ВИХРЕВАЯ ТРУБА КАК ВАКУУМНЫЙ НАСОС

УДК 533.51/57
Р. Б. Ханнанов
ВИХРЕВАЯ ТРУБА КАК ВАКУУМНЫЙ НАСОС
Ключевые слова: вихревая труба, эффект Ранка –Хилша, вихревой эффект.
Рассмотрена актуальность и потребность использования вихревого
эффекта, как принципа откачного действия.
Keywords: vortex tube, effect Ranker-Hilcher, vortex effect.
Practical application and relevance of vortex effect as a pumping principle
have been investigated.
Вихревой эффект Ранка – Хилша был открыт довольно давно 1931г., но его реальное использование началось относительно недавно. Причина в сложности процессов приводящих к разделению холодного и горячего потоков. Аналитическое описание данного
процесса не всегда приводила к желаемым результатам. В настоящее время имеется множество теоретических работ описывающих физическую сущность вихревого эффекта [1].
В основном, принимается гипотеза преобразования свободно вихря в вынужденный, за
счет сил вязкости и теплопроводности газового потока.
Эффект вихревой трубы традиционно использовался в целях получения холодного,
либо горячего потока газа. Однако данный эффект можно использовать и в вакуумных
системах. Например в работе [2] описана вихревая ловушка (рис.1).
Рис. 1 - Охлаждаемая вакуумная ловушка
Ловушка работает следующим образом. Сжатый воздух тангенциально подается в
камеру, где образуется закрученный поток. Этот поток перемещается от соплового ввода к
494
щелевому диффузору. На оси камеры образуется область пониженного давления с низкой
температурой. Охлажденный поток направляется на поверхность охлаждения. Откачиваемый поток, состоящий из паров воды и рабочей жидкости, соприкасаясь с охлаждаемой
поверхностью, конденсируется и разделяется на конденсат и откачиваемый газ.
Помимо охлаждения, эффект Ранка-Хилша позволяет создать некоторый вакуум.
Способность к вакууммированию была впервые реализована в СССР в виде вихревого
эжектора, который был создан под руководством М.Г. Дубинского [3] (рис.2).
Рис. 2 - Вихревой эжектор: 1.камера смешения, 2 сопло, 3 трубка насадок, 4 втулка, 5
улитка, 6 диффузор, 7 регулирующий клапан
Сжатый газ через сопло 2 поступает в камеру 1, где формируется вращающийся поток с областью пониженного давления на оси камеры. Через трубку 3 эжектируется газ.
Смесь через втулку 4 поступает в диффузор 6 и улитку 5. В улитке происходит торможение потока и повышение его давления. Щель диффузора регулируется клапаном 7. На
рис.3 показаны зависимости изменения давления от времени, полученные на вихревом
эжекторе.
Рис. 3 - Кривая достижения вакуума с помощью вихревого эжектора: 1 - откачиваемый объем 0,04м3, 2 - откачиваемый объем 0,5м3, 3.- откачиваемый объем 8 м3
495
Как видно из рисунка, с помощью вихревого эжектора, возможно достичь области
низкого вакуума. Традиционно в этой области давлений используются струйные эжектора,
и механические жидкостно-кольцевые насосы (ЖКН). Их недостатками являются большие
габариты (эжекторов), и значительные удельные энергозатраты (ЖКН). Альтернативой им,
в данной области давлений, может быть вихревой вакуумный насос. Простота конструкции и наличие «бросового» сжатого газа делают использование данного вида откачного
средства перспективным. В то же время широкое применение вихревых эжекторов сдерживает их небольшой КПД вызванный несовершенством энергообмена.
В настоящее время ведутся исследования с целью повышения эффективности вихревого процесса. В работе [6] было отмечено, что вибрационные явления, возникающие
при длительной эксплуатации вихревых труб, способствуют повышению их энергетической эффективности. Авторы высказываются в пользу ударно-волновой концепции вихревого эффекта. Согласно этой концепции причиной энергетического разделения газа в вихревой трубе являются газодинамические продольные и поперечные акустические волны.
Таким образом, в настоящее время нет однозначного теоретического описания вихревого процесса. Расчет вихревых труб и рекомендации по выбору основных геометрических параметров основаны на экспериментальных данных, количество которых недостаточно. Потому изучение вихревой трубы актуально и перспективно в направлении энергосбережения в системах для получения и поддержании низкого вакуума.
Литература
1. Меркулов А.П. Вихревой эффект и его применение в технике / А.П. Меркулов. – М.: Изд-во Машиностроение, 1969. - 183 с.
2. Пиралишвили, Ш.А. Вихревой эффект. Эксперимент, теория, технические решении /
Ш.А.Пиралишвили, В.М. Поляев, М.Н. Сергеев. - М: УНПЦ «Энергомаш» 2000. - 415 с.
3. Суслов, А.Д. Вихревые аппараты/А.Д.Суслов, С.В.Иванов, А.В. Мурашкин, Ю.В. Чижиков. - М:
Машиностроение, 1985.-256 с., ил.
4. Метенин В.И., Савельев С.Н. Исследование аэродинамики конических вихревых труб. – Труды
ЛТИ, 1980, №2, с 108-114.
5. Борисенко А.И., Высочин В.А., Сафонов В.А. Исследование параметров внутри вихревой трубы.
– В книге. Самолетостроение. Техника воздушного флота. Харьков, 1976, с. 45- 48.
6. Бетлинский, В. Экспериментальное исследование термодинамической эффективности регулируемой вихревой трубы на природном газе / В.Бетлинский, М.Жидков, В.Овчинников, Д.Жидков
// Нефтегазовые технологии.ж №2 февраль 2008.
_____________________________________
© Р. Б. Ханнанов – канд. техн. наук, доц. каф. вакуумной техники электрофизических установок
КГТУ, [email protected].
496