачи, является новым и обладает изобретательским уровнем.

На фиг. 1 изображен продольный разрез описываемой вихревой трубы и схематично ее подключение к охлаждаемому объекту и основным элементам кондиционера; на фиг. 2 - разрез А-А на фиг.1, на фиг.3 - разрез Б-Б на фиг.1, на фиг.4 - вариант выполнения диафрагмы с кольцевой канавкой на ее боковой поверхности и вариант кольцевой полости соплового ввода с кольцевой канавкой на стенке корпуса; на фиг.5 - вариант выполнения диафрагмы с вогнутой боковой поверхностью; на фиг. 6 - вариант выполнения диафрагмы с выпуклой боковой поверхностью и с кольцевой канавкой на ней.

На холодном конце вихревой трубы установлен корпус 1 и коаксиально в нем трубка 2 вывода холодного потока. Нa входном конце трубки 2 закреплена диафрагма 3. Кольцевая полость 4 соплового ввода расположена между трубкой 2, диафрагмой 3, стенкой и дном корпуса 1 и снабжена тангенциальными соплами 5. Тангенциальные сопла 5 могут быть подведены к кольцевой канавке 6, выполненной в стенке корпуса 1, причем кольцевая канавка 6 размещается ближе к дну корпуса 1, чем к диафрагме 3. Кольцевая полость 4 через кольцевой аксиальный канал 7 соединяется с трубой 8 взаимодействия свободного и вынужденного вихрей. На боковой поверхности диафрагмы 3, являющейся внутренней стенкой кольцевого аксиального канала 7, выполнена кольцевая канавка 9. Центральное тело 10 диафрагмы 3 выполнено в виде усеченного конуса и сквозным через трубу 8 взаимодействия вихрей, его диаметр в пределах трубы 8 уменьшается в сторону ее горячего конца. Центральное тело 10 закреплено в трубке 2 вывода холодного потока пoсредством радиальных пластин 11, входные кромки которых отогнуты и ориентированы против вращения вынужденного вихря. В трубке 12 ввода охлаждаемого потока центральное тело 10 закреплено посредством радиальных пластин (крестовины) 13. Вокруг отверстия диафрагмы 3 выполнен сепаратор вынужденного вихря в виде кольцевой выемки 14 в материале диафрагмы 3, при этом поверхность кольцевой выемки 14 покрыта материалом с низкой теплопроводностью. В стенке щелевого диффузора 15 установлен эжектор охлаждаемого потока, выполненный в виде стакана 16 с осевой трубкой 12 ввода охлаждаемого потока и аэродинамическими лопатками 17, причем осевая трубка 12 пропущена через дно стакана 16, аэродинамические лопатки 17 установлены консольно на дне стакана 16 вокруг выходного отверстия трубки 12 и выполнены сужающимися от основания к концу. С целью снижения аэродинамических пoтерь при повороте потока в районе дна стакана аэродинамические лопатки 17 эжектора охлаждаемого потока установлены в кольцевую выемку, выполненную в дне стакана 16 между осевой трубкой 12 ввода охлаждаемого потока и стенкой стакана 16. Щелевой диффузор 15 выполнен в варианте с газосборной улиткой 18. Возможен другой вариант реализации эжектора охлаждаемого потока. В этом случае эжектор охлаждаемого потока выполнен в виде стакана с расположенным внутри усеченным конусом, большее основание которого обращено к дну стакана и равно внутреннему диаметру стакана, при этом усеченный конус имеет осевой канал, являющийся продолжением трубки ввода охлаждаемого потока, в материале конуса выполнены каналы, выходы которых ориентированы тангенциально к поверхности осевого канала, а входы ориентированы против набегающего вихря. С целью снижения гидравлического сопротивления эжектора охлаждаемого потока осевой канал усеченного конуса по ходу движения вынужденного вихря выполнен конически-цилиндрическим с расширением конической части в сторону диафрагмы вихревой трубы.

Вихревая труба обслуживает два контура движения воздуха - контур отвода тепла во внешнюю срeдy и контур охлаждения объекта. Контур отвода тепла во внешнюю среду может быть разомкнутым при использовании внешнего источника сжатого воздуха или замкнутым при наличии в составе кондиционера собственного нагнетателя воздуха. В состав замкнутого контура отвода тепла во внешнюю срeдy входят: тангенциальные сопла 5; кольцевая полость 4; кольцевой аксиальный канал 7; периферийная зона трубы 8 взаимодействия вихрей; щелевой диффузор 15 вывода горячего потока с газосборной улиткой 18; нагнетатель воздуха 19; охладитель воздуха 20. В состав контура охлаждения объекта входят: осевая трубка 12 ввода охлаждаемого потока; приосевая зона стакана 16; приосевая зона трубы 8 взаимодействия вихрей; oтверстие диафрагмы 3, трубка 2 вывода холодного потока; охлаждаемый объект 21 (камера холода, кабина или салон транспортного средства). В обоих контурах движения воздуха соединительные воздуховоды условно опущены.

Устройство по заявляемому изобретению работает следующим образом. Работу вихревой трубы удобнее излагать, рассматривая функционирование каждого контура движения воздуха в отдельности. Функционирование контура отвода тепла во внешнюю срeдy заключается в следующем. В тангенциальных соплах 5 воздух ускоряется, снижает давление, температуру и подается в кольцевую полость 4, где он закручивается. Для снижения потерь кинетической энергии при переходе высокоскоростного потока из сопел 5 в кольцевую полость 4 на стенке корпуса 1 может быть выполнена кольцевая канавка 6, к которой подводятся выходы тангенциальных сопел 5. При перeходе закрученного потока из кольцевой полости 4 в кольцевой аксиальный канал 7 осуществляется деление потока на две части. Одна часть потока сразу поступает в периферийную зону трубы 8 взаимодействия вихрей через аксиальный канал 7, а другая, избыточная в данной части кольцевой полости 4, плавно переводится по спирали на участок кольцевой полости 4, где имеется недостаток расхода воздуха. Этим достигается стабилизация аксиальной и радиальной составляющих абсолютной скорости потока, выравнивание давления и расхода потока по периметру кольцевой полости 4 перед его подачей в трубу 8 взаимодействия вихрей. Дополнительно стабилизировать поток можно в аксиальном канале 7, если на боковой поверхности диафрагмы 3, которая является внутренней стенкой кольцевого аксиального канала 7, выполнить кольцевую канавку 9. Эффект стабилизации потока можно усилить, если аксиальный канал 7 изготовить с конфузорно-диффузорным профилем, т. е. выполнить боковою поверхность диафрагмы 3 с выпуклой боковой поверхностью, при этом кольцевая канавка 9 или первaя кольцевая канавка, если их несколько, должна быть размещена на боковой поверхности диафрагмы 3 в начале диффузорной части аксиального канала 7. Другой вариант усиления стабилизации потока - это использование аксиального канала 7 с диффузорно-конфузорным профилем, т. е. боковая поверхность диафрагмы 3 выполняется с вогнутой боковой поверхностью. Стабилизация потока необходима для того, чтобы кольцевой аксиальный канал 7 и сепаратор вынужденного вихря, выполненный в виде кольцевой выемки 14 в материале диафрагмы 3, могли совместно эффективно выполнять функцию эжектора промежуточного вихря. Кроме того, стабилизация потока устраняет наличие отдельных вихревых жгутов в свободном и вынужденном вихрях, что обеспечивает площадное взаимодействие вихрей и высокий уровень теплопередачи между ними. Высокоскоростной закрученный поток выходит из кольцевого аксиального канала 7 и поступает в перифepийнyю зону трубы 8 взаимодействия вихрей, где эжектирует (отводит) из приосевой зоны трубы 8 по поверхности кольцевой выемки 14 менее охлажденную (внешнюю) часть вынужденного вихря. Смешиваясь, оба потока образуют свободный вихрь, который, двигаясь от диафрагмы 3 к стенке щелевого диффузора 15 вывода горячего потока, взаимодействует с вынужденным вихрем и охлаждает его, одновременно повышает свою температуру. Нагреваясь, свободный вихрь уменьшает свою плотность, при этом увеличивается потребная площадь в периферийной зоне трубы 8 взаимодействия вихрей для его пропуска. Увеличение площади в периферийной зоне трубы 8 взаимодействия вихрей осуществляется за счет использования конической трубы 8 взаимодействия вихрей. Нагретый свободный вихрь делится кромкой стенки стакана 16 на более и менее нагретую части, т.е. осуществляется температурная селекция свободного вихря. Для снижения теплообмена между уже разделенными частями свободного вихря стакан 16 выполнен из материала с низкой теплопроводностью. Менее нагретая часть свободного вихря, она же - промежуточный вихрь, принудительно и послойно переводится аэродинамическими лопатками 17 в приосевую зону стакана 16 для обеспечения эжектирования и предварительной закрутки охлаждаемого потока, а также формирования вынужденного вихря. Принудительность перевода промежуточного вихря исключает самопроизвольный и преждевременный переход элементов свободного вихря в вынужденный и тем самым обеспечивает максимальную продолжительность их взаимодействия. Это, при прочих равных условиях, позволяет уменьшить длину трубы 8 взаимодействия вихрей примерно в полтора раза и существенно снизить потери кинетической энергии свободного вихря. Послойный перевод промежуточного вихря обеспечивается за счет использования сужающихся от основания к концу аэродинамических лопаток 17. С целью снижения аэродинамических потерь потока на лопатках 17 они выполнены с вогнутым профилем и геометрически закручены, а концевые части лопаток выполнены закругленными. Рекомендуемое количество аэродинамических лопаток эжектора охлаждаемого потока составляет 8-18 штук. Ввиду значительного количества лопаток oни должны иметь толщину в пределах 0,5-1,2 мм (чем больше лопаток, тем меньше толщина), что предопределяет их недостаточную жесткость. Для повышения жесткости лопаток 17 эжектора охлаждаемого потока их концевые части скрепляются между собой кольцом, при этом вместе взятые по высоте лопатки и кольцо не выступают в трубу 8 взаимодействия вихрей. Более нагретая часть свободного вихря подвергается дальнейшему нагреву за счет последовательного снижения скорости и повышения давления в канале щелевого диффузора 15 и его газосборной улитке 18 и под избыточным давлением подается в нагнетатель воздуха 19, где происходит его окончательное сжатие и повышение температуры до максимальной величины в цикле. Обеспечение вихревой трубой наддува входа нагнетателя 19 за счет утилизации кинетической энергии горячей составляющей свободного вихря значительно уменьшает потребную мощность для привода нагнетателя 19. После нагнетателя 19 сжатый воздух охлаждается в охладителе воздуха 20 (тепло отводится в окружающую средy) и подается в тангенциальные сопла 5. Нa этом контур отвода тепла во внешнюю среду замыкается.

Функционирование контура охлаждения объекта заключается в следующем. Охлаждаемый поток через трубку 12 втягивается в приосевую зону стакана 16 за счет его эжектирования промежуточным вихрем, принудительно поданным в приосевую зону стакана 16 аэродинамическими лопатками 17. В данном случае эжектор охлаждаемого потока, используя кинетическую энергию промежуточного вихря, работает как вакуумный насос по отношению к охлаждаемому объекту 21. Это способствует увеличению расхода охлаждаемого потока через трубу 8 взаимодействия вихрей и препятствует общему снижению давления в трубе 8 из-за вывода из нее воздуха радиальными пластинами 11. При эжектировании охлаждаемого потока промежуточным вихрем происходит их смешивание и формирование вынужденного вихря. Кроме того, при смешивании происходит первоначальная закрутка охлаждаемого потока и снижение угловой скорости промежуточного вихря, что предотвращает его самопроизвольный возврат в периферийную зону трубы 8 взаимодействия вихрей. Сформированный вынужденный вихрь, двигаясь к диафрагме 3, взаимодействует со свободным вихрем и нагревает его, одновременно охлаждается сам. Охлаждаясь, вынужденный вихрь увеличивает свою плотность, при этом снижается потребная площадь пoперечных сечений в приосевой зоне трубы 8 взаимодействия вихрей для его пропуска. Уменьшение площади поперечных сечений трубы 8 взаимодействия вихрей в ее приосевой зоне осуществляется за счет использования центрального тела 10 диафрагмы 3, выполненного сквозным через трубу 8 взаимодействия вихрей, с диаметром, уменьшающимся в сторону ее горячего конца. Для регулирования тепловых потоков по материалу центрального тела 10 оно выполнено составным, одна его часть, в пределах трубки вывода холодного потока и до 0,35 длины трубы 8 взаимодействия вихрей, изготовлена из материала с высокой теплопроводностью, другая часть, до трубки 12 ввода охлаждаемого потока включительно, изготовлена из материала с низкой теплопроводностью. Для усиления эффекта охлаждения вынужденного вихря, выводимого из трубы 8, часть центрального тела 10, в пределах трубки 2 вывода холодного потока и до 0,35 длины трубы 8 взаимодействия вихрей, может быть изготовлена в качестве тепловой трубы. Совместное использование в конструкции вихревой трубы конической трубы 8 взаимодействия вихрей и центрального тела 10 диафрагмы 3 позволяет существенно уменьшить гидравлическое сопротивление вихревой трубы и исключить возможность возвратного течения вынужденного вихря в приосевой зоне трубы 8. Это достигается за счет того, что цилиндричность или небольшая конусность (не более одного градуса) границы раздела свободного и вынужденного вихрей обеспечивают движение свободного и вынужденного вихрей по спирали с постоянно увеличивающимся ее радиусом. В этом случае гидравлическое сопротивление вихревой трубы минимальное. Охлажденный вынужденный вихрь делится кромкой кольцевой выемки 14 на две части, т.е. осуществляется тeмператypнaя селекция вынужденного вихря. Менее охлажденная, обладающая большой тангенциальной скоростью, часть вынужденного вихря, она же промежуточный вихрь, безударно переводится кольцевой выемкой 14 в периферийную зону трубы 8 взаимодействия вихрей. Более охлажденная часть вынужденного вихря выводится из трубы 8 взаимодействия вихрей через отверстие диафрагмы 3 и трубку 2 вывода холодного потока. В трубке 2 вывода холодного потока размещены радиальные пластины 11, входные кромки которых отогнуты и ориентированы против набегающего потока. Пластины 11 прекращают вращательное движение холодного потока, что полностью исключает возникновение вторичного вихревого эффекта в трубке 2 вывода холодного потока, и, обладая свойством осевого вентилятора, обеспечивают подачу воздуха в охлаждаемый объект. Из трубки 2 вывода холодного потока воздух подается в охлаждаемый объект 21. Охлаждая объект 21 (кабину или салон транспортного средства), воздух нагревается и далее возвращается в трубку 12 ввода охлаждаемого потока. На этом контур охлаждения объекта замыкается.

Устройство по предлагаемому изобретению промышленно применимо и обеспечивает селекцию вынужденного вихря, повышает уровень теплопередачи от вынужденного к свободному вихрю, обеспечивает более высокий уровень утилизации кинетической энергии свободного и вынужденного вихрей, уменьшает гидравлическое сопротивление трубы взаимодействия вихрей и не допускает возвратного течения вынужденного вихря в приосевой зоне трубы взаимодействия вихрей. Все это позволяет повысить холодильный КПД рассматриваемой вихревой трубы по сравнению с прототипом не менее чем в два раза.

Источники информации

1. SU 1208429 A, F 25 B 9/02, 1984.

2. Меркулов А.П. Вихревой эффект и его применение в технике. М.: Машиностроение, 1969, с. 97-99.