Материал: Рабочая программа, методические указания к самостоятельной работе по дисциплине «Моделирование и оптимизация тепловых характеристик конструкций при проектировании РЭС». Турецкий А.В., Ципина Н.В

Вихревая труба (рис. 1) обычно имеет цилиндрический корпус 1, внутри которого расположена диафрагма 2. Рядом с ней тангенциально размещен патрубок - сопло 3. В противоположном (горячем) конце трубы расположен дроссельный вентиль 4.

Рис. 1. Устройство вихревой трубы

Вихревой эффект несмотря на довольно продолжительный срок исследований до сих пор не имеет единого, признанного всеми, научного объяснения. Нижеприведенная гипотеза базируется на передаче кинетической энергии в потоке завихренного воздуха.

В сопло 3 подается сжатый воздух. Попадая по касательной в трубу 1 завихряется и приобретает кинетическую энергию. Воздух двигается в вихревом потоке с различной угловой скоростью. У оси трубы скорость вращения больше, чем на периферии. Поэтому внутренние слои воздуха, отдавая кинетическую энергию внешним слоям, охлаждаются до температуры tх и выходят через диафрагму 2. Нагретый до температуры tг воздух выходит через свободный конец трубы. Расход и температура воздуха регулируются дроссельным вентилем 4. Температура охлажденного воздуха зависит от его начальных параметров - давления и температуры, а также от конструкции устройства. При давлении P = 0,4.1 МПа и температуре tн =

20оС воздух может быть охлажден до конечной температуры tх = -80оС.

Сжатый газ поступает в цилиндрическую трубу 2 через отверстие 5, расположенное по касательной к ее внутренней окружности. Труба с одной стороны ограничена диафрагмой 3 с

14

небольшим отверстием в центре 4, с другой стороны — вентилем 1. Благодаря тангенциальному расположению отверстия струе газа, охладившейся при расширении, сообщается вихревое движение. Поле угловых скоростей w вихря в сечении б-б (проходящем через плоскость входного сечения) является неравномерным: наибольшими угловыми скоростями обладают слои, расположенные по оси трубы, и по мере удаления от центра угловая скорость вихря падает. В этой неравномерности распределения угловых скоростей и кроется возможность температурного распределения слоев газа в вихревом холодильнике. При враща- тельно-поступательном движении вдоль трубы центральные слои, вращающиеся с большими скоростями, испытывают сопротивление со стороны слоев, вращающихся с меньшими скоростями. Наличие трения между слоями газа приводит к тому, что в некотором сечении а-а распределение угловых скоростей становится близким к равномерному. Это означает, что центральные слои отдали часть своей энергии на производство механической энергии против сил трения и благодаря этому сохранили ту пониженную температуру, которую они получили при расширении на входе в трубу. Для массы газа т, вращающегося со скоростью w на расстоянии r от центра, переданная внешним слоям кинетическая энергия

mr2 2 2

Е 2 w1 w2 ,

где w1, w2 — угловые скорости потока в сечениях а-а, б-б нарасстоянии r от оси.

Охладившийся центральный поток газа выходит из вихревой трубки через отверстие в диафрагме, более нагретые внешние слои отводятся наружу через вентиль 1. Движение потоков может осуществляться как в одном, так и в противоположном направлениях.

Эффекты охлаждения и подогрева воздуха определяются разностями температур:

15

Тх Твх Тг,

Тг Тг Твх,

где Гвх, Тг, Гх — температуры газа на входе, горячего и холодного потоков на выходе.

Отношение массового расхода холодного воздуха Gx к общемурасходу G воздуха называется относительнымрасходом -воздухаи являетсяважнымпараметром ВТ.

Охлаждение с помощью фазовыхпереходов.

Такие устройства просты по конструкции, надежны, потребляют мало энергии и по некоторым показателям (массе, габаритам, стабильности температуры) могут быть конкурентоспособными и даже превосходить другие технические решения. Обычно используют два режима работы рассматриваемых устройств: хранение криогенной жидкости в теплоизолированном контейнере и отвод теплоты от объекта при испарении хладогента. Выбор оптимального хладогента зависит от диапазона температур охлаждения и других факторов. Например, для 3—40 К перспективен жидкий неон, который обладает, кроме того, высокой плотностью. Жидкостные системы чаще используют в устройствах с ограниченным сроком предварительного хранения и малой длительностью рабочего цикла, а системы с твердым хладогентом применяют в случае ограниченного энергопотребления.

Тепловая трубаустройство, предназначенное для переноса теплового потока с одного конца трубы в другой за счет использования скрытой теплоты фазового превращения теплоносителя, помещенного внутри герметичной ТТ. ТТ в форме круглого полого цилиндра с большим отношением длины к диаметру Внутренняя поверхность трубы выложена ка- пиллярно-пористой структурой 2, последняя насыщена смачивающей жидкостью и граничит с паровым объемом г — центральной частью трубки радиуса rn. Капиллярно-пористая структура может представлять собой металлическую сетку, спеченные шарики, металловолокна, стеклоткани и даже систему канавок на внутренней поверхности корпуса. Смачива-

16

ющая жидкость является теплоносителем. Тепловые трубы принято характеризовать тремя группами параметров: теплофизических, конструктивных и стыковочных.

К теплофизическим параметрам относятся тепловой поток, передаваемый с помощью ТТ от источника теплоты в теплообменник при заданных условиях эксплуатации; уровень рабочих температур; термическое сопротивление R тепловой трубы, равное отношению разности среднеповерхностных температур стенок зоны испарения tисп и конденсации tкон к переносимому тепловому потоку: R=( tисп - tкон)/Ф

Конструктивные параметры определяют внешние и внутренние особенности конструкции ТТ, а именно: конфигурацию и наружные размеры корпуса, испарительной, конденсационной и транспортной зон, толщину и материал стенок корпуса, устройство фитиля.

Стыковочные параметры характеризуют условия эксплуатации аппаратуры и способы сочетания последней с ТТ, например способ передачи теплоты от источника к ТТ, конструктивное оформление областей контакта в испарительной и конденсационной зонах, термическое сопротивление контакта.

Турбохолодильник представляет собой газовую турбину, в которой внутренняя энергия газа при расширении преобразуется в механическую работу. Турбохолодильники могут использоваться там где есть лоточник сжатого воздуха.

Турбохолодильник состоит из двух основных частей - турбины и вентилятора, закрепленных на одном валу. Для предварительного охлаждения сжатого воздуха турбохолодильники имеют теплообменник. в последнем случае турбохолодильники и теплообменник образуют турбохолодильный агрегат. Сжатый воздух через воздуховод проходит через воз- духо-воздушный теплообменник, где предварительно охлаждается атмосферным воздухом. Охлажденный воздух поступает на сопла турбины турбохолодильника и далее на лопатки турбины, где в процессе расширения окончательно охлаждается и через выходной патрубок подводится к охлаждаемому

17

объекту. Температура воздуха на выходе из турбохолодильника

T1 T0 L0 , Cp

L

где , - КПД турбохолодильника;

L0

L0 - работа идеального турбохолодильника, т.е. такого, в котором расширение газа происходит адиабатно (без теплообмена с окружающей средой);

k - показатели адиабаты, L0- работа,совершаемая в реальном процессе; Ср- теплоемкое воздуха при давлении на входе. Холодопроизводительность турбохолодильника определяется по формуле:

Q CpG T0 T1 ,

где G - весовой расход воздуха в единицу времени (с.). Турбокомпрессоры находят применение, когда требуется большая холдопроизводительность при относительно не-

большом охлаждения воздуха ( Т=Т0-Т1 = 30 50 К ).

Вопросы для самопроверки

1.Каков принцип работы термоэлектрического охлаждающего устройства.

2.Особенности конструкции термосифона. Приведите примеры применения термосифонного охлаждения.

3.Использование для охлаждения РЭА тепловых труб, их принцип действия и конструкция.

4.Поясните принцип действия вихревой трубы. На каком эффекте основано действие вихревой трубы.

5.Каков принцип действия турбохолодильного агрега-

та.

18