способ работы охлаждающе-нагревательного устройства и охлаждающе-нагревательное устройство

Формула изобретения

1. Способ работы охлаждающе-нагревательного устройства, включающий разгон газа до сверхзвуковой скорости в профилированном сопле, подачу в трубу и отбор холода от наружной поверхности трубы, отличающийся тем, что газ раскручивают на спиральных направляющих, расположенных внутри трубы, затем отбирают холод от наружной поверхности трубы и далее отбирают тепло от заторможенного потока на выходе из трубы.

2. Охлаждающе-нагревательное устройство, содержащее трубу, выполненную из теплопроводного материала, и профилированное сопло, отличающееся тем, что по оси трубы расположен веретенообразный вкладыш, на поверхности которого расположены спиральные направляющие.

3. Охлаждающе-нагревательное устройство по п.2, отличающееся тем, что на наружной поверхности трубы расположено теплообменное устройство, выполненное, например, в виде ребер.

4. Охлаждающе-нагревательное устройство по п.2, отличающееся тем, что выходной патрубок трубы присоединен к потребителю тепла.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области создания газодинамических охлаждающих устройств.

Известно, что при резком ускорении газа в сверхзвуковых соплах происходит самопроизвольное (динамическое) понижение его температуры [1, с.700]. На использовании такого явления основан способ работы известного охлаждающе-нагревательного устройства.

Известен способ работы охлаждающе-нагревательного устройства, включающий разгон газа до сверхзвуковой скорости в профилированном сопле, подачу в канал и отбор холода от наружной поверхности канала [2].

Известный способ реализуется в охлаждающе-нагревательном устройстве, содержащем трубу, выполненную из теплопроводного материала, и профилированное сопло [2].

Такое устройство с трубой, имеющей прямой гладкий канал в качестве теплообменного элемента, обладает низкой эффективностью при работе на воздухе, поэтому оно рекомендуется в основном для работы на такой экзотической газовой смеси как смесь ксенона и водорода. Это можно объяснить низкой теплопередачей через гладкую прямую стенку, что является недостатком.

Техническим результатом предлагаемого технического решения является уменьшение указанного недостатка.

Указанный технический результат в части способа достигается тем, что газ раскручивают на спиральных направляющих, расположенных внутри канала, после чего отбирают холод от наружной поверхности такого канала.

Указанный технический результат в части устройства достигается тем, что внутри трубы расположены спиральные направляющие.

Сущность изобретения заключается в следующем. Известно, что в витых теплообменниках теплоотдача всегда более интенсивна от периферийной части наружной поверхности навитых трубок по сравнению с теплоотдачей от такой же наружной поверхности, но расположенной с внутренней стороны навивки, в том числе и по сравнению с теплоотдачей от прямолинейных участков. Это объясняется тем, что центробежные силы инерции, прижимая движущийся газ к внутренней периферийной стенке намотанной (изогнутой) трубки теплообменника, повышают плотность газа на этом участке и тем самым интенсифицируют теплообмен.

Такой же способ интенсификации теплообмена за счет интенсивного теплосъема с периферийной стороны вращающегося сверхзвукового потока предлагается в данном изобретении.

Изобретение поясняется фиг.1, 2, 3, 4.

Предлагаемая конструкция устроена следующим образом.

Охлаждающе-нагревательное устройство (фиг.1...4) содержит профилированное ускоряющее сверхзвуковое сопло (сопло Лаваля) 1, присоединенное к металлической трубе 2, выполненной из высокотеплопроводного материала, например, из меди, алюминия или их сплавов и т.п. На внутренней поверхности трубы 2 размещены спиральные направляющие 3, образующие цилиндрическую полость диаметром d (на фиг.1 и 2 такая полость показана пунктиром). Характер расположения спиральных направляющих 3 подобен расположению спиральной нарезки в канале винтовочного или орудийного ствола.

По оси канала трубы расположен круглый веретенообразный вкладыш 4, имеющий такой диаметр d, и расположенный в цилиндрической полости, ограниченной спиральными направляющими 3. На наружной поверхности трубы 2 может быть расположено теплообменное устройство, выполненное, например, в виде теплообменных ребер 5 (фиг.2 и 4). В конце прямого канала, оснащенного спиральными направляющими 3, может быть расположен сверхзвуковой диффузор 6 (фиг.2). Поверхность веретенообразного вкладыша 4 может быть гладкой (фиг.1 и 2) или содержать собственные спиральные направляющие 7 (фиг.3 и 4), заменяющие спиральные направляющие 3.

Работает устройство следующим образом. При подаче в ускоряющее сопло 1 сжатого газа он разгоняется до сверхзвуковой скорости, сразу же охлаждается и поступает во внутреннюю полость трубы 2. Благодаря спиральной форме направляющих 3, расположенных внутри трубы 2, поток обретает вращение при своем движении вокруг оси (центра О), поэтому на холодный газ начинают воздействовать центробежные силы, прижимающие его к периферийной внутренней стенке 4. Под действием этих сил газ существенно уплотняется возле внутренней поверхности трубы 2, что способствует интенсификации теплообмена через стенку, ограниченную этой поверхностью. Наличие веретенообразного вкладыша 4 позволяет интенсифицировать процесс раскручивания, поскольку он заполняет своим телом "пустое" (от спиральных направляющих) пространство.

Если на внешней поверхности спиральной трубы 2 разместить теплообменное устройство, выполнив его, например, в виде теплообменных ребер 5 (фиг.2 и 4), то можно добиться еще большей интенсификации отбора холода от вращающегося газового потока (его подогрева от внешней среды).

Для предотвращения нежелательного изменения скорости движения сверхзвукового потока из-за изменения поперечного сечения канала в месте расположения круглого веретенообразного вкладыша 4 этот канал может иметь расширение в таком месте (не показан).

Отбор холода от наружной поверхности трубы 2 (ее подогрев) через ребра 5 можно производить или с помощью обычного теплого дозвукового газового потока, омывающего такие ребра, или с помощью подогретой низкотемпературной жидкости (типа этиленгликоля, спирта, фреона и т.п.). Для этого трубу 2 нужно поместить в бак с такой жидкостью.

После отбора холода и снижения скорости на выходе из спирального канала температура торможения потока будет значительно выше, чем температура потока на входе в сопло 1. Такой теплый поток можно использовать для подогрева. Для этого отбирают тепло от заторможенного потока на выходе из канала, например, с помощью теплообменника (не показан) или просто вдувая горячий воздух внутрь нагреваемого объекта (внутрь отапливаемого помещения), т.е. предлагаемое устройство может быть использовано не только в качестве охладителя, но и в качестве нагревателя, а также в качестве эффективного теплового насоса.

В последнем случае очень холодную оребренную поверхность 5, размещенную на открытом воздухе, интенсивно обдувают вентилятором или помещают в проточный водоем, а в отапливаемое помещение вдувают заторможенный горячий поток из выходного патрубка 6, т.е. выходной патрубок трубы 2 присоединяют к потребителю тепла.

Таким образом, рассмотренное устройство может быть использовано во всех случаях, где требуется интенсивное охлаждение и/или нагрев.

Источники информации

1. Физический энциклопедический словарь. М.: Советская энциклопедия, 1984.

2. Леонтьев А.И. Способ температурной стратификации газа и устройство для его осуществления. Патент РФ №2106581. Бюллетень изобретений №7 от 10.03.1998 г.