CC BY
185
УДК 697.91; 628.83; 628.84
Н. Е. Курносов, А. В. Тарнопольский
ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ОХЛАЖДЕНИЯ ВОЗДУХА ПОСРЕДСТВОМ СОВМЕСТНОЙ РАБОТЫ ВИХРЕВОЙ ТРУБЫ И ВИХРЕВОГО ДИСПЕРГАТОРА-РАСПЫЛИТЕЛЯ1
Показаны возможности повышения эффективности охлаждения воздуха за счет использования вихревого эффекта температурного разделения и эффекта испарительного охлаждения. Использование энергии горячего потока воздуха, выходящего из вихревой трубы, для диспергирования и распыления жидкости позволяет повысить холодопроизводительность предложенного устройства. Проведены исследования связи параметров распыляемой жидкости в составе воздушно-жидкостного аэрозоля с условиями диспергирования и распыления, установлены размеры и распределение капель жидкости в потоке аэрозоля. С учетом результатов исследований разработана конструкция кондиционера воздуха испарительно-вихревого типа, показаны его преимущества. Показана перспективность разработки на основе термодинамического диспергатора-распылителя устройств подготовки топливной смеси для двигателей внутреннего сгорания и тепловых установок.
Способ осуществления энергетического разделения потока газа в вихревой трубе на два потока с различной температурой получил название по имени его первооткрывателя - эффект Ранка (Иа^ие в. I.). Эффект Ранка, или вихревой эффект, заключается в том, что при подаче сжатого воздуха через сопло, тангенциально расположенное относительно цилиндрической вихревой камеры, и улитку специального профиля в вихревой камере образуются два вихревых потока - периферийный, движущийся по внутренней поверхности вихревой трубы по спиралевидной траектории, и осевой, движущийся навстречу периферийному. В результате энергетического разделения периферийный поток нагревается, а осевой охлаждается относительно температуры подаваемого на вход вихревой камеры сжатого воздуха. Наиболее широкое применение вихревые трубы получили в качестве источника холодного воздуха.
В качестве основной энергетической характеристики вихревой трубы используется зависимость разности температур входящего Г0 и холодного Тс потоков
ЬТс = То - Тс
от относительного массового расхода холодного газа | [1]:
I| = Ос/О0, (1)
где Qс, Оо - массовый расход холодного и исходного газа соответственно.
Другой практически важной характеристикой вихревой трубы является удельная холодопроизводительность дс, которая характеризует мощность трубы как холодильника
1 Работа выполнена при финансовой поддержке Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере.
Чс =!-ДТс-ср , (2)
где | - относительный массовый расход холодного газа; ДТс - разность температур входящего и холодного потоков; Ср - теплоемкость газа при
постоянном давлении.
Для обобщения данных по эффективности различных вихревых труб очень удобно рассматривать введенную Р. Хилшем [1] безразмерную величину п, называемую температурной эффективностью и представляющую собой отношение получаемой величины охлаждения ДТс к эффекту охлаждения ДТВ (при изоэнтропическом расширении газа):
п =—. (3)
ДТ*
Величина ДТ), определяется [2] начальной температурой То, перепадом давлений п = Ро/ Рс , показателем адиабаты к = ср / су по выражению
ДТ* = То
1 - п(1-к)/к
(4)
Вихревые трубы могут быть неохлаждаемыми и охлаждаемыми. Достоинствами неохлаждаемой вихревой трубы являются простота устройства, отсутствие движущихся частей, высокая надежность, легкость регулирования и получения энергетических потоков с параметрами, изменяющимися в очень широких пределах (Рвх = о,4...2о МПа; Рвых = о, 1...5 МПа; Тхол = -(1о.7о)°С, Тгор = +(5...1оо)°С). При этом относительный массовый расход холодного газа | = о, 3 - о, 7 .
Более высокую холодопроизводительность обеспечивают охлаждаемые вихревые трубы, разработанные А. И. Азаровым [3]. Такие вихревые трубы снабжены, как правило, рубашкой охлаждения, позволяющей снижать температуру периферийного вихревого потока за счет отвода тепла внешним хладагентом, в качестве которого чаще всего используется вода. Охлажденный периферийный поток и холодный осевой выводятся через диафрагму вместе, и в результате относительный массовый расход охлажденного газа ц = 1. Однако температурная эффективность охлаждаемых вихревых труб несколько ниже, чем неохлаждаемых, и для их работы необходимо обеспечить непрерывную подачу охлаждающей воды.
Энергия горячего потока неохлаждаемой вихревой трубы, как правило, остается невостребованной и сбрасывается, хотя обладает определенным энергетическим потенциалом. Создание вихревого диспергатора-распыли-теля жидкости [4] дало возможность использовать энергию горячего потока вихревой трубы для работы диспергатора-распылителя жидкости совместно с вихревой трубой. Для этого предложена схема устройства, сочетающего охлаждение воздуха в вихревой трубе с охлаждением воздуха за счет испарения жидкости, распыляемой вихревым диспергатором-распылителем. Использование энергии горячего вихревого потока, выходящего из вихревой трубы, для диспергирования и распыления жидкости позволяет повысить холодо-производительность предложенного устройства.
Принцип работы вихревого диспергатора-распылителя поясняется схемой, приведенной на рисунке 1. При подаче сжатого воздуха через тангенциальный ввод 1 в корпусе распылителя возникают вихревые потоки, при этом в осевой области 3 создается зона разрежения, в которую из емкости через трубопровод поступает жидкость 2. Вихревые потоки диспергируют поступающую жидкость в зоне 4 и распыляют ее через сопло в виде факела 6 мелкодисперсного потока жидкости. Часть воздуха, отражаясь от дна рабочей полости, увлажняется и выходит через верхнее отверстие 7. Вследствие действия эффекта Ранка и частичного испарения жидкости температура выходящего воздуха 5 понижена.
Для определения эффективных режимов совместной работы вихревой трубы и диспергатора-распылителя жидкости проведены исследования связи параметров распыляемой жидкости в составе воздушно-жидкостного аэрозоля с условиями диспергирования и распыления. Эффективность работы вихревого диспергатора-распылителя характеризуется такими параметрами, как давление и расход сжатого воздуха, подаваемого в распылитель, расход распыляемой жидкости, угол раскрытия факела аэрозоля, размер частиц жидкости и равномерность их распределения в факеле. Проведенными исследованиями установлено, что вихревой диспергатор-распылитель эффективно работает при подаче сжатого воздуха под давлением 0,02...0,20 МПа, а его расход составляет 50.350 л/мин, в зависимости от типоразмера распылителя. Расход распыляемой жидкости составляет 70.200 мл/мин. При этом угол расширения, характеризующий форму факела аэрозоля, находится в пределах 25°.. .40°, в зависимости от диаметра сопла распылителя.
Исследование распределения капель жидкости по сечению факела аэрозоля проводили путем распыления подкрашенной жидкости на экран с мишенью, расположенный на расстоянии до 1 м от сопла распылителя. Обработка полученных результатов (рис. 2) показала, что до 80% капель жидкости концентрируются в осевой зоне факела аэрозоля, составляющей около 50% диаметра факела.
Расстояние от оси потока, мм Рис. 2 Распределение количества капель жидкости по радиусу мишени
Определение дисперсности при распылении жидкости производили дифракционным методом. В соответствии с теорией дифракции при прохождении параллельного пучка света через дисперсную среду, а затем через линзу с фокусным расстоянием / происходит концентрация светового пучка и в фокальных точках на плоскости образуются кольцевые структуры максимумов и минимумов [5]. Зная фокусное расстояние линзы, можно определить их радиус.
Схема наблюдения дифракции Фраунгофера приведена на рисунке 3. Монохроматический коллимированный пучок лучей от лазера 1 падает на круглую частицу радиуса г и после прохождения через линзу 2 дает дифракционную картину на экране, расположенном на расстоянии I от линзы. При достаточно большом расстоянии I на экране возникает периодическое распределение интенсивности света в виде концентрических колец - дифракционных максимумов и минимумов, показанных на рисунке 3. Все частицы дают одинаковые дифракционные картины, налагающиеся друг на друга в плоскости 3.
Рис. 3 Схема дифракции света при прохождении через воздушно-жидкостный аэрозоль
Условия максимумов: r- sinф0 = 0; r- sinф2 = 0,81Х ; r- sinфд = 1,33X .
Условия минимумов: r -sinф1 = 0,61Х, ; r -sinФ3 = 1,12X ; r- sinФ5 = 1,62X , где r - радиус частицы жидкости; ф^ - углы дифракции (к = 0, 1, 2, 3, 5); X -длина световой волны.
Установка состоит из лазера непрерывного излучения 1 (типа ЛГ-56, ЛГ-75), линзы 2, непрозрачного экрана со шкалой с ценой деления 1 мм. Оптическая скамья должна иметь длину не менее 1 м от выходной оправы лазера 1. Распыление жидкости производилось на участке между лазером и линзой. На оптической скамье для измерения расстояния l укреплялась отсчетная шкала с ценой деления не более 1 мм.
Экспериментальные исследования проводились при следующих условиях: расстояние от линзы до экрана l = 400 мм, длина световой волны X = 6,328 ■ 10-8 мкм. Измеряемым параметром является радиус колец, образующихся на экране R, мм. Измерения проводятся несколько раз, расчеты ведутся по первому минимуму, т.е. по темным кругам, полученным на экране. Из рисунка 3 видно, что tgWk = Rk /1; т.к. углы очень малы, то tg$k ~ sin фк . Радиус частиц распыляемой жидкости определяется из условий первого минимума по формуле r = 0,61X/sinф1, диаметр части d = 2r .
Измерения размеров частиц жидкости проводили, изменяя расстояние от оси установки до сопла распылителя A, мм. Полученные результаты занесены в таблицу 1 и построен график зависимости дисперсности распыляемой жидкости от расстояния A, которое они пролетели в составе воздушножидкостного аэрозоля (рис. 4).
Таблица1
Результаты измерений и расчета размеров частиц жидкости
Радиус дифракционных колец Я, мм 1,55 3,1 6,2 10,3
Длина полета капли А, мм 30 200 400 600
Диаметр капель жидкости й, мкм 20 10 5 3
Рис 4
По результатам исследований можно сделать выводы, что при начальном размере капель 20 мкм они в процессе полета на расстояние 600 мм уменьшаются в размере до 3 мкм. Данное явление можно объяснить испаре-
нием жидкости с поверхности капель в процессе полета, приводящим к уменьшению их диаметра. Интенсивное испарение жидкости при ее мелкодисперсном распылении объясняется тем, что суммарная поверхность капель увеличивается до 400 раз по сравнению с поверхностью нераспыленной жидкости. Данное обстоятельство дает возможность использования вихревого диспергатора-распылителя в кондиционере воздуха испарительного типа. При относительной влажности воздуха до 70% происходит испарение распыляемой воды с поглощением тепла. Однако при более высокой влажности воздуха эффективность работы кондиционера испарительно-вихревого типа снижается.
Реализация предложенной схемы охлаждения воздуха позволила разработать конструкцию кондиционера воздуха испарительно-вихревого типа [6]. На рисунке 5 показан один из вариантов вихревого кондиционера для стационарных и мобильных объектов со 100% использованием сжатого воздуха и реализацией испарительного охлаждения за счет применения вихревого диспергатора-распылителя жидкости.
11 /2 /5 /4 /6 /5 8 9 /О
Рис. 5 Кондиционер воздуха испарительно-вихревого типа
Кондиционер работает следующим образом. Сжатый воздух из источника 5 сжатого воздуха (компрессора или нагнетателя), пройдя очистку, поступает через тангенциальный ввод в вихревую трубу 1, где он закручивается и разделяется на два потока: холодный и горячий. Холодный поток воздуха, выйдя из диафрагмы 2, поступает по трубопроводу 6 в глушитель шума 21, а затем в смесительно-распределительную камеру 7.
Горячий поток из дросселя 3 вихревой трубы 1 по трубопроводу 11 поступает в теплообменник 12 и далее на вход диспергатора-распылителя 13. В процессе работы диспергатор 13 эжектирует воду, находящуюся на дне камеры охлаждения 8, и распыляет ее на теплообменник 12 и корпус вихревой трубы 1. При испарении распыляемой воды поверхности вихревой трубы и теплообменника охлаждаются.
Из торцевого вывода диспергатора 1З охлажденный воздух выходит во вторую камеру охлаждения 14. Во второй камере охлаждения 14 установлен дополнительный диспергатор 1б меньшей мощности, ряд пластин 17 с шероховатой поверхностью для увеличения поверхности контакта жидкости с воздухом и вентилятор 18. Дополнительный диспергатор 1б эжектирует воду, находящуюся на дне камеры охлаждения 8, и распыляет мелкодисперсную влагу, которая заполняет вторую камеру охлаждения 14. Вентилятор 18 обдувает пластины 17, обеспечивая испарение жидкости. Во второй камере происходит более глубокое охлаждение воздуха и насыщение его влагой. Так как удельная поверхность распыленной жидкости значительно больше, чем у нераспыленной, испарение мельчайших частиц воды обеспечивает охлаждение воздуха за счет высокой скрытой теплоты парообразования жидкости.
В смесительно-распределительном устройстве 7 происходит смешивание увлажненного воздушного потока, поступающего из второй камеры охлаждения 14 через воздухораспределительные заслонки 20, и холодного потока, поступающего из вихревой трубы. Сочетание вихревого охладителя воздуха и диспергатора-распылителя жидкости обеспечивает кондиционирование и увлажнение воздуха. Совместное использование вихревой трубы и вихревого диспергатора-распылителя жидкости позволит снизить зависимость эффективности работы кондиционера от погодных условий. Важнейшим отличием предложенной конструкции кондиционера испарительновихревого типа является то, что он обеспечивает подачу в кондиционируемое помещение свежего очищенного и увлажненного воздуха.
Положительные результаты, полученные при исследовании совместной работы вихревой трубы и вихревого диспергатора-распылителя жидкости, позволили рассмотреть возможность использования предложенной схемы для подготовки топливной смеси для двигателей внутреннего сгорания. Качество топливной смеси во многом определяется двумя факторами: размерами капель и неоднородностью размеров капель аэрозоли топливной смеси. Неоднородность размеров капель в составе бензино-воздушной смеси составляет для карбюраторных систем питания б0...70%, а для впрыско-вых систем 50...б0%. Представляется перспективной разработка методов управления процессами образования горючей смеси и ее подачи в камеры сгорания с использованием вихревого термодинамического диспергатора-распылителя жидкости [7], который обеспечивает мелкодисперсное распыление жидкого топлива с высокой степенью однородности размеров капель (б0...70%). Кроме того, применение вихревого термодинамического диспергатора-распылителя, состоящего из двух вихревых преобразователей энергии, позволит раздельно регулировать температуру компонентов топливной смеси.
Первая ступень термодинамического диспергатора-распылителя представляет собой вихревую трубу. Предварительные испытания вихревой трубы показали, что в вихревых потоках, выходящих из вихревой трубы, кроме температуры, изменяется соотношение компонентов воздуха: кислорода и азота. В холодном потоке содержание кислорода увеличивается до 24-25%, что позволяет использовать его для образования топливной смеси с большей эффективностью, чем атмосферный воздух. Кроме того, при подаче в систему питания двигателя охлажденного воздуха возрастает его масса за счет увеличения плотности.
В качестве второй ступени термодинамического диспергатора используется вихревой диспергатор-распылитель. Нагретый в вихревой трубе воздух под давлением подается в вихревую камеру диспергатора-распылителя, куда за счет создаваемого вихревыми потоками воздуха разрежения эжекти-руется топливо. Вихревые потоки горячего воздуха диспергируют топливо и распыляют через боковое отверстие вихревой камеры. При этом за счет повышенной температуры воздуха начинается процесс активного испарения капель топлива. Размер капель топлива около 2...3 мкм в сочетании с паровой фракцией жидкого топлива обеспечит быстрое и одновременное воспламенение всего объема топливной смеси и эффективное безотходное горение.
Практическое значение эти исследования имеют при разработке и проектировании на основе термодинамического диспергатора-распылителя оптимальных конструкций блоков подготовки топлива и воздуха, образования горючей смеси и подачи горючей смеси в камеры сгорания тепловых двигателей. Результаты исследований могут быть использованы при совершенствовании существующих и создании новых образцов силовых, энергетических и тепловых установок, работающих с использованием органических топлив.
Список литературы
1. Меркулов, А. П. Вихревой эффект и его применение в технике / А. П. Меркулов. - 2-е изд. перераб. и доп. - Самара : Оптима, 1997. - 346 с.
2. Абрамович, Г. Н. Прикладная газовая динамика / Г. Н. Абрамович. - М. : Наука, 1976. - 888 с.
3. Азаров, А. И. Промышленные вихревые трубы: производство, применение, развитие / А. И. Азаров // Техномир. - 2007. - № 1. - С. 20-22.
4. Пат. 2187383 Российская Федерация, МПК7 В 04 С 7/00, В 23 Q 11/10. Распылитель / Курносов Н. Е., Бурцев С. Н., Курносов С. Н. ; заявитель и патентообладатель Курносов Н. Е. - № 2000119267/02 ; заявл. 19.07.2000 ; опубл. 20.08. 2002, Бюл. № 23. - 5 с.
5. Борн, А. М. Основы оптики / А. М. Борн, К. Р. Вольф. - М. : Высш. шк., 1970. -250 с.
6. Пат. 2177587 Российская Федерация, МПК7 F 24 F 5/00, F 25 В 9/04. Кондиционер / Курносов Н. Е., Цветков П. А., Бурцев С. Н., Курносов С. Н. ; заявитель и патентообладатель Курносов Н. Е. - № 2000127976/06 ; заявл. 08.11.2000 ; опубл. 27.12. 2001, Бюл. № 36. - 5 с.
7. Пат. 2233711 Российская Федерация, МПК7 B05B 7/12. Термодинамический дис-пергатор / Пичугин В. М., Курносов Н. Е., Тарнопольский А. В., Давыдов Д. Н., Бурцев С. Н., Курносов С. Н. ; заявитель и патентообладатель Курносов Н. Е. -№ 2002130688/12 ; заявл. 15.11.2002 ; опубл. 10.08. 2004, Бюл. № 22. - 7 с.
