УДК 621.565.91

РАЗРАБОТКА ИНЖЕНЕРНОЙ МЕТОДИКИ РАСЧЕТА ВИХРЕВОЙ ХОЛОДИЛЬНОЙ УСТАНОВКИ

С. О. Набережнева1, В. В. Портнов2

1Студент гр. мПТ-191,minimad@mail.ru 2Канд. техн. наук, доцент,vvportnov@cchgeu.ru

ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический университет»

Встатье рассматривается вихревой эффект, его открытие, использование

вразных областях промышленности, в частности в зерновой (для правильной обработки зародышей пшеницы), так же разработана методика расчёта вихревой трубы для расчёта на заданную производительность, для использования её

вдальнейшем в расчёте.

Ключевые слова: вихревой эффект, вихревая машина, тепломассообмен, сопло, камера разделения, зерновая промышленность.

В различных областях науки и техники часто используются закрученные потоки газа– в частности, такие устройства, применяются в теплотехнических процессах, примером такого может быть энергоразделение газового потока известное как вихревой эффект (эффект Ранка-Хилша), для его реализации используется устройство, называемое вихревой трубой.

Данное устройство основным элементом всех вихревых охладителей, термостатов, устройство является простейшим вихревым аппаратом для получения, нагретого или охлаждённого газа. Труба представляет собой цилиндр или конус, в которыйподаётся поток сжатого газа тангенциально. Простота изготовления и отсутствие подвижных частей — это главные преимущества данного устройства [1].

На основании преимуществ вихревой трубы можно сказать о высокой применимости данного устройства в самых разных областях промышленности, в том числе и в зерновой промышленности. В зерновой промышленности данное устройство нужно для правильного хранения и обработки зародышей пшеницы, они широко используются в косметической и пищевой промышленности, так же и в медицине. Они представляют собой высокую ценность, но из-за происходящих биохимических процессов требуют тщательной и правильной обработки. Действия ферментов липазы, каталазы и липоксигеназы приводят к печальным последствиям и порче продукта [2].

119

Само открытие вихревого эффекта было сделано французским инженром Жоржем Жозефом Ранком ещё в 1933г, во время изучения фильтрапылеуловителя. До 1946 г.открытие игнорировали, до тех поканемецкий физик не опубликовалработу об экспериментах в областивихревой трубы.

Конструкция устройства чрезвычайно проста, так же и процессы, базирующиеся на вихревом эффекте, происходящие внутри устройства, вызвали значительный интерес (рис. 1).

Рис. 1. Конструкциявихревой трубы:

1–сопло; 2 –дроссель; 3 –цилиндрическая труба;4–диафрагма

Процессы заключаются в снижении температуры в центральных слоях (свободного вихря) и повышении температуры периферийных слоёв. При конструкции устройства, представленной выше, вихрь газа удаётся разделить на два потока: с пониженной и повышенной температурой соотвественно.

Сжатый газ подводится под углом в трубу 3 через сопло 1 при температуре окружающей среды. Газ, вращаясь, одновременно перемещается от сопла 1 к дросселю 2 и от сопла к диафрагме 4. Через диафрагму 4 выходит охлаждённый воздух, а через дроссель 2 по периферии –нагретый [4].

Были проведены различные испытания, в которых были задействованы сопла с разными углами наклона [3], что показало значительное влияние на КПД, его увеличение достигало 10-20 %, сейчас же наклонные сопла используют крайне редко.

Более распространено сопло с прямоугольным каналом, разработанное А.П. Меркуловым (рис. 2), с прямоугольным профилем канала. В данном соплвом устройстве 1:2 это оптимальное соотношение высоты к ширине канала на выходе, а профиль внутренней поверхности соответствует спирали Архимеда.

120

Рис.2. Схема соплового устройства[1]

Рассмотрим процесс расчёта на заданную производительность с использованиемимеющихсяхарактеристик.

Исходом расчёта будут основные геометрические параметры трубы и её элементов, режимные характеристики и расходы потоков. Начальными сведениямидлярасчётабудуявляться температуры, температурный напор,теплофизическиесвойствасжатогогаза,необходимаятеплоихолодопроизводительность.

Существует большое множество различных методик расчёта, все они имеют некоторые отличия, но суть у всех одна, слишком больших различий нет, поэтомупримемметодику,разработаннуюЮ. В.Чижиковым [1,6]заоснову.

Рассчитаем потребный весовой расходохлаждённого потокаи эффект охлаждения:

∆T h =T 1 * −T h *.

где T h * –температура охлаждённого потока на входе. Далее определяется его температура по выражению:

121

где A – коэффициент совершенства изготовления конструкции; B – коэффициент гидравлического сопротивления диафрагмы трубы.

В режиме максимальной температурной эффективности относительный диаметр равен

адля режима максимальной термодинамической эффективности:

Используем метод последовательных приближений для определения μ с использованием выражения (3). Используя значение температуры охлаждённго потока (2) найдём потребное значение температурной эффективности. Зная потребное значение по выражению (2) рассчитаем µ :

Так же рассчитаем расходдлясжатого газа:

Рассчитаем диаметр отверстия сопла закручивающего устройстваFc в предположении, чтоM1 =1,0можноопределитьследующимвыражением:

122

Коэффициент расхода соплаизначально принимается αc = 0,95 , а после определения размеров проверяетсяпо выражению

После этого высчитывается процентное отклонение от ранее принятого значения, если оно не превышает 2%, топерерасчётне требуется.

Разработанная методика Чижиковым является наиболее простой и универсальной для расчёта вихревой трубы. Данная методика будет применена к расчёту в области обработки зерновых зародышей, как и было, сказано раньше, так как в областизерновой промышленности – это важно. Сам путь обработки зерновых зародышей осуществляется в специальной установке для инактивации ферментативной активности зародышей, именно для этой установки является целью определения параметров вихревой трубы. Технология обработки в такой установке имеет последовательные этапы: очистка от примесей, нагрев до определённой температуры, смешивание с ингибитором и последующее охлаждение до минимально возможной и правильной для хранения продуктаВихревая. труба является важным элементом такой установки, так как благодаря ей будет поддерживаться нужная температура нагрева и охлаждения зародышей для правильной обработки и их хранения. Использование холодильной установки, принцип

123

действия которой основан на эффекте Ранка-Хилша, видится выгодным для данных манипуляций с зародышами.

Хотя вихревые трубы не обладают высокой эффективностью, её простта конструкции, атакже лёгкое регулирование позволяют предложить её в качестве источника высоко и низкопотенциального тепла в дальнейшем для обработки зародышей пшеницы.

Литература

1.Вихревые аппараты / А.Д. Суслов, С.В. Иванов, А.В. Мурашкин и др. –М.: Машиностроение, 1985. –256 с.

2.Orlovtseva O. Development of an automatic control scheme for the technology of inactivation of the enzymatic activity of wheat germs / O. Orlovtseva, K. Gusev, V. Portnov // 2020 International Multi-Conference on Industrial Engineering and Modern Technologies, FarEastCon 2020.– Institute of Electrical and Electronics Engineers Inc., 2020. –P. 9271214.

3.Рудаков, Ю.С. Влияние формы завихрителя на температурную фэфективность вихревого холодильника / Ю.С. Рудаков, А.А. Казанцев, Ю.М. Шустров // Известия вузов. Авиационная техника, 1978. –№ 3 –103-106 с.

4.Портнов, В.В.Холодильные установки: учебноепособие / В.В. Портнов. – Воронеж: ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет», 2014. –98 с.

5.Пиралишвили, Ш.А. Вихревой эффект. Эксперимент, теория, технические решения / Ш.А. Пиралишвили, В.М. Поляев, М.Н. Сергеев; под ред. А.И. Леонтьева. –М.: УНПЦ «Энергомаш», 2000. –412 с.

6.Чижиков, Ю.В. Развитие теории, методов расчета и промышленное использование вихревого эффекта : дис. … докт. техн. наук (05.04.03) / ЮВ.. Чижиков. –М., 1999.–291 с.

124