12. Вихревые трубки

В основе работы вихревой трубы лежит т.н. эффект Ранка-Хилша (1933 г). Вихревая труба представляет собой газодинамическое устройство с тангенциальным входом газа, рис. 12.1.

Рисунок 12.1 – Схема вихревой трубы

Как известно, в закрученных потоках вязкого газа при наличии поперечного градиента скорости поверхности тока взаимодействуют между собой из-за наличия касательных сил вязкости. Работа, затраченная на преодоление этих сил, преобразуется в тепло. При этом разные струйки могут обладать разными запасами полной энергии:

I^* = C_pT + V²/2.

Наличие в потоке градиента температур предопределяет теплообмен между слоями газа. Однако, большой вклад в перераспределение полной энергии принадлежит турбулентному механизму переноса.

Вихревая труба состоит из корпуса, выполненного в виде цилиндрической или диффузорной трубы с диаметром начального сечения D_ох и длиной L₀, тангенциально расположенных по отношению к корпусу вводных сопел с площадью проходного сечения F₀, диафрагмы с диаметром отверстия d_i, расположенной вблизи соплового входа, и конического регулировочного вентиля на противоположном от диафрагмы конце корпуса.

Интенсивность энергетического разделения газов в вихревой трубе обычно оценивают по зависимости величин избыточных температур газа ΔT₁ и ΔT₂от доли охлажденного потока μ. При этом:

ΔT₁ = T^* – T₁ ,

ΔT₂ = T₂ – T^*,

μ = M₁/M^*,

где T^*, T₁, Т₂ – температура торможения на входе в вихревую трубу, на выходе из нее охлажденного и горячего потоков соответственно;М^* и М₁ – массовые расходы исходного и охлажденного потоков газа соответственно.

Типичные экспериментальные зависимости величин ΔT₁ и ΔT₂ от относительного расхода холодного потока μ приведены на рис. 12.2.

Рисунок 12.2 – Температура газа на выходе из ВТ

Обычно каждой паре кривых ΔT₁, ΔT₂ – μ соответствуют определенные условия проведения экспериментов: отношение давлений газа на входе в вихревую трубу и выходе охлажденного потока из диафрагмы Р^*/Р₁, температура газа на входе в вихревую трубу Т^*, безразмерная площадь вводных сопел

ω = 4F/πD₀²и др.

Эффект энергетического разделения газа неразрывно связан с перестройкой затухающего вихревого турбулентного движения и происходит в довольно протяженной области течения, простирающейся от соплового входа на расстояние от одного до нескольких десятков диаметров вихревой трубы. При большой длине области происходящие в ней явления не будут определяться детальной структурой потока на входе в вихревую трубу и должны зависеть от переменных, характеризующих течение в целом. т.е. от интегральных величин, таких как массовый расход поступающего в трубу газа M^*, поток импульса в направлении оси трубы K^*, поток энергии E^*и массовый расход отбираемого через отверстие диафрагмы холодного газа M₁. К этим интегральным характеристикам, необходимо, добавить характерный размер – диаметр трубы D₀.

Следует отметить, что поток газа в вихревой трубе является развитым турбулентным потоком. Можно предположить, что турбулентность, возбуждаемая струями, истекающими из вводных сопел вихревой трубы, имеет высокий уровень, превышающий во всей области энергетического разделения уровень турбулентности, порождаемый в пограничном слое на стенках трубы.

Рабочая величина давления на входе в вихревую трубу может меняться в широких пределах; по имеющимся данным вихревая труба устойчиво работает при полном давлении на входе 0,5…0,7 МПа, известны эксперименты с пропусканием через ВТ газа с давлением до 25 МПа. Температура теплого и холодного потоков зависит от начальной температуры газа на входе; рисунок дает представление о перепаде температур в потоках; этот перепад, как правило, сохраняется. Потери энергии в ВТ связаны с трением высокоскоростного газового потока о стенки.

Таким образом, вихревая труба является весьма удобным инструментом для получения высокотемпературных (+ 60, + 80 °С) и низкотемпературного (- 20, - 40 °С) газовых потоков, которые можно использовать для отопительных целей и холодильной техники.

В настоящее время вихревая техника широко внедрена в промышленность: вихревые управляющие клапаны в системах управления тягой ракетных двигателей, вихревые холодильники, вихревые системы очистки, осушки газа в газовой промышленности, вихревые системы газоподготовки для нужд пневмо- и газоавтоматики.

Выводы

Потенциальные ресурсы возобновляемых источников энергии составляют существенную долю потребностей человечества в энергетике. Мировое потребление этих источников на сегодняшний день составляет лишь ничтожную долю. Это объясняется в первую очередь тем, что в силу низкой концентрации НВИЭ и их неравномерного распределения по поверхности Земли удельные затраты на единицу мощности и стоимость энергии при современных технологиях очень велики, не могут конкурировать с традиционными источниками энергии.

Использование низкопотенциальных источников энергии для целей теплоснабжения является направлением энергетики.

Перспективными энергетическими установками, использующими низкопотенциальные энергии, являются теплонасосы, в том числе и компании с другими преобразователями низкотемпературной энергии – солнечными батареями, ветроэнами и т.д.

Внедрение тепловых насосов позволяет снизить расходы топлива на единицу выработанной теплоты по сравнению с котельными от 20 до 50 % либо обеспечить 3…4-кратную экономию электроэнергии по сравнению с прямым электроснабжением. Источники энергии для ТНУ находятся «непосредственно» у потребителей, что сокращает потери при передаче и сокращает расходы на содержание и строительство теплотрасс и т.п. Время возможной работы ТНУ совпадает со временем потребности потребителями в энергии.

Большинство рассмотренных в данной работе проектов разработаны и внедряются за рубежом, в то время как в нашей стране всё ограничилось несколькими демонстрационными проектами и предложениями, по большей части основанными на практически единственной ТНУ АТНУ-10 производства «Экомаш» (г. Саратов). Совершенно необходимо развивать работы в этом направлении с целью создания конструкций иного ряда современных ТНУ различного назначения.