24.1 Notiuni generale

Efectul turbionar de racire a fost descoperit in anul 1931 de catre Ranque si consta in separarea energetica a unui curent de gaz compresibil si viscos, care se destinde intr-un ajutaj dispus tangential in raport cu o conducta. Rezultatul acestei separari este formarea a doi curenti de gaz, unul cu temperatura mai mare si unul cu temperatura mai mica decat a gazului ce intra in ajutaj. Schema unui tub cu efect turbionar (tub Ranque) este prezentata in figura 24.1 [18].

La destinderea gazului in ajutaj se formeaza un curent circular intens, caracterizat prin faptul ca straturile de gaz aflate in vecinatatea axei tubului se racesc, fiind evacuate prin orificiul diafragmei 3, iar cele periferice se incalzesc si parasesc tubul prin ventilul de reglare 5. Prin reducerea sectiunii de curgere a ventilului are loc o crestere a debitului de gaz rece prin diafragma, insotita de scaderea corespunzatoare a debitului de gaz cald. Aceste modificari sunt insotite si de variatii ale temperaturilor curentilor de gaz rece si cald. Schema generala a curgerii gazului intr-un tub Ranque este prezentata in figura 24.2. Profilul vitezei in diferite sectiuni scoate in evidenta faptul ca in tub are loc o variatie importanta a componentei tangentiale a vitezei w_t , in functie de raza tubului w_t = f (r).

Referitor la componenta axiala w_x se constata ca straturile periferice ale curentului se deplaseaza cu viteze moderate catre ventilul de reglare. Pentru r = 0,7 r₁ miscarea axiala practic se anuleaza, iar la valori mai mici ale lui r se remarca o miscare axiala intensa spre sectiunea in care este dispus ajutajul.

Mecanismul efectului de separare energetica, ce caracterizeaza tubul Ranque, este urmatorul: dupa iesirea din ajutaj, curentul turbionar format se extinde pe raza pana cand presiunea statica in zona periferica devine egala cu presiunea din zona centrala, iar curgerea se apropie de o curgere potentiala, adica de un vartej liber. In momentul formarii vartejului liber componenta axiala a vitezei poate fi considerata nula. Datorita gazului care patrunde in continuare in tub, vartejul liber format este obligat sa se deplaseze catre ventilul de reglare. In timpul acestei deplasari viteza periferica a vartejului se micsoreaza ca urmare a viscozitatii gazului si a interactiunii sale cu peretele tubului. Pe masura ce viteza periferica scade, se reduce si gradientul radial al presiunii statice, astfel ca pe de o parte vartejul se extinde spre axa tubului, iar pe de alta parte se formeaza un gradient axial de presiune care obliga particulele de gaz intrate in zona axiala sa-si inverseze sensul de miscare si sa se deplaseze deci spre sectiunea orificiului.

In timpul acestui proces are loc atat un transfer de energie cinetica cat si un schimb de caldura turbulent intre curentii de gaz care, isi modifica in mod corespunzator temperatura.

24.2 Instalatia experimentala si mersul lucrarii

Pentru aprecierea cantitativa a efectului turbionar se introduc urmatoarele notatii:
T_a, p_a - temperatura si presiunea gazului comprimat la admisie;
T_c, p_c - temperatura si presiunea curentului de gaz cald;
T_f, p_f - temperatura si presiunea curentului de gaz rece;
D p_c, D p_f - caderile de presiune pe diafragme pentru gazul cald si rece;
D_ma, D_mc, D_mf - debitul masic corespunzator celor trei curenti de gaz.

Dupa deschiderea ventilului de alimentare cu gaz comprimat si stabilizarea procesului, se citesc la aparatele indicatoare presiunile si temperaturile pe cele trei conducte precum si caderile de presiune pe diafragme.

24.3 Prelucrarea si interpretarea rezultatelor

Pentru prelucrarea rezultatelor se introduc urmatoarele marimi caracteristice:

care reprezinta scaderea temperaturii curentului rece;

avand semnificatia cresterii temperaturii curentului cald,

(24.3)

numit fractiune de gaz rece.

Avand in vedere ca cele doua debite se masoara in acelasi mod

fractiunea m (24.3), se poate scrie sub forma:

(24.4)

Pentru aprecierea economicitatii tubului se defineste randamentul intern h care reprezinta raportul dintre diferentele de temperatura D T_f si D T_s :

(24.5)

unde:

(24.6)

si are semnificatia variatiei temperaturii la destinderea adiabata reversibila a gazului de la p_a la p_f ,

(24.7)

Densitatile aerului pentru cele doua stari se calculeaza cu relatiile:

(24.8)

(24.9)

Pe baza masuratorilor efectuate se calculeaza D T_o si D T_f cu relatiile (24.1) si (24.2), fractiunea de gaz rece folosind expresiile (24.8), (24.9) si (24.4), precum si randamentul intern utilizand relatiile (24.6), (24.7) si (24.5). Rezultatele masuratorilor si calculelor se trec in tabelul 24.1 si in final se traseaza graficul D T_f = f₁ (m ) si D T_c = f₂ (m ), care calitativ este redata in figura 24.4.