14. Расширение газа в адиабатной вихревой трубе Ранка–Хилша.

В 1931 г. Ж. Ранк обнаружил эффект температурного разделения газового потока при его вихревом течении. Схема устройства для реализации эффекта Ранка приведена на рис. 71. Сжатый газ через тангенциальное сопло l подается в улитку 2, где устанавливается интенсивное круговое течение. При этом возникает неравномерное температурное поле. Слои газа, находящиеся вблизи оси, оказываются более холодными, чем входящий газ, а периферийные слои закрученного потока нагреваются. Часть газа μ в виде холодного потока отводится через диафрагму 3, насадок 4 и щелевой диффузор 8, а другая часть (1–μ) в виде нагретого потока – через насадок 5 и лопаточный диффузор 6 с сеткой 7. Такая схема вихревой трубы близка к оптимальной. Более простые конструкции выполняют без диффузоров. Работу вихревой трубы можно регулировать дроссельной заслонкой на теплом потоке.

Если часть газа μ оказалась после расширения более холодной, а другая часть (1–μ) – более горячей, значит, часть энергии первого потока μ передана второму потоку; поэтому вихревую трубу иногда называют энергетическим разделителем потока.

Простейшее объяснение эффекта температурного разделения сводится к следующему. Частицы газа, движущиеся к центру, стремятся сохранить угловой момент, и должны были бы вращаться с нарастающей угловой скоростью по мере приближения к оси. Однако этому препятствует вязкость среды. В результате центральные слои вращаются с практически одинаковой скоростью, и частицы газа, движущиеся к центру, вынуждены отдавать часть своей кинетической энергии другим слоям газового вихря, охлаждаясь при этом. Периферийные слои вращающегося газа, получая эту энергию, нагреваются, так как она в конечном итоге превращается в теплоту.

Уравнение закона сохранения энергии для адиабатной вихревой трубы имеет вид

Gi_вx=G_xi_x+G_гi_г или i_вx=μi_x+(l–μ)i_г;

здесь μ=G_x/G; 1–μ=G_x/G; G_x+G_г=G; G_x и G_г – количества соответственно холодного и горячего газа.

Холодопроизводительность вихревой трубы

Q_в=G_x(i_вx–i_x)=G_г(i_г–i_вx).

Снижение температуры холодного потока ∆Τ_х даже в лучших конструкциях вихревых труб достигает только 50–55% разности температур в изоэнтропном процессе. Отношение ∆Τ_х/∆Τ_s часто называют температурной эффективностью вихревой трубы. Если, кроме того, учесть, что холодный поток составляет всего 25–35%, то становится очевидной низкая эффективность вихревой трубы как генератора холода. Однако ее конструктивная простота в некоторых случаях играет определяющую роль, особенно когда экономические соображения не являются решающими.

15. Процессы волнового расширения газа.

Процесс волнового расширения: расширение в условиях установившегося течения с генерацией волновой (акустической) энергии и отводом части этой энергии в преобразованном виде от расширяющегося газа.

Волновые процессы расширения реализуются в волновых криогенераторах (ВКГ), а сам метод получил название газодинамического безмашинного метода получения холода.

Для возбуждения волновых автоколебательных режимов используют скачки уплотнений, возникающие в недорасширенных струях при истечении газа через сужающееся сопло. За пределами сопла наблюдаются сверхзвуковые скорости течения газа. При втекании такой струи в какую-либо замкнутую полость скачок уплотнения при определенных условиях начинает осциллировать, генерируя волновой процесс (эффект Гартмана). Преобразование энергии колебаний среды в другие формы энергии и отвод ее от расширяющегося газа можно осуществлять различными методами. Наиболее распространены волновые криогенераторы с резонансными трубками и криогенератора с коротким резонатор-излучатель и эллипсоидным концентратором. Волновая энергия в обоих случаях преобразуется в теплоту. Возможны и другие конструкции, в том числе с прямым преобразованием волновой энергии в электрическую.

Уменьшение энтальпии газа при расширении в волновом криогенераторе определяет его холодопроизводительность:

q=i_вх–i_вых,

где q – количество отведенной теплоты.

В общем случае изменение температуры газа при расширении в ВКГ

∆T=T_вх–Т_вых=∆T_ω±ΔT_i,

где ∆T_ω – понижение температуры газа в результате отвода части волновой энергии; ∆T_i – интегральный дроссель-эффект.

Эффективность ВКГ можно оценивать адиабатным КПД, т.е. как для «волнового» детандера:

η_ад≈q/∆i_s,

где ∆i_s – разность энтальпий при изоэнтропном расширении.

При достигнутой степени совершенства ВКГ средние значения η_ад=0,12…0,18, на отдельных режимах η_ад=0,2…0,25 (для наиболее совершенных конструкций). Несомненное преимущество ВКГ как безмашинных генераторов холода – простота, надежность, устойчивость работы в широкой области параметров для различных газообразных рабочих тел. Осуществить эффективный рабочий процесс ВКГ в области состояний насыщения пока не удалось. Это ограничивает их применение.