Регулирование вихревой трубы при постоянном расходе охлажденного потока

В системах индивидуального кондиционирования рабочей средой в большинстве случаев является воздух, протекающий между поверхностью тела человека и изолирующей оболочкой. Воздух обеспечивает теплообмен, забирая метаболическое тепло и тепло, поступающее через оболочку из окружающей среды, и выводит его наружу. Интенсивность теплообмена на поверхности объекта регламентируется его особенностями, она не должна превышать определенной величины, чтобы не привести к местному переохлаждению. Интенсивность теплообмена во многом определяется коэффициентом теплоотдачи, зависящем, в свою очередь, от местной скорости движения кондиционирующей среды, т.е., в конечном итоге, от массового расхода воздуха. Используя вихревую трубу в качестве источника кондиционирующего воздуха, необходимо регулировать перепад между температурой входящего в кондиционер сжатого воздуха, зависящей от условий внешней среды, и температурой кондиционирующего воздуха. При этом температура кондиционирующего воздуха должна оставаться постоянной, как и его расход, т.е. необходимо обеспечить условие регулирования температурной эффективности

Δ t = t ст – t x =var при t x = const , G x = const

Изменение температурной эффективности в вихревой трубе достигается изменением давления перед входом в сопло сопловой

Савченко Нелли Вячеславовна, кандидат технических наук, доцент аппарат или изменением массовой доли хо- лодного потока μ=Gx/Gст. В обоих случаях регулирование приводит к изменению расхода охлажденного воздуха. Необходимый в нашем случае закон регулирования Gx=const может быть достигнут одновременным из- менением давления входящего сжатого воздуха и доли холодного потока [2]. Конструктивно оба органа управления должны быть связаны законом μ=f(P), а управление сведено к одному органу управления. Расходные параметры вихревой трубы, связанные между собой системой уравнений, которые при k=1,4, R=287 Дж/кг.град (рабочее

0,38PF тело - воздух), принимают вид: G - ^

-

расход воздуха через вихревую трубу, где F

₂       0,38 P г F

- площадь сопла улитки, мм . G r ^- —_v— T_г

-

расход горячей составляющей воздуха, где F г – площадь сечения отверстия для истечения горячей составляющей воздуха, мм², π г = Р г / Р окр =0,33π+0,67 Р х ; - степень расширения горячего потока, π= Р / Р х - степень расширения сжатого воздуха в вихревой трубе, G x = G – G г – расход холодного воздуха.

Если для упрощения анализа принять условно, что потребитель холодного воздуха не имеет гидравлического сопротивления, то при Рх=Рокр=1 в конечном итоге расход холодного воздуха [2] имеет вид:

G x - 0,38

PF

( 0,33 P + 0,67 P_x ) F_r

T г

С учетом, что влияние температур сжатого воздуха Т и его горячей составляющей Тг при возможном диапазоне их изменения не превышает 3%, обеспечение закона регу- лирования Gx=const возможно свести к изменению Fr=f(P). Конструктивно такой закон регулирования реализован в конди- ционерах, выполненным по схемам, приведенным на рис. 1.

Рис. 1. Вихревой кондиционер с жесткой схемой регулирования расхода холодного воздуха (а), с корректируемой схемой расхода холодного воздуха (б)

В схемах «а» и «б» сжатый воздух из подводящей магистрали 1 поступает в регулирующий вентиль 2 и далее с давлением, установленным оператором, поступает в вихревую трубу 3. Из вихревой трубы охлажденный (холодный воздух) по каналу 4 подается в кондиционируемую одежду 5. Горячая составляющая воздуха по каналу 6 поступает в регулирующее устройство. В схеме «а» положение регулирующего устройства 7 жестко связано с положением регулирующего вентиля, т.е. площадь сечения отверстия для выпуска горячего воздуха зависит от положения рукоятки вентиля 2. По такой схеме закон регулирования G x = const возможно осуществлять только в условиях обеспечения постоянного давления сжатого воздуха в подводящей магистрали. Здесь при изменении давления наступает зависимость G x = f ( P ). Схема «б» позволяет обеспечить закон регулирования G x = const при переменном давлении сжато воздуха. Положение профилированного золотника регулирующего устройства 8 устанавливается в зависимости от давления на вихревую трубу пневмоприводом 9. Алгоритм изменения параметров вихревого кондиционера, построенного по схеме «б», приведен на рис. 2. Однако такое регулирование вихревой трубы, при обеспечении постоянного расхода охлажденного воздуха, сводится, по сути, к ухудшению холодопроизводительности от достижимой при располагаемых параметрах на входе.

Рис. 2. Алгоритм регулирования параметров вихревой трубы при осуществлении закона G x = const

Сущностью теплорегулирования является снижение располагаемой степени расширения сжатого воздуха путем его дросселирования перед подачей в сопло вихревой трубы. При дефиците сжатого воздуха, а он обычно присутствует при массовом использовании индивидуального кондиционирования в условиях уже существующего производства, способ регулирования дросселированием не является лучшим.

В исследованиях А.П. Меркулова [1], Н.Д. Колышева, В.Е. Вилякина определена величина относительной площади сопла вихревой трубы, при которой температурная эффективность максимальна. Вместе с тем, следует отметить не очень сильное влияние этого параметра на температурную эффективность для достаточно широкого диапазона изменения расхода сжатого воздуха им же и определенного. В любом случае регулировать температурную эффективность изменением относительной площади сопла вихревой трубы менее затратно, чем просто срабатывать (дросселировать) давление до сопла. В исследованиях, проведенных В.Е. Вилякиным, использовались регулируемые сопловые аппараты, но они требовали прецизионного изготовления и, как минимум, были трехсопловыми. Кроме того, для вихревой трубы диаметром менее 16 мм их создание проблематично по конструктивным соображениям. Сами по себе дозвуковые сопла имеют незначительные потери, мало зависящие от точности соблюдения геометрии при изготовлении, но применительно к вихревым трубам поступление воздуха через зазоры, обусловленные конструкцией регулируемого сопла, сильно ухудшают температурную эффективность. Просачивающийся воздух подмешивается в пограничный слой диафрагмы и поступает непосредственно в холодный поток. Исходя из этих двух особенностей, мы пришли к выводу о возможности и целесообразности использования сопла изменяемого сечения, регулируемого перемещением центрального тела. На рис. 3 приведена схема конструкции вихревой трубы с соплом изменяемого сечения и системой регулирования, обеспечивающей постоянный расход охлажденного воздуха.

Рис. 3. Схема конструкции вихревой трубы с соплом изменяемого сечения и системой регулирования

Сжатый воздух по трубопроводу 1 поступает в расходную камеру 2 корпуса 3 вихревой трубы и из расходной камеры сжатый воздух через тангенциальное расположенное сопло прямоугольного сечения 5 улитки 6 поступает в вихревую трубу и создает закрученный поток. В результате энергоразделения образуется охлажденная часть воздуха с расходом Gx, которая по каналу 7 подводится к потребителю. Горячая составляющая воздуха с расходом Gг по каналу 8 поступает в автомат 9 регулирования доли холодного потока μ. Количество сжатого воздуха, поступающее в вихревую трубу через улитку устанавливается (регулируется) перемещаемым клапаном, изменяющие ее сечение. Перемещение клапана производится поворотом рукоятки 11, вращающей ходовую гайку с внутренней и наружной резьбой, имеющей разный шаг. Такая схема позволяет осуществлять перемещение гайки 12 и клапана 10 в соотношении δг/δк=S1/(S1 – S2), где δг, δк – перемещение гайки и клапана соответственно, S1, S2 – шаг наружной и внутренней резьбы гайки соответственно. Варьируя при конструировании величинами шага наружной и внутренней резьбы, получаем возможность прецизионного пропорционального перемещения клапана при значительном угловом перемещении рукоятки управления.

Через поводок 13 перемещение, пропорциональное перемещению клапана, передается штоку 14 с профилированным клапаном 15, регулирующим проходное сечение сопла 16, находящегося между камерой 17 горячего потока и каналом 18, отводящим горячий воздух в окружающую среду. Сопло 16 перемещается относительно корпуса камеры 17 и его положение определяется давлением сжатого воздуха в камере управления 20, перемещающим поршень 21. Величина перемещения поршня определяется давлением сжатого воздуха и затяжкой (настройкой) пружины 22.

Система регулирования работает следующим образом: вращением рукоятки 11 устанавливается необходимая температура на входе в кондиционируемую одежду (на выходе из кондиционера), при этом клапан, связанный с рукояткой занимает некоторое положение относительно сопла 5 улитки вихревой трубы, и определяет расход сжатого воздуха, поступающего в нее. В свою очередь, профилированный клапан 15, жестко связанный с клапаном сопла улитки, устанавливает проходное сечение сопла 16, пропускающего из вихревой трубы горячую составляющую воздуха. Профиль клапана 15 подобран из условия выполнения закона Gx=const. Такое регулирование является однозначным при условии постоянного давления сжатого воздуха. При изменении давления в ту или иную сторону, эффективность энергоразделения меняется и для осуществления условия постоянства расхода холодной составляющей необходима перестройка соотношения доли холодной составляющей воздуха. Независимо от положения профилирующего клапана 15 сопло 16 перемещается относительно него и занимает положение, соответствующее давлению сжатого воздуха в камере 20, связанной с трубопроводом 1. Изменение сечения сопла 16 определяет иной расход горячей составляющей воздуха, т.е. изменяет доля холодного потока μ.

Испытания вихревой трубы с системой регулирования подтвердили устойчивую работу и обеспечение постоянного расхода охлажденного воздуха с температурой t x =+25^oC при изменении величины давления сжатого воздуха на входе в пределах 3,5-6,0 кг/см² и температуры в пределах +40-80^оС.