Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
сд1.doc
Скачиваний:
659
Добавлен:
17.03.2015
Размер:
10.97 Mб
Скачать

Эффект Ранка

Сущность эффекта Джозефа Ранка (1933 г) заключается в вихревом температурном разделении газового потока на холодный и горячий (центральный поток имеет более низкую температуру, чем исходный газ). Поясним этот эффект на примере вихревой трубы.

Согласно гипотезе Д.Ранка, в вихревой камере, непосредственно у сопла создается свободный вихрь, который по мере его движения вдоль трубы перестраивается в вынужденный за счёт сил трения между слоями газа. В результате перестройки потока газа происходит переток от осевых слоёв к периферийным, что приводит к охлаждению первых и нагреву вторых. Согласно предположению Д.Ранка, источником возникновения вихревого эффекта служат силы трения между слоями газа, и, в этой связи вихревой эффект невозможен для идеальных газов. Отечественными исследователями (Алексеев Т.С., Мартыновский В.С, Войтко А.И.)) высказано предположение, что вихревой эффект является результатом действия центробежных сил, возникающих неизбежно в любом вращающимся потоке газа и это ведет к тому, что сжатые периферийные слои газа нагреты сильнее, чем осевые (за счёт работы центробежных сил инерции). При этом следует ещё учитывать и повышение температуры торможения за счёт гашения окружной скорости вращающегося потока газа.

Вихревая труба в её основной модификации - это устройство, в котором сжатый газ при расширении разделяется на два потока - один более холодный, чем исходный, и второй - более горячий. В вихревой трубе нет никаких движущихся частей, её конструкция чрезвычайно проста.

На рисунке 7 показан общий вид вихревой трубы.

Рисунок 7. Общий вид вихревой трубы

Рассмотрим конструкцию вихревой камеры. Цилиндрическая труба 1 соединена с распределительной головкой 2, которая содержит сопловой ввод 3 (вихреобразователь), диафрагму 4 и трубу холодного потока 5. С противоположной стороны расположен корпус регулирующего вентиля 6 с конусом 7 и трубой 8 горячего потока.

Поток сжатого газа подводится к соплу 3. В сопловом вводе и затем в вихревой трубе сжатый газ расширяется и разделяется на два потока - холодный и горячий. Холодный поток (с температурой tх, значительно меньшей, чем температура tс сжатого потока) отводится через диафрагму 4 по трубе холодного потока. Внутреннюю поверхность вихреобразователя предпочтительно выполнять по спирали Архимеда, либо ввод газа в вихревую трубу осуществлять одновременно через несколько симметрично расположенных тангенциальных сопел.

Горячий поток (с температурой tг, значительно большей, чем tс) отводится с противоположного конца через вентиль 6 по трубе горячего потока.

Меняя положение конуса 7, можно изменять расходы и температуры холодного и горячего потоков. Для понижения температуры tх необходимо расход холодного потока уменьшить (вентиль 7 открывается). Для повышения температуры tг горячего потока, наоборот, вентиль 7 прикрывается.

Такова вихревая труба в её классическом виде. По мере совершенствования конструкций вихревых труб появились разнообразные её модификации, в частности такие, которые дают только холодный поток, или такие, где получают три потока - два холодных и один горячий; разработаны и такие трубы, в которых охлаждаемый объект помещается внутри них.

Однако принцип работы вихревой трубы и основные её элементы во всех модификациях сохраняются.

Образование холодного и горячего потоков может произойти только в том случае, если энергия входящего потока в вихревой трубе распределяется таким образом, чтобы некотороеее количество отводилось от охлаждаемого потока и передавалось нагреваемому потоку. Суммарное количествоэнергии холодного и горячего потоков, отводимых из трубы (если она изолирована), по закону сохранения энергии равно количеству энергии поступающего сжатого газа. Перераспределение энергии является результатом сложных газодинамических процессов, происходящих внутри вихревой трубы. Прежде чем рассматривать эти процессы, необходимо представить некоторые внешние характеристики вихревой трубы.

Понижение температуры Δtх определяется по разности температур поступающего сжатого газа и получаемого холодного потока:

(19)

а повышение температуры другой части потока составляет разность между температурами горячего потока tг и сжатого газа tc:

(20)

Разности температур Δtх и Δtг при постоянных температуре tc и давлениях перед трубой и за ней изменяются в зависимости от соотношения масс потоков. Gх и Gг, выходящих соответственно через холодную и горячую стороны вихревой трубы. Масса получаемого холодного потока Gx или его доля μ = Gх/Gс (отношение массы холодного потока к массе суммарного количества газа, подведенного к вихревой трубе) регулируется изменением количества газа Gг, пропускаемого через вентиль на горячем конце трубы

Очевидно, что, например, при Gс = 1 кг/ч и доле холодного потока μ масса горячего потока будет равна 1 – μ. Значения Δtх и Δtг можно изменять в довольно широких пределах, однако во всех случаях должно соблюдаться условие сходимости энергетического баланса трубы.

В общем случае энергетический баланс имеет вид (рисунок 8)

(21)

где Gc·ic - энергия потока, подведенного к трубе;

Gг·iг и Gх·iх - энергия, выносимая соответственно горячим и холодным потоками;

Qохл - количество тепла, отводимое от горячей части трубы при её естественном или искусственном охлаждении.

Рисунок 8. Энергетический баланс вихревой камеры

В большинстве случаев, если труба не охлаждается специально, величиной Qохл можно пренебречь (Qохл = 0). Такую трубу называют адиабатной (процесс протекает без теплообмена с внешней средой).

Диаметр вихревой трубы оптимальных размеров задается в большинстве случаев конструктивными соображениями, так чтобы осевые скорости холодного и горячего потоков газа не превышали 5 – 10 м/с. Оптимальная длина вихревой камеры составляет 20 – 30 её диаметров.

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]