8017

39

3.7Контрольные вопросы

1.Понятие о соплах и диффузорах.

2.Какой процесс истечения газов считают адиабатным.

3.Критическая скорость истечения.

4.Критический расход газа через сопло.

5.Критическое отношение давлений.

3.8Задание для УИРС

Выполнить исследование сопла при начальных абсолютных давлениях сжатого воздуха p1, равных 0,3; 0,4; 0,5; 0,6 МПа. Построить зависимости критических значений скорости Wкр, расхода Mкр и давления pr кр от величины p1.

40

4. Лабораторная работа № 4.

«Экспериментальное исследование вихревой трубы»

4.1 Цель работы

Целью работы является получение термодинамических характеристик вихревой трубы в виде зависимостей понижения tx и повышения tг

температур холодного и горячего потоков и удельной холодопроизводительности qx от величины μ относительного расхода холодного потока.

По результатам опытов необходимо построить графики зависимостей

tх f1(μ) , tг f2 (μ) , qх f3 (μ)

при заданной величине p1 давления сжатого воздуха на входе в вихревую трубу.

4.2 Краткие теоретические сведения

Вихревой трубой называют устройство, в котором реализуется вихревой эффект (эффект Ранка) температурного разделения в закрученном потоке газа.

В принципе энергетическое разделение, проявляющееся в виде температурного градиента, нормального к вектору скорости потока, имеет место в любом потоке вязкого сжимаемого газа при наличии в нем градиентов скорости и статического давления, направленных по нормали к скорости основного движения. Однако наиболее ярко вихревой эффект проявляется в закрученных потоках, где имеются очень высокие радиальные градиенты скорости и давления.

Вихревая труба (рис. 4.1) содержит гладкую цилиндрическую или коническую камеру энергетического разделения 1, снабженную входным тангенциальным соплом 2, улитку 3, диафрагму 4 с осевым отверстием 5 и

дроссельный вентиль 6.

При втекании сжатого газа через сопло 2 и улитку 3 за счет снижения давления возрастает скорость и происходит закрутка газа. В камере 1

образуется интенсивный круговой поток, приосевые слои которого заметно

41

охлаждаются и отводятся через отверстие 5 диафрагмы 4. Периферийные слои подогреваются и вытекают через дроссельный вентиль 6.

Рис. 4.1. Схема вихревой трубы

По мере прикрытия вентиля 6 общий уровень давлений в вихревой трубе повышается и расход холодного потока через отверстие диафрагмы увеличивается при соответствующем уменьшении расхода горячего потока.

При этом температуры горячего и холодного потоков также изменяются.

В настоящее время нет общепризнанной теории вихревого эффекта.

Наиболее распространенной является гипотеза взаимодействия вихрей,

согласно которой происходит передача кинетической энергии от наружной части вихря, вращающейся по потенциальному закону wτr const (свободный

скорость газа, r – текущий радиус вихря.

В результате этого взаимодействия в вынужденном вихре возникают радиальные градиенты статической и полной температур, возрастающих в направлении от оси к периферии вихря.

42

Кроме передачи кинетической энергии, происходит интенсивный турбулентный теплообмен в поле с высоким радиальным градиентом

статического давления, направленным к периферии вихря.

При перемещении элемента газа за счет радиальной составляющей турбулентной пульсационной скорости с одной радиальной позиции на другую,

он адиабатно расширяется или сжимается, соответственно изменяя свою температуру. Если после этого перемещения его температура окажется отличной от температуры расположенных на этом радиусе других элементов,

то в результате, смешения произойдет нагрев или охлаждение газа в этом слое.

Элементы газа совершают, в сущности, холодильные циклы, передавая тепло периферийным слоям с высоким давлением. Источником механической

энергии этих циклов является турбулентность потока.

Понижение температуры tx определяется разностью температур t1,

а повышение температуры tг другой части потока равно разности температур tг горячего потока и t1 сжатого газа:

отношением давления p1 газа на входе в трубу к давлению pх холодного потока за диафрагмой:

43

который регулируется изменением расхода Мг нагретого газа с помощью дроссельного вентиля, при закрывании этого вентиля расход μ увеличивается,

при отбывании – уменьшается.

Значения tx и tг можно изменять в довольно широких пределах,

однако во всех случаях должно соблюдаться условие сходимости энергетического баланса трубы.

В общем случае уравнение энергетического баланса имеет вид:

где i1, iх, iг – энтальпии сжатого газа, холодного и горячего штоков соответственно; Qохл – количество теплоты, отводимой от камеры энергетического разделения трубы при ее естественном или искусственном охлаждении.

В большинстве случаев, если труба специально не охлаждается,

величиной Qохл можно пренебречь: Qохл = 0. Такие вихревые трубы называют адиабатными.

Поскольку М1 = Мх + Мг, уравнению (4.5) для адиабатной трубы можно придать вид:

Разделив обе части последнего уравнения на М1 = Мг + Мх, с учетом (4)

получим:

На рис. 4.2 показаны графики, характеризующие типовые зависимости между величинами tx , tг и μ для адиабатной вихревой трубы при различных величинах π степени расширения.

Максимального значения величина tx достигает обычно при значениях

μ = 0,2...0,3. Увеличение доли холодного потока выше указанных значений приводит к повышению температуры этого потока (уменьшению величины tx )

из-за подмешивания к охлажденному потоку части нагретого газа внутри камеры разделения. При μ = 1 происходит полное перемешивание обоих потоков, поэтому tx = 0, что соответствует условию энергетического баланса адиабатной вихревой трубы.

Снижение расхода μ от 0,2...0,3 до 0 также повышает температуру tx

(уменьшает tx ). В этом случае причиной повышения температуры холодного потока является интенсивный подсос относительно теплого окружающего воздуха внутрь трубы через приосевую область отверстия диафрагмы вследствие образования вакуума в приосевой зоне камеры разделения при достаточно большом открытии дроссельного вентиля на выходе горячего потока.

Для энергетической характеристики вихревой трубы используют также величину qx удельной холодопроизводительности, отнесенной к 1 кг

45

46

Рис. 4.2. Температурные характеристики и холодопроизводительность адиабатной вихревой трубы: 1 – π = 9; 2 – π = 5

47

Типовая зависимость qх f3 (μ) показана на рис. 4.2.

Как видно из показанных кривых, максимум холодопроизводительности адиабатной трубы соответствует относительным расходам μ 0,5...0,6.

При μ 0 и μ 1 величина qх 0 , т. к. в этом случае эффект охлаждения

tx 0.

4.3Описание экспериментальной установки

Ввихревую трубу 1 подают из компрессора сжатый воздух, давление которого можно регулировать входным вентилем 2. Температуру t1 сжатого воздуха замеряют лабораторным ртутным термометром 3, а его давление p1 –

образцовым пружинным манометром 4.

Холодный и горячий потоки поступают из вихревой трубы соответственно в ресиверы 5 и 6, откуда выходят через мерные сопла 7 и 8,

служащие для измерения расходов Мх и Мг этих потоков.

Давления pх и pг в ресиверах измеряют с помощью U – образных водяных манометров 9 и 10, а температуры tх и tг – лабораторными ртутными термометрами 11 и 12.

Расходы горячего и холодного потоков (величину μ ) можно изменять посредством дроссельного вентиля 13. Диаметры отверстий мерных сопел 7 и 8

равны 18 мм.

4.4 Проведение опыта и обработка результатов испытаний

Перед включением установки необходимо проверить правильность соединения всех измерительных приборов. Медленно открывая входной вентиль 2 установить по манометру 4 избыточное давление сжатого воздуха

p1 2,5 кг/см2 0,25 МПа. Указанное давление необходимо поддерживать постоянным во все время проведения испытаний. В случае изменения давления необходимо регулировать его вентилем 2.

48

Рис. 4.3. Схема экспериментальной установки: 1 – вихревая труба; 2 – входной вентиль; 3, 11, 12 – термометры; 4, 9, 10 – манометры; 5, 6 – ресиверы; 7, 8 – мерные сопла;

13 – дроссельный вентиль

Перед началом опытов дроссельной вентиль 13 должен быть полностью закрыт.

Для снятия характеристик вихревой трубы в первой точке необходимо открыть вентиль 13 примерно на 15 % и, спустя минуту – полторы после установления стационарного режима, записать показания манометров 9, 10 ( pх , pг ) и термометров 3, 11, 12 (t1, tx, tг).

Подобным образом необходимо провести последовательно несколько опытов при открытии вентиля 13 на 30, 45, 60, 75, 90 %.

После окончания последнего опыта выключить установку, полностью закрыв вентиль 2, и приступить к обработке полученных результатов.

Все полученные данные сводят в таблицу 4.1 измерений и обработки опытных данных.