Вихревое расширение газа. Эффект Ранка – Хилша. Чертеж вихревая труба ранке
Устройства на эффекте РанкаЭффект Ранка с самого начала привлекал изобретателей кажущейся простотой технической реализации — в самом деле, простейшая реализация вихревой трубы представляет собой кусок трубы самый обычной, куда с одной стороны внутрь тангенциально подаётся исходный поток, а на противополжном торце установлена кольцевая диафрагма, и из её внутреннего отверстия выходит охлаждённая часть потока, а из щели между внешним краем диафрагмы и внутренней поверхностью трубы — его горячая часть. Однако на самом деле не всё так просто — добиться эффективного разделения удаётся далеко не всегда, да и КПД таких установок обычно заметно уступает широко распространённым компрессорным тепловым насосам. Кроме того, обычно параметры установки на эффекте Ранка рассчитаны для конкретной мощности, определяемой скоростью и расходом вещества исходного потока, и когда параметры входного потока отклоняются от оптимальных значений, КПД вихревой трубы существенно ухудшается. Тем не менее следует заметить, что возможности некоторых установок на эффекте Ранка внушают уважение — например, рекордное охлаждение, которого удалось достигнуть на одной ступени, составляет более 200°С! Впрочем, с учётом нашего климата, гораздо больший интерес представляет использование эффекта Ранка для обогрева, да при этом ещё хотелось бы и не выходить за рамки «подручных средств». Суть эффекта Ранка Современное объяснение эффекта Ранка Другие объяснения эффекта РанкаКлассические схемы вихревых труб на эффекте РанкаВихревые обогревательные установки Суть эффекта РанкаПри движении потока газа или жидкости по плавно поворачивающей поверхности трубы у её внешней стенки образуется область повышенного давления и температуры, а у внутренней (либо в центре полости, если газ закручен по поверхности цилиндрического сосуда) — область пониженной температуры и давления. Это достаточно хорошо известное явление называется эффектом Ранка по имени открывшего его в 1931 г. французского инженера Жозефа Ранка (G.J.Ranque, иногда пишут «Ранке»), или эффектом Ранка-Хилша (немец Robert Hilsh продолжил исследование этого эффекта во второй половине 1940-х годов и улучшил эффективность вихревой трубы Ранка). Конструкции, использующие эффект Ранка, представляют собой разновидность теплового насоса, энергия для функционирования которого берётся от нагнетателя, создающего поток рабочего тела на входе трубы. Парадоксальность эффекта Ранка заключается в том, что центробежные силы во вращающемся потоке направлены наружу. Как известно, более тёплые слои газа или жидкости имеют меньшую плотность и должны подниматься вверх, а в случае цетробежных сил — стремиться к центру, более холодные имеют большую плотность и, соответственно, должны стремиться к периферии. Между тем при большой скорости вращающегося потока всё происходит с точностью до наоборот! Эффект Ранка проявляется как для потока газа, так и для потока жидкости, которая, как известно, является практически несжимаемой и потому фактор адиабатического сжатия / расширения к ней неприменим. Тем не менее, в случае жидкости эффект Ранка обычно выражен значительно слабее — возможно, именно по этой причине, да и очень малая длина свободного пробега частиц затрудняет его проявление. Но это верно, если оставаться в рамках традиционной молекулярно-кинетической теории, а у эффекта могут быть и совсем другие причины. На мой взгляд, на данный момент наиболее полное и достоверное научное описание эффекта Ранка представлено в статье А.Ф.Гуцола (в формате pdf). Как ни удивительно, в своей основе его выводы о сути явления совпадают с полученными нами «на пальцах». К сожалению, он оставляет без внимания первый фактор (адиабатическое сжатие газа у внешнего радиуса и расширение у внутреннего), который, на мой взгляд, весьма существенен при использовании сжимаемых газов, правда, действует он только внутри устройства. А второй фактор А.Ф.Гуцол называет «разделением быстрых и медленных микрообъёмов». Современное объяснение эффекта РанкаВ настоящее время наиболее общепризнанным объяснением эффекта Ранка является следующее. Известно, что если измерять температуру движущегося (скажем, в трубе) потока двумя термометрами, то они покажут разную температуру, если один из них неподвижен относительно потока (т.е. перемещается вместе с ним), а другой вмонтирован в трубу. При этом температура, измеренная вмонтированным в трубу термометром будет связана с температурой, измеренной термометром, движущимся вместе с потоком, следующим образом: T0 = T + v2 / (2 · cp) (1), где T0 — температура, измеренная вмонтированным в трубу термометром, «температура торможения»; T — «собственная» температура потока, измеренная термометром, движущимся вместе с ним, «статическая температура»; v — скорость движения потока по трубе; cp — удельная теплоёмкость вещества потока. Таким образом, мы видим, что температура торможения, измеряемая неподвижным термометром, при одной и той же собственной статической температуре этого потока будет зависеть от его скорости. Если относительно такого термометра остановить весь газ, то вся его температура поднимется до этого значения — кинетическая энергия преобразуется в тепловую. Именно это явление вызывает нагрев передних кромок крыла у скоростных самолётов (прежде всего сверхзвуковых), а также сгорание в атмосфере метеоритов и отработавших свой срок космических летательных аппаратов. Предполагается, что возле выходного отверстия диафрагмы угловые скорости и холодного и горячего потоков равны, то есть весь вихрь вращается как единое твёрдое тело («квазитвёрдый» вихрь). В таких условиях на разных радиусах вихревой трубы газ имеет различную линейную скорость, соответственно он имеет и различную термодинамическую температуру. Благодаря эффективному турбулентному перемешиванию внутри вихревой трубки, эти температуры стремятся выровняться, из-за чего и происходит перераспределение собственных («термостатических») температур различных частей потока газа, которое становится явным, когда газ выходит из вихревой трубы. К сожалению, это объяснение нельзя признать удовлетворительным. Во-первых, оно является «чисто математическим», и если пытаться наполнить его физической сутью, то мы приходим к тому же «разделению быстрых и медленных микрообъёмов». Во-вторых, не совсем понятно, с какой стати именно температура торможения во всём сечении вихревой трубы априори принимается одинаковой? А приняв в качестве основной гипотезу обмена энергией между различными частями потока, мы должны придти к обратному распределению температур. В самом деле, внешние слои имеют наибольшую линейную скорость и, следовательно, наибольшую температуру торможения. Следовательно, энергия от них должна перетекать к медленно движущимся центральным слоям, повышая их собственную температуру. Таким образом, из середины должен выходить горячий газ, а из периферийной щели — холодный, что прямо противоречит наблюдаемым фактам. Поэтому утверждается, что быстро движущийся на периферии газ, попадая в результате турбулентного движения в центр, там тормозится и теряет свою кинетическую энергию. Но опять же, куда может деться эта энергия? Только в тепло, а значит, опять-таки, в середине температура должна расти. Наконец, есть данные, что вихрь внутри трубы Ранка отнюдь не квазитвёрдый, и более того, его центральная часть может вращаться в противоположную сторону, а в таком случае вся эта теория вообще не соответствует практике. В общем, прежде чем строить теории, необходимы практические измерения хотя бы скоростей и направлений вращения на разных радиусах и на разных расстояниях от диафрагмы. Другие объяснения эффекта РанкаКак ни странно, объяснить эффект Ранка можно и с помощью более простых механистических подходов к идеальному газу, изложенных при рассмотрении поворота потока идеального газа. Если в таких механистических объяснениях есть зерно истины, то для оптимизации устройств на эффекте Ранка будут эффективны следующие советы.
Есть и другие варианты. Вот ещё одно заслуживающее внимание объяснение эффекта Ранка от Г.В.Трещалова, правда, оно построено на предположении максвелловского распределения молекул по скоростям в рамках молекулярно-кинетической теории газов. А вот статья Ю.Оганесяна, в которой, среди прочего, рассмотрена и работа вихревой трубы. Она основывается на взаимодействии слоёв среды. Существование подобных слоёв маловероятно в рамках молекулярно-кинетической теории, зато неизбежно в теории глобулярной организации вещества. Классические схемы вихревых труб на эффекте РанкаКлассическими устройствами, использующими эффект Ранка, являются вихревые трубы, которые строят по двум основным схемам: прямоточной и противоточной. Классические схемы прямоточной (а) и противоточной (б) вихревых труб на эффекте Ранка. 1 — гладкая цилиндрическая труба, 2 — вход газа (завихритель тангециального или улиточного типа), 3 — дроссель, 4 — выход горячего газа через кольцевую щель, 5 — диафрагма для выхода холодного газа. Источник: А.Ф.Гуцол. «Эффект Ранка» (pdf).Основное назначение таких вихревых труб — производство холода, и обычно более эффективной для этих целей считается противоточная схема. Кстати, размеры их совсем невелики — например, А.Ф.Гуцол в качестве оптимальных приводит следующие значения: внутренний диаметр трубы (калибр) D = 94 мм, длина трубы L = 520 мм, отверстие диафрагмы для выхода холодного воздуха d = 35 мм, вход воздуха через два сопла, каждое из которых имеет диаметр 25 мм. Однако оптимальная скорость воздушного потока на входе совсем не маленькая — 0.4 .. 0.5 М (т.е. 40–50% скорости звука). По этой причине из-за практически неизбежных при таких скоростях мощных турбулентностей устройство оказывается очень шумным, да и о «подручных средствах» (вроде бытового вентилятора в качестве источника потока воздуха) можно забыть. Характерно, что как при сильном уменьшении скорости входного потока, так и при её приближении к скорости звука, эффективность вихревой трубы стремится к нулю. Уменьшение геометрических размеров относительно оптимальных (особенно при D < 33 мм) также заметно снижает КПД, а вот их увеличение на КПД практически не сказывается. Очевидно, это связано с физическими характеристиками воздуха — слишком малые размеры не могут предотвратить интенсивное перемешивание разделённых было слоёв воздуха и, вероятно, делают слишком заметным влияние эффектов, возникающих на границе между стремительно движущимся воздухом и неподвижными стенками устройства. Следует отметить, что в большинстве случаев конструкторы вихревых труб не уделяют большого внимания ламинарности потоков как на входе, так и внутри установки, а некоторые из них, в силу отсутствия общепризнаной теории этого явления, наоборот, уверены, что увеличение турбулентности будет способствовать повышению эффективности процесса. Тем не менее, я считаю, что уделив серьёзное внимание повышению ламинарности потока рабочего тела, можно снизить шумность и повысить эффективность работы. Если верны предположения Ю.Оганесяна, то входной поток также должен быть как можно более ламинарным. Вихревые обогревательные установкиБезусловно, попытки использовать эффект Ранка не только для охлаждения, но и для обогрева препринимались неоднократно. Более того, некоторые образцы производятся серийно, в том числе и в нашей стране. Как ни странно, наиболее широко распространены жидкостные конструкции на эффекте Ранка. Очевидно, это объясняется большей энергоёмкостью теплоносителя и меньшей шумностью их работы по сравнению с газовыми, обусловленной меньшими скоростями рабочего тела. Наиболее известной установкой этого класса является ЮСМАР. К сожалению, следует отметить, что практически все они предназначены для промышленного или полупромышленного применения, о чём свидетельствует хотя бы потребляемая мощность, которая обычно составляет несколько киловатт у «младших» моделей и достигает десятков киловатт у «старших». Заявленный производителем КПД (т.е. соотношение полученного тепла к затраченной электроэнергии) для разных типов установок составляет от 1.2 до 2.4, причём как именно он измерялся — в большинстве случаев неизвестно. Следует заметить, что для компрессорных тепловых насосов (скажем, холодильников и кондиционеров) обычно характерно соотношение перекачанного тепла к затраченной электрической энергии в диапазоне от 2 до 3. В то же время в Интернете существует и много отрицательных отзывов и сообщений об испытаниях, где говорится, что КПД вихревых установок меньше 100% и выход тепла не превышает затраченной электроэнергии. Следует отметить, что здесь принципиально важен сам подход к таким установкам. Если рассматривать их как разновидность «вечного двигателя» со сверхъединичным КПД, то такую установку следует поставить целиком в одно помещение и мерить температуру всей системы в целом — она должна давать тепла больше, чем было потрачено электричества. Если же рассматривать их как тепловой насос, то необходимо разделять зоны отбора и отдачи тепла и оценивать именно эффективность его перекачки — ведь если пытаться оценить эффективность, скажем, обычного холодильника, меряя температуру в кухне, где он стоит, то это будет очевидной глупостью. Наконец, позволю себе заметить, что возможно, некоторые подобные конструкции, внешне воспринимаемые как вихревые, на самом деле используют совсем другие принципы, а вращение или вихревое движение в них являются важными, но вспомогательными средствами. Ярким примером такого устройства, по моему убеждению, является двигатель Клема. ♦ |
khd2.narod.ru
Древние тюрки и трубка Ранке
Какая связь? - спросит читатель.
Так вот, есть основания предполагать, что эффект, открытый Джозефом Ренке в 1931 году бых хорошо известен древним тюркам и широко ими использовался. Во всяком случае так считает автор статьи: http://www.technicamolodezhi.ru/rubriki_tm/203/2155Вот часть строки из Корана [3:113(117)] (в переводе И.Ю. Крачковского, 1963): «То, что они тратят... подобно вихрю, в котором холод: он поразил посев людей...».По свидетельствам арабских путешественников VII в. вдоль Великого шелкового пути на расстоянии в 12-15 км друг от друга были созданы колодцы, в каждом из которых имелось воды, в количествах достаточных, чтобы напоить караван в 150 - 200 верблюдов. Авторы записок создателями колодцев называют китайцев и их инженеров. В VII в., во время правления династии Тан, Тюркский каганат был частью Китайской империи.
"Сам колодец был наполовину своей высоты вкопан в грунт. Путешественники спускались за водой по лестницам - а таких спусков было несколько - на отмостки и черпали воду. В центре углубления для скопившейся воды возвышалась аккуратно выложенная высоким конусом груда камней (конденсатор?!). Арабы свидетельствуют, что и скопившаяся вода, и воздух на уровне отмостков были на удивление холодными, хотя снаружи колодца стояла убийственная жара. Нижняя тыльная часть камней в груде была влажной, а на ощупь камни были холодными."
К сожалению автор не приводит первоисточников, но делает вывод, что единственный возможный способ охлаждения и конденсации воды из горячего воздуха - использование эффекта Ране, поторый родится еще только через полторы тысячи лет. На рисунках автор реконструирует устройство таких колодцев.
Реконструкция колодцев Великого шелкового пути
Накопление воды в колодце
Конструкция верхней части колодца
"Высота здания колодца, включая его вкопанную часть, составляла 6-8 м при диаметре здания в основании не более 6 м, но в колодце возникало и устойчиво работало вихревое образование. Охлаждающий эффект вихря использовался с очень высоким КПД. Конусная груда камней действительно исполняла роль конденсатора. Ниспадающий «холодный» осевой поток вихря отнимал тепло камней, охлаждал их. Водяной пар, содержащийся в ничтожных количествах в каждом удельном объёме воздуха, конденсировался на поверхностях камней. Таким образом в углублении колодца шёл постоянный процесс накопления воды. «Горячий» периферийный поток вихря выбрасывался наружу через входные проёмы лестничных спусков в колодец. Только этим можно объяснить наличие сразу нескольких спусков внутрь. Благодаря большой инерционности вращения вихревого образования, колодец работал круглосуточно.
Вода добывалась и днём, и ночью, при этом никаких видов энергии, кроме солнечной, не использовалось. Вполне возможно, что ночью колодец работал даже интенсивнее, чем днём, поскольку температура воздуха пустыни после захода солнца падает на 30-400С, что сказывается на его плотности и влажности."
beckbulat.livejournal.com
Рукотворный смерч - экологически чистый источник холода
РУКОТВОРНЫЙ СМЕРЧ –
ЭКОЛОГИЧЕСКИ ЧИСТЫЙ ИСТОЧНИК ХОЛОДА
Валерий Лесов
Недавно мне преподнесли необычную новинку от Санкт-Петербургского издательства ЛЕМА - книгу «Вихревые трубы в промышленности». Не припомню другую подобную: под яркой светлой обложкой собрана почти сотня изобретений, десятки оригинальных конструкций, несколько больших инновационных проектов разных лет, которые разработаны одним автором и объединены общим творческим замыслом!
Изобретатель предложил и (главное!) успешно «продвинул» в многоотраслевое использование «многоцелевые точечные источники холода»; и продемонстрировал, что взамен громоздкого и энергоемкого кондиционирования больших производственных помещений во многих случаях можно, с целью энергосбережения, использовать многоточечное охлаждение теплонапряженных объектов.
Точечные многоцелевые «микрокондиционеры» - это экологически чистые вихревые трубы (ВТ), питаемые сжатым воздухом из заводской пневмосети. Работа их основана на использовании известного вихревого эффекта Ранка:
Схема вихревой трубы Ранка
В канал диаметром в несколько миллиметров (!) направляют по касательной высокоскоростной поток воздуха, формируя «рукотворный смерч». Ядро искусственно полученного «мини-торнадо» самопроизвольно охлаждается, а периферия нагревается. Холодное ядро вихревого потока выпускают на охлаждаемый объект.
Промышленные многоцелевые вихревые трубы Азарова (слева направо):
однокамерные - ВВП-20/1, В 201, РВТК-16/1;
многокамерные - ВВП-10/2, ВЦ 056
Показано, что таких объектов - тысячи в большинстве отраслей промышленности и транспорта. Для примера перечислены несколько сотен заводов-пользователей и их отзывы о вихревых трубах, которые Анатолий Азаров сконструировал и исследовал в Авторской научно-исследовательской лаборатории в Санкт-Петербруге:
К началу 1990-х годов так распределились по отраслям сотни предприятий, применивших многоцелевые вихревые трубы Азарова
Обобщен научно-изобретательский опыт, последовательно представлены проекты прошлых лет, а также новый инновационный «Проект МВТ» – первые в мире
модульные вихревые трубы. Показаны аппараты, не имеющие аналогов, неизвестные в Европе и США:
первые в мире вихревые холодильники для кабины машиниста тепловоза – два
поколения инновационной продукции, выпускавшейся более 20 лет, и бензоиспарительные холодильники для автомобиля;
ВТ с внутренним оребрением камеры, пульсационной интенсификацией процесса и количеством вихревых камер от 1 до 20; с двух-, трёх- и четырёхступенчатым расширением сжатого воздуха; а также не имеющий подвижных частей бескомпрессорный кондиционер для высокоскоростного транспорта;
ВТ в сочетании с полупроводниковой термобатареей и с «традиционной» холодильной техникой: парокомпрессионными и абсорбционно-диффузионными холодильными машинами:
средства «климатического тестирования» разнообразной готовой продукции и источники мощного акустического излучения для испытательной техники и интенсификации химико-технологических процессов;
вихревые микродвигатели «обратного вращения», микрокомпрессоры-микровоздуходувки, не имеющие подвижных частей и мн. др.
Схема вихревого микродвигателя
«обратного вращения»:
1 – тангенциальный сопловой ввод;
2 – вихревая камера;
3 – упругий стержень в состоянии «вращательной вибрации»;
4 – вал отбора мощности;
5 – выпуск отработавшего потока
И самое интересное для молодых исследователей и разработчиков: собраны и систематизированы «изобретения-прототипы», которые послужат «стартовой площадкой» в творческой работе над новыми проектами.
Есть глава и для любителей фантастики: в ней впервые представлены эскизные варианты «торнадо-электростанции ближайшего будущего», работа которой инициируется искусственно создаваемым торнадо в атмосфере.
В моем рассказе о книге встречаются слова «впервые», «первые в мире», «не имеющие аналогов». По разнообразию используемых изобретений, новшеств, конструкций и вихревых технологий в этом новом научно-техническом направлении наша страна к концу 1980-х годов быстро становилась технологическим лидером Только один пример: в 1989г. начались поставки на экспорт серийно изготавливаемых пластмассовых ВТ Азарова с металлическим камертоном-турбулизатором в вихревой камере. Для сравнения: за рубежом выпуск простейших ВТ из пластмасс стартовал на шестнадцать лет позже - около 2005г.
Инновационный «Проект МВТ», предлагаемый к многоотраслевому освоению на российских предприятиях:
здесь показаны несколько образцов из полутора десятков моделей инновационной продукции, предложенной изобретателем - разработчиком
От предприятий и специалистов к автору книги уже пришли запросы из десятков городов. Среди них: Санкт-Петербург, Выборг, Зеленоград, Протвино, Набережные Челны, Самара, Тольятти, Тамбов, Омск, Барнаул, Бишкек, Харьков, Одесса, Днепропетровск и мн. др.
Хочется увидеть как Россия вернёт себе в ближайшие годы упомянутое выше технологическое лидерство. Или, по меньшей мере, как десятки типов модульных вихревых труб пополнят ее небогатый список экспортной продукции машиностроения. На этом важном направлении книга будет полезна не только опытным ученым и промышленникам, но и начинающим исследователям и студентам машиностроительных специальностей.
www.metodolog.ru
Способ преобразования энергии и вихревая труба грицкевича для его осуществления
Изобретение относится к области энергетики и может быть использовано для производства как тепловой, так и электрической энергии, а также для изменения температуры потока жидкости или газа. При преобразовании энергии движущегося потока жидкости в вихревой трубе дополнительно получают электрическую энергию, снимаемую с электромагнитных обмоток. Электромагнитные обмотки расположены на корпусе. Корпус не заземлен и выполнен из диэлектрического материала с коэффициентом диэлектрической проницаемости больше, чем у жидкости. Использование изобретения позволит повысить эффективность работы вихревой трубы и расширить ее функциональные возможности. 2 с. и 14 з.п. ф-лы, 1 ил.
Изобретение относится к области энергетики и может быть использовано для производства как тепловой, так и электрической энергии, а также для изменения температуры потока жидкости.
Широко известно использование для преобразования и получения энергии вихревой трубы французского инженера Ж.Ранке [патент США №1952281, 1934], первоначально используемой для разделения потока газа на горячий и холодный. Устройство содержит цилиндрическую трубу с циклоном на одном конце, присоединенном к корпусу одной торцевой стороной, и диафрагмой на другом конце (холодная часть), и тормозное устройство в виде регулировочного конуса внутри корпуса в конце, противоположном циклону (горячая часть). Сжатый газ подается через циклон в трубу по касательной, где разделяется в вихревом потоке на холодную (центральную) и горячую (периферийную) составляющие. Через диафрагму из трубы выходит холодный поток, а горячий поток выходит через зазор между внутренней поверхностью трубы и регулировочным конусом.
В дальнейшем работы по повышению эффективности работы вихревой трубы Ранке велись в направлении оптимизации параметров конструктивных элементов, например, путем использования конусного корпуса [а.с. СССР №1304526, 1976], за счет оптимизации размерных соотношений [патент США №5327728, 1994], с помощью введения в проточную часть элементов, организующих и сохраняющих ламинарный и турбулентный режим потока [заявка РФ №5067921, опубл. 09.01.1995], за счет взаимосвязей между элементами - например, подключения горячего потока к выходу холодного [заявка РФ №95110338, опубл. 20.06.1997].
Использование известных конструкций газовых вихревых труб Ранке не достаточно эффективно, в частности потому, что не используется энергия движения заряженных частиц, возникающих в процессе вихревого движения потока, и особенности соотношения термодинамических параметров в различных сечениях потока.
Известен способ преобразования потенциальной энергии потока газа в электрическую энергию с помощью других средств, например путем его ионизации и ускорения в направляющем канале с последующим разделением электрических зарядов посредством магнитного поля устройства для съема электрической энергии, в котором дополнительно обеспечивают вращение газового потока в направляющем канале, а ионизацию и вращение осуществляют с помощью расположенной в канале спирали с остриями для стекания зарядов [патент RU №2093703, 1997].
Позже было произведено разделение в вихревой трубе Ранке потока жидкости, в частности воды. Простейшая вихревая труба для такого разделения, используемая для нагрева воды, выбранная в качестве прототипа, содержит трубчатый корпус с циклоном на одном конце, присоединенном к корпусу одной торцевой стороной [патент РФ №2045715, 1995]. Однако, при использовании такой трубы Ранке для преобразования энергии жидкости не используется энергия движения заряженных частиц и недостаточно используются особенности соотношения термодинамических параметров в различных сечениях потока.
Решаемая техническая задача - повышение эффективности работы вихревой трубы, использующей эффект Ранке, а также расширение функциональных возможностей - получение электрической энергии.
Поставленная задача достигается следующим образом.
Предлагается способ преобразовании энергии движущегося потока жидкости в вихревой трубе на основе эффекта Ранке, новым согласно которому является то, что дополнительно получают электрическую энергию, снимаемую с электромагнитных обмоток, расположенных на корпусе вихревой трубы из диэлектрического материала с коэффициентом диэлектрической проницаемости больше, чем у жидкости, и/или имеющего внутри покрытие с коэффициентом диэлектрической проницаемости больше, чем у жидкости.
Корпус трубы лучше изолировать от Земли.
Возможен подогрев жидкости в горячей части вихревой трубы с помощью электрической энергии, вырабатываемой на обмотках корпуса. При этом эффект от такого подогрева несколько выше, чем от подогрева исходной жидкости.
Также заявляется вихревая труба, которая может быть использована для осуществления способа, содержащая трубчатый корпус с циклоном на одном конце, присоединенном к корпусу одной торцевой стороной. Новым является то, что хотя бы корпус не заземлен и выполнен из неэлектропроводного материала, обладающего электростатическими свойствами, причем коэффициент диэлектрической проницаемости материала корпуса и/или покрытия его внутренней поверхности больше, чем у жидкости, для которой используется вихревая труба. Совокупность заявляемых признаков позволяет исключить потери энергии свободных заряженных частиц, возникающих в ходе процессов, описанных выше.
Другая торцевая сторона циклона может содержать диафрагму, соосную с корпусом, с отверстием, диаметр которого меньше внутреннего диаметра корпуса.
Внутри корпуса в конце, противоположном циклону, может быть смонтировано тормозное устройство, например, в виде регулировочного конуса, в частности полого, установленного с зазором соосно корпусу.
Для преобразования энергии движения возникающих свободных заряженных частиц на корпусе может быть выполнена электромагнитная обмотка.
При этом лучше, когда в качестве покрытия используется сегнетоэлектрический материал, т.к. сегнетоэлектрик в большей степени способен к спонтанной поляризации в стабильное состояние, чем обычный диэлектрик, под действием, в частности, трения потока, при этом ориентированные диполи диэлектрика создают относительно стабильное магнитное поле, взаимодействующее с возникающими в потоке заряженными частицами.
Тормозное устройство может быть снабжено нагревателем, лучше электрическим. Причем такой электронагреватель лучше выполнять в виде как минимум одной пары электродов, один из которых смонтирован на тормозном устройстве, а другой - напротив на корпусе. Возможно размещение несколько пар электродов, рабочая часть которых находится в зазоре между конусом и внутренней поверхностью корпуса. Лучше, когда электронагреватель электрически соединен с обмоткой.
Нагреватель также может содержать форсунку для сжигания жидкого или газообразного топлива, причем сопло форсунки направлено внутрь полости регулировочного конуса.
Изобретение поясняется чертежом вихревой трубы Грицкевича.
Изобретение поясняется на примере водяного теплоэлектрогенератора на основе вихревой трубы Грицкевича. Стрелками на чертеже показано направление движения потоков жидкости.
Вихревая труба содержит трубчатый корпус 1 с теплой частью, включающей циклон в виде улитки 2 с инжекционным патрубком 3 и диафрагмой с отверстием 4. Горячая часть трубы содержит выпускной патрубок 5, регулировочный конус 6 с устройством 7 осевой регулировки и пары электродов 8, равномерно распределенных по окружности зазора между корпусом 1 и конусом 2. Корпус 1 покрыт внутри тонким слоем 9 синергетика, а снаружи снабжен электромагнитной обмоткой 10. Корпус 1, улитка 2, конус 6 и патрубки 3, 5 выполнены из пластмассы и изолированы от Земли.
Поток холодной воды, поступающий в вихревую трубу по патрубку 3, разделятся в вихревом движении, создаваемом улиткой 2, в корпусе 1 на теплую (центральную) и горячую (периферийную) части. Горячая часть потока, прилегающая к внутреннему слою 9, вращаясь, движется к горячей части корпуса 1 и выходит из нее через кольцевой зазор между краем корпуса 1 и конусом 2. Теплая часть потока, отражаясь от конуса 4, вращаясь, движется к отверстию 4 и выходит из него. Частично ионизированная вода, ионизируется дополнительно за счет высоковольтных разрядов электродами 8, с помощь этих разрядов также осуществляется дополнительный подогрев воды. За счет электромагнитной индукции в обмотках 10 возникает ЭДС. Электроэнергия с обмоток 10 используется для создания разрядов между электродами 8.
Физические процессы, происходящие при этом, выражаются в следующем. При температуре 25°С степень диссоциации воды достаточно мала. Однако, при ее нагреве выше указанной температуры этот показатель существенно возрастает - недавние исследования показали, что степень диссоциации чистой воды при ее нагреве значительно увеличивается в интервале температур до 300°С (в 4000 раз по сравнению с 0°С), что позволяет использовать чистую воду как растворитель, реагент, катализатор и т.п. [Near Critical Water // Chemical & Engineering News, No.1, January 3, 2000, P.26]. При этом особенности гидродинамики потока в вихревой трубе заключаются в следующем. Горячая часть потока, прилегающая к внутреннему слою 9, движется вдоль оси в противоположном направлении к направлению теплой части потока, отраженного от конуса 4 и вращающегося встречно горячему потоку. Т.о. на границе горячего и теплого потоков образуется термодинамическая пара, представляющая собой цилиндрическую соосную оси прослойку термодинамического процесса постоянного фазового перехода вода-пар-вода. Образующийся в прослойке пар конденсируется в основном на горячей части потока (за счет центробежных сил), что объясняет больший нагрев горячей части потока. Кроме того, образующийся пар увеличивает давление воды внутри корпуса 1, что приводит к увеличению как температуры кипения, так и температуры горячей части потока и, в свою очередь, значительно увеличивает степень диссоциации воды, особенно вблизи прослойки. За счет этого и за счет сил межмолекулярного трения создается статическая разность потенциалов, напряженность электрического поля при этом в чистой воде достигает 0,4-120 кВ/см. Подобная гидродинамическая модель уже известна из уровня техники [публикация WO 90/00526, 1990], в известном способе дезагломерации воды создают противонаправленные потоки воды и вызывают их соударение, при этом в описании этого изобретения отмечено, что при таком соударении происходит нагрев воды с выделением тепла, дополнительного к тому, которое является результатом преобразования кинетической энергии движущейся воды, и, кроме этого, указывается на выделение также электрической энергии, обусловленное разрывом водородных связей (с образованием свободных электронов). Далее, горячая часть потока ионизированной частично воды с переизбытком электронов за счет молекулярного трения о слой 9 синергетика приводит к поляризации последнего и одинаковому ориентированию диполей доменов синергетика, создающих общее стабильное магнитное поле, взаимодействующее с заряженными частицами потока, упорядочивая их движение, что в конечном счете приводит к возникновению ЭДС в электромагнитной обмотке 10.
1. Способ преобразовании энергии движущегося потока жидкости в вихревой трубе на основе эффекта Ранке, отличающийся тем, что дополнительно получают электрическую энергию, снимаемую с электромагнитных обмоток, расположенных на корпусе вихревой трубы из диэлектрического материала с коэффициентом диэлектрической проницаемости больше, чем у жидкости, и/или имеющего внутри покрытие с коэффициентом диэлектрической проницаемости больше, чем у жидкости.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что корпус трубы изолируют от Земли.
3. Способ по п.1, отличающийся тем, что осуществляют подогрев жидкости в горячей части вихревой трубы с помощью электрической энергии, вырабатываемой на обмотках корпуса.
4. Вихревая труба для преобразования энергии потока жидкости, содержащая трубчатый корпус с циклоном на одном конце, присоединенным к корпусу одной торцевой стороной, отличающаяся тем, что хотя бы корпус не заземлен и выполнен из неэлектропроводного материала, обладающего электростатическими свойствами, причем коэффициентом диэлектрической проницаемости материала корпуса и/или покрытия его внутренней поверхности больше, чем у жидкости, для которой используется вихревая труба.
5. Вихревая труба по п.4, отличающаяся тем, что другая торцевая сторона циклона содержит диафрагму, соосную с корпусом, с отверстием, диаметр которого меньше внутреннего диаметра корпуса.
6. Вихревая труба по п.4, отличающаяся тем, что внутри корпуса в конце, противоположном циклону, смонтировано тормозное устройство.
7. Вихревая труба по п.4, отличающаяся тем, что на корпусе выполнена электромагнитная обмотка.
8. Вихревая труба по п.4, отличающаяся тем, что в качестве покрытия используется сегнетоэлектрический материал.
9. Вихревая труба по п.6, отличающаяся тем, что тормозное устройство выполнено в виде регулировочного конуса, установленного с зазором соосно корпусу.
10. Вихревая труба по п.6, отличающаяся тем, что тормозное устройство снабжено нагревателем.
11. Вихревая труба по п.9, отличающаяся тем, что регулировочный конус выполнен полым.
12. Вихревая труба по п.10, отличающаяся тем, что тормозное устройство снабжено электронагревателем.
13. Вихревая труба по п.12, отличающаяся тем, что электронагреватель выполнен в виде как минимум одной пары электродов, один из которых смонтирован на тормозном устройстве, а другой - напротив на корпусе.
14. Вихревая труба по п.7 или 12, отличающаяся тем, что электронагреватель электрически соединен с обмоткой.
15. Вихревая труба по п.10 или 11, отличающаяся тем, что нагреватель содержит форсунку для сжигания жидкого или газообразного топлива, причем сопло форсунки направлено внутрь полости регулировочного конуса.
16. Вихревая труба по п.9 или 12, отличающаяся тем, что содержит несколько пар электродов, рабочая часть которых находится в зазоре между конусом и внутренней поверхностью корпуса.
www.findpatent.ru
Вихревые приборы « Попаданцев.нет
Традиционная область технологий, с которыми имеет дело попаданец, обычно ограничивается этаким продвинутым «паропанком». То есть в силу присущих эпохе попадания ограничений по сложности, трудоемкости, дороговизне или недоступности сырья для него считаются реальными только относительно простые и грубоватые устройства и вещества, которые можно изготовить по памяти в полукустарных условиях, без наличия выскоточных и редких инструментов, да к тому же обладая относительно невысокой квалификацией.
В реальной истории этому уровню соответствует где-то начало-середина XIX века. Все, что появилось позже, для попаданца табу и «рояль».Но оказывается, существуют малоизвестные широкой публике явления и технологии, которые были открыты или разработаны совсем недавно, уже в индустриальную эпоху, но отличаются простотой и вышеописанных ограничений не имеют. Такое «отложенное» открытие часто не случайно — несмотря на простоту, для своего открытия подобные вещи требуют в виде предпосылок либо существования продвинутых технологий, либо высокоразвитой науки, являясь, так сказать, «побочным продуктом» развития цивилизации. Возьмем вот водоструйный насос. Штука вроде бы простая до упора, но чтобы додуматься до принципа и получить эффективное устройство, нужно действовать целенаправленно, в соответствии с некой теоритической базой.Именно это сочетание простоты и исчезающе малой вероятности, что для чего-то подобного додумаются аборигены, делает такие технологии для попаданца очень лакомым кусочком.
Вихревой эффект — как раз таки одно из таких недавно открытых и довольно-таки загадочных явлений. Теоретический аппарат, объясняющий это явление, так до конца и не разработан, но это не мешает с успехом его использовать. Причем именно уникальное сочетанием свойств — крайней простоты, дешевизны, технологичности, стопроцентной надежности и полного отсутствия требований к обслуживанию — часто обеспечивает выбор в пользу вихревых устройств даже при наличии гораздо более эффективной, но более дорогой и капризной альтернативы.
Суть явления одновременно очень проста и удивительна. При создании в открытой с двух сторон трубе с помощью тангенциального ввода потока сжатого газа 1 сильного кругового движения (вихря), происходит его разделение на два противоположных по направлению потока, один из которых(внутренний приосевой 2) относительно входного потока охлажден, а другой(внешний 3) нагрет. То есть такая труба начинает одновременно работать с одного конца холодильником, а с другого — нагревателем!
Вихревой эффект был открыт абсолютно случайно в 1931 году французским инженером Жозефом Ранком при опытах с промышленными циклонами. Он же разработал конструкцию вихревой трубы и взял первый патент. Несмотря на то, что труба реально работала, французские академики научное сообщение Ранка чуть ли не высмеяли. Очень уж эта штука напоминала пресловутую научную байку — так называемого «демона Максвелла», который обладает волшебным свойством разделять быстро и медленно двигающиеся молекулы.
Лишь после Второй Мировой, в 1946 году, Роберт Хилш опубликовал свои проведенные с немецкой педантичностью опыты, попутно предложив усовершенствования конструкции трубы, и явление получило известность по всему миру. Он же ввел классические критерии и величины, которые используются в рассчетах до сих пор. Часто вихревую трубу по имени своих создателей называют трубой Ранка, или Ранка-Хилша. Ученые в разных странах взялись за исследования и эксперименты. Одной из ведущих и самых плодовитых школ была советская, и как это ни странно, до сих пор все еще остается таковой российская. Честно говоря, я был удивлен обилием дельных российских патентов на эту тему и количеством производящих такие установки заводов, фирм и институтов.
На практике работа трубы выглядит примерно так:
Оригинальная труба Ранка представляла из себя обычный металлический цилиндр с простым тангенциальным односопловым вводом и диффузором или конфузором на конце для усиления соответствующего температурного эффекта.За годы исследований и опытов были оптимизированы конструкция и режимы работы устройства. Близка к оптимальной схема, разработанная советским конструктором Владимиром Ивановичем Метениным.
Сжатый газ подается через тангенциальное сопло 1 в улитку 2, где устанавливается интенсивное круговое течение. При этом возникает неравномерное поле температур. Слои газа, находящиеся вблизи оси, оказываются на ΔTх более холодными, чем входящий газ, а периферийные слои закрученного потока нагреваются на ΔTг. Часть газа μ в виде холодного потока отводится через диафрагму 3, насадок 4 и щелевой диффузор 8, а другая часть (1-μ) нагретого газа отводится через насадок 5 и лопаточный диффузор 6 с сеткой 7. Работу вихревой трубы можно регулировать дроссельной заслонкой на теплом потоке.
При использовании в качестве холодильника еще одна важная характеристика трубы — холодильный КПД:
ηt = μΔTх/ΔTs,
где ΔTх — реальная разница температур, μ — доля холодного потока, ΔTs — максимально возможная разница температур в идеальном процессе раширения газа с отдачей работы.
В общем и целом вихревой эффект работает из-за того, что внешний поток отнимает энергию у внутреннего. На рисунке заметно, что камера смешения имеет выраженную конусность в 1-3°. Это улучшает условия теплообмена потоков по всей длине трубы, а значит, и разность выходных температур. Существуют и дальнейшие, иногда тоже совсем неочевидные усовершенствования. Например, выяснилось, что сложное турбулентное закручивание входного потока и возбуждение в нем поличастотных звуковых колебаний увеличивают температурный эффект. Поэтому и на входное сопло, и в выходной диффузор горячего потока часто устанавливают различные развихрители и турбулизаторы. Обратите внимание, что рабочий на фото в наушниках. Труба во время работы действительно здорово шумит.
Кроме того, ввод оказалось лучше делать многосопловым, строго по касательной к стенке. На поверхности камеры разделения или улитки можно предусмотреть продольные пазы, также увеличивающие температурный эффект в ту или иную сторону в зависимости от формы. Можно использовать энергию и давление горячего потока для подсасывания дополнительного воздуха в холодный или его ускоренного эжектирования через теплообменную камеру. Можно разделить приосевой поток на фракции, подавая к потребителю только самую холодную (при некоторых условиях аж до -130°С) его часть.
Можно подогревать или охлаждать входной поток отработанным выходным через теплообменник. Если высокое входное давление позволяет, трубы можно соединять каскадами, комбинируя в сложную схему с теплообменниками для оптимизации нужного эффекта.
Все это относится к неохлаждаемым, или адиабатным, трубам.
Но оказывается, что если камеру обмена охлаждать (лучше всего водой), то бишь дополнительно отнимать тепло у внешнего горячего потока, то это приведет к дополнительному охлаждению холодного. Причем, чем меньше доля холодного потока μ, тем сильнее увеличится ΔTх. Соединив горячие выходы камер двух таких труб, получим трубу со стопроцентным холодным потоком и увеличенной холодопроизводительностью.
Как показывает опыт, такая труба почти не чувствительна к температуре охлаждающей воды (то есть отлично работает даже в тропиках) и не требует большой поверхности обмена — не нужен сложный радиатор.
Ровно такой же, но противоположный по знаку эффект имеет место при дополнительном нагреве трубы.
Подобные усовершенствования выводят КПД трубы на уровень 0.4 и даже выше — совсем неплохо для такого простого и дешевого аппарата!
В общем, разработка технологии активно продолжается, что обеспечивает вихревым устройствам все более широкие возможности для конкуренции.
ВТ сейчас широко используют для кондиционирования (все помнят такие маленькие поворотные сопла в самолетах или междугородных автобусах?), для подогрева или охлаждения лопастей турбин и вертолетов при работе, в небольших холодильниках для транспорта с бортовой пневмосетью, для начального подогрева пара с одновременным охлаждением конденсатора при пуске сверхмощных паровых турбин, для подогрева/охлаждения при понижении давления природного газа на газораспределительных станциях, для охлаждения процессоров (часто совместно с элементами Пельтье), и так далее. Да и в обычных промышленных холодильных установках ВТ по совокупности свойств часто оказываются оптимальными — вредных и капризных аммиака или фреонов они не используют и никогда не ломаются.
Кроме того, как и в обычном циклоне, при работе ВТ горячий поток всегда оказывается обогащен более тяжелыми частицами и молекулами(например, пылью, частицами конденсата, кислородом, водой или углекислотой), а холодный — более легкими (например, азотом). И чем выше скорость вихря, тем более выраженным становится эффект. На этом свойстве вихревых труб основано их применение для отделения газоконденсата от природного газа и разделения фаз, в том числе и в криогенной технике для разделения компонентов воздуха.
Еще одно важное применение ВТ основано на свойстве создавать сильно пониженное давление в центре приосевого холодного потока. Если вместо выходного диффузора на холодном конце сделать тонкий сопловой ввод, труба начнет активно отсасывать через него воздух — превратится в вакуумный насос! Возможно, кому-то знакомо название довольно распространенных советских аппаратов: ДКМ и «Вихрь».
С учетом всего этого для нашего попаданца вихревая техника — просто непаханное поле работы. Правда, необходимое уловие — наличие у него насоса, но это решаемо. В качестве материала ВТ отлично подходят керамика или стекло. И уж совершенно точно, например, что вихревой холодильник без проблем выдержит конкуренцию с винтажным паровым, а по простоте и доступности даст ему сто очков вперед.
Литература:
Меркулов А.П. «Вихревой эффект и его применение в технике»Суслов А.Д., Иванов С.В., Мурашкин А.В., Чижиков Ю.В. «Вихревые аппараты»Патент РФ 2041432 — «Вихревая труба В.И.Метенина»Азаров А. И. «Вихревые трубы нового поколения»
www.popadancev.net
Труба ранка — курсовая работа
Классические схемы вихревых труб на эффекте Ранка
Классическими устройствами, использующими эффект Ранка, являются вихревые трубы, которые строят по двум основным схемам: прямоточной и противоточной.
Классические схемы прямоточной (а) и противоточной (б) вихревых труб на эффекте Ранка. 1 — гладкая цилиндрическая труба, 2 — вход газа (завихритель тангециального или улиточного типа), 3 — дроссель, 4 — выход горячего газа через кольцевую щель, 5 — диафрагма для выхода холодного газа. Источник: А.Ф.Гуцол. «Эффект Ранка» (pdf).
Основное назначение таких вихревых труб — производство холода, и обычно более эффективной для этих целей считается противоточная схема. Кстати, размеры их совсем невелики — например, А.Ф.Гуцол в качестве оптимальных приводит следующие значения:
внутренний диаметр трубы (калибр) D = 94 мм,
длина трубы L = 520 мм,
отверстие диафрагмы для выхода хол. воздуха d = 35 мм,
вход воздуха через два сопла, каждое из которых имеет диаметр 25 мм.
Однако оптимальная скорость воздушного потока на входе совсем не маленькая — 0.4 .. 0.5 М (т.е. 40–50% скорости звука). По этой причине из-за практически неизбежных при таких скоростях мощных турбулентностей устройство оказывается очень шумным, да и о «подручных средствах» (вроде бытового вентилятора в качестве источника потока воздуха) можно забыть. Характерно, что как при сильном уменьшении скорости входного потока, так и при её приближении к скорости звука, эффективность вихревой трубы стремится к нулю. Уменьшение геометрических размеров относительно оптимальных (особенно при D < 33 мм) также заметно снижает КПД, а вот их увеличение на КПД практически не сказывается. Очевидно, это связано с физическими характеристиками воздуха — слишком малые размеры не могут предотвратить интенсивное перемешивание разделённых было слоёв воздуха и, вероятно, делают слишком заметным влияние эффектов, возникающих на границе между стремительно движущимся воздухом и неподвижными стенками
ИР 2(662) за 2005 г. ЗАПИСКИ ЭКСПЕРТА
КОМФОРТ ИЗ ТРУБКИ
Автомобиль с кондиционером пока могут позволить себе только весьма состоятельные люди. Большинство же маются в жару в этих проклятых пробках, истекая потом и проклиная климат и, естественно, ГИБДД. Что поделаешь, отечественных автомобильных кондиционеров на рынке практически нет, а дорогущие зарубежные, как правило, работают на фреоне. Мало того что он вреден для окружающей среды, приходится за рубежом за бешеные деньги закупать еще и оборудование для его заправки и регенерации. Изобретатели из московского ООО "Инвент-Эко", руководимого А.Фроловым, вспомнили о весьма эффективном способе получения холода с помощью вихревой трубы. Известно, что сжатый воздух, поступая в специальную трубку по касательной, образует там вихрь с температурным расслоением. В ядре холодный воздух, а на периферии — горячий (эффект Ранке). Эти потоки отводятся в разные стороны, причем холодный охлаждает помещения. Этот эффект сегодня довольно широко используется в холодильной технике, в частности в турбодетендерах. Но работают такие устройства обычно в авиации, а также для охлаждения больших помещений, складов и т.п. В автомобильных климатических системах их практически не применяли, т.к. пытались в трубку загонять сжатый до 0,2—0,6 МПа воздух с помощью компрессора. А поскольку в компрессоре воздух нагревается, его приходится охлаждать до температуры окружающей среды. Получается замкнутый круг, необходимо слишком громоздкое и неэффективное оборудование. Фролов и его коллеги, однако, от заманчивого бесфреонового кондиционирования отказываться не хотели и все кумекали, как бы обойтись без нагнетающего компрессора. И придумали-таки. А почему бы не использовать автомобильный компрессор, направляющий сжатый воздух в мотор? Тем более что в дизельных машинах он имеется, а в бензиновые можно и установить. Но только чтобы он не сжимал воздух для вихревой трубки, а откачивал его из нее, создавая там разрежение. Тогда атмосферный воздух сам будет засасываться трубкой, создавая в ней мини-смерч. Т.е. следует подсоединить к компрессору не вход, а выход трубки, дабы он, продолжая исполнять свои изначальные обязанности по обеспечению двигателя сжатым воздухом, одновременно помогал бы создавать комфортные условия в салоне. Разработанная система кондиционирования (заявка 2003134813) выглядит так (см. рис.). После включения компрессора 10 и ДВС 11 на входе 2 вихревой трубки 1 создается вакуум, и воздух из атмосферы начинает поступать в тангенциальный сопловый ввод трубки, образуя внутри нее вихрь. Он, как и положено, разделяется на горячий и холодный потоки. В зависимости от времени года на вход установленного здесь дополнительного трубчатого теплообменника 4 подается либо горячий, либо холодный воздух. Зимой он, проходя по трубкам теплообменника через трехходовые краны 6 и 7, нагревает теплообменник, летом охлаждает, а затем вентилятором 5 кондиционированный воздух направляется в салон автомобиля. Обводные трубопроводы 8 и 9 отводят горячий или холодный поток в обход теплообменника непосредственно в компрессор, причем расход горячего потока регулируется дросселем 3. Подача воздуха под давлением в карбюраторный ДВС, как и в дизельный, позволяет дополнительно увеличить его мощность и снизить выброс вредных веществ в атмосферу. Сейчас изготовлен опытный образец этой системы, проводятся испытания. Они показали, что такое кондиционирование позволяет изменить температуру в салоне как минимум на 10—20°С по сравнению с окружающей средой. А стоимость ее раз в 5—6 меньше зарубежной фреоновой, не более 200 долл. с установкой. Не так дорого за комфорт. Тел./факс 462-83-85. Фролов Александр Михайлович.
О.СЕРДЮКОВ
freepapers.ru
Вихревое расширение газа. Эффект Ранка – Хилша
В 1931 году французский инженер и изобретатель Жорж Жозеф Ранк подал патент на «вихревую трубу», которая использует эффект температурного разделения газового потока при его вихревом течении, обнаруженный им при измерении температуры в промышленном циклоне. Сущность эффекта заключается в том, что газ, закрученный в трубе за счет тангенциального ввода в нее, расширяется и делится на холодный поток (центральные слои) и горячий поток
(периферийные слои). Осуществляется такой процесс в вихревых трубах, которые могут иметь различное конструктивное исполнение (рис.2.26, 2.27).
Вход
Х Х Г
Рис.2.26. Схемы устройства вихревой трубы.
Если в гладкую цилиндрическую трубу ввести по касательной (тангенциально) газ, то он образует внутри трубы вихрь. При этом происходит расширение газа, падение его давления и увеличение скорости. Далее газ выводится в осевом направлении трубы. Горячие слои газа (Г) выводятся из периферийной зоны трубы, а холодные (Х) из центральной зоны. При движении газа внутри трубы его скорость снижается до уровня скорости на входе в трубу. По схеме движения газового потока вихревые трубы делятся на: противоточные (рис.
2.26а), поточные (рис. 2.26б) и поточно-противоточные (рис. 2.26в).
Одна из конструкций вихревой трубы представлена на рис. 2.27. Вихревая труба состоит из сопла 1, улитки 2, цилиндрической трубы 3, диафрагмы 4, дросселя 5, состоящего из крестовины 6 и заслонки 7. Дроссель позволяет менять соотношение между массовыми потоками горячего (mг) и холодного(mх) газа. На 1 кг входящего газа приходится µ кг выходящего холодного и (1µ) кг горячего газа.
Рис. 2.27. Конструкция вихревой трубы.
Таким образом,
µ = mx.
mx + mг
Процесс вихревого расширения на Т – S диаграмме изображен на рис. 2.28.
Здесь – 1-2s процесс изоэн 
T р1
1
(1µ) кг
р2
2г тропного расширения 1 кг газа,
принятый нами за эталон;
3 1-2х – процесс вихревого расширения µ кг газа холодного пото∆Тв
µ кг
ка;
1-2г процесс вихревого расши∆ТS
2s 2х
a б
(qв/µ)
S
рения (1-µ) кг газа горячего потока.
При вихревом расширении в создании холодопроизводительности участвует только холодный поРис.2.28. Процесс вихревого расширения газа.
ток, то есть меньшее количество
вещества, чем при других видах расширения газа.
Так, если при изоэнтропном расширении удельная холодопроизводительность процесса
qs = m ⋅ C p (T1 − T2s ),
то при вихревом расширении
qв = µ ⋅ m ⋅ C p (T1 − T2 x ).
В Т – S диаграмме величину qв иллюстрирует площадь площадки а2х3б,
умноженная на µ.
Если сравнить холодопроизводительность этих процессов, то мы получим отношение
– адиабатный температурный КПД процесса вихревого расширения газа. ∆Тв – интегральный эффект вихревого расширения газа; ∆ТS – интегральный эффект изоэнтропного расширения газа.
Вихревая труба может быть использована
η µ·η
η
(µ·η)
в качестве генератора холода и тепла.
Соотношение расходов холодного и горячего потоков можно изменить с помощью дросселя. Чем больше проходное сечение
дросселя, тем больше величина mг и меньше mх. Если вихревая труба используется в качестве генератора холода, то следует иметь в виду, что увеличение mх снижает холодильный эффект. Это объясняется тем, что в вих0,0
0,2 0,4 0,6 0,8 µ
ревой трубе количество тепла, полученное горячим потоком, равно количеству тепла,
Рис.2.29. Характеристики
вихревой трубы.
отведенному от холодного потока.
Согласно экспериментальным данным (рис. 2.29), максимальная холодопроизводительность вихревой трубы обычно соответствует значениям µ =
0,6…0,65. Необходимо отметить, что эта величина µ не совпадает с режимом максимального интегрального температурного эффекта, наблюдаемого при µ =
0,25…0,35.
Физика процесса вихревого расширения
Природа явлений, возникающих в вихревой трубе, сложна и недостаточно изучена. Ни одна из существующих гипотез, объясняющих ее, не имеет полного экспериментального подтверждения. Наибольшее распространение получила гипотеза Хилша-Фултона, согласно которой причиной возникновения вихревого эффекта является специфическое распределение тангенциальных (окружных) скоростей во вращающемся потоке газа.
Сжатый газ подводится к соплу, в котором ускоряется и направляется в улитку, обеспечивающую закрутку и вход вращающегося с высокой скоростью
потока в цилиндрическую трубу. При тангенциальной закрутке потока в улитке скорость потока также увеличивается. Это приводит к снижению давления (расширению газа из-за преобразования потенциальной энергии потока в кинетическую) и к снижению температуры и энтальпии – температура и энтальпия неускоренного потока на входе в камеру; с2 – скорость ускоренного потока; Т2, i2 – температура и энтальпия ускоренного потока; Ср – изобарная теплоемкость газа.
Если расширившийся в сопле газ затормозить, то его энтальпия и температура вновь увеличится бы до значения i ∗ . Однако в цилиндрической трубе те
чение интенсивно закрученного газа таково, что слои газа, расположенные вблизи оси, передают часть своей кинетической энергии периферийным слоям.
При этом снижение кинетической энергии не компенсируется соответствующим увеличением термодинамической темпеl q
Рис.2.30. Эпюра распределения окружных скоростей в поперечном сечении вихревой трубы.
ратуры внутренних слоев, поэтому их полная энтальпия и температура уменьшаются.
Это явление объясняется особенностью эпюры окружной скорости Сu вращающегося в трубе потока газа (рис.2.30). По максимально упрошенной схеме движение газового потока можно представить следующим образом.
Изменение величины окружной скорости по радиусу трубы r подчиняется закону свободного вихря
Cu ⋅ r = const,
где Си – окружная составляющая скорости; r – радиус, на котором фиксируется скорость.
Однако из данного уравнения следует, что при r→ 0, Сu → ∞, чего физически не может быть в реальном потоке газа. И, действительно, в реальном
потоке газа всегда существует некое ядро потока (тонированная площадка на
рис.2.30), для которого закон
Cu ⋅ r = const не выполняется. Окружная скорость
в ядре потока подчиняется закону вращения твердого тела
Cu = r ⋅ω ,
где ω – угловая скорость потока.
Из рассмотренного ясно, что скорость (как линейная, так и угловая) вращения центральных слоев выше, чем у периферийных. Это приводит к внутреннему трению слоев газа. За счет работы трения l центральные слои передают часть своей кинетической энергии периферийным слоям. Поэтому на выходе из улитки, когда скорость газового потока резко снижается, температура заторможенных центральных слоев оказывается более низкой, чем первоначальная на входе в вихревую трубу. Периферийные слои, получившие кинетическую энергию, напротив, имеют температуру торможения более высокую,
чем первоначальная. При этом снижение кинетической энергии наружных слоев газа, происходящее за счет трения о стенки трубы, не уменьшает его полной энергии и температуры торможения.
Температура периферийных слоев газа выше, чем у центральных слоев, и в вихревой трубе идет также обратный перенос тепловой энергии – от периферии к центру. Это перенос тепла q за счет теплопроводности. Однако скорость этого процесса ниже, чем у процесса передачи кинетической энергии за счет трения слоев, и поэтому за ограниченное время нахождения газа в вихревой трубе не происходит выравнивания температур газа в центральных и периферийных слоях.
Таким образом, выходящая через центральное отверстие диафрагмы часть газа mх имеет температуру ∗ < t ∗ , а часть газа, выходящая по периферийной
части трубы, имеет температуру t ∗ > t ∗ .
г 1
Соотношение между потоками энергии, идущими от центра к периферии (l) и обратно (q), отражает формула Фултона, выведенная на основе гипотезы Хилша-Фултона
l = 2 µ ⋅ C p = 2 Pr,
q λ
где µ – динамическая вязкость газа; λ – коэффициент теплопроводности; Pr –
число Прандтля.
Из формулы следует, что при числе Pr ≥ 0,5 наступает явление реверса.
Здесь поток тепловой энергии и поток кинетической энергии сравниваются по
величине и вихревого эффекта уже не наблюдается. Поскольку Pr характеризует теплофизические свойства вещества, то вихревой эффект не следовало бы ожидать для жидкостей, где число Прандтля, как правило, значительно больше, чем 0,5. Однако данный вывод не получил экспериментального подтверждения, вихревой эффект, хотя и незначительный, наблюдается также для жидкостей. Кроме того, реверс в проведенных экспериментах на газе наступал при Pr
ной мере отражает реальную физическую картину вихревого эффекта.
2.2.6. Холодильные машины, использующие процесс расширения газа
Холодильные машины, использующие процессы расширения газа, отличаются большим разнообразием схем, конструкций и обратных термодинамических циклов, совершаемых рабочим телом. В большинстве случаев в таких машинах рабочее тело, совершая цикл, не претерпевает фазовых превращений. Такие машины называются газовыми холодильными машинами (ГХМ). В зависимости от целевого назначения ГХМ делятся на машины для охлаждения потребителя холода и ожижительные. Цель работы ожижительных ГХМ конденсация рабочего тела, как правило, низкотемпературного газа (азота, кислорода, гелия и др.). Часто такие машины работают в составе газоразделительных установок, где низкотемпературные газовые смеси разделяются методом ректификации.
(Материал взят из книги Теоретические основы холодильной техники : монография — А. М. Ибраев, А. А. Сагдеев)
studik.net
