Вихровий ефект охолодження
Вихровий охолодження вперше було запропоновано французьким інженером Ранком в 1933 р Теоретичний аналіз, дослідне дослідження і розробка вихрових охолоджувальних пристроїв проводилися і успішно ведуться в багатьох дослідницьких лабораторіях.
Пристрій, принцип дії та показники ефективності роботи вихровий труби представлені на рис. 1.
Рис. 1. Охолодження вихровий трубою: а - пристрій труби: 1 - дросельний клапан-2 - гарячий кінець труби-3 - сопло- 4 - діафрагма- 5 - холодний кінець труби-б - залежність ступеня охолодження Δ-tх = t - tх і нагрівання Δ-tг = tг - t від масової частки холодного повітря μ- = Gх / G.
Попередньо стислий і охолоджений водою повітря в кількості G кг при тиску p і температурі t подається в сопло 3 (рис. 1, а), де він розширюється, охолоджується і набуває велику швидкість і кінетичну енергію. Оскільки повітря надходить в трубу тангенциально, то він в поперечному перерізі труби утворює вільний вихор, кутова швидкість якого велика у осі і мала у периферії труби. Надлишок кінетичної енергії внутрішніх шарів передається (тертям) зовнішнім, підвищуючи їх температуру. Цей процес відбувається настільки швидко, що внутрение шари, віддавши енергію периферійним і ще більше охолодити, не встигають отримувати від них еквівалентного повернення теплоти, т. Е. В поле вихрового розділення повітря не настає термічного рівноваги.
Перебуваючи поблизу центрального отвору діафрагми 4, холодне повітря виходить через нього до правого вільного кінця труби 5, званому холодним. Нагріті периферійні шари рухаються вліво до дросельного клапану 1 і через нього виходять з гарячого кінця труби 2. Кількості одержуваного гарячого Gг і холодного Gх повітря, а отже, і температури того й іншого tг і tх регулюються ступенем відкриття клапана.
Охолодження холодного потоку Δ-tх = t - tх в вихровий трубі (рис. 1, б) менше, ніж в адіабатичному оборотному процесі розширення, і більше, ніж при дроселюванні. Як видно на графіку, найбільшому охолодженню Δ-tх = 45 ° C відповідає p # 8776- 0,5 МПа, μ- = Gх / G = 0,3, що при t = 10 ° C дає tх = -35 ° C. Це приблизно половина різниці температур в ізоентропіческом процесі розширення. Найбільша питома холодопродуктивність q0 = μ- · cp · Δ-tх кДж / кг досягається при μ- # 8776- 0,6 ... 0,7, однак вона сама по собі невисока і складає 12,5 ... 21 кДж / кг.
Термодинамічні процеси вихровий труби малоефективні. На охолодження вихровий трубою витрачається енергії приблизно в 8 ... 10 разів більше, ніж повітряної машиною. Однак такий спосіб одночасного отримання холоду і тепла виключно простий (якщо є система стисненого повітря або, наприклад, природного газу достатнього тиску), тому він застосовується в тих випадках, коли необхідно отримувати холод і тепло періодично і в невеликих кількостях, а також коли простота конструкції , малі маса і габарит відіграють вирішальну роль.
Ефективність роботи вихровий труби може бути підвищена за рахунок охолодження водою гарячого кінця труби і збільшення частки холодного повітря μ-, причому енергію навколишньому середовищу можна повністю передавати не з гарячим потоком, а у вигляді теплоти з охолоджувальною водою: проточною або барботируемом гарячим повітрям. У першому випадку витрату води складає приблизно 1,5 кг на 1 кг стисненого повітря, що подається в вихревую трубу, а в другому він скорочується в 100 і більше разів, так як для охолодження використовується прихована теплота пароутворення води, зволожуючою гаряче повітря.
