Расчет вихревого холодильно-нагревательного аппарата (стр. 2 из 7)

Применение вихревой трубы в различных технологиях целесообразно при наличии неиспользуемой энергии перепадов давления для очистки и охлаждения любых газов и газовых смесей в том числе содержащих жидкие и конденсирующиеся примеси. Так, в южных городах существует проблема - из-за высокой температуры воздуха из крана для холодной воды течет отнюдь не холодная, а теплая вода и в начале 90-х годов исследователи решили использовать вихревую трубу для разделения воды на горячую и холодную. Результаты оказались сенсационными. Температура вращающейся в трубе воды повышалась, будто ее согревал невидимый кипятильник.

Работа вихревой трубы заключается в создании сверхзвукового закрученного потока газа и последующего его разделения на холодный и горячий (или тёплый) потоки, образующиеся в результате проявления вихревого эффекта Ранка. Особенно эффективно вихревая труба может быть использована при добыче и транспорте газа, когда требуется многократно снизить пластовое давление газа перед подачей в магистральный трубопровод с 200 - 250 ат до 50 -60 ат и на газораспределительных станциях с 20 - 35 ат до 1 - 6 ат. Дополнительная установка достаточно простого оборудования при незначительных затратах даёт возможность повысить выход газоконденсата из газа на 20 - 25 % и более. Другое перспективное использование вихревой трубы основано на применении электрогидродинамического течения газа для осуществления эффекта Ранка. Это даёт возможность создать холодильное устройство, в котором отсутствуют агрессивные хладагенты и компрессор. Вихревые трубы могут быть использованы как индивидуально, так и в технологической схеме с теплообменником-рекуператором и сепаратором. Вот насколько обширно применение вихревых труб. В настоящее время вихревая техника широко внедрена в промышленность: вихревые управляющие клапаны в системах управления тягой ракетных двигателей, вихревые холодильники, вихревые системы очистки, осушки газа в газовой промышленности, вихревые системы газоподготовки для нужд пневмо-газоавтоматики.

РАСЧЕТНАЯ ЧАСТЬ

1 Принцип действия установки

Рисунок 1.1 – Принципиальная схема термостата

1 – подогреваемый объект; 2 – охлаждаемый объект; 3 – противоточная вихревая труба;

4 – двухконтурная вихревая труба; 5 – теплообменники; 6 – эжектор.

Работа холодильно-нагревательного аппарата осуществляется следующим образом: при работе сжатый воздух из магистрали разделяется на два потока по числу вихревых труб. Один из потоков сжатого воздуха, минуя теплообменник 5, подается к сопловому устройству двухконтурной вихревой трубы 4, проходя через которую охлаждается. Одна часть воздуха поступает в эжектор 6 в качестве эжектируемого потока. Другая часть воздуха направляется в подогреваемый объект 1, где нагреваясь, и минуя теплообменник 5 поступает в эжектор 6 в качестве эжектирующего потока.

Второй поток сжатого воздуха, проходя через теплообменник 5 поступает в противоточную вихревую трубу3. Поток, выходящий со стороны горячего конца, поступает в двухконтурную вихревую трубу 4. Выходя из нее часть воздуха, направляется в эжектор 6 в качестве эжектируемого газа. Другая часть воздуха поступает в подогреваемый объект 1, и минуя теплообменник 5 поступает в эжектор 6 в качестве эжектирующего газа. Поток, выходя из отверстия диафрагмы противоточной вихревой трубы 3, потсупает в охлаждаемый объект 2. Там охлаждаясь, воздух, минуя теплообменник 5 выходит в атмосферу.

Схема термодинамического расчета с обозначением характерных узлов и сечений представлена на рисунке 1.2.

Принятые допущения:

– гидравлические сопротивления в такте установки не существенны;

– изобарная теплоемкость газа в рабочем интервале температур принимается постоянной

;

– давление холодного потока считается равным давлению среды, в которую происходит истечение;

– в виду малых скоростей в рассматриваемых сечениях расчеты производятся по параметрам торможения.

Для расчета выбираются трубы с относительной длиной камеры энергоразделения

. Значение эффектов охлаждения противоточной вихревой трубы в зависимости от степени расширения сжатого воздуха и доли охлажденного потока сведены в таблице 1.

Таблица 1.1

	0,3	0,4	0,5	0,6	0,7	0,8	0,86	0,88	0,9
		0,852	0,86	0,87	0,882	0,896	0,912	0,937	0,934	0,942
		0,828	0,841	0,855	0,871	0,889	0,91	0,925	0,932	0,94
		0,8	0,924	0,943	0,862	0,883	0,906	0,922	0,928	0,937

Значение относительной доли охлажденного потока

и эффектов охлаждения вихревой трубы с дополнительным потоком сведены в таблице 2.

Таблица 1.2

	0,2	0,4	0,6	0,8	1	1,2	1,4	1,6	1,8	2
		0,85	0,845	0,842	0,856	0,875	0,894	0,913	0,915	0,938	0,944
		0,87	0,865	0,862	0,876	0,895	0,912	0,907	0,92	0,939	0,94
		0,94	0,937	0,935	0,903	0,904	0,907	0,9	0,93	0,943	0,947

Схема термодинамического расчета:

Рисунок 1.1 – Схема термодинамического расчета

1 – подогреваемый объект; 2 – охлаждаемый объект; 3 – противоточная вихревая труба;

4 – двухконтурная вихревая труба; 5 – теплообменники; 6 – эжектор.

2 Определение оптимальных режимов работы схемы

Основным критерием для выбора режима работы отдельных агрегатов схамы при их совместном использовании является достижение необходимой температуры воздуха, поступающего в камеру климатических испытаний при максимально возможной энергетической эффективности работы схемы.

Опишем работу отдельных узлов аналитическими зависимостями.

2.1 Теплообменные аппараты 5.

Рассмотрим теплообменник 5а.

Запишем уравнение теплового баланса для теплообменника 5а с учетом уравнения сохранения энергии

Так как

, а , то уравнение для теплообменника 5а примет вид

.

;

;

;

.

Расходы найдем по формулам:

;

.

Давление:

;

Рассмотрим теплообменник 5б.

Запишем уравнение теплового баланса для теплообменника 5б с учетом уравнения сохранения энергии