Способ работы температурного трансформатора и температурный трансформатор
Изобретение относится к области холодильной техники. Способ работы температурного трансформатора включает закручивание газового потока, подачу закрученного потока в камеру энергообмена, формирование осевого потока за счет подачи охлаждаемого потока в канал осевого потока и обеспечение энергообмена закрученного потока с осевым потоком. Охлаждение производят в камере энергообмена за счет испарения жидкости через пористую стенку, расположенную соосно камере энергообмена. Использование изобретения позволит повысить эффективность температурного трансформатора. 2 н. и 7 з.п. ф-лы, 2 ил., 2 табл.
Изобретение относится к области создания холодильной техники, работающей на использовании свойств расширяющегося газового потока, в частности на использовании свойств вращающегося газового потока в вихревой трубе (температурном трансформаторе).
Известен способ работы температурного трансформатора, включающий закручивание газового потока, подачу закрученного потока в камеру энергообмена, формирование осевого потока за счет подачи охлаждаемого потока в канал осевого потока и обеспечение процесса энергообмена закрученного потока с осевым потоком, [1].
Известный способ реализуется в температурном трансформаторе (вихревой трубе), содержащем закручивающее устройство, камеру энергоразделения, горячий конец, а также холодный конец, с размещенным в нем каналом осевого потока, расположенным в зоне энергообмена [1].
Известный способ работы температурного трансформатора и известный температурный трансформатор имеют низкую эффективность. Это является недостатком.
Техническим результатом изобретения является уменьшение такого недостатка, т.е. повышение эффективности вихревой трубы.
Техническим результатом в части способа является то, что в камере энергообмена производят охлаждение за счет испарения жидкости через пористую стенку, образованную поверхностью вращения и расположенную соосно камере энергообмена. При этом охлаждаемый поток и испаряющуюся жидкость подают в камеру энергообмена раздельно по соосно расположенным каналам, например испаряющуюся жидкость подают вдоль наружной поверхности трубки, во внутренней полости которой подают охлаждаемый поток.
Техническим результатом в части устройства является то, что канал осевого потока окружен пористой структурой. При этом пористая структура выполнена в виде пористой трубы, охватывающей канал осевого потока. Пористая труба может образовывать непосредственно канал осевого потока или охватывать другую, непористую трубку, образующую канал осевого потока.
Фигура 1 показывает температурный трансформатор, выполненный в виде вихревой трубы, которая содержит тангенциальное сопло (входной патрубок) 1 с улиткой 2, камеру энергоразделения 3, а также оппозитно расположенные горячий и холодный концы. На горячем конце расположен дроссель 4 с проходными отверстиями 5. Дроссель 4 имеет выходной патрубок 6. Внутри вихревой трубы по всей ее длине размещен канал осевого потока (трубка) 7, проходящий через дроссель 4 и являющийся продолжением диафрагмы (или патрубка) холодного конца 8. Канал осевого потока 7 окружен пористой структурой, выполненной в виде круглой пористой трубы 9, охватывающей канал осевого потока.
Круглая труба 9 имеет пористую стенку, образованную поверхностью вращения и расположенную соосно камере энергообмена. Труба 9 имеет входной патрубок 10, но не имеет выходного патрубка.
Пористая структура может быть реализована, например, из спеченного прочного медесодержащего порошка, либо из плетеной или просечной сетки.
При этом пористая структура может быть выполнена двухслойной, кроме того, канал осевого потока может быть размещен в пористой трубе с зазором.
Работает предлагаемый температурный трансформатор следующим образом (фиг.1).
При подаче потока сжатого газа (воздуха) через сопло 1 на улитку 2 газ раскручивается, поступает в камеру энергоразделения 3 и, прижимаясь под действием центробежных сил к ее конусной поверхности, продвигается в сторону горячего конца - к дросселю 4.
При прохождении через зазор между корпусом камеры энергоразделения 3 и корпусом дросселя 4 воздух сбрасывается в атмосферу. В канал осевого потока подается охлаждаемая среда (другой газ, жидкость, эмульсия и др.).
Известно, что в работающей вихревой трубе по радиальному направлению - от центра к периферии происходит энергообмен, при этом осевой поток охлаждается независимо от того, свободен ли он или ограничен внутренней поверхностью трубки 7 (находится внутри нее), а вращающийся периферийный всегда нагревается. Так реализуется известный вихревой процесс охлаждения [1, 2, c.11].
Кроме того, известно, что в приосевой части камеры энергообмена работающей вихревой трубы всегда организуется область пониженного давления, и это явление используется для создания так называемых вакуум-насосов [2, с.74].
В изобретении тоже используется пониженное давление приосевой области, но с целью повышения холодильного эффекта вихревого устройства. Для этого в камере энергообмена производят дополнительное охлаждение за счет продавливания легкокипящей жидкости через пористую стенку и ее интенсивного испарения (в режиме кипения) в осевой зоне пониженного давления (так же, как это происходит в испарительных холодильниках за счет испарения при "вакуумировании" фреона, хладона аммиака и др. известных хладагентов), а это сопровождается интенсивным охлаждением всего содержимого, пропускаемого по каналу осевого потока.
Такой процесс испарительного охлаждения способствует резкому уменьшению расхода сжатого воздуха, используемого для генерации холода в осевом потоке известного температурного трансформатора. Например, обычная вода при понижении давления вскипает и поглощает 10,75 ккал/моль в качестве теплоты испарения даже при 0°С. А это значительно больше, чем при испарении любого известного хладагента. Например, фреон при испарении поглощает всего лишь 4,44 ккал/моль.
Такой метод повышения холодопроизводительности вихревого устройства (усиления вихревого эффекта) можно использовать для создания устройств, предназначенных для непосредственного охлаждения не только воды, но и любых других жидких и газообразных веществ, пропускаемых по каналу осевого потока.
С этой целью поверхность трубки нужно или покрыть пористым слоем, пропускающим жидкость, или поместить в пористую трубу 9, внутри которой и подавать легкокипящую (охлаждающую) жидкость вдоль поверхности трубки 7. При этом канал осевого потока может быть изолирован от камеры энергообмена.
При этом трубу 9 можно установить с зазором по отношению к трубке 7 и по этому зазору подавать жидкость, или же трубу 9 установить без зазора, но создать с внутренней стороны такой трубы, примыкающей к трубке 7, двухслойную пористую структуру - крупноячеистую внутри и мелкоячеистую снаружи.
Пористая крупноячеистая структура со сквозными каналами обеспечивает беспрепятственный проход жидкости вдоль поверхности внутренней трубки 7 к любой части мелкопористой поверхности наружной трубы 9, которая обеспечивает испарение легкокипящей жидкости со своей поверхности.
Такую же двойную структуру может иметь пористое покрытие, наносимое на поверхность трубки 7.
Испаряющаяся с пористой поверхности трубы 9 жидкость интенсивно охлаждает слой такой же жидкости, остающийся в зазоре между трубой 9 и трубкой 7 или в крупноячеистых порах, который, в свою очередь, через стенку трубки 7 охлаждает осевой поток 11. Для подачи легкокипящей жидкости служит патрубок 10.
В качестве легкокипящей жидкости (хладагента) можно выбрать и известные хладагенты, например, хладоны или фреоны, но предпочтение необходимо отдать таким более безопасным веществам как вода, метиловый или этиловый спирты, имеющим более высокую теплоту испарения. Для сравнения с известными холодильными хладагентами можно привести табличные данные об их параметрах [3, с.193, табл.11.10]:
| Табл.1. | |||
| №№ п/п | Предлагаемые хладагенты | Теплота испарения ккал/моль предлагаемых хладагентов в процессе кипения при 0°С | |
| 1 | Метиловый | 9,25 | |
| спирт (СН4О) | |||
| 2 | Вода (H2O) | 10,75 | |
| 3 | Этиловый | 11,52 | |
| спирт (С2Н6О) |
| Табл.2. | |||
| №№ п/п | Известные хладагенты | Теплота испарения ккал/моль известных хладагентов в процессе кипения при 0°С | |
| 1 | Пропан (С2Н8) | 3,94 | |
| 2 | Фреон-12 | 4,44 | |
| (CF2Cl2) | |||
| 3 | Аммиак (NH3) | 5,76 |
Из таблицы 1 видно, что предлагаемые легкокипящие жидкости имеют теплоту испарения, а следовательно, и эффект охлаждения, в 2...3 раза более высокие, чем известные холодильные хладагенты (таблица 2). К тому же вода и спирты безопасны для окружающей среды.
Вода, в качестве холодильного хладагента, может использоваться для охлаждения осевого потока, но, во избежание замерзания, до температуры не ниже 0°C. Для получения более низких температур могут использоваться водоспиртовые смеси и чистые спирты. Но в случае применения спиртов необходимо построить замкнутый рабочий цикл с их возвратом после использования.
Для интенсификации теплообмена между осевым потоком и холодной стенкой трубки 7 на ее входе целесообразно расположить турбулизатор осевого потока 13 (фиг.2). При этом на этой же фиг.2 показаны входной поток 14, турбулизированный поток 15 и периферийный поток 16, вращающийся в камере энергообмена 3.
Кроме того, такое устройство способно вырабатывать холод и в таком режиме, в котором обычная вихревая труба не работоспособна, например при работе с влажным воздухом или на сверхзвуковых скоростях движения периферийного потока. В таком случае вихревой эффект будет отсутствовать, а испарительное охлаждение будет единственным и основным, но не дополнительным.
Таким образом, сущность изобретения в части способа заключается в том, что в камере энергообмена производят охлаждение за счет испарения жидкости через пористую стенку, образованную поверхностью вращения и расположенную соосно камере энергообмена, при этом, охлаждаемый поток и испаряющуюся жидкость подают в камеру энергообмена раздельно по соосно расположенным каналам, например испаряющуюся жидкость подают вдоль наружной поверхности трубки, во внутренней полости которой подают охлаждаемый поток.
Сущность изобретения в части устройства заключается в том, что канал осевого потока окружен пористой структурой. При этом:
- пористая структура может быть выполнена в виде пористой трубы, охватывающей канал осевого потока;
- пористая структура может быть выполнена двухслойной;
- канал осевого потока может быть размещен в пористой трубе с зазором;
- пористая структура может быть выполнена из плетеной или просечной сетки.
- в канале осевого потока может быть размещен турбулизатор потока.
Изобретение позволяет расширить возможности вихревой трубы, которая может найти применение для нагрева или охлаждения одного газа за счет внутренней энергии жидкости; для непосредственного охлаждения жидкости; в качестве теплового насоса и т.п.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
1. Ерченко Г.Н. Вихревой теплообменный элемент. Патент РФ №2084793. Бюллетень изобретений №20, 20.07.1997 г.
2. Меркулов А.П. Вихревой эффект и его применение в технике. - М.: Машиностроение, 1969.
3. Таблицы физических величин (справочник). - М.: Атомиздат, 1976.
1. Способ работы температурного трансформатора, включающий закручивание газового потока, подачу закрученного потока в камеру энергообмена, формирование осевого потока за счет подачи охлаждаемого потока в канал осевого потока и обеспечение процесса энергообмена закрученного потока с осевым потоком, отличающийся тем, что в камере энергообмена производят охлаждение за счет испарения жидкости через пористую стенку, расположенную соосно камере энергообмена.
2. Способ работы температурного трансформатора по п.1, отличающийся тем, что охлаждаемый поток и испаряющуюся жидкость подают в камеру энергообмена раздельно по соосно расположенным каналам, например, испаряющуюся жидкость подают вдоль наружной поверхности трубки, во внутренней полости которой подают охлаждаемый поток.
3. Температурный трансформатор, содержащий закручивающее устройство, камеру энергоразделения, горячий конец, а также холодный конец с размещенным в нем каналом осевого потока, расположенным в зоне энергообмена, отличающийся тем, что канал осевого потока окружен пористой структурой.
4. Температурный трансформатор по п.3, отличающийся тем, что пористая структура выполнена в виде пористой трубы, охватывающей канал осевого потока.
5. Температурный трансформатор по п.3, отличающийся тем, что пористая структура выполнена двухслойной.
6. Температурный трансформатор по п.3, отличающийся тем, что канал осевого потока размещен в пористой трубе с зазором.
7. Температурный трансформатор по п.3, отличающийся тем, что пористая структура выполнена из плетеной или просечной сетки.
8. Температурный трансформатор по п.3, отличающийся тем, что в канале осевого потока размещен турбулизатор потока.
9. Температурный трансформатор по п.3, отличающийся тем, что канал осевого потока изолирован от камеры энергообмена.
