Инженерный расчет вихревых аппаратов

И.В. Гневанов, О.В. Русакова (Пермь)

С момента открытия эффекта энергоразделения Ранка-Хилша прошло уже почти 70 лет, но до сих пор не было создано адекватных математических моделей, описывающих этот эффект. Несмотря на это, вихревые устройства создаются и широко используются в промышленности. Для быстрой оценки свойств вихревых аппаратов в зависимости от характерных параметров используется инженерный подход расчета вихревых аппаратов.

Опишем компьютерное решение для одного из таких подходов, основанного на работе [1]. Существует множество различных конфигураций вихревых труб (ВТ). Мы предполагаем, что речь идет об адиабатической противоточной цилиндрической ВТ с одним прямоугольным соплом.

В качестве исходных данных для расчета будем считать заданными: температуру охлаждаемого объекта, температурный напор между охлажденным потоком газа и охлажденным объектом, потребную холодопроизводительность, давление и температуру сжатого газа, физическую природу сжатого газа и перепад давления между средами.

В ходе расчета определяются основные геометрические размеры вихревой трубы (диаметр трубы, размер диафрагмы и площадь сечения входного сопла), режимные характеристики (доля холодного потока, эффективность температурного разделения), обеспечивающие потребные абсолютные эффекты энергоразделения, расход сжатого газа и расходы результирующих горячего и холодного потоков. При расчете площади сечения входного сопла также используются некоторые эмпирические величины, значения которых варьируются в разных источниках.

Программа позволяет не только определить основные геометрические параметры ВТ, но и ответить на вопрос о возможных допусках в параметрах. Кроме того, программа позволяет выполнить расчет при изменениях входных данных. Работоспособность программы была “проверена” на большом числе ВТ, используемых в промышленности и исследовательских лабораториях. К сожалению, оказалось, что, несмотря на большое количество собранных данных (больше 30), многие из них не являются полными. Выяснено, что параметры ВТ, используемых в промышленности, значительно отличаются от оптимальных. В частности, это связано с тем, что назначения и цели ВТ различны.

Работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (грант РФФИ-Урал № 02-01-96402) и Американского фонда гражданских исследований и развития (АФГИР) (грант № РЕ-009-0).