Предыдущая страница реферата | 1  2  3  4  5 | Следующая страница реферата

где Т и Р — температура и давление на входе и выходе;

k — показатель адиабаты.

В процессе расширения путем простого дросселирования кинетическую энергию вытекающей струи охлажденного газа использовать не удается: она полностью превращается в тепло, поэтому процесс протекает при постоянной энтальпии, а для идеального газа — и при постоянной температуре.

Вихревая труба представляет собой устройство, в котором процесс дросселирования сопровождается частичным преобразованием энергии газа в механическую работу, в результате чего часть газа охлаждается, а другая часть — нагревается. Рассмотрим схему вихревой трубы, представленную на рис. 1. Сжатый газ поступает в цилиндрическую трубу / через отверстие, расположенное по касательной к ее внутренней окружности. Труба с одной стороны ограничена диафрагмой 2 с небольшим отверстием в центре, с другой стороны — вентилем 3. Благодаря тангенциальному расположению отверстия, струе газа, охладившегося при расширении, сообщается вихревое движение. Поле угловых скоростей w вихря в сечении /—/, проходящем через плоскость входного отверстия, является неравномерным — наибольшими угловыми скоростями обладают слои, расположенные ближе к геометрической оси трубы; по мере удаления от центра угловая скорость вихря падает.

Рис. 1. Принципиальная схема вихревой трубы: р1, Тc—давление и температура газа; Тх, Tг — температура холодного и горячего потоков

В этой неравномерности распределения угловых скоростей и кроется возможность температурного разделения слоев газа в вихревом холодильнике. Действительно, при вращательно-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 II—II распределение угловых скоростей становится близким к равномерному. С энергетической точки зрения это означает, что центральные слои отдали часть своей энергии на производство механической работы против сил сцепления с внешними слоями и благодаря этому сохранили ту пониженную температуру, которую они получили при расширении на входе в трубу.

Для массы газа т, вращающейся со скоростью w на расстоянии r от центра, кинетическая энергия, переданная внешним слоям, составляет:

где А — тепловой эквивалент работы; w1, w2,—угловые скорости потока.

Охладившийся центральный поток газа выходит из вихревой трубы через отверстие в диафрагме, более нагретые внешние слои отводятся наружу через вентиль.

Движение потоков может осуществляться как в противоположных, так и в одном направлении.

	Рис. 2. Лазерная головка с вихревым воздухохододильником: 1 — диффузор; 2 — патрубок нагретого потока воздуха; 3 — фланец; 4 — электрод лампы накачки; 5 — лампа; 6 — кристалл; 7 —радиатор; 8 — отражатель; 9 — изолятор; 10 — держатель лампы; 11 — цанга кристалла; 12 — сопло-улитка; 13 — штуцер; 14 — корпус.

Вихревой воздухохолодильник дает возможность создать систему охлаждения с минимальными массой и габаритами. При этом эффективность охлаждения по сравнению с обычными газовыми системами возрастает в несколько раз. Как уже говорилось, принцип охлаждения активного вещества в этой системе основан на образовании воздушного вихря, движущегося с тангенциальным ускорением в сопло, имеющее форму спирали Архимеда (сопло-улитка) (рис. 2). Кристалл закрепляют цангами на оси вихревой трубки, изготовленной из прозрачного кварца. В корпусе вихревой трубки устанавливают сопло-улитку. На противоположном конце трубки находится диффузор. Сжатый воздух из внешней сети поступает через подводящий патрубок в сопло. Образующийся там вихрь движется в осевом направлении вдоль трубки к диффузору. Интенсивная закрутка воздушного потока создает градиент статического давления и высокую турбулентность. Вследствие этого в центральной части вихревой трубки создается зона пониженного давления и температуры. Наличие диффузора способствует снижению температуры в этой зоне до —100° С. Высокая турбулентность вихря обеспечивает большие значения коэффициента теплообмена 200...550 Вт/(м2 • К). Ось вихревой трубки совмещена с кристаллом активного вещества. Отработанный воздух из диффузора поступает внутрь отражателя, охлаждает лампу и выходит наружу. Отсутствие тепловой изоляции вихревой трубки от корпуса камеры не сказывается на теплофизических характеристиках системы охлаждения, так как низкотемпературная зона в центре вихря отделяется от стенок трубки периферийными слоями, имеющими температуру, близкую к окружающей. Эта же особенность исключает запотевание наружных стенок кварцевой трубки. Оптимальная площадь сечения сопла при давлении 9,81 • 104 Па составляет одну десятую площади сечения вихревой трубки, а оптимальное отношение длины трубки к диаметру равно 3...5. Для наилучшего охлаждения кристалла величину зазора между дисками диффузора следует выбрать равной (0,05... 0,07) • Da. W Dy — диаметр вихревой трубки. Значения коэффициента теплообмена и температуры охлаждения ДТ зависят от давления р и отношения d/D„ 0,25...0,8; составляет: а = (360...525) Вт/м2 • К. Системы термостабилизации, использующие вихревой эффект, надежны и конструктивно просты.

2. Расчет вихревого холодильника

Опыт, накопленный в результате исследования вихревого эффекта, позволил создать методику расчета, пользуясь которой, можно получить оптимальные соотношения для размеров вихревой камеры. Из исследований следует отметить работу А. Меркулова, в которой приведена методика расчета вихревых труб диаметром 20—50 мм. Указанная методика базируется на использовании известных зависимостей коэффициента температурной

эффективности hx от .

Коэффициент температурной эффективности представляет собой отношение эффекта охлаждения DТ, к эффекту охлаждения DTs; при изоэнтропийном расширении:

 (1.1)

где T1 — абсолютная температура на входе;

Тx — абсолютная температура холодного потока;

Рекомендуем скачать другие рефераты по теме: диплом государственного образца, реферат образование.





Предыдущая страница реферата | 1  2  3  4  5 | Следующая страница реферата