Лабораторная установка для лаборатории гидравлики и теплотехники - Дипломная работа

Закрученные потоки в связи с их практическими приложениями представляют собой важный раздел современной гидрогазодинамики. Одно из технических приложений закрученных потоков основано на вихревом эффекте энергетического разделения газов, открытом в 1931 году Жозефом Ранком. В СССР вихревой эффект изучался в Одесском технологическом институте пищевой и холодильной промышленности, а также в Куйбышевском авиационном институте, где в 1956 г. была создана лаборатория промышленного применения вихревого эффекта. Поскольку с помощью трубки Ранка - Хилша осуществляется преобразование энергии вращающегося потока в тепло с одновременным охлаждением части потока, ее называют «Вихревой термотрансформатор», или «Вихревой распределитель». В связи со сложностью математической модели (трехмерное течение вязкого теплопроводного газа на турбулентном режиме) существуют затруднения в разработке теории этого эффекта.Вихревой эффект, или эффект Ранка [1], проявляется в закрученном потоке вязкой сжимаемой жидкости и реализуется в очень простом устройстве, называемом вихревой трубой (трубой Ранка-Хилша, вихревым энергоразделителем, вихревым холодильником), схематическая конструкция которой изображена на рис 1. Вихревая труба представляет собой гладкую цилиндрическую трубу 1, снабженную тангенциальным соплом 2, улиткой 3, диафрагмой 4 и дросселем 5. При втекании газа через сопло образуется интенсивный круговой поток, приосевые слои которого заметно охлаждаются и отводятся через осевое отверстие диафрагмы в виде холодного потока, а периферийные слои подогреваются и вытекают через дроссель в виде горячего потока. По мере прикрытия дросселя общий уровень давления в вихревой трубе повышается, и расход холодного потока через отверстие диафрагмы увеличивается при соответствующем уменьшении расхода горячего потока. Хилшем [2] вихревые трубы имеют один круглый утопленный тангенциальный сопловой вход и входную улитку прямоугольного сечения, ввиду чего на срезе сопла имеется площадка, создающая зону завихрения.Благодаря этой работе вихревой эффект стал известен широкому кругу ученых, ничего до этого не знавшим о его первооткрывателе Ранке, поэтому вихревую трубу часто называли трубой Хилша. Если полные температуру и давление у поступающего в сопло сжатого газа обозначить через и , у холодного потока - через и , а у горячего потока - через и , то эффект охлаждения холодного потока можно выразить так: , (1.1) а эффект подогрева горячего потока Как видно из характеристик, с возрастанием от нуля весовой доли холодного потока резко увеличивается эффект его охлаждения и достигает максимума при . При дальнейшем увеличении эффект охлаждения уменьшается и исчезает при , т.е. тогда, когда дроссель горячего конца трубы полностью закрыт и весь поток выходит через отверстие диафрагмы. Экспериментами установлено, что на характеристики вихревой трубы влияют такие геометрические величины, как диаметр отверстия диафрагмы, длина и геометрия вихревой зоны (или горячей части) вихревой трубы, площадь проходного сечения сопла, масштаб вихревой трубы, а также термодинамические параметры как-то: температура и давление поступающего сжатого газа, давление холодного потока, физические свойства газа (отношение его теплоемкости ), отвод тепла от стенок горячей части вихревой трубы и некоторые другие.Ограниченный располагаемый расход сжатого воздуха не позволял многим экспериментаторам использовать для исследования в диапазоне умеренных давлений вихревые трубы большого диаметра, а трубы малого диаметра требовали создания микрозондов. Радиальный ввод зондов снижал точность измерений не только изза вызываемых ими возмущений, но изза того, что их направление совпадало с направлением градиентов давления и температуры в вихревой зоне. 1.7 в виде эпюр окружной и осевой составляющих скорости, угловой скорости потока, а также температуры и давления. Кривые, обозначенные цифрой 1, соответствуют сечению, удаленному от соплового входа на 1 калибр, кривые 2 - на 5 калибров, кривые 3 - на 10 калибров. По мере удаления от соплового сечения (кривые 2 и 3) общий уровень тангенциальной скорости снижается и уменьшается неравномерность ее по радиусу.Имеется несколько десятков теоретических работ, в которых делаются попытки вскрыть физическую сущность вихревого эффекта и дать его аналитическое решение. Течение вязкого теплопроводного газа строго описывается системой уравнений движения, сплошности, энергии и состояния, которая для ламинарного осесимметричного потока в цилиндрических координатах имеет следующий вид. Некоторые авторы, задаваясь радиальным распределением скорости и статической температуры в конечном сечении после процесса преобразования вихря и используя условия сохранения момента количества движения, энергии и расхода, при условии адиабатичности стенок находили распределение полной температуры в конечном сечении как функцию скорости втекания газа через тангенциальные сопла и диаметра отверстия диафрагмы.Распределение (2.12) справедливо только в области свободного вихревого течен

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1. ВИХРЕВОЙ ЭФФЕКТ. ОБЗОР ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ

1.1 Сущность вихревого эффекта и конструкции вихревых труб

1.2 Экспериментальное исследование вихревого эффекта

1.3 Исследование структуры потока в вихревой трубе

2. ОСНОВЫ ТЕОРИИ ВИХРЕВОГО ЭФФЕКТА

2.1 Основные уравнения

2.2 Гипотеза турбулентного энергообмена

2.3 Предельная оценка вихревого эффекта

3. ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНЫХ УСТАНОВОК

3.1 Описание действующего лабораторного стенда

3.2 Описание модернизированного лабораторного стенда

3.3 Методика измерений

4. МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ «ВИХРЕВОЙ ТЕРМОТРАНСФОРМАТОР»

4.1 Последовательность проведения лабораторной работы

5. РЕЗУЛЬТАТЫ ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТОВ

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ