Вихревой эффект (эффект Ранка-Хилша, англ. Ranque-Hilsch Effect ) — эффект температурного разделения газа при закручивании в цилиндрической или конической камере при условии, что поток газа в трубке проходит не только прямо, но и обратно. На периферии образуется закрученный поток с большей температурой, а из центра — в противоположную сторону выходит охлажденный поток. Существует распространённое заблуждение, что температурное разделение происходит путём перемещения молекул газа на прямом проходе вихря (в одну сторону). Но объяснимых физикой причин для такого разделения нет, как нет причин и для вращения центрального жгута в противоположную сторону относительно периферии. В противоположную сторону вращаются микровихри между центральным жгутом и периферией, т. к. жгут вращается с более высокой скоростью относительно периферии. Но катятся они, как ролики в подшипнике, в ту-же сторону, в которую вращаются внешний слой и центральный жгут. Температурное разделение происходит путём теплопередачи от сжатого (и потому горячего) кумулятивным эффектом или имплозией центрального жгута к несжатой периферии, имеющей температуру как на входе. По мере движения к "горячему" концу периферия нагревается от двигающегося ей навстречу сжатого горячего центрального жгута, который в свою очередь наоборот остывает. Т. о. образующийся в трубке вихрь является тепловым насосом компрессионного типа с противоточным теплообменником, способным передать до 100% разницы температур. Поэтому для терморазделения необходим не только прямой, но и обратный проход, как на рисунке. Т. к. после выхода из трубки жгут расширяется до давления окружающей среды (атмосферного), выходящий из "холодного" конца трубки газ имеет температуру намного ниже температуры окружающей среды (если "горячий" конец не заглушен), а всё утерянное им тепло уносится газом с "горячего" конца. Впервые эффект открыт французским инженером Жозефом Ранком в конце 20-х годов, когда Ранк случайно подставил руку к выходу очищенного воздуха изобретённого им ранее промышленного циклона. В конце 1931 года Ж. Ранк подает заявку на изобретенное устройство, названное им «Вихревой трубой» (в литературе встречается как «труба Ранка»). Получить патент удается только в 1934 году в США [1] . В настоящее время реализован ряд аппаратов, в которых используется вихревой эффект, вихревых аппаратов. Это «вихревые камеры» для химического разделения веществ под действием центробежных сил и «вихревые трубы», используемые как источник холода. Также проводились опыты в вихревой трубе с водой. Но по причине её меньшей сжимаемости и большей теплоёмкости аналогичного газам терморазделения добиться не удалось. Вода с обоих концов трубки выходила одной температуры — либо равной температуре входа при маленькой трубке, либо более высокой при большей трубке.
С 1960-х годов вихревое движение является темой множества научных исследований. Регулярно проводятся специализированные конференции по вихревому эффекту, например, в Самарском аэрокосмическом университете.
Существуют и применяются вихревые теплогенераторы [2] и микрокондиционеры. [3] . Эффективность охлаждения с применением эффекта невысока и ниже эффективности традиционных холодильных установок [4] , трубки Ранка применяются в тех случаях, когда требуется простота устройства или при отсутствии других источников энергии, кроме сжатого воздуха.
Эффект охлаждения и нагревания, которому подвергается воздух при расширении через вихревую трубу, был обнаружен Ранком в 1933. Год спустя появился первый патент в США на это устройство. В то время вихревая труба была недостаточно термодинамически эффективной, чтобы представлять коммерческий интерес. Позднее Хилш в 1947 году систематически изучал влияние давления на входе и геометрии на эффективность охлаждения и сумел улучшить мощность охлаждения.
Последнее исследование ввело вихревую трубу в научный и коммерческий мир. Ввиду значительного вклада Хильша в изобретение Ранка, устройство теперь известно, как вихревая труба Ранка-Хилша.
Вихревая трубка Ранке , которая показана на рисунке ниже, состоит из основной трубы, которая имеет типичное отношение длины к диаметру 20-50, соединенной с вихревой камерой, которая имеет одно или несколько тангенциально ориентированных сопел, через которые воздух расширяется под давлением и генерирует сильно закрученное движение, т. е. основной вихрь.
На одной стороне вихревой камеры имеется отверстие, диаметр которого меньше диаметра основной трубки. Часть воздуха выходит из устройства через это отверстие при более низкой температуре, чем на входе. Следовательно, это отверстие называется холодным выходом. Оставшаяся часть газа имеет более высокую температуру и покидает трубку через горячий выход, расположенный на конце основной трубы. Соотношение обоих потоков обычно контролируется через регулирующий клапан, расположенный на горячем выходе.
Сжатый воздух впрыскивается в вихревую камеру и ускоряется до высокой скорости вращения. Благодаря коническому соплу на конце трубки, только наружная часть вихря может выходить на этом конце. Остальная часть газа вынуждена возвращаться во внутренний вихрь уменьшенного диаметра внутри внешнего. Было предпринято много попыток объяснить и описать механизм, который вызывает разность температур или разделение энергии. Хильш в 1947 году объяснил механизм разделения энергии с помощью внутреннего трения, вызывающего перенос тепла от газа в ядре (околоосевой области) к газу по периферии (пристеночной области). Хотя существует множество (сложных) теорий и моделей, доступных из литературы, большинство теорий не проверены или невозможны для проверки.
Вихревая трубка Ранке не имеет движущихся частей, не содержит хладагентов, дешева в производстве и требует минимального обслуживания. Поэтому вихревые трубки в основном используются для низкотемпературных применений, например, для охлаждения электроники, для охлаждения режущих инструментов и заготовок без СОЖ, а также в других местах.
Преимущества:
Вихревая трубка — это эффективное и недорогое решение для широкого спектра промышленных точечных и технологических систем охлаждения. Без движущихся частей вихревая труба вращает сжатый воздух, чтобы разделить воздух на потоки холодного и горячего воздуха. Компания Vortec была первой компанией, которая разработала и применила это явление в практических и эффективных решениях точечного охлаждения для промышленного использования.
- Охлаждение форм для литья под давлением
- Сушка чернил на этикетках и бутылках
- Осушение газа
- Охлаждение
- ножей
- систем электронного управления (электронных компонентов)
- обрабатывающий операций
- камер видеонаблюдения
- паяных деталей
- термосварки
Достоинства:
- Нет движущихся частей
- Не требуется обслуживание
- Надежность
- Без электричества или химикатов
- Компактный, легкий
- Бюджетный
- Мгновенное получение результата
- Прочность конструкции
- Регулируемая температура
Подробнее об областях применения вихревой трубки Ранке :
1) промышленная электроника, для охлаждения блоков управления, автоматических линий, роботизированных секций, автоматических производственных систем;
2) горячие и вредные производственные процессы, такие как воздушные экраны окрасочных камер, кузнечные цеха, гальванические и металлургические производства; также охлаждение песка в оборудовании с быстроотвердеющими смесями, охлаждение сельскохозяйственного производства; производство листовых материалов, производство стекла;
3) металлообработка, подача холодного воздушного потока в зону резания:
Тепло, выделяемое при резке металла, влияет на качество изделия и снижает срок службы режущего инструмента. Тепло рассеивается через режущий инструмент, заготовку, стружку и охлаждающую жидкость. Лучшая производительность обработки может быть достигнута при использовании соответствующего материала заготовки, материала режущего инструмента, условий и параметров резки, а также путем охлаждения режущего инструмента, замораживания заготовки.
Общими преимуществами обработки, включающей криогенное охлаждение, являются сохранение свойств материала заготовки, температуры резания в соответствии с подходом к охлаждению, снижение износа инструмента и увеличение срока службы, улучшение шероховатости поверхности заготовки, снижение коэффициента трения инструмента.
4) вентиляционные системы для жаркого климата, охлаждение рабочие зоны в кабинах кранов, в грузовиках буровых установок и т.д .;
5) перевозка овощей и фруктов, охлаждение пищи складские помещения на малых судах и транспортных средствах;
6) Воздушные костюмы и маски:
Есть некоторые производства, где полная автоматизация невозможна, такие как угольные шахты, литейные заводы, пескоструйная обработка, сварка, печи и т.д. В таких местах очень полезны цельные костюмы с воздушным охлаждением для операторов.
7) Углекислотный лазер
Заготовка фиксируется на столе с помощью вакуума. Для лазерной обработки материалов зона термического влияния (ЗТВ) является важным показателем в производстве микроэлектроники.
Способ лазерной резки заключается в использовании сфокусированных лучей для нагрева поверхности материала и расплавления. Высокая температура создаёт нагар на поверхности материала.
С помощью трубки Ранке уменьшают зоны поражения. Вихревая труба используется, так как не требуется хладагент, она не влияет на окружающую среду, может генерировать низкотемпературный охлаждающий воздух точечно и уменьшить нагар от лазерной резки композитных материалов, армированных стекловолокон.
Рассмотрим несколько реальных кейсов использования вихревой трубки Ранке.
Охлаждение вакуум-формованных деталей
Проблема: производитель крупногабаритных приборов изготавливает внутреннюю пластиковую обшивку холодильников. Сильное притяжение пластика и сложная геометрия оставили четыре угла недопустимо тонкими. Углы будут разрываться во время сборки, когда изоляция будет вставлена между обшивкой и внешним корпусом, что приведет к высокому количеству брака.
Решение: Вихревые трубки были расположены так, чтобы охлаждать критические угловые области непосредственно перед формованием пластикового листа. При охлаждении этих областей происходило меньшее растяжение пластика, что приводило к более толстым углам.
Комментарий: бракованные детали становятся очень дорогостоящими, особенно когда речь идет о дорогих материалах и медленном времени обработки. Холодный воздух из вихревой трубки — единственное решение таких проблем. Они могут подавать «мгновенный» холодный воздух до минус -46 ° C от обычной подачи сжатого воздуха. Наряду с охлаждением других вакуум-формованных деталей, таких как ванны, кастрюли и мусорные баки, он идеально подходит для охлаждения термоклеев, ультразвуковых сварочных аппаратов и т.д.
Охлаждение ультразвуковой сварки
Проблема: производитель зубной пасты запаивает концы пластиковых труб ультразвуковым сварочным аппаратом перед заполнением. Из-за нагрева губки сварочного аппарата выпуск тюбиков был отложен. Тюбики, которые были слишком горячими, не герметизировались, что приводило к высокой степени брака.
Решение: Вихревая труба использовалась для направления холодного воздуха на сварочный аппарат. Охлаждение было перенесено на сварной шов тюбиков, пока он находился в зажатом положении. Время обработки было сокращено, а брак свелся к минимуму.
Комментарий: большинство людей удивляет, что охлаждение от небольшой вихревой трубки может значительно улучшить качество выпускаемой продукции и производительность.
Охлаждение при формовании топливных баков
Проблема: Автомобильные топливные баки отливаются под давлением, а затем крепятся к приспособлению для предотвращения деформации во время цикла охлаждения. Время охлаждения более 3 минут, необходимое для каждого резервуара, создает узкое место в производственном процессе.
Решение: вихревые трубки были установлены на стойке охлаждения и подключены к линии сжатого воздуха. Холодный воздух циркулировал внутри топливных баков. Время охлаждения было сокращено с трех минут до двух минут для каждого бака, что позволило повысить производительность на 33%.
Комментарий: Трудно представить приложение, лучше подходящее для вихревого охлаждения, чем это. Небольшие размеры и легкий вес вихревых трубок упрощают монтаж на стойке охлаждения. Отсутствие движущихся частей гарантирует надежность и не требует технического обслуживания в агрессивной среде. Наконец, поток холодного воздуха легко направлялся в топливный бак.
Охлаждение мелких деталей после пайки
Проблема: Детали кондиционера, собранные на автоматическом паяльном станке, должны быть охлаждены до температуры обработки перед снятием. Машина была способна паять до четырехсот штук в час. Однако время, необходимое для охлаждения деталей, сильно ограничивало производительность. Водяное охлаждение было неприемлемо для данного производства.
Решение: вихревые трубки использовались для подачи холодного воздуха на детали после цикла пайки. Вихревые трубки были настроены на 80% холодного воздушного потока (холодная фракция), чтобы обеспечить максимальное охлаждение. Детали охлаждали от температуры пайки 788 ° C до температуры обработки 49 ° C в течение 20 секунд, что позволяло машине работать с максимальной производительностью.
Комментарий: по сравнению с обычным охлаждением или водяным охлаждением вихревые трубки обладают рядом преимуществ: низкая стоимость, компактная конструкция, присущая надежность и чистота. Эти свойства делают вихревые трубки экономически выгодным выбором для многих операций охлаждения мелких деталей.
Сушка с использованием трубки Ранке
Вихревые трубки также могут быть использованы для сушки электрических компонентов; несколько труб могут работать в производственной линия для ускорения процесса.
Вихревые трубки используются для охлаждения и сушки автомобильных экструзионных уплотнителей для дверей, до того, как они окрашены в цвет. Процесс нанесения покрытия не может быть осуществлен до тех пор, пока исходная экструзия не станет холодной и сухой. Вихревая трубка ускоряет производство.
Общее охлаждение с использованием вихревых трубок
Вихревые трубы могут использоваться для общего охлаждения обрабатываемых деталей в различных отраслях промышленности.
Пример Компания производит трубы с термоусадкой для автомобильной промышленности. У трубок есть металлическая пружина внутри. У них возникли проблемы с быстрым охлаждением трубки из-за тепла, удерживаемого пружиной. Они используют вихревую трубку для проталкивания воздуха через трубку, чтобы сократить время охлаждения и увеличить производительность.
Ультразвуковая сварка с использованием вихревых труб
Тепло, генерируемое в процессе ультразвуковой сварки, может привести к перегреву пистолета. Вихревая труба может использоваться для управления теплопередачей, тем самым защищая пистолет.
Пример: Компания использует сварку для соединения кухонной бумажной упаковки. Когда ультразвуковой аппарат используется в течение длительного времени, выделяемое тепло может привести к перегреву пистолета. Это приводит к дорогостоящему простою машины. Базовая вихревая трубка была установлена на ручном сварочном пистолете с выходом, направленным на кончик пистолета. При одновременном использовании вихревой трубки и ультразвуковой сварки наконечник быстро остывает, тем самым предотвращает перегрев и ненужные простои.
Точечное охлаждение с использованием вихревых трубок
Вихревые трубки идеально подходят для охлаждения определенных областей. Трубки Ранкебудут работать как на оборудовании, так и на деталях, и их температура будет на 50 ° C ниже температуры сжатого воздуха.
Вихревые трубки идеально подходят для охлаждения определенных областей. Трубки Ранке будут работать как на оборудовании, так и на деталях, и их температура будет на 50 ° C ниже температуры сжатого воздуха.
Пример: Изготовитель оборудования на заказ строит режущий станок для производителя фильтров. У них есть новый фильтрующий материал с металлическими экранами с обеих сторон, которые необходимо обрезать по размеру. Материал металлического экрана нагревает режущий диск и вызывает расплавление фильтрующего материала. Это приводит к браку. Производитель установил вихревую трубку для подачи холодного воздуха на режущий диск, чтобы отвести достаточно тепла и предотвратить расплавление лезвие. Дефекты из-за накопления тепла устранены.
студент гр. 7ТВ03 кафедры теплоэнергетики, газоснабжения и вентиляции Казанского государственного архитектурно-строительного университета,
канд. техн. наук, доцент кафедры теплоэнергетики, газоснабжения и вентиляции Казанского государственного архитектурно-строительного университета,
Введение. Вихревой эффект, или эффект Ранка-Хилша, состоит в том, что при подаче сжатого газа или жидкости на вход вихревой трубы достаточно простой геометрии и последующей его закрутке в камере энергоразделения, происходит разделение газа на фракции, что позволяет получить «самопроизвольно» разделённые воздушные вихри: холодный осевой и горячий периферийный, причем вращения происходят в противоположные стороны. Уникальность этого эффекта состоит в том, что он противоречит законам физики: как известно, тёплые слои газа или жидкости должны подниматься вверх, так как имеют меньшую плотность, а в случае центробежных сил – стремиться к центру, более холодные, имея большую плотность, стремятся к периферии, а в случае эффекта Ранке, все происходит наоборот.
История открытия. В 1931 году Ж. Ранком был открыт вихревой эффект при исследовании процесса изменения температуры в промышленном циклоне-пылеуловителе [1]. В сороковых годах прошлого столетия немецкий исследователь Рудольф Хилш усовершенствовал и внедрил в промышленность вихревую трубку. Именно в честь этих исследователей был назван эффект Ранка-Хилша. После Второй мировой войны началось интенсивное теоретическое и экспериментальное исследование этого эффекта. Вызванный интерес связан с технической простотой эффекта. Стоит заметить, что исследования носили случайный характер из-за отсутствия теории, бесспорно объясняющей, впечатляющий эффект. Опираясь в своих работах на неподтвержденные теории или двигаясь интуитивно, исследователи смогли усовершенствовать первые вихревые трубки, а также им удалось, в связи с впечатляющими возможностями, расширить область их применения: так удалось достигнуть температуры на оси приблизительно -200°С при исходной комнатной температуре [2].
Основные понятия гидродинамики вихревых потоков и характеристики вихревых труб. Элементарным примером вихревого движения жидкости является вращение всего объема, как твердого тела вокруг некоторой оси с постоянной угловой скоростью, где скорость кругового движения и радиус оси вращения описывается формулой:
.
Такое движение называется квазитвердым вращением или вынужденным вихрем [3]. В этом случае «завихренность» и «циркуляция скорости» Г зависит от выбранного контура интегрирования:
.
Такое движение может привести к адиабатическому сжатию внешних слоев и разряжению внутренних и образовать температурное разделение газа по радиусу, что напоминает эффект Ранка, однако, учитывая тот факт, что в вихревых трубках процесс непрерывен, это объяснение эффекта Ранка нельзя считать приемлемым.
Другим видом вращения жидкости является «свободный» или «потенциальный» вихрь, для которого формула циркуляции выглядит иначе:
При этом величина циркуляции постоянна для любого замкнутого контура, охватывающего ось вращения, и равна нулю для любого другого контура [3]. Причиной возникновения свободных вихрей являются законы сохранения момента импульса и механической энергии, поэтому для свободных вихрей характерно распределение жидкости, возникающее в связи с достаточно быстрым изменением молекулами газа или жидкости радиуса своего вращения. Поскольку при радиусе, стремящимся к нулю, скорость вращения жидкости или газа должна неограниченно возрастать, это характерно случаям, когда в центре вихря жидкость или газ отсутствуют.
Так же для исследования сущности эффекта Ранка, рассматривали вихри Рэнкина − плоские течения, промежуточные между свободными и вынужденными вихрями, в которых распределение скорости имеет вид [4]:
Где C и r – константы, определяющие интенсивность вихря и радиальную координату, условно разделяющую свободный и вынужденный вихри, рассматриваемые ранее.
Это основные модели течений, использовавшиеся для математического описания движения газа и жидкости в вихревых трубах.
Однако, в случае трубки Ранка, следует представить особенности закрутки трехмерных течений в цилиндрических каналах. Для этого рассмотрим длинную трубку, в закрытом конце которой расположен завихритель. Стоит заметить, что в вихревых трубах используются исключительно тангенциальные и улиточные, это связано с образованием центральной зоны обратного течения вокруг завихрителя, радиус которого составляет около половины радиуса трубы завихрителя, а длина при интенсивной закрутке потока может быть в десятки раз больше диаметра трубы [5]. Наукой установлено, что по мере движения интенсивно вращающегося газа вдоль трубы его тангенциальная скорость в связи с торможением о стенки падает и, как следствие, при малой скорости поступательного давления, радиальный перепад давления стремительно уменьшается, что приводит к возникновению на оси трубы отрицательного градиента давления, который и порождает обратное течение.
Наиболее признанная теория. Наибольшее развитие и признание у практиков получила теория [4, 5, 6], объясняющая процесс температурного разделения газа в вихревой трубе существованием интенсивных турбулентных пульсаций в радиальном направлении. Согласно этой теории, источником механической энергии циклов является турбулентность [6]. При этом общая картина течения в вихревой трубе представляется в виде двух вихрей: внешнего, распространяющегося от завихрителя к дросселю, и внутреннего – приосевого, двигающегося от дросселя к диафрагме. Во внешнем вихре зависимость скорости вращения ϑ∙от радиуса r приблизительно описывается законом потенциального вихря, который отражает сохранение момента импульса вихревого потока. С учетом того, что такой закон вращения при наличии вязкости подразумевает возникновение касательных напряжений, которые должны тормозить внутренние слои и ускорять внешние, многие ученые видели именно в этом причину передачи энергии от внутренних слоев к внешним и именно этим объясняли существование эффекта температурного разделения газа на фракции в вихревых трубках. Более подробное рассмотрение сил, действующих на жидкость в свободном вихре, показывает, что силы вязкости, ускоряющие движение со стороны меньшего радиуса, и, тормозящие со стороны большего радиуса равны по модулю [5]. Это означает, что скорость в рассматриваемом элементе будет оставаться постоянной, а, следовательно, передача кинетической энергии в радиальном направлении в потенциальную не происходит. Осевой градиент давлений заставляет жидкость изменить свою осевую скорость на обратную и турбулизоваться. Возникающий обратный приосевой поток закручивается при своем движении все более интенсивным свободным вихрем. То есть кинетическая энергия вращения передается от внешнего свободного вихря к внутреннему вынужденному, а перенос тепловой энергии в обратном направлении осуществляется благодаря радиальным пульсациям в условиях высокого градиента статического деления.
Основные противоречия в возникновении такой картины течения: во-первых, как известно, наличие касательных напряжений в вязкой жидкости должно приводить к переходу кинетической энергии в тепловую; во-вторых, известно, что скорость распространения тепла из турбулентной струи превышает скорость распространения количества движения, и что адиабатическое перемещение газовых объемов в поле с градиентом давления приводит к установлению соответствующего поля температур [7]. Однако одновременное этих двух соображений невозможно, так как второе из приведенных соображений требует адиабатичности, а первое – интенсивного теплообмена.
Развитие эффекта Ранка-Хилша на сегодняшний день. В связи с простотой устройства изобретательский интерес в этой области к сегодняшнему дню, угас, однако, отсутствие понятной теории, объясняющей этот эффект, искушает ученых создать на базе вихревой трубки вечный двигатель второго рода и опровергнуть второе начало термодинамики. Недавно был продемонстрирован новый подход к объяснению эффекта Ранка, который одновременно является простым в объяснении и представляется продуктивным в действии, поскольку позволяет сделать, помимо качественных выводов, количественные оценки относительно процессов, происходящих в вихревых трубках.
Новый подход в объяснении эффекта Ранка-Хилша. В объяснении эффекта Ранка существует относительно новый подход, который дает ответ на следующий волнующий величайшие умы вопрос: каким образом большая часть вводимого тангенциального потока газа достигает центра вихря без огромного количества тепловой энергии и без имевшегося у нее запаса кинетической энергии. Согласно рассматриваемой гипотезы, на оси вихря оказывается порции входящего потока, имеющие изначально незначительный запас кинетической энергии, а механизмом, обеспечивающим попадание в центр вихря непосредственно этих порций, является разделение в поле центробежных сил элементов потока, имеющих разную тангенциальную скоростью [8]. На одном и том же радиусе во вращаемся газе имеются два микрообъёма, у одного из которых положительно пульсирует окружная скорость, а у другого − отрицательно. Наличие разных тангенциальных скоростей при одном и том же центростремительном ускорении приводит к разделению элементов на более быстрые, которые удаляются от центра потока, и на более медленные, сдвигающиеся к центру. Из вышесказанного можно сделать вывод, что новая теория, объясняющая эффект Ранка, отличается причиной возникновения процесса энергетического разделения газа в вихревых трубах, где ею служит центробежная сепарация турбулентных элементов по величине тангенциальной скорости. Эта гипотеза позволяет объяснить весь массив экспериментальных данных об особенности вихревых аппаратов, опубликованных на сегодняшний день.
Сформулируем принципиальные выводы из новой гипотезы, объясняющей эффект Ранка, которые можно сделать, приняв рассматриваемую гипотезу за рабочую. Первый вывод. Охлаждение центрального потока является результатом протекания нескольких процессов – центробежной сепарации заторможенных элементов и их адиабатического расширения. Стоит заметить, что, в случае несжимаемой жидкости энергетическое разделение будет иметь место в гораздо меньшем масштабе [9]. Второй вывод. Турбулентность в вынужденный вихрь превозносится из неоднородного входящего тангенциального потока [5].
Применение вихревых труб. К полезным свойствам вихревых труб относится: отсутствие подвижных частей и, как следствие, надежность и долговечность; возможность работать в жестких условиях; имеет относительно удобные габариты; расход перерабатываемого газа может варьироваться в диапазоне от долей до сотен тысяч кубических метров в час; не требует подготовки перед эксплуатацией; пространственное положение не влияет на работоспособность [10]. Также вихревая трубка Ранка обладает свойствами, препятствующими большому внедрению в производство: не экономичность; высокий уровень шума, который она генерирует; конструктивная простота, за которой скрывается сложнейший, многоплановый, исключительно точно сбалансированный термогазодинамический процесс. На сегодняшний день сделаны некоторые достижения в развитии вихревых труб Ранке [6], которые позволяют применять их в производстве: во всех трубках присутствуют фильтры масло и водоотделения, глушители шума, устройства для регулировки температуры выходящего воздуха, гибкие патрубки для подвода потока в нужное место.
Далее рассматриваются некоторые достижения в разработке трубки Ранка подробнее.
Коническая вихревая трубка. Такая форма позволяет сократить длину трубки, не влияя на ее эффективность. Таким образом, широко используют конические трубы, в которые подается дополнительный поток газа с температурой как у входного потока, но при меньшем давлении, что позволяет увеличить охлаждающий эффект трубок.
Рисунок 1. Коническая вихревая трубка
Трубка Парулейкара. При конической форме камеры разделения эффективность вихревой трубы повышается в 2 раза, несмотря на уменьшение длины камеры, по сравнению с цилиндрической трубой. В основном, начальный участок камеры разделения выполняют в виде конуса, конечный − в виде цилиндра, а в конец камеры разделения устанавливают развихритель. Примером такой конструкции является трубка Парулейкара. Камера разделения данной трубки имеет три участка: первый, у сопла, − конический, второй − цилиндрический и третий – конический [11], суммарный эффект видоизмененной конструкции получается такой же, как у вихревой трубки с крестовиной.
Рисунок 2. Вихревая трубка Парулейкара. 1 — камера разделения; 2 — конфузор; 3 -сопло; 4 -диффузор; 5 — патрубок ввода сжатого воздуха, б — соединительная гайка; 7 — игольчатый вентиль; 8 — патрубок вывода потока; 9 – развихритель
Охлаждаемые вихревые трубки. Учеными были сделаны выводы, что если искусственно охлаждать самые горячие слои газа, находящиеся на периферии вихревой трубки, то ее КПД значительно возрастет. Существует два вида охлаждаемых вихревых труб: с охлаждающей рубашкой, где охлаждение происходит за сет протекающей по трубке жидкости, и с охлаждающим жидкостным вихрем [6]. В случае первой трубки охлаждение происходит за счет протекающей по рубашке жидкости – за счет кольцевой щели внутри трубы.
Рисунок 3. Охлаждаемые вихревые трубки. a – с охлаждающей рубашкой, б – с охлаждающим жидкостным вихрем
Вихревые трубы с многократной циркуляцией. У вихревых труб достаточно низкий КПД всего 20-40 %. Чтобы его повысить, используют энергию горячего потока, вместо выброса ее в окружающую среду, то есть использовать конструкцию, которая не дает потоку разделяться [12]. В данном случае имеют место два основных процесса: вакуумирование холодного потока за счет раскрутки горячего потока и регенеративный теплообмен в самой трубке.
Вихревые трубки с искусственным торможением вихревого потока. В такой конструкции трубки приосевой поток создается вынужденным торможением на нагретом конце камеры разделения, где установлена крестовина, формирующая заторможенный поток, который формирует дополнительный приосевой поток, охлаждающийся за счет взаимодействия с периферийным потоком [6]. Эффективность данной конструкции была подтверждена экспериментально: с уменьшением длины увеличивается КПД.
Рисунок 4. Вихревая трубка с торможением потока. 1 — камера разделения; 2 — корпус; 3 — улитка; 4 — диафрагма; 5 — гайка; б — сопло; 7- регулировочная игла; 8 – крестовина
Вихревая трубка Метенина. Еще одним вариантом конструкции является вихревая трубка Метенина. На нагретом конце камеры разделения данной трубки установлены сетка, являющаяся развихрителем, затормаживая внутренние части потока, передавшие часть своей энергии внешнему слою, и лопаточный диффузор, позволяющий сократить длину камеры разделения.
Рисунок 5. Вихревая трубка Метенина. 1 -патрубок нагретого потока; 2 — сетка; 3 -лопаточный диффузор; 4 — вихревая камера; 5 — сопло; б — диафрагма; 7 — патрубок охлажденного потока; 8 – диск
Использование вихревых трубок для сепарации газов. Применение эффекта Ранка для сепарации газов открыло большие перспективы для исследователей в самых разных областях. Так, нефтяные газы, которые добываются из скважины, не используются без предварительной обработки из-за большого содержания примесей [12]. Вихревая труба с искривленной формой достаточно редкая конструкция. Ее главное преимущество заключается в возможности ее использования в тех случаях, когда, в силу своих габаритов, не могут быть применены трубы классической конфигурации. Искривленные вихревые трубы уступают обычным по получаемой разнице температур, но позволяют достичь большей холодопроизводительности.
Таким образом, на сегодняшний день существует множество различных типов конструкций вихревой трубы.
Использование эффекта Ранка в вакуумных системах очень перспективно, так, в работе [13] описана вихревая ловушка с применением данного эффекта.
Рисунок 6. Охлаждаемая вакуумная ловушка
Схему работы ловушки можно представить так: сжатый воздух тангенциально подается в камеру, образуя закрученный поток, который перемещается от соплового ввода к щелевому диффузору, из-за чего на оси камеры формируется область пониженного давления с низкой температурой. Откачиваемый поток, соприкасаясь с охлаждаемой поверхностью, состоящий из паров воды, конденсируется и разделяется на конденсат и откачиваемый газ. Кроме охлаждения, эффект Ранка-Хилша позволяет достичь области низкого вакуума с помощью вихревого эжектора, что делают его использование перспективным. Однако, широкое применение вихревых эжекторов сдерживает их небольшой КПД вызванный несовершенством энергообмена. В настоящее время ведутся исследования с целью повышения эффективности вихревого вакуумного процесса.
Заключение. На основе вихревого эффекта Ранка-Хилша можно создать устройства для охлаждения или подогрева газа, на производствах, не имеющих недостатка в сжатом газе, не прибегая к сложных технических ухищрениям и в отсутствие подвижных механических частей. На сегодняшний день сделаны некоторые достижения в развитии вихревых труб Ранке [6], которые позволяют применять их в производстве: во всех трубках присутствуют фильтры масло и водоотделения, глушители шума, устройства для регулировки температуры выходящего воздуха, гибкие патрубки для подвода потока в нужное место. В связи с простотой устройства изобретательский интерес в этой области на данный момент, угас, однако, отсутствие понятной теории, объясняющей этот эффект, искушает ученых создать на базе вихревой трубки вечный двигатель второго рода и опровергнуть второе начало термодинамики.
Список литературы:
- Гольдштик М.А., Штерн В.Н., Яворский Н.И., Вязкие течения с парадоксальными свойствами, Новосибирск: Наука, 1989. – 336 с.
- Курнайкин В.В. Форкамерный роторный двигатель внутреннего сгорания // Патент России № 2387851. 2010. Бюл. № 33.
- Меркулов, А.П. Вихревой эффект и его применение в технике / А.П. Меркулов.– Самара: Оптима,1997. – 355 с.
- Гупта А., Лилли Д., Сайред, Закрученные потоки. М.: Мир, 1987. – 590 с.
- Халатов А.А., Теория и практика закрученных потоков, Киев, Наукова думка, 1989. – 192 с.
- Кузнецов В.И. Теория и расчет эффекта Ранка. Омск: Омский гос. тех. универ., 1995. – 217 с.
- Абрамович Г.Н. Теория турбулентных струй. М.: Наука, 1984. − 716 с.
- Гуцол А.Ф. Эффект Ранка. Успехи физических наук. Методические заметки, Том 167, № 6, 1997. − С. 665-687.
- Balmer R.Т. Pressure-driven Ranque–Hilsch temperature seperation in liquids. J Fluids Eng., 1988, − 161-164.
- Пиралишвили Ш.А. Вихревой эффект. Эксперимент, теория, технические решения/ Ш.А. Пиралишвили, В.М. Поляев, М.Н. Сергеев / Под. ред. А.И. Леонтьева. – М.: УНПЦ «Энергомаш», 2000. – 412 с.
- Коркодинов Я.А., Применение эффекта Ранка-Хильша // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Машиностроение, материаловедение. – 2012. – № 4. – С. 42–54.
- Gronner J. Sucessful experience with vortex tube technology at the epe cavity storage of RWE Energy // 23rd World Gas Conference. − Amsterdam, 2006. − 11 p.
- Ханнанов Р.Б. Вихревая труба как вакуумный насос // Вестник Казанского технологического университета– 2010. – № 11. – С. 494–496.