Zasnova eksperimentalne proge za parametrično analizo delovanja vrtinčnih cevi

(1)

UNIVERZA V LJUBLJANI Fakulteta za strojništvo

Zasnova eksperimentalne proge za parametrično analizo delovanja vrtinčnih cevi

Marko Klemenc

Ljubljana, september 2021

Zaključna naloga Univerzitetnega študijskega programa I. stopnje

Strojništvo - Razvojno raziskovalni program

(2)

(3)

UNIVERZA V LJUBLJANI Fakulteta za strojništvo

Zasnova eksperimentalne proge za parametrično analizo delovanja vrtinčnih cevi

Marko Klemenc

Mentor: prof. dr. Andrej Kitanovski, univ. dipl. inž.

Ljubljana, september 2021

Zaključna naloga Univerzitetnega študijskega programa I. stopnje

Strojništvo - Razvojno raziskovalni program

(4)

(5)

Zahvala

Zahvalil bi se rad prof. dr. Andreju Kitanovskemu za mentorstvo. Prav tako se zahvaljujem asist. Luki Lorbku, za njegove spodbude in nasvete, brez katerih bi bila izvedba pisanja naloge zelo otežena.

Zahvala gre tudi Laboratoriju za hlajenje in daljinsko energetiko za uporabo opreme in prostora.

Na koncu se zahvaljujem tudi družini in prijateljem, ki so me v času študija podpirali.

(6)

vi

(7)

Izvleček

UDK 621.56/.59:533.697.3(043.2) Tek. štev.: UN I/1581

Zasnova eksperimentalne proge za parametrično analizo delovanja vrtinčnih cevi

Marko Klemenc

Ključne besede: vrtinčna cev generator vrtincev komprimiran zrak točkovno hlajenje hladilno število

temperaturno ločevanje

Vrtinčne cevi so uveljavljena rešitev za točkovno hlajenje orodij, strojev ali raznih vrtljivih delov. Zaradi kompleksnosti pojavov, ki se vršijo v teh ceveh, je njihovo delovanje običajno potrebno popisati eksperimentalno. V tem delu je zato opisana zasnova merilne proge, namenjene izvajanju parametričnih analiz delovanja vrtinčnih cevi. V prvi polovici dela je predstavljeno teoretično ozadje delovanja vrtinčnih cevi in njene obratovalne lastnosti. V drugi polovici dela je predstavljena zasnova merilne proge, ki je služila za eksperimentalno verifikacijo delovanja vrtinčne cevi z uporabo različnih generatorjev zračnih vrtincev. Pri tem smo opazovali vpliv velikosti vstopnega tlaka in odprtosti zapornega ventila na učinkovitost naprave. Na koncu dela so predstavljeni rezultati eksperimentov.

(8)

viii

Abstract

UDC 621.56/.59:533.697.3(043.2) Tek. štev.: UN I/1581

Design of an experimental setup for parametric analysis of vortex tube operation

Marko Klemenc

Key words: vortex tube vortex generator compressed air point cooling cooling number

temperature separation

Vortex tubes are an established solution for spot cooling of tools, machines or various rotating parts. Due to the complexity of the phenomena occurring in these tubes, their operation usually needs to be described experimentally. Therefore, this part describes the design of a measuring setup intended for performing parametric analyses of vortex tube operation. The first half of the paper presents the theoretical background of vortex tube operation and its operating properties. In the second half of the work, the design of the measuring setup is presented, which served for the experimental verification of the operation of the vortex tube using various air vortex generators. The influence of the size of the inlet pressure and the opening of the shut-off valve on the device's efficiency was observed. At the end of the work, the results of the experiments are presented.

(9)

Kazalo

Kazalo slik ... xi

Kazalo preglednic ... xii

Seznam uporabljenih simbolov ... xiii

Seznam uporabljenih okrajšav ... xiv

1 Uvod ... 1

1.1 Ozadje problema ... 1

1.2 Cilji ... 2

2 Teoretične osnove in pregled literature ... 3

2.1 Osnovni princip delovanja vrtinčne cevi ... 3

2.2 Mehanizem ločevanja temperature ... 4

2.2.1 Teorija tlačnega gradienta ... 4

2.2.2 Teorija viskozno-strižnega trenja ... 4

2.2.3 Teorija sekundarnega toka ... 5

2.3 Obratovalne lastnosti vrtinčne cevi ... 6

2.3.1 Temperaturna razlika med hladno in toplo stranjo, ter okolico ... 6

2.3.2 Masni delež hladnega zraka ... 6

2.3.3 Hladilna moč vrtinčne cevi ... 7

2.3.4 Moč kompresorja ... 7

2.3.5 Hladilno število ... 7

3 Metodologija raziskave ... 8

3.1 Zgradba vrtinčne cevi ... 8

3.2 Merilna proga ... 11

3.3 Potek meritev ... 12

4 Rezultati in diskusija ... 13

4.1 Delovanje vrtinčne cevi pri različnih odprtostih zapornega ventila ... 14

4.2 Vpliv vstopnega tlaka ... 16

4.3 Vpliv vrste generatorjev vrtincev ... 19

(10)

x

5 Zaključki ... 21

Literatura ... 22

Priloga A – preglednica meritev in izračunov ... 24

(11)

Kazalo slik

Slika 1.1: Vrtinčna cev z generatorji vrtincev [15] ... 1

Slika 2.1: Shematski prikaz vrtincev znotraj vrtinčne cevi [10] ... 3

Slika 2.2: Potek hladnega/vročega toka pri viskozno-strižni teoriji [10] ... 4

Slika 2.3: Shematski prikaz sekundarnega toka [10] ... 5

Slika 3.1: Zgradba razstavljene vrtinčne cevi z označenimi elementi [15] ... 9

Slika 3.2: Geometrija vrtinčne cevi z merami [15] ... 9

Slika 3.3: Različni generatorji vrtincev ... 10

Slika 3.4: Geometrija generatorja vrtincev... 10

Slika 3.5: Merilna proga z označenimi komponentami ... 11

Slika 3.6: Shema merilne proge ... 12

Slika 4.1: Odvisnost masnega deleža hladnega zraka od odprtosti zapornega ventila ... 14

Slika 4.2: Odvisnost izstopne temperature zraka na hladni strani od odprtosti zapornega ventila .. 15

Slika 4.3: Odvisnost masnega deleža hladnega zraka od vstopnega tlaka ... 16

Slika 4.4: Odvisnost izstopne temperature zraka na hladni strani od vstopnega tlaka ... 17

Slika 4.5: Odvisnost hladilne moči od vstopnega tlaka ... 17

Slika 4.6: Odvisnost hladilnega števila od vstopnega tlaka ... 18

Slika 4.7: Temperaturna sprememba zraka na vstopu in hladni strani pri različnih generatorjih .... 19

Slika 4.8: Hladilna moč pri različnih generatorjih ... 20

Slika 4.9: Prikaz odseka meritev in izračun povprečne temperaturne spremembe/hladilne moči za določen generator vrtincev ... 20

(12)

xii

Kazalo preglednic

Preglednica 3.1: Mere globine reže in premera odprtine različnih generatorjev vrtincev ... 10 Preglednica 3.2: Merilno območje in točnost merilnih inštrumentov ... 11

(13)

Seznam uporabljenih simbolov

Oznaka Enota Pomen

𝑝_𝑖𝑛 bar tlak na vstopu v vrtinčno cev

𝑝_𝑜𝑢𝑡 bar tlak na izstopu iz vrtinčne cevi

𝑇_𝑜𝑘 °C temperatura okoliškega zraka

𝑇_𝑖𝑛 °C vstopna temperatura zraka

𝑇_𝑐 °C izstopna temperatura zraka na hladni strani 𝑇_ℎ °C izstopna temperatura zraka na vroči strani

𝑉̇_𝑖𝑛 l/min vstopni volumski tok zraka

𝑉̇_ℎ l/min izstopni volumski tok zraka na vroči strani 𝑉̇_{𝑖𝑛,𝑘𝑜𝑟} l/min korigiran vstopni volumski tok zraka

𝑉̇_{ℎ,𝑘𝑜𝑟} l/min korigiran izstopni volumski tok zraka na vroči strani

𝜌_𝑖𝑛 kg m³ vstopna gostota zraka

𝜌_ℎ kg m³ vstopna gostota zraka na vroči strani

𝑚̇_𝑖𝑛 kg s^-1 vstopni masni tok zraka

𝑚̇_ℎ kg s^-1 izstopni masni tok zraka na vroči strani 𝑚̇_𝑐 kg s^-1 izstopni masni tok zraka na hladni strani

𝜇 % masni delež hladnega zraka

𝑐_𝑝,𝑐 J kg^-1K^-1 specifična toplota zraka na hladni strani

∆𝑇_𝑐 K razlika med vstopno temperaturo zraka in izstopno temperaturo zraka na hladni strani

𝜅 / razmerje specifičnih toplot

𝜂_𝑖𝑧 / izentropni izkoristek kompresorja

𝑄̇_𝑐 W hladilna moč vrtinčne cevi

𝑃_𝑘,𝑡 W teoretična moč kompresorja

𝐶𝑂𝑃 / hladilno število

(14)

xiv

Seznam uporabljenih okrajšav

Okrajšava Pomen

VC MO

Vrtinčna cev (angl. Vortex tube) Merilno območje (angl. Full scale)

(15)

1 Uvod

1.1 Ozadje problema

Veliko industrijskih aplikacij ali komponent, kot so npr. rezalna in varilna orodja ali razni vrtljivi deli strojev, ki so v uporabi v živilski in predelovalni industriji, mora biti hlajenih.

Hlajenje teh aplikacij z uveljavljenimi tehnologijami, kot je npr. parno-kompresijsko ali vodno hlajenje, pogosto ni mogoče, saj je lahko nameščanje uparjalnikov oz. različnih prenosnikov toplote na hlajeno mesto tehnično neizvedljivo. V takih primerih se lahko uporabi t. i. vrtinčna cev. Ta na hlajeno mesto usmeri curek hladnega zraka. To pomeni, da lahko hlajenje zagotavlja brez neposrednega stika hlajenega mesta s prenosnikom toplote ali različnimi ponori toplote (razširjene površine, itd.).

Slika 1.1: Vrtinčna cev z generatorji vrtincev [15]

Vrtinčna cev za delovanje potrebuje le vir stisnjenega zraka. Deluje namreč na principu ločevanja temperature med dvema curkoma zraka. Eden se pri tem ohladi, drugi pa se segreje (glej poglavje 2.2). Poleg tega, da lahko s curkom zraka ohlaja poljubno kompleksne tehnične površine, je prednost vrtinčne cevi tudi ta, da ne zahteva uporabe hladiv ali različnih hladilnih tekočin. Njena geometrija je zelo enostavna in ne vsebuje gibljivih delov. Zato je verjetnost okvare v primerjavi z ostalimi hladilnimi sistemi bistveno manjša. Posledično so nizki tudi stroški vzdrževanja in sam strošek nakupa take naprave. Glavna slabost vrtinčne cevi je izjemno majhna učinkovitost oz. COP. Ta je posledica tega, da njeno delovanje

(16)

Uvod

2 temelji na prisilnem zaviranju toka zraka, zaradi česar se generira veliko entropije. Poleg tega je njeno delovanje zelo hrupno.

1.2 Cilji

Vrtinčne cevi postajajo vedno bolj uveljavljena rešitev za t. i. točkovno hlajenje industrijskih postrojev ali komponent. Namen tega dela je bil zasnovati merilno progo, na kateri bo možno izvajati parametrične analize delovanja teh cevi. Pri tem smo želeli:

-Izmeriti delovanje vrtinčne cevi v razponu vstopnega tlaka zraka med 4 in 8 bar, -Izmeriti delovanje vrtinčne cevi pri različnih odprtostih zapornega ventila.

(17)

2 Teoretične osnove in pregled literature

2.1 Osnovni princip delovanja vrtinčne cevi

Vrtinčna cev je preprosta naprava, ki je sestavljena iz glavne komore, generatorja vrtincev z eno ali več vstopnimi režami, zapornim ventilom in cevema, ki odvajata vroč in hladen zrak (glej sliko 2.1). Slednji sta soosno povezani s komoro, ter nasprotno usmerjeni.

Slika 2.1: Shematski prikaz vrtincev znotraj vrtinčne cevi [10]

S tangencialnim dovodom komprimiranega plina, ki teče skozi generator vrtincev v komoro vrtinčne cevi, se ustvari tok z visokohitrostnimi vrtinci. Del toka, ki potuje proti vroči strani cevi zadane zaporni ventil. Določena količina plina pri tem izstopi iz cevi v okolico.

Preostanek se odbije in potuje protismerno vstopajočemu toku, proti hladni strani. V komori nato pride do ločitve temperatur. Različne teorije zakaj do tega pride so opisane v nadaljevanju. Posledica te ločitve pa je, da se curek plina v jedru toka ohladi, medtem ko se curek na obrobju cevi segreje. Na eni strani cevi posledično izstopa segret plin, na drugi pa ohlajen plin. Slednji se nato lahko uporabi za točkovno hlajenje različnih površin.

(18)

Teoretične osnove in pregled literature

4

2.2 Mehanizem ločevanja temperature

Kljub temu, da je geometrija vrtinčne cevi preprosta, je pojav ločevanja temperature med curkoma zraka še vedno nejasen. Nekatere teorije so na kratko predstavljene v sledečih podpoglavjih:

2.2.1 Teorija tlačnega gradienta

Ranque-jeva teorija [3] trdi, da naj bi bila ločitev energije (in posledično temperature) posledica adiabatne ekspanzije v jedru curka in adiabatne kompresije na obrobju vrtinčne cevi. Ekspanzija je torej odgovorna za zniževanje temperature zraka, medtem ko jo kompresija odgovorna za zviševanje temperature. Odvisnost temperature od tlaka je običajno značilna le za stisljive medije. Balmer [4] je po drugi strani eksperimentalno dokazal, da je ločitev temperatur možna tudi pri uporabi nestisljive tekočine. Ta teorija se zato ne smatra za najbolj ustrezno.

2.2.2 Teorija viskozno-strižnega trenja

Hilsch [5] ločitev temperatur razlaga na podoben način kot Ranque, le da je vključil še en pomemben parameter – trenje med curkom v jedru in curkom na obrobju cevi. To teorijo je nadgradil Fulton [6], ki trdi, da se po dovodu stisnjenega zraka v cev ustvarijo visokohitrostni vrtinci z dvema poljema toka v jedru in na obrobju. Za tok v jedru so značilne visoke kotne hitrosti, za tok na obrobju pa nizke kotne hitrosti. Posledica razlik v teh hitrostih je trenje. To povzroča minimaliziranje razlik kotnih hitrosti oz. njuno izenačitev. Posledica tega je prenos mehanske energije iz jedra na obrobje in prenos difuzijske energije iz obrobja v jedro (Slika 2.4). Zaradi več pridobljene kot izgubljene energije pride na obrobju do segrevanja, medtem ko v jedru pride do večje izgube energije in s tem do ohlajanja.

Slika 2.2: Potek hladnega/vročega toka pri viskozno-strižni teoriji [10]

(19)

2.2.3 Teorija sekundarnega toka

Ahlbom et al. [7] v svojem delu poročajo, da do ločitve temperatur lahko prihaja zaradi pojava sekundarnega toka. Opazili so, da po nastanku prisiljenega vrtinca v jedru na vroči strani začne od tam masni tok potovati proti hladni strani z odprtino, kjer pa ne izstopi v celoti. Masni tok na vroči strani je torej večji od izstopnega masnega toka na hladni strani Zato so sklepali, da ko pride masni tok vročega konca proti hladnemu koncu se zaradi razlike v masnih tokovih, del tega toka preusmeri nazaj s hladne na vročo stran v obliki sekundarne cirkulacije. S tem naj bi se prenašala toplota iz jedra na obrobje cevi. Toploto torej sekundarna cirkulacija absorbira vzdolž prisiljenega vrtinca v jedru, ki teče proti hladnemu delu, in jo prenaša v obrobno območje prostega vrtinca, ki teče proti vročem delu cevi. Na ta način se temperatura obrobnega območja dvigne, temperatura jedra pa zmanjša.

Slika 2.3: Shematski prikaz sekundarnega toka [10]

(20)

6

2.3 Obratovalne lastnosti vrtinčne cevi

Za učinkovit popis delovanja vrtinčne cevi je potrebno poznati parametre, opisane v sledečih podpoglavjih.

2.3.1 Temperaturna razlika med hladno in toplo stranjo, ter okolico

Razliko med vstopno temperaturo zraka in izstopno temperaturo zraka na hladni strani lahko definiramo kot:

∆𝑻_𝒄= 𝑻_𝒊𝒏− 𝑻_𝒄 (2.1)

kjer je ∆𝑇_𝑐temperaturna razlika med vstopnim zrakom in izstopnim zrakom na hladni strani [K], 𝑇_𝑖𝑛vstopna temperatura zraka na vstopu [°C] in 𝑇_𝑐 izstopna temperatura zraka na hladni strani [°C]. Ta parameter definira hladilni učinek, na podlagi katerega lahko določimo hladilno moč.

Razliko med izstopno temperaturo zraka na vroči strani in vstopno temperaturo zraka lahko definiramo kot:

∆𝑻_𝒉= 𝑻_𝒉− 𝑻_𝒊𝒏 (2.2)

kjer je ∆𝑇_ℎtemperaturna razlika med izstopnim zrakom na hladni strani in vstopnim zrakom zraka [K], 𝑇_𝑖𝑛temperatura zraka na vstopu [°C] in 𝑇_𝑐 temperatura zraka na vroči strani [°C].

2.3.2 Masni delež hladnega zraka

Predstavlja razmerje med izstopnim masnim tokom zraka na hladni strani in vstopnim masnim tokom zraka:

𝝁 = 𝒎̇_𝒄

𝒎̇_𝒊𝒏 (2.3)

kjer je 𝜇 je masni delež hladnega zraka [%], 𝑚̇_𝑐 izstopni masni tok zraka na hladni strani [kg s^-1] in 𝑚̇_𝑖𝑛 vstopni masni tok zraka [kg s^-1].

Razlika vstopnega masnega toka zraka in izstopnega masnega toka zraka na hladni strani je enaka izstopnemu masnemu toku na vroči strani:

𝒎̇_𝒉= 𝒎̇_𝒊𝒏− 𝒎̇_𝒄 (2.4)

kjer je 𝑚̇_ℎ izstopni masni tok na vroči strani [kg s^-1].

(21)

2.3.3 Hladilna moč vrtinčne cevi

Hladilna moč vrtinčne cevi predstavlja količino toplote, ki jo je cev zmožna odvesti z določene površine. Definirana je kot:

𝑸̇_𝒄= 𝒎̇_𝒄∙ 𝒄_𝒑,𝒄∙ ∆𝑻_𝒄 (2.5)

kjer je 𝑄̇_𝑐 hladilna moč [W], 𝑐_𝑝,𝑐 specifična toplota zraka na hladni strani [J kg^-1K^-1], 𝑚̇_𝑐 vstopni masni tok na hladni strani [kg s^-1] in ∆𝑇_𝑐 temperaturna razlika med vstopnim zrakom in izstopnim zrakom na hladni strani [K].

2.3.4 Moč kompresorja

Teoretično določena moč kompresorja, ki je potrebna za kompresijo zraka iz okoliškega tlaka na delovni oz. vstopni tlak:

𝑷_𝒌,𝒕=𝒎̇_𝒊𝒏∙ 𝒄_𝑷∙ 𝑻_𝒐𝒌

𝜼_𝒊𝒛 ∙ ((𝒑_𝒊𝒏 𝒑_𝒐𝒌)

𝜿−𝟏

𝜿 − 𝟏) (2.6)

kjer je 𝑃_𝑘,𝑡 teoretična moč kompresorja [W], 𝑐_𝑃 specifična toplota zraka [J kg^-1K^-1], 𝑚̇_𝑖𝑛 vstopni masni tok zraka[kg s^-1], 𝑇_𝑜𝑘 temperatura okoliškega zraka [°C], 𝜂_𝑖𝑧 izentropni izkoristek kompresorja [/], 𝑝_𝑖𝑛 tlak vstopa [bar], 𝑝_𝑜𝑘 tlak okolice [bar] in 𝜅 razmerje specifičnih toplot [/].

2.3.5 Hladilno število

Je brezdimenzijsko število, ki podaja razmerje med vloženo energijo in dobljeno hladilno močjo. Na podlagi tega števila lahko vrtinčne cevi primerjamo z ostalimi hladilnimi tehnologijami. Definirano je kot:

𝑪𝑶𝑷 = 𝑸̇_𝒄

𝑷_𝒌,𝒕 (2.7)

kjer je 𝐶𝑂𝑃 hladilno število [/], 𝑄̇_𝑐 hladilna moč vrtinčne cevi [W] in 𝑃_𝑘,𝑡 teoretična moč kompresorja [W].

(22)

8

3 Metodologija raziskave

V tem poglavju je opisana zasnova merilne proge, na kateri smo izmerili delovanje vrtinčne cevi pri različnih obratovalnih pogojih.

3.1 Zgradba vrtinčne cevi

Pri meritvah je bila uporabljena vrtinčna cev proizvajalca Mowotas [11], ki je sestavljena iz vrtinčne komore spojene z dolgo cevjo, ohišja, generatorja vrtincev, tesnil, pokrova spojenega s kratko cevjo, matice, regulacijskega vijaka, nastavitvenega vijaka in fleksibilne cevi, kot je prikazano na slikah 3.1 in 3.2.

Komora ima obliko valja. Na eno ploskev je soosno privarjena dolga cev. Na prostem koncu te cevi je privita matica, za njo pa še zaporni ventil. Ker zaradi visokih temperatur ni mogoče ventila regulirati ročno, je na ventil nameščen regulacijski vijak, ki je pritrjen z nastavitvenim vijakom.

Na ploskvi druge strani komore je odprtina, v katero je nameščen generator vrtincev z ohišjem. Ta odprtina je zaprta s pokrovom s privitjem. Na pokrov je privarjena kratka cev, nanjo pa je privita fleksibilna cev s krožno šobo. Znotraj vrtinčne cevi sta nameščeni še dve tesnili med pokrovom in generatorjem vrtincev in med koncem dolge cevi in matico, da preprečujeta nezaželeno uhajanje toka v okolico. Na obodu komore je še manjša odprtina za dovod stisnjenega zraka.

(23)

Metodologija raziskave

Slika 3.1: Zgradba razstavljene vrtinčne cevi z označenimi elementi [15]

Slika 3.2: Geometrija vrtinčne cevi z merami [15]

(24)

10 Tekom meritev smo testirali različne geometrije generatorjev vrtincev. Ti so se med seboj razlikovali po globini reže in premeru odprtine. Število vstopnih kanalov in njihove širine so bile pri vseh generatorjih enake. Za meritve sta bila globina reže in premer odprtine ključna, ker sta bila posredna pokazatelja površine reže oz. pretoka v vrtinčno cev in izstopnega pretoka na hladni strani. Vsi generatorji so bili iz enakega materiala, plastike.

Slika 3.3: Različni generatorji vrtincev

Slika 3.4: Geometrija generatorja vrtincev

Preglednica 3.1: Mere globine reže in premera odprtine različnih generatorjev vrtincev

Rjava Bež Siva Modra Bela Rdeča Zelena Rumena

Globina [mm] 3 2.9 2.2 2.3 1.4 1.4 1.2 1.3

Premer [mm] 6.2 4.6 4.2 5.6 3.5 4.3 3.3 4

Opomba: v legendi na slikah (glej poglavje 4) so globine reže in velikosti oz. premeri odprtine označeni s črko G in D, npr. generator vrtincev z globino reže 3 mm in velikostjo odprtine 6,2 mm je označen kot G3/D6,2.

(25)

3.2 Merilna proga

Merilna proga je prikazana na slikah 3.5 in 3.6. Vrtinčno cev smo najprej povezali s sistemom stisnjenega zraka. V njej sta se nato ustvarila tokova z različnima temperaturama, ki sta bila odvedena v okolico. Pred vhodom v vrtinčno cev so bili nameščeni rotameter za merjenje volumskega toka stisnjenega zraka, tlačno zaznavalo in termopar. Na izhodu vročega dela so bili nameščeni enaki merilniki kot pred vhodom, medtem ko je bil na izhodu hladnega dela le termopar. Signali vseh merilnikov so potovali do merilne kartice, ki jih je pretvorila v digitalno obliko in prenesla do računalnika. Merilno območje in točnost merilnikov so predstavljeni v spodnji preglednici.

Slika 3.5: Merilna proga z označenimi komponentami

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

(26)

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.

(27)

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 enačbo:

𝑽̇_𝒌𝒐𝒓= √𝒑_𝒌𝒂𝒍

𝒑_𝒎𝒆𝒓∙ √𝑻_𝒎𝒆𝒓

𝑻_𝒌𝒂𝒍 ∙ 𝑽̇_𝒎𝒆𝒓 (4.1)

kjer je 𝑉̇_𝑘𝑜𝑟 korigiran volumski pretok [L/min], 𝑝_𝑘𝑎𝑙 kalibriran tlak [bar], 𝑝_𝑚𝑒𝑟 merjen tlak [bar], 𝑇_𝑘𝑎𝑙 kalibrirana temperatura [°C], 𝑇_𝑚𝑒𝑟 merjena temperatura [°C] in 𝑉̇_𝑚𝑒𝑟 merjen volumski pretok [L/min].

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 𝑉̇_𝑘𝑜𝑟 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.

(28)

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 40 50 60 70 80 90

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3

Masni delež hladnega zraka [%]

Odprtost zapornega ventila [/]

G3/D6,2 G2,9/D4,6 G2,2/D4,2 G2,3/D5,6 G1,4/D3,5 G1,4/D4,3 G1,2/D3,3 G1,3/D4

(29)

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 -5 0 5 10 15

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3

Izstopna temperatura zraka na hladni strani [°C]

Odprtost zapornega ventila [/]

(30)

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).

30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80

4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 7.5 8.0

Masni delež hladnega zraka [%]

Vstopni tlak [bar]

(31)

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.

-15 -10 -5 0 5 10 15

4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 7.5 8.0

Izstopna temperatura zraka na hladni strani [°C]

Vstopni tlak [bar]

0 50 100 150 200 250

4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 7.5 8.0

Hladilna moč [W]

Vstopni tlak [bar]

(32)

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 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09

4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 7.5 8.0

Hladilno število [/]

Vstopni tlak [bar]

(33)

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.

0 5 10 15 20 25 30 35 40

Temperaturna sprememba zraka na vstopu in hladni strani[K]

Vrste generatorjev G3/D6,2

G2,9/D4,6 G2,2/D4,2 G2,3/D5,6 G1,4/D3,5 G1,4/D4,3 G1,2/D3,3 G1,3/D4

(34)

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

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200

Hladilna moč [W]

Vrste generatorjev

(35)

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.

(36)

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

(37)

[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

(38)

24

Priloga A – preglednica meritev in izračunov

Merjene in izračunane vrednosti so prikazane na strani 25 in 26.

(39)

(40)

26

(41)