RU2088861C1

RU2088861C1 - Vortex thermal converter

Info

Publication number: RU2088861C1
Application number: RU93053358A
Authority: RU
Inventors: Рудольф Кузьмич Чуркин; Дмитрий Рудольфович Чуркин; Андрей Александрович Козин
Original assignee: Рудольф Кузьмич Чуркин; Дмитрий Рудольфович Чуркин; Андрей Александрович Козин
Priority date: 1993-11-30
Filing date: 1993-11-30
Publication date: 1997-08-27

Abstract

FIELD: refrigerating engineering. SUBSTANCE: vortex thermal converter contains tangential nozzle inlet, power separation chamber with jacket and rear wall with fairing, flow swirler and axial outlet branch pipe. Circular chamber is made in form of biconvex lens with curvilinear surfaces coupled over outer diameter. Power separation chamber is smoothly engageable with center portion of circular chamber, fairing of rear wall and axial branch pipe. Fairing is made in form of funnel with radial transition from rear wall. Swirler is mounted on cold medium outlet branch pipe and is rigidly connected with tip of fairing. Outer surface of hot chamber is provided with jacket for pumping heat-transfer agent. Jacket for low-potential heat-transfer agent is provided on surface of cold section of separation chamber and axial branch pipe. EFFECT: enhanced efficiency. 5 cl, 5 dwg

Description

Изобретение относится к холодильной технике, конкретно к вихревым генераторам холода, основанным на использовании эффекта Ранка, а также к теплоэнергетике, конкретно к вихревым теплогенераторам, работающим на газообразной и жидкой рабочих средах, в частности хладонах, углеводородах, воде. The invention relates to refrigeration, specifically to cold vortex generators based on the use of the Rank effect, as well as to a power system, specifically to vortex heat generators operating on gaseous and liquid working media, in particular freons, hydrocarbons, water.

Известны вихревые термопреобразователи, выполненные в виде цилиндрической или конической трубы, снабженной камерой энергетического разделения потока, рубашкой для прокачки теплоносителя, второй рубашкой-теплообменником на выходе холодной среды, камерой вихревого ввода, сопряженной с трубой, содержащие обтекатель на задней стенке, осевой патрубок для выхода холодной среды и развихритель закрученного потока [1-4]
Указанные термопреобразователи имеют большую длину камеры энергетического разделения, но ее термодинамическая эффективность недостаточно высока вследствие того, что радиусы вращения рабочей среды на участках входа и выхода имеют небольшое различие (R/r 3 5).Known vortex thermoconverters made in the form of a cylindrical or conical pipe equipped with a chamber for energy separation of the flow, a jacket for pumping the coolant, a second jacket-heat exchanger at the outlet of the cold medium, a vortex inlet chamber associated with the pipe, containing a cowl on the rear wall, an axial outlet cold medium and swirl flow swirl [1-4]
These thermal converters have a large length of the energy separation chamber, but its thermodynamic efficiency is not high enough due to the fact that the radii of rotation of the working medium at the inlet and outlet sections have a slight difference (R / r 3 5).

Известен также вихревой термопреобразователь [5] в котором сопловой ввод рабочей среды установлен на внешнем диаметре плоской кольцевой камеры и вихревой сток происходит в радиальном направлении к осевому сливному патрубку (R/r≈10). Also known is a vortex thermoconverter [5] in which the nozzle inlet of the working medium is installed on the outer diameter of the flat annular chamber and the vortex flow occurs in the radial direction to the axial drain pipe (R / r≈10).

В устройстве степень расширения потока значительно возрастает, соответственно увеличивается и отношение температур горячего и холодного потоков, а следовательно термодинамическое качество устройства. Однако более эффективная вихревая камера плохо сочетается с камерой энергетического разделения, выполненной в виде набора плоских ребер с прокладками и центральными отверстиями постоянного диаметра, аэродинамическое качество которых низкое. Кроме того, плоская камера не оптимальна при высоких скоростях потока. По этой причине снижается скорость вихревого потока в камере разделения и эффективность всего устройства. Кроме того, устройство металлоемко, допускает протечки рабочей среды через упругие прокладки. In the device, the degree of expansion of the flow increases significantly, respectively, increases the ratio of the temperatures of hot and cold flows, and therefore the thermodynamic quality of the device. However, a more efficient vortex chamber does not fit well with an energy separation chamber made in the form of a set of flat ribs with gaskets and central holes of constant diameter, the aerodynamic quality of which is low. In addition, a flat camera is not optimal at high flow rates. For this reason, the speed of the vortex flow in the separation chamber and the efficiency of the entire device are reduced. In addition, the device is metal-intensive, allows leakage of the working medium through elastic gaskets.

Предлагаемое устройство имеет целью устранить указанные недостатки и повысить энергетические и технико-экономические показатели. The proposed device is intended to eliminate these disadvantages and improve energy and technical and economic indicators.

Поставленная цель достигается тем, что кольцевая камера вихревого ввода выполнена в виде двояковыпуклой линзы, образованной двумя криволинейными, например частями конических или сферических, поверхностями, состыкованными между собой по внешнему диаметру, а камера энергетического разделения плавно сопряжена со средней частью кольцевой камеры, обтекателем задней стенки и осевым патрубком выхода на передней стенке. Угол раскрытия диффузора составляет при этом 10 12^o. Кроме того, при этом обтекатель задней стенки выполнен в виде глухой конической воронки с радиальным переходом от средней части задней стенки камеры разделения и носком на входе осевого патрубка; развихритель установлен на патрубке выхода холодной среды и жестко соединен своей входной частью с носком обтекателя задней стенки; рубашка для прокачки теплоносителя выполнена на внешней поверхности камеры вихревого ввода и охватывает горячую зону камеры разделения; осевой патрубок выхода холодной среды снабжен индивидуальной рубашкой для прокачки второго теплоносителя с штуцерами входа и выхода, а рубашка дополнительно охватывает холодную зону камеры разделения, патрубок снабжен оребрением.This goal is achieved in that the annular vortex input chamber is made in the form of a biconvex lens formed by two curvilinear, for example, conical or spherical parts, surfaces joined by an outer diameter, and the energy separation chamber is smoothly interfaced with the middle part of the annular chamber, the fairing of the rear wall and an axial outlet pipe on the front wall. The opening angle of the diffuser is 10 12 ^o . In addition, the fairing of the rear wall is made in the form of a blind conical funnel with a radial transition from the middle part of the rear wall of the separation chamber and a toe at the inlet of the axial pipe; the expander is mounted on the outlet pipe of the cold medium and is rigidly connected with its input part to the nose of the fairing of the rear wall; a jacket for pumping coolant is made on the outer surface of the vortex inlet chamber and covers the hot zone of the separation chamber; the axial outlet pipe of the cold medium outlet is equipped with an individual jacket for pumping a second coolant with inlet and outlet fittings, and the jacket additionally covers the cold zone of the separation chamber, the nozzle is equipped with fins.

В результате этого поток рабочей среды, вводимый через сопло патрубка вихревого входа в кольцевую камеру на ее внешнем диаметре, закручивается в ней и перемещается по радиусу камеры в направлении оси вращения, последовательно проходя камеру энергетического разделения и плавно меняя направление движения в сторону осевого патрубка выхода, не претерпевая при этом ненужных аэрогидродинамических потерь энергии, чем обеспечивается наиболее эффективное преобразование кинетической энергии потока в температурный градиент, повышение холодильного и отопительного коэффициентов преобразования. As a result of this, the flow of the working medium introduced through the nozzle of the vortex inlet nozzle into the annular chamber at its outer diameter is twisted in it and moves along the radius of the chamber in the direction of the axis of rotation, sequentially passing the energy separation chamber and gradually changing the direction of motion towards the axial outlet without undergoing unnecessary aerohydrodynamic energy losses, which ensures the most efficient conversion of the kinetic energy of the flow into a temperature gradient, increasing the refrigeration nnogo and heating conversion factors.

Действительно, температурный градиент, достигаемый в центробежном поле [6] составляет величину:

где ω угловая скорость;
R радиус вращения рабочей среды;
K показатель адиабаты;
C_p теплоемкость;
g₀ ускорение силы тяжести.Indeed, the temperature gradient achieved in a centrifugal field [6] is:

where ω is the angular velocity;
R is the radius of rotation of the working medium;
K is the adiabatic index;
C _p heat capacity;
g ₀ acceleration of gravity.

Поскольку v = ωR где V окружная скорость потока,

Следовательно достижимый в преобразователе температурный градиент определяется квадратом окружной скорости, с которой рабочая среда вводится через сопло в кольцевую камеру и перемещается к выходному патрубку, а также характеристиками рабочей среды. Для газов и пара сопловой ввод выполнен в виде сверхзвукового сопла Лаваля, а для несжимаемых жидкостей в виде сходящегося конфузора малой длины с радиусным входом.Since v = ωR where V is the peripheral flow velocity,

Therefore, the temperature gradient achievable in the converter is determined by the square of the peripheral speed with which the working medium is introduced through the nozzle into the annular chamber and moves to the outlet pipe, as well as the characteristics of the working medium. For gases and steam, the nozzle inlet is made in the form of a supersonic Laval nozzle, and for incompressible liquids in the form of a converging confuser of small length with a radius inlet.

В качестве рабочей среды из газов оптимальны тяжелые инертные газы и их смеси с гелием и хладонами, обладающими лучшей компрессией, а из жидкостей - углеводороды, например керосин, обладающие высокой текучестью, а следовательно и высокими скоростями впрыска, вода, как наиболее доступная и экологически чистая жидкость. As a working medium from gases, heavy inert gases and their mixtures with helium and chladones having the best compression are optimal, and from liquids, hydrocarbons, for example kerosene, which have high fluidity and, therefore, high injection rates, water, as the most accessible and environmentally friendly liquid.

На фиг. 1, 2 показаны варианты исполнения, продольный разрез; на фиг. 3
поперечный разрез; на фиг. 4 продольный разрез соплового ввода для газа; на фиг. 5 продольный разрез соплового ввода для жидкости.In FIG. 1, 2 show embodiments, longitudinal section; in FIG. 3
cross section; in FIG. 4 is a longitudinal section through a nozzle inlet for gas; in FIG. 5 is a longitudinal section through a nozzle inlet for a liquid.

Устройство содержит тангенциальный сопловой ввод 1 рабочей среды, кольцевую камеру 2, выполненную в виде двояковыпуклой линзы, образованной двумя криволинейными, например частями, сферическими поверхностями с передней 3 и задней 4 стенками, состыкованными между собой по внешнему диаметру, камеру 5 энергетического разделения, плавно сопряженную со средней частью кольцевой камеры, с обтекателем 6 на задней стенке, выполненным в виде глухой конической воронки с радиальным переходом от средней части задней стенки и вытянутым в сторону выходного патрубка 7 носком 8. The device comprises a tangential nozzle inlet 1 of the working medium, an annular chamber 2 made in the form of a biconvex lens formed by two curved, for example, spherical surfaces with the front 3 and rear 4 walls joined together by the outer diameter, the energy separation chamber 5 smoothly conjugated with the middle part of the annular chamber, with a fairing 6 on the rear wall, made in the form of a blind conical funnel with a radial transition from the middle part of the rear wall and elongated towards the exit 7 th nozzle toed 8.

Перед патрубком выхода холодной среды установлен развихритель 9 потока, выполненный в виде плоской пластины, трезубца или крестовины. Выступающая передняя кромка пластины развихрителя жестко соединена с носком обтекателя. In front of the outlet pipe of the cold medium, a flow swirler 9 is installed, made in the form of a flat plate, trident or cross. The protruding front edge of the swirler plate is rigidly connected to the nose of the fairing.

На внешней поверхности кольцевой камеры выполнена рубашка 10, охватывающая также горячую зону камеры разделения и образующая полость для прокачки горячего теплоносителя. A shirt 10 is made on the outer surface of the annular chamber, also covering the hot zone of the separation chamber and forming a cavity for pumping hot heat carrier.

Вторая рубашка 11 с штуцерами входа и выхода образована на осевом патрубке и охватывает также холодную приосевую зону камеры разделения. При использовании в качестве холодильника осевой патрубок закрыт теплоизолятором 12. The second shirt 11 with inlet and outlet fittings is formed on the axial pipe and also covers the cold axial zone of the separation chamber. When used as a refrigerator, the axial pipe is closed by a heat insulator 12.

Сопловой ввод рабочей среды выполнен оптимизированным для каждой конкретной среды в виде, например, сопла Лаваля для газообразных сред или сходящегося скругленного на входе короткого конфузора для несжимаемых жидкостей. The nozzle inlet of the working medium is optimized for each specific medium in the form of, for example, a Laval nozzle for gaseous media or a converging short confuser rounded at the inlet for incompressible liquids.

Устройство работает следующим образом. The device operates as follows.

Рабочая среда под избыточным давлением 3 10 бар подается в сопловой ввод, ускоряется в нем и впрыскивается со скоростью 100 500 м/с в кольцевую камеру. Вращаясь в диффузоре камеры, струя совершает движение по сужающейся спирали в направлении осевого выходного патрубка. Линейная окружная скорость потока при этом постепенно снижается пропорционально коэффициенту потерь, а угловая скорость возрастете обратно пропорционально радиусу вращения и более медленно снижается соответственно снижению окружной скорости. Центробежное поле, действующее на вращающийся поток среды, создает в камерах ввода и энергетического разделения центробежный температурный градиент, пропорциональный отношению давлений на входе и выходе. Чем выше степень расширения потока, тем выше и теплоперепад. The working medium under an excess pressure of 3 10 bar is supplied to the nozzle inlet, accelerated therein and injected at a speed of 100,500 m / s into the annular chamber. Rotating in the chamber diffuser, the jet moves along a tapering spiral in the direction of the axial outlet pipe. In this case, the linear peripheral flow velocity gradually decreases in proportion to the loss coefficient, and the angular velocity increases inversely with the radius of rotation and decreases more slowly according to a decrease in peripheral speed. A centrifugal field acting on a rotating medium flow creates a centrifugal temperature gradient in the input and energy separation chambers, which is proportional to the ratio of inlet and outlet pressures. The higher the degree of expansion of the flow, the higher the heat transfer.

При использовании термопреобразователя в режиме холодильника в полость, закрытую рубашкой 10, вводится охлаждающий теплоноситель, например вода с температурой 10 20^oC.When using the temperature converter in the refrigerator mode, a cooling medium, for example water with a temperature of 10 20 ^o C., is introduced into the cavity closed by the jacket 10.

При работе в качестве теплогенератора или теплового насоса второй теплоноситель прокачивается через полость, закрытую рубашкой 11. Тепло от низкопотенциального теплоносителя (10 -20^oC) передается вращающейся среде и через радиальный центробежный температурный градиент к внешнему диаметру камер разделения и ввода, нагревая теплоноситель, омывающий горячую зону,до высоких температур.When working as a heat generator or heat pump, the second heat carrier is pumped through the cavity closed by the jacket 11. Heat from the low-grade heat carrier (10 -20 ^o C) is transferred to the rotating medium and through the radial centrifugal temperature gradient to the outer diameter of the separation and input chambers, heating the heat hot zone, to high temperatures.

Устройство обтекателя на задней стенке и развихрителя на выходе потока позволяют перевести кинетическую энергию потока в температурный градиент. Жесткая связь кромки развихрителя с носком обтекателя, кроме того, увеличивает его жесткость и предотвращает скручивание скоростным потоком. The device of the fairing on the back wall and the expander at the outlet of the stream allow the kinetic energy of the stream to be converted into a temperature gradient. The rigid connection of the edge of the reamer with the nose of the fairing, in addition, increases its rigidity and prevents twisting with a high-speed flow.

Таким образом устройство обеспечивает поставленную цель, повышает эффективность, отопительный и холодильный коэффициенты преобразования, уменьшает металлоемкость, исключает протечки. Thus, the device provides a goal, improves efficiency, heating and refrigeration conversion factors, reduces metal consumption, eliminates leaks.

Основной отличительный признак устройства выполнение кольцевой камеры вихревого ввода в виде двояковыпуклой линзы позволяет:
перенести диффузор с участка длинной цилиндрической трубы на саму кольцевую камеру, тем самым сократить длину;
обеспечить плавный переход с минимальными потерями от диффузора к конфузору выходного патрубка;
увеличить прочность и устойчивость формы (жесткость) камеры.The main distinguishing feature of the device is the implementation of the annular swirl input chamber in the form of a biconvex lens allows you to:
transfer the diffuser from a section of a long cylindrical pipe to the annular chamber itself, thereby reducing the length;
provide a smooth transition with minimal losses from the diffuser to the outlet nozzle confuser;
increase the strength and shape stability (rigidity) of the camera.

Claims

1. Vortex thermal transducer containing tangential nozzle inlet of the working medium, an annular vortex inlet chamber, an energy separation chamber with front and rear walls and an axial outlet pipe for cold flow output, characterized in that the thermal transducer is equipped with a jacket for pumping a heat carrier located on the energy separation chamber, a swirl flow and fairing, axial nozzle mounted on the front wall, fairing on the rear wall, the annular chamber is made in the form of a lens formed by two the curved surfaces joined together by an outer diameter and forming a diverging diffuser, the energy separation chamber is smoothly interfaced with the middle part of the annular chamber, the fairing of the rear wall and the axial nozzle, while the fairing of the rear wall is made in the form of a blind conical funnel with a radial transition from the middle of the back the walls of the separation chamber, the toe of which is located at the inlet of the axial nozzle, the reamer is mounted on the nozzle and is rigidly connected with its input part to the toe catheter back wall.

2. The temperature converter according to claim 1, characterized in that the diverging diffuser of the annular chamber has an opening angle in the range of 10 12 ^o C.

3. Thermal converter according to paragraphs. 1 and 2, characterized in that the jacket for pumping the coolant is made on the outer surface of the vortex inlet chamber and covers the hot zone of the separation chamber.

4. Thermal converter according to paragraphs. 1 to 3, characterized in that the axial outlet pipe of the cold medium is equipped with an individual jacket for pumping a second coolant with inlet and outlet fittings and external fins, while the shirt additionally covers the cold zone of the energy separation chamber.

5. Thermal converter according to paragraphs. 1 to 4, characterized in that the nozzle inlet is optimized for its transverse and longitudinal sections for each specific working medium.