Патент на изобретение №2231005

(54) СПОСОБ РАБОТЫ ВИХРЕВОЙ ТРУБЫ И ВИХРЕВАЯ ТРУБА

(57) Реферат:

Изобретение относится к области создания холодильной техники, работающей на использовании свойств расширяющегося газового потока. Предложен новый способ работы вихревой трубы, включающий закручивание потока газа, подачу закрученного потока по внутренней поверхности камеры энергоразделения, а также возврат всего потока или его части по оси камеры энергоразделения. На внутреннюю поверхность камеры энергоразделения вихревой трубы наносят специальный слой, поглощающий излучение и имеющий тёмный цвет, а с наружной поверхности отводят тепло. Таким образом, на внутренней поверхности камеры энергоразделения улавливают излучение, радиально исходящее от потоков газа. Использование изобретения позволит повысить холодопроизводительность вихревой трубы. 2 с. и 8 з.п.ф-лы.

Изобретение относится к области создания холодильной техники, работающей на использовании свойств расширяющегося газового потока.

Известен способ работы вихревой трубы, включающий закручивание потока газа, подачу закрученного потока по внутренней поверхности камеры энергоразделения, а также возврат всего потока (однопоточная труба) или его части (двухпоточная труба) по оси камеры энергоразделения [1, с. 7].

Существует несколько гипотез, объясняющих эффект вихревого энергообмена внутри камеры энергоразделения, например:

– гипотеза взаимодействия вихрей,

– гипотеза перераспределения молекул,

– гипотеза взаимодействия центробежного поля и теплового движения молекул,

– полуэмпирическая теория

– гипотеза конвективного телообмена между молекулами и т.п. [1, 2 и др.].

Все авторы этих гипотез пытаются абстрактно объяснить процесс охлаждения потока газа, забывая, что любое охлаждение – процесс вывода тепловой энергии и любая гипотеза, а тем более теория, должна сводиться к объяснению именно процесса получения тепла (процесса подогрева газа) и вывода этого тепла.

Но, к сожалению, все известные гипотезы фактически не рассматривают известные результаты взаимодействия между молекулами, хотя общеизвестно, что конечным результатом такого взаимодействия является подогрев газа, т.е. выделение тепла на горячем конце вихревой трубы, что непременно связано с наличием в камере энергоразделения мощного электромагнитного излучения, несущего такую энергию. А поглощение такого излучения, превращение его в тепло и сброс этого тепла обеспечивают повышенный холодильный эффект у вихревой трубы по сравнению с обычным пневмодросселем.

Поэтому можно предположить, что в вихревой трубе, наряду с реализацией эффекта Джоуля-Томсона [3, с. 154], обеспечивающим изменение температуры сжатого газа при его расширении, реализуется еще один эффект – эффект возникновения строго направленного электромагнитного излучения, обеспечивающего лучистый энергообмен между движущимися потоками газа.

Такое излучение возникает как результат кинематического взаимодействия между молекулами движущегося газа, причем оно возникает в камере энергообмена и направлено радиально по направлению от холодного осевого потока, движущегося поступательно, к горячему периферийному вращающемуся потоку. Именно за счет поглощения такого излучения внутренней поверхностью камеры энергоразделения и происходит нагрев этой поверхности, а также периферийных вращающихся слоев газа, прилегающих к этой поверхности и выходящих из горячего патрубка вихревой трубы.

Обычно камера энергоразделения выполняется из металла, хорошо отражающего электромагнитное излучение (алюминий, нержавеющая сталь), и ее внутренняя поверхность тщательно полируется. В результате появляется цилиндрическое или коническое отражающее вогнутое зеркало с фокусом в центре – именно там, откуда интенсивно первоначально выводится это излучение и где происходит охлаждение осевого потока. И именно туда, в охлаждаемый осевой поток газа возвращается-переизлучается (отражается) тепловое излучение. В результате эффективность охлаждения осевого потока резко снижается.

Это является недостатком.

Техническим результатом изобретения в части способа является уменьшение указанного недостатка за счет возможности улавливания на внутренней поверхности камеры энергоразделения излучения, радиально исходящего от потоков газа.

Техническим результатом изобретения в части устройства является уменьшение указанного недостатка за счет создания на внутренней поверхности камеры энергоразделения специального слоя, поглощающего излучение, исходящего от взаимодействующих потоков газа.

Такой слой должен иметь темный (лучше черный) цвет и может быть выполнен в виде электрогальванического или химического покрытия черным хромом, черного анодирования, оксидирования, воронения, напыления черными углеродными волокнами, вжиганием в поверхность сажи и т.п.

Известно, что чем менее гладкая поверхность такого покрытия, тем выше его поглощающие свойства. Можно поверхность выполнить просто матовой. Но наивысшей поглощающей способностью обладает шероховатая поверхность с равномерно напыленными микроволокнами, типа черного бархата. Такая поверхность даже подпадает под физическое определение абсолютно черного тела.

Однако шероховатая поверхность оказывает большое сопротивление движению потока газа. Поэтому ее использование приведет к большим потерям кинетической энергии вращающегося потока газа, полученного в закручивающем устройстве. Для уменьшения этих потерь шероховатую черную поверхность следует покрыть слоем, прозрачным для улавливаемого излучения и имеющим гладкую (полированную) поверхность. Таким слоем может быть оптическое полированное стекло, оптический корунд (лейкосапфир) и др. синтетические кристаллы, разного рода прозрачные пластмассы, специальные (оптические) сорта эпоксидных смол и т.п. Такая комбинация темного цвета, внутренней шероховатости и наружной гладкости внутренней поверхности камеры энергоразделения обеспечит значительное повышение холодопроизводительности вихревой трубы за счет обеспечения более полного поглощения радиального излучения от газовых потоков.

Однако и такой процесс можно интенсифицировать, если между гладким прозрачным слоем и поглощающей поверхностью образовать зазор, который нужно заполнить охлаждающей жидкостью, лучше темного цвета или в нее ввести темный краситель.

В результате получаем прозрачную камеру энергоразделения, омываемую темной охлаждающей жидкостью.

При этом излучение, проходящее через прозрачную стенку (через гладкий прозрачный слой), поглощается непосредственно темной жидкостью, которая может быть легко охлаждена известными методами.

Для этого полость, образованную таким зазором, необходимо снабдить патрубками, соединенными с устройством для прокачки охлаждающей жидкости (с насосом). С помощью такого насоса производится прокачка охлаждающей жидкости через сбрасывающие тепло теплообменники и через упомянутый зазор.

ЛИТЕРАТУРА

1. Меркулов А.П. Вихревой эффект и его применение в технике.Машиностроение, М., 1969.

2. Суслов А.Д., Иванов А.В., Мурашкин А.В., Чижиков Ю.В. Вихревые аппараты. М.: Машиностроение. 1985.

3. Физический энциклопедический словарь. М.: Советская энциклопедия, 1984.

Формула изобретения

1. Способ работы вихревой трубы, включающий закручивание потока газа, подачу закрученного потока по внутренней поверхности камеры энергоразделения, а также возврат всего потока или его части по оси камеры энергоразделения, отличающийся тем, что на внутренней поверхности камеры энергоразделения улавливают излучение, исходящее от потоков газа.

2. Вихревая труба, содержащая закручивающее устройство, камеру энергоразделения и патрубки, отличающаяся тем, что внутренняя поверхность камеры энергоразделения выполнена поглощающей излучение, исходящее от потоков газа.

3. Труба вихревая по п. 2, отличающаяся тем, что внутренняя поверхность камеры энергоразделения имеет темный цвет.

4. Труба вихревая по п. 3, отличающаяся тем, что внутренняя поверхность камеры энергоразделения выполнена шероховатой.

5. Труба вихревая по п. 4, отличающаяся тем, что внутренняя поверхность камеры энергоразделения покрыта слоем, имеющим свойство абсолютно чёрного тела.

6. Труба вихревая по п. 3, отличающаяся тем, что внутренняя поверхность камеры энергоразделения покрыта гладким слоем, прозрачным для улавливаемого излучения.

7. Труба вихревая по п. 6, отличающаяся тем, что гладкий прозрачный слой и поглощающая поверхность размещены с зазором.

8. Труба вихревая по п. 7, отличающаяся тем, что зазор заполнен охлаждающей жидкостью.

9. Труба вихревая по п. 8, отличающаяся тем, что охлаждающая жидкость имеет темный цвет или в нее введен краситель.

10. Труба вихревая по п. 8, отличающаяся тем, что полость, образованная зазором между гладким прозрачным слоем и поглощающей поверхностью, содержит патрубки, соединенные с устройством для прокачки охлаждающей жидкости.