Preglednica 3.2: Merilno območje in točnost merilnih inštrumentov
Inštrument Merilno območje Točnost
Tlačno zaznavalo -1 do 12 bar ±0,3% MO
Rotameter 100 do 560 L/min ±5% MO
Termopar, tip K -25 do 200 °C ±0,5% °C
Metodologija raziskave
12 Slika 3.6: Shema merilne proge
3.3 Potek meritev
Meritve so potekale v dveh fazah. Obe fazi sta bili izvedeni za vsak generator posebej. Zato smo vsakič pred začetkom oz. po zaključku obeh faz razstavili vrtinčno cev in ji zamenjali generator. V prvi fazi smo meritve izvajali pri različnih vstopnih tlakih, v razponu od 4,5 do 7,5 bar, pri koraku 1 bar z enako odprtim zapornim ventilom 2,5 obrata. Torej po vsaki meritvi oz. zajetju vseh parametrov smo povečevali vstopni tlak zraka. Pri drugi fazi pa je bil tlak pri vseh meritvah približno enake vrednosti (5,8 bar), medtem ko smo zaporni ventil po vsaki meritvi dodatno odprli. Začeli smo s takšno odprtostjo, da je bil zaznan pretok na rotametru in odpirali vse do 2,5 obrata.
Meritev smo začeli z odpiranjem ventila na omrežju stisnjenega zraka, ki je dovedel zrak v vrtinčno cev, s čimer se je potem v programskem okolju LabView izpisovala/izrisovala vrednost vstopnega tlaka v odvisnosti od časa, ki je periodično nihal. To je bilo posledica omrežja stisnjenega zraka, ki je dovajal tlak z določeno vrednostjo znotraj nekega intervala.
Cilj je bil dobiti želeno vrednost v srednji vrednosti nihaja. To smo dosegli z ustreznim reguliranjem ventila na omrežju. Po doseženi vrednosti smo počakali še od 90 do 120 s, da se je ob tem ustalila temperatura vročega in hladnega konca vrtinčne cevi. Zatem je sledil zajem vseh podatkov pri času dveh nihajev vstopnega tlaka. Čas trajanja dveh nihajev je bil od 340 do 380 s.
4 Rezultati in diskusija
V nadaljevanju so predstavljeni rezultati meritev delovanja vrtinčne cevi pri različnih obratovalnih pogojih. Na podlagi teh meritev smo določili ključne lastnosti vrtinčne cevi, kot sta npr. hladilna moč in hladilno število (glej poglavje 2.4) . Pred tem je bilo treba še korigirati izmerjene volumske tokove, saj so bili rotametri kalibrirani na delovanje pri tlaku 1 bar in temperaturi 20 °C. Volumski tok skozi rotameter se korigira glede na spodnjo
Masna tokova na vstopni ter vroči izstopni strani sta bila nato izračunana glede na spodnjo enačbo:
𝒎̇ = 𝑽̇ 𝒌𝒐𝒓∙ 𝝆
𝟔𝟎 ∙ 𝟏𝟎𝟎𝟎 (4.2)
kjer je 𝑉̇𝑘𝑜𝑟 korigiran volumski pretok [L/min] in 𝜌 gostota zraka na vroči ali vstopni strani [kg/m3]. Te smo določili s pomočjo termodinamične knjižnice COOL-PROP na podlagi poznanega tlaka in temperature pri predpostavki 10% relativne vlažnosti zraka. Predpostavili smo zato, ker nismo merili dejanske vlažnosti zraka.
Rezultati vseh meritev in izračunov so prikazani v Prilogi A.
Rezultati in diskusija
14
4.1 Delovanje vrtinčne cevi pri različnih odprtostih zapornega ventila
Kot je razvidno s slike 4.1, je delež toka, ki teče skozi hladno stran primarno odvisen od vrste generatorja vrtincev. Razvidno pa je tudi, da se delež hladnega toka zmanjšuje z odpiranjem zapornega ventila. V primeru popolnoma zaprtega zapornega ventila je masni tok skozi hladno stran največji, vendar v tem primeru nismo opazili hladilnega učinka. Ko je bil ventil odprt za več kot 1,5 obrata, nismo opazili bistvenega spreminjanja deleža toka skozi hladno stran.
Slika 4.1: Odvisnost masnega deleža hladnega zraka od odprtosti zapornega ventila
30
Masni delež hladnega zraka [%]
Odprtost zapornega ventila [/]
Rezultati in diskusija
Z odpiranjem ventila se je zniževala tudi izstopna temperatura zraka na hladni strani vrtinčne cevi.
Slika 4.2: Odvisnost izstopne temperature zraka na hladni strani od odprtosti zapornega ventila
Pri tem smo največje spremembe opazili v področju, ko je bil ventil odprt med 0,5 in 2,5 obrata (celoten hod je znašal 4,5 obrata). Najnižje temperature smo opazili pri 2,5 obrata. V povprečju se je temperatura zraka znižala za 7 K, ko smo hod ventila povečali z 0,5 na 2,5 obrata. V tem hodu je največjo temperaturno spremembo imel generator vrtincev z velikostjo odprtine 3,5 mm in globino reže 1,4 mm (bela barva), kjer se je temperatura zraka znižala za 13 K. Vpliv vrste generatorja vrtinca na temperaturo zraka je opisan v poglavju 4.3.
-10
Izstopna temperatura zraka na hladni strani [°C]
Odprtost zapornega ventila [/]
Rezultati in diskusija
16
4.2 Vpliv vstopnega tlaka
V tem primeru smo opazovali vpliv vstopnega tlaka v razponu med 4 in 8 bar pri enako odprtem ventilu z 2,5 obrata. Pri tej odprtosti ventila so bile dosežene najnižje temperature hladnega dela, kot je razvidno iz slike 4.2.
Slika 4.3: Odvisnost masnega deleža hladnega zraka od vstopnega tlaka
Opazimo, da se je s povečanjem tlaka povečal masni delež hladnega zraka. Vendar pa rast slednjega ni bila velika. To vidimo tako, da se je v tem tlačnem razponu masni delež hladnega zraka v povprečju dvignil le za 1,2 %. Največji deleži so bili doseženi pri vstopnemu tlaku cca. 7,5 bar. Pri tem tlaku je generator vrtincev z globino reže 3 mm in velikostjo odprtine 6,2 mm (rjava barva) imel masni delež hladnega dela 77%, ki je bil največji med vsemi deleži. Ta generator je imel največjo velikost odprtine med vsemi generatorji vrtincev.
Je pa vstopni tlak zato bolj vplival na izstopno temperaturo hladne strani in hladilno število.
Večanje tlaka je povzročilo upad izstopne temperature zraka na hladni strani. To pa je poleg izstopnega masnega toka na hladni strani vplivalo na povečanje hladilne moči (sliki 4.4 in 4.5).
Masni delež hladnega zraka [%]
Vstopni tlak [bar]
Rezultati in diskusija
Slika 4.4: Odvisnost izstopne temperature zraka na hladni strani od vstopnega tlaka
Slika 4.5: Odvisnost hladilne moči od vstopnega tlaka
V tem razponu vstopnega tlaka se je izstopna temperatura na hladni strani povprečno znižala za 2 K in hladilna moč povprečno povečala za 82 W. Med tlakom 7 in 7,5 bar je bila temperatura hladnega dela najnižja, medtem ko je tam hladilno število bilo največje. Imeli sta vrednosti -11 °C in 226 W.
Izstopna temperatura zraka na hladni strani [°C]
Vstopni tlak [bar]
Rezultati in diskusija
18 Hladilno število oz. učinkovitost vrtinčne cevi je bil poleg hladilne moči tudi odvisen od moči kompresorja, ta pa je bil odvisen od vstopnega tlaka in od vstopnega masnega pretoka oz. pretočne površine generatorja. Večja kot je bila pretočna površina, večja je bila moč kompresorja in manjše je bilo hladilno število vrtinčne cevi. Enako je veljalo za vstopni tlak.
Opomba: moč kompresorja (enačba 2.6) je bila izračunana pri predpostavki, da je izentropni izkoristek enak 0,8, ker ga nismo poznali oz. merili. Zato je bilo hladilno število (enačba 2.7) delno teoretična.
Slika 4.6: Odvisnost hladilnega števila od vstopnega tlaka
Zato so pri učinkovitosti prevladovali generatorji z manjšimi preseki in z velikimi temperaturnimi razlikami. Največja učinkovitost je bila dosežena pri najmanjšem vstopnem tlaku, ki pa jo je dosegel generator z globino reže 1,3 mm in premerom odprtine 4 mm (rumena barva), ki je za hladilno število imel vrednost 0,085. Če to primerjamo s parno-kompresijskimi sistemi (tam znaša 2-3), vidimo da je izredno majhno.
0.00
Rezultati in diskusija
4.3 Vpliv vrste generatorjev vrtincev
Tekom meritev smo zamenjali več generatorjev vrtincev (glej poglavje 3.1) in opazovali spremembe v delovanju vrtinčne cevi. Opazili smo, da se pri enako odprtem ventilu 2,5 obrata s spreminjanjem generatorjev vrtincev spreminja povprečna temperaturna sprememba vstopnega in hladnega dela. Povprečje temperaturne spremembe je bilo izračunano pri različnih vstopnih tlakih za vsak generator posebej (primer prikazan na sliki 4.9). Rezultati so prikazani na sliki 4.7.
Slika 4.7: Temperaturna sprememba zraka na vstopu in hladni strani pri različnih generatorjih
Razvidno je, da se je zrak najbolj ohladil v primeru uporabe generatorja vrtincev z velikostjo odprtine 4 mm in globino reže 1,3 mm (rumena barva). Ta je bila najmanjša med vsemi globinami rež. V tem primeru se je zrak med vstopom in izstopom ohladil za 35 K.
Najmanjše temperaturne spremembe so bile po drugi strani opazne pri generatorju vrtincev premera odprtine 6,2 mm in globino reže 3 mm (rjava barva). Zrak se je v tem primeru ohladil le za 16 K. Sklepamo, da na temperaturni padec največ vpliva velikost pretočne površine. Največji padec smo namreč zaznali pri generatorju vrtincev z najmanjšo pretočno površino, in obratno.
Temperaturna sprememba zraka na vstopu in hladni strani[K]
Vrste generatorjev
Rezultati in diskusija
20 Prav tako smo opazili, da se pri enako odprtem ventilu 2,5 obrata s spreminjanjem
generatorjev vrtincev spreminja povprečna hladilna moč. Povprečje hladilne moči je bilo izračunano pri različnih vstopnih tlakih za vsak generator posebej (primer prikazan na sliki 4.9). Rezultati so prikazani na sliki 4.8.
Slika 4.8: Hladilna moč pri različnih generatorjih
Največja hladilna moč je bila pri uporabi generatorja vrtincev z velikostjo odprtine 5,6 mm in globino reže 2,3 mm (modra barva). Najmanjšo hladilno moč pa je imel generator vrtincev z velikostjo odprtine 3,3 mm in globino reže 1,2 mm (zelena barva). Vrednosti največje in najmanjše hladilne moči sta bili 180 W in 114 W. Ugotovimo, da na hladilno moč vplivata temperaturna sprememba zraka med vstopom in hladno stranjo ter izhodni masni tok na hladni strani, ki pa je posredno povezan z velikostjo odprtine. Večji kot je njun produkt, večja je hladilna moč, in obratno.
Slika 4.9: Prikaz odseka meritev in izračun povprečne temperaturne spremembe/hladilne moči za določen generator vrtincev
5 Zaključki
1) Na podlagi vrtinčne cevi smo zasnovali merilno progo.
2) Merili smo tlak, temperaturo in volumski pretok na vhodu in izhodu iz vrtinčne cevi.
3) Meritve so bile opravljene pri različnih generatorjih v dveh fazah, z različnimi vstopnimi tlaki zraka pri konstantni odprtosti varnostnega ventila in pri približno konstantnemu tlaku pri različnih odprtostih varnostnega ventila.
4) Na podlagi meritev smo izračunali masni tok, temperaturne razlike, moči hlajenja in kompresorja ter hladilno število.
5) Za doseganje najnižjih temperatur na hladni strani je bila optimalna vrednost odprtosti zapornega ventila 2,5 obrata.
6) Generator z manjšimi pretočnimi preseki je bil za izbiro najustreznejši, dosegel je nižje temperature na hladni strani in večje hladilno število.
7) Povečevanje vstopnega tlaka je omogočalo nižje temperature hladnega dela, vendar se je tudi s tem povečevala potrebna moč kompresorja, s čimer je bilo hladilno število manjše.
Izkazalo se, da so bili najboljši izkoristki vrtinčne cevi pri izbiri generatorja z manjšim presekom s parametri nižjega tlaka in odprtosti zapornega ventila 2,5 obrata.
Predlogi za nadaljnje delo
Meritve bi se lahko izvedle pri večjem razponu in pri manjšem koraku vstopnega tlaka in zapornega ventila, vendar bi zato potrebovali bolj ustrezen rotameter. Prav tako bi lahko enako merilno progo uporabili pri drugih vrstah vrtinčnih cevi z drugačno geometrijo (oblika zapornega ventila, oblika cevi-ravna, ukrivljena, sprememba premera/dolžine cevi) in pri uporabi drugačnih vrst generatorjev, z manj ali več vstopnimi kanali, z drugačnimi globinami reže/premeri odprtine in pri uporabi drugačnega materiala.
22
Literatura
[1] Xiangji Guo, Bo Zhang, Bo Liu, Xiang Xu: A critical review on the flow structure studies of Ranque-Hilsch vortex tubes, International Journal of Refrigeration 104 (2019) str. 51-64
[2] Rutika Godbole, P.A. Ramakrishna: Design guidelines for the vortex tube, Experimental Thermal and Fluid Science 118 (2020) str. 110
[3] GJ, R.: Experiments on expansion in a vortex with simultaneous exhaust of hot air and cold air, Phys. Radium (1933), str. 112-114
[4] R.T. Balmer: Pressure driven Ranque Hilsch temperature separation in liquids, Fluid Eng. (1988), str. 161-164
[5] R. Hilsch: The use pf the expansion of gases in a centrifugal field as cooling process, Rev. Sci. Instrum. 18 (1947), str. 108
[6] C.D. Fulton: Ranque's tube, ASRE Refrig. Eng. (1950), str. 473-479
[7] Boye Ahlbom, S. Groves: Secondary flow in a vortex tube, Fluid Dyn. Res. 21 (1997), str. 73-86
[8] Junior Lagrandeur, Sebastien Poncet, Mikhail Sorin: Review of predictive models for the design of counterflow vortex tubes working with perfect gas, International
Journal of Thermal Sciences 142 (2019) str. 188-204
[9] Smith Eiamsa-ard, Pongjet Promvonge: Review of Ranque–Hilsch effects in vortex tubes, Renewable and Sustainable Energy Reviews 12 (2008) str. 1822-1842 [10] Zhuohuan Hu, Rui Li, Xin Yang, Mo Yang, Rodney Day, Hongwei Wu: Energy
separation for Ranque-Hilsch vortex tube: A short review, Thermal Science and Engineering Progress 19 (2020) str. 100
[11] Yunpeng Xue, Maziar Arjomandi, Richard Kelso: A critical review of temperature separation in a vortex tube, Experimental Thermal and Fluid Science 34 (2010) str.
1367-1374
[12] Hong Yan, Qingxiao Xu, Yongling Zhao, Yunpeng Xue: The thermal performance of a novel convergent valveless vortex tube, Iternational Journal of Refrigeration 119 (2020) str. 92-101
[13] Fachun Liang, Guoxiang Tang, Changyi Xu, Chi Wang, Zhengyu Wang, Jiaxin Wang, Naiming Li: Experimental investigation on improving the energy separation efficiency of vortex tube by optimizing the structure of vortex generator, Applied Thermal Engineering 195 (2021) str. 117
[14] Sudhakar Subudhi, Mihir Sen: Review of Ranque – Hilsch vortex tube experiments using air, Renewable and Sustainable Energy Reviews 52 (2015) str. 172-178 [15] Podatkovni list proizvajalca Mowotas
24
Priloga A – preglednica meritev in izračunov
Merjene in izračunane vrednosti so prikazane na strani 25 in 26.
26