4 / 7
В.Л. Бондаренко, Д.П. Тишко, Ю.М. Симоненко
4
Инженерный журнал: наука и инновации
# 6·2017
Конструктивные особенности малорасходных вихревых
устройств для криогеники.
Переход к криогенным сферам приме-
нения практически всегда сопровождается миниатюризацией аппара-
тов. Известно, что уменьшение размеров газодинамических охлади-
телей приводит к снижению их эффективности. Если для вихревой
трубы с бóльшим диаметром
т
d
′
характерна температура холодного
потока
2
,
Т
′
то для вихревой трубы меньшим диаметром
т
т
d d
< ′
температура холодного потока окажется выше:
2 2
.
Т T
> ′
Эта законо-
мерность выражается соотношением
1
2 2 1 т
т
(
) 1
,
k
k
T T T m d d
−
− =
− − ε
′
′
(5)
где
ε
— отношение давлений;
k
— показатель адиабаты;
Т
1
—
начальная температура газа;
m
— эмпирический коэффициент.
В интервале
т
d
= 40…10 мм коэффициент влияния масштаба
m
= 0,005 [1]. При переходе к малым вихревым камерам
т
( 4
d
=<
мм)
его значение уменьшается до
m
= 0,008. Область диаметров
т
3
d
<
мм
практически не изучена даже для «высокотемпературных» вихревых
аппаратов. Создание и исследование подобных устройств для крио-
генных температур сопряжены с рядом конструктивных и эксплуата-
ционных препятствий. Возрастают требования к точности станочного
оборудования, особенно при изготовлении сопловой улитки (см. рис. 1).
Для снижения влияния пограничных эффектов требуется обеспечить
минимальную шероховатость поверхностей проточной части. Следу-
ет также учитывать влияние теплоперетоков. Для этого уменьшают
сечение элементов, контактирующих с охлажденным газом, и приме-
няют менее теплопроводные материалы.
Для большинства вихревых криогенных устройств характерна
еще одна особенность. Независимо от температурного режима эф-
фективная работа газодинамических охладителей обеспечивается в
диапазоне отношений давления
C
2
ε< ⋅ ε
(см. формулу (1)). Как отме-
чено выше, интервал значений давления,
характерных для криоген-
ной сферы применения, существенно превышает это условие, поэто-
му низкотемпературные охладители предполагают ступенчатое
включение вихревых труб. При этом отношение давлений в отдель-
ных ступенях выражается соотношением
,
n
i
Σ
ε = ε
(6)
где
Σ
ε
— полное отношение давлений (т. е. отношение входного дав-
ления к выходному последней ступени каскада вихревых труб)