Вихревые трубы

 

Для получения охлажденного до — 10 60°С и нагретого до +50 100°С потоков газа в ряде случаев применяют вихревой эффект (эффект Ранка—Хильша), открытый в 1933 г. К настоящему времени многими исследователями как за рубежом, так и в СССР разработаны различные схемы вихревых установок. Основной частью их является труба, в которой осуществляется вихревой процесс температурного разделения газа.

Вихревая труба работает следующим образом. Сжа­тый газ (рис. 9-22) подается к соплам 2. расширяется в них и со скоростью 200—400 м/с вводится тангенциально в гладкостенную трубу 1. В трубе газ приобретает сложное винтовое движение, характеризующееся на­личием больших тангенциальных и осевых скоростей. Внешние слои газа V_С благодаря центробежному эффекту и наличию торцевого кольцевого канала по выходе из сопла движутся к регулирующему вентилю 3, а внутренние слои V_i, образующиеся из V_С благодаря переходу некоторого количества динамической энергии закрученного потока в статическую (в торцевом канале у кла­пана), перемещаются в обратном направле­нии к диафрагме 4.

В сопловом сечении трубы с-с устанавливается самая низкая термодинамическая (статическая) температура, значение которой определяется скоростью истечения газа из сопла . Внутренние слои V_i, выходя­щие из диафрагмы, имеют меньшую ско­рость, чем , и поэтому при торможении приобретают более низкую по отношению к исходному газу температуру торможения t_Х<t_С, а выходящие через вентиль 3 — повышенную t_Г>t_c.

Н а рис. 9-23 представлена температурная характеристика вихревой трубы. Величина охлаждения

о дного потока, так же как и величина нагрева другого потока, зависит от доли регулируемого клапаном 3 холодного потока

Характеристика по холодному газу обычной вихревой трубы (кривая 1) имеет максимум при малых значениях μ =0,2 ÷ 0,4.

Малые значения μ существенно уменьшают холодопроизводительность вихревой трубы. С увеличением μ для этих труб Δt_x резко уменьшается и при μ=1 равняется нулю. Характеризующая горячий поток величина возрастает по мере увеличения μ .

ТЕПЛОВЫЕ НАСОСЫ

Компрессия тепла природных источников (воды и воздуха), а так­же отработавшей воды и отработавших газов промышленных предприя­тий получила развитие в начале второй мировой войны. В настоящее время за рубежом имеются установки для центрального отопления, горячего водоснабжения и кондиционирования воздуха в жилых зданиях и производственных помещениях теплопроизводительностью до 80 МДж/ч (примерно 20 Мкал/ч) при мощностях турбокомпрессоров до 1 000 кВт. Они в 2—3 раза экономичнее установок с электрическим обогревом.

Схема и процессы на T-S-диаграмме для теплового насоса и холо­дильной установки принципиально не различаются, и условно можно холодильную установку назвать тепловым насосом, если основной задачей ее является не производство холода, а производство тепла. Разница в схемам на рис. 9-1 а 10-1 состоит в том, что потребители тепла в схеме теплового насоса подсоединяются к конденсатору, в то время как в схеме холодильной установки потребители холода подсоединялись к испарителю.

Рассмотрение процесса на T-s-диаграмме (рис. 10-1) показывает, что при затрате электроэнергии L (пл. 1-2-3-4-1) и использовании испарения хладоагента природного тепла наружного воздуха или воды, в конденсаторе получается тепло, равное суммарной пл. 5-3-2-6-5. При незначительных повышениях температурного потенциала тепловые насосы дают возможность получить на 1 кВт · ч электроэнергии, 6,3—8,4 МДж (1,5—2 Мкал) теп­ла, что в 2—3 раза экономичнее тепловых установок с электрообогревом.

Экономичность теплового насоса определяется коэффициентом трансформации тепла, который для идеального цикла (рис. 10-1) имеет выражение

(10-1)

К омпрессия пара низкого давления может производиться по двум схемам: а) повысительной — получение пара среднего давления из пара более высокого давления и пара низкого давления и б) расщепительной — получение одновременно пара более высокого и пара более низкого давления из пара среднего давления.

Механическая компрессия пара. Для повышения давления водяного пара поршневые компрессоры не применяются, так как при больших удельных объемах пара низкого давления они должны иметь очень большие размеры и расходовать значительное количество энергии на холостой ход. При небольших производительностях (до 40 м³/мин) могут применяться ротационные компрессоры. При больших производительностях применяются турбокомпрессоры с приводом от паровой турбины пли электродвигателя.

Трансформация тепла при помощи пароструйных компрессоров. В качестве трансформаторов тепла для повышения давления отработавшего пара низкого давления получили наибольшее распространение струйные компрессоры.

Принципиальная схема пароструйного компрессора показана на рис. 10-3. Рабочий пар с давлением p_p и скоростью w_p подводится к рабочему соплу 1, где происходит расширение его от p_p до p₂ , а скорость увеличивается от w_p до w₂. Со скоростью w₂ пар выходит из сопла и поступает в камеру смешения 3. По пути между соплом и камерой смешения рабочий пар подсасывает инжектируемый пар, который подводится к приемной камере 2 струйного компрессора с давлением. Инжектируемый пар поступает в камеру смешения со скоростью w_и . В камере смешения 3 инжектирующий и инжектируемый пар перемешиваются и скорости их выравниваются. В конце камеры смешения пар имеет среднюю скорость w₃ и давление p₃ затем он поступает в диффузор 4. В диффузоре давление пара возрастает от p₃ до p_с, а скорость падает от w₃ до w_с ; с этими параметрами он и выходит из пароструйного аппарата.

122