Установки с вихревой трубой.

Холодильный эффект в вихревой трубе был открыт в 1933 г. французом Ф. Ранком и позже развит нем­цем Р. Хильшем, почему его и называют эффектом Ранка—Хильша. Последующие исследования, проведенные открыли широкие воз­можности применения вихревых труб в самых различных областях.

Вихревая труба изображена на рис. 1.64, а. Сжатый (например, в компрессоре 1) газ при температуре окружающей среды вводится в цилиндрическую трубу через сопла 2 по касательной к внутренней поверхности трубы. Там он, совершая вращательное, вихревое дви­жение по отношению к оси трубы, разделяется на два потока. Пери­ферийный поток газа вследствие его торможения нагревается и дви­жется в сторону вентиля 6, выходя в окружающую среду 4. Централь­ный поток газа сохраняет низкую температуру, полученную в резуль­тате адиабатного истечения через сопло 2, и движется в противополож­ную сторону трубы к выходу 3, проходя диафрагму 5, вблизи которой имеет самую низкую температуру. Поток газа с высокой температу­рой Т_г используется для нагревания, а с низкой Т_х — для охлаждения; Т_с — температура сжатого газа.

Рис. 1.64. Вихревая труба: схема (а), изображение процесса в диаграмме Т — s (б), зависимость степени охлаждения ΔТх = Т — Тх от сечения сопла и отношения потоков Gх / Gс (в) при односопловом, прямоугольном, спиральном вводе газа с различной площадью сечения f сопла: 1 — 32 мм2, 2 — 40 мм2; 3 — 50 мм2; 4 — 45 мм2

по отношению к оси трубы, разделяется на два потока. Пери­ферийный поток газа вследствие его торможения нагревается и дви­жется в сторону вентиля 6, выходя в окружающую среду Разницу в температурах потоков можно оценить количественно с помощью выражения температуры торможения (1.136):

T_г = Т₂+0,5(w²_Тг + w²_ог)/с_р и T_x = Т₂+0,5(w²_Тx + w²_ог)/с_р 1.332)

где w_тг и w_тx — средние скорости тангенциального движения го­рячего и холодного газа, w_ог и w_оx — средние скорости осевого дви­жения тех же газов, с_р — удельная теплоемкость газа, Т₂ — темпе­ратура газа на выходе из сопла.

Поскольку w_тг значительно больше w_тx, соответственно и Т_г >> Т_х.

В диаграмме Т — s (см. рис. 1.63,6) процесс 1-2— адиабатное истечение в сопле; 2-3 — изобарное торможение центрального холодного потока; 2-4 — изобарное торможение периферийного горячего потока. Давление последнего вследствие действия центробежных сил будет несколько выше, чем центрального.

Разность температур ΔТ_х = Т — Т_х и холодопроизводительность регулируются клапаном 6, положение которого определяет соотноше­ние между потоками G_г и G_x (кг/с):

G_г + G_x = G_c.

Для каждой вихре­вой трубы существует свое оптимальное сечение сопла f , которое определяет расход газа в соответствии с диаметром трубы (рис. 1.64, в). Холодильный коэффициент определяется по обычной формуле

,

в которой q₂ — отнимаемое количество теплоты, соответствующее раз­ности температур между окружающей средой и холодным потоком на срезе трубы 3, a l_k— работа, эквивалентная работе компрессора, сжимающего газ.