А что, если я скажу Вам, что можно «подуть» в Т-образную трубку — и с двух других её концов пойдет воздух «сильно минусовой» и «сильно плюсовой» температуры? Похоже на какой-то бред, не так ли? Тем не менее, такое замечательное устройство вполне себе существует и известно очень давно. Ученые до сих пор расходятся во мнениях относительно того, «как же оно всё-таки работает?!». Предлагаем и Вам ознакомиться с этим любопытным эффектом…
❒ В 1931 г. Жозефом Ранком был открыт вихревой эффект энергетического разделения газов, называемый часто эффектом Ранка.
После доклада Ранка Французскому физическому обществу о своем открытии о нем забыли и только с 1946 года вихревой эффект стал объектом исследований ученых разных стран.
В Советском Союзе первые широкие исследования вихревого эффекта были проведены профессором Мартыновским В. С. и доцентом Алексеевым В. П. в Одесском технологическом институте пищевой и холодильной промышленности.
Большую работу по созданию вихревых вакуум-аппаратов провела группа под руководством д-ра техн. наук Дубинского М. Г.; им опубликовано несколько теоретических работ по закрученным потокам.
Внешне простой вихревой эффект на самом деле заключает в себе сложный газодинамический процесс, происходящий в пространственном турбулентном потоке вязкого сжимаемого газа. Этим, пожалуй, и объясняется неудача многих попыток найти аналитическое решение задачи.
❒ Несмотря на длительное изучение вихревого эффекта до сих пор отсутствует общепризнанная физико-математическая модель феномена.
Наиболее обоснованной считается гипотеза взаимодействия вихрей, но и она не лишена некоторых неточностей и противоречий. Пока не проведено строго обоснованного прямого эксперимента, способного полностью подтвердить ее достоверность.
На основе проведенных исследований разработаны полуэмпирические методики расчета вихревого эффекта и некоторых видов вихревых аппаратов.
На этом период первоначального изучения вихревого эффекта закончился и начался период освоения и внедрения его в производство.
С 1953 года в Куйбышевском авиационном институте велась работа по исследованию вихревого эффекта и его промышленному использованию. В 1958 году в институте создана лаборатория промышленного применения вихревого эффекта, в которой разработано несколько промышленных образцов вихревых холодильно-нагревательных установок и созданы различные типы вихревых аппаратов.
Благодаря своим особенностям вихревой эффект нашел практическое применение в самых различных областях техники и производства.
Примером этому может служить то, что в лаборатории Куйбышевского авиационного института были созданы вихревой конденсационный гигрометр, вихревой отсасывающий электросварочный аппарат, вихревой охладитель цилиндрических тел, велись работы по созданию вихревого карбюратора, вихревой кондиционирующей установки для транспортных машин и других вихревых аппаратов.
На многих предприятиях СССР работали вихревые холодильные камеры, вихревые термостаты и вихревые вакуум-насосы.
В данный момент, вихревые трубы широко используются в разных отраслях промышленности по всему миру:
▍Сущность вихревого эффекта и конструкции вихревых труб
Вихревой эффект, или эффект Ранка, проявляется в закрученном потоке вязкой сжимаемой жидкости и реализуется в очень простом устройстве, называемом вихревой трубой (трубой Ранка—Хилша, вихревым энергоразделителем, вихревым холодильником), схематичная конструкция которой изображена на рис. 1. и рис. 2.
То есть, можно сказать, что 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.
Вихревая труба представляет собой гладкую цилиндрическую трубу 1, снабженную тангенциальным соплом 2, улиткой 3, диафрагмой 4 с осевым отверстием и дросселем 5.
При втекании газа через сопло образуется интенсивный круговой поток, приосевые слои которого заметно охлаждаются и отводятся через отверстие диафрагмы в виде холодного потока, а периферийные слои подогреваются и вытекают через дроссель в виде горячего потока.
По мере прикрытия дросселя общий уровень давления в вихревой трубе повышается и расход холодного потока через отверстие диафрагмы увеличивается при соответствующем уменьшении расхода горячего потока. При этом температуры холодного и горячего потоков также изменяются.
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, так как 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. Так как 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.
▍- Достоинства вихревой трубки:
- Нет движущихся частей;
- Не требуется обслуживание;
- Надежность;
- Без электричества или химикатов;
- Компактная, легкая;
- Бюджетная;
- Мгновенное получение результата;
- Прочность конструкции;
- Регулируемая температура;
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 центробежных 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.
В результате многочисленных экспериментальных исследований создано несколько конструктивных вариантов вихревых труб.
Основным их различием является конструктивное выполнение тангенциального соплового входа сжатого газа и длина цилиндрической части (вихревой зоны) трубы в калибрах.
На рисунке 3 приведены конструктивные особенности исследованных вихревых труб, показавших хорошие результаты.
Разработанные Р. Хилшем вихревые трубы имеют один круглый утопленный тангенциальный сопловой вход и входную улитку прямоугольного сечения, ввиду чего на срезе сопла имеется площадка, создающая зону завихрения.
Этот недостаток устранен в конструкции В. С. Мартыновского и В. П. Алексеева, которые создали тангенциально-лотковый сопловой вход, имеющий два круглых наполовину утопленных в теле трубы сопловых входа, переходящих в лоток.
Подобная конструкция позволила устранить зону завихрения и улучшить эффективность вихревой трубы, хотя и усложнила изготовление соплового входа.
Оптимальной длиной вихревой зоны трубы (расстояние от соплового входа до дросселя горячего конца) авторы двух рассмотренных выше конструкций считают 50 калибров.
Конструкция Меркулова А. П. имеет сопловой вход прямоугольного сечения и прямоугольную входную улитку, построенную по спирали Архимеда, что обеспечивает устранение зоны завихрения на сопловом срезе при сохранении простоты конструкции.
Второй особенностью этой конструкции является сокращение длины вихревой зоны до 9 калибров, осуществляемое за счет ограничения вихревой зоны спрямляющей четырехлопастной крестовиной, устанавливаемой перед дросселем горячего потока (рис 4. и рис 5. )
Введение этих двух элементов позволило еще более повысить эффективность вихревой трубы и сделать ее значительно компактнее.
▍Влияние диаметра отверстия диафрагмы
С полным основанием можно ожидать, что на характеристики вихревых труб различных диаметров будут влиять не абсолютные значения диаметров отверстия диафрагмы, а их отношение к диаметру вихревой трубы:
Экспериментальные данные трех различных исследований хорошо укладываются на прямую линию (График А).
С изменением соотношения, характеристики вихревой трубы заметно меняются (График Б, где µ-относительный весовой расход холодного потока).
▍Влияние длины вихревой зоны трубы
В ряде работ за оптимальную длину L вихревой зоны трубы принималась длина, соответствующая 50 ее калибрам.
Это делало вихревую трубу очень громоздкой, поэтому многие исследователи пытались уменьшить ее.
В результате было найдено конструктивное решение, обеспечивающее резкое сокращение вихревой зоны.
За счет установки на горячем конце вихревой зоны четырехлопастной крестовины — удалось сократить длину этой зоны до 9 калибров и при этом несколько улучшить эффективность вихревой трубы как по эффекту охлаждения, так и по холодопроизводительности.
На рис. 6 приведены опытные кривые зависимости максимальных значений эффекта охлаждения от относительной длины вихревой зоны для двух отличных друг от друга давлений и проходных сечений соплового входа.
При сокращении длины вихревой зоны до оптимальной наблюдается небольшой рост максимального значения эффекта охлаждения, а при (L/D)<9 последний резко снижается. Выявлено, что и максимальная холодопроизводительность изменяется аналогично.
Следующим шагом по пути сокращения вихревой зоны явилось запатентованное В. Хендалом предложение делать вихревую зону в виде усеченного конуса с расширением в сторону дросселя и с углом конусности около 7°.
Это позволило сократить длину вихревой зоны до 4-х калибров при сохранении максимального эффекта охлаждения вихревой трубы.
▍Влияние площади проходного сечения сопла
Экспериментами установлено, что для получения оптимальных характеристик имеется определенное соотношение между диаметром вихревой трубы и площадью Fc проходного сечения соплового входа.
С увеличением Fc растет общий расход газа через вихревую трубу, что приводит к повышению гидравлического сопротивления отверстия диафрагмы (холодному потоку), а следовательно, и к повышению уровня давлений в вихревой зоне. Последнее снижает получаемый эффект охлаждения. Но увеличение общего расхода (и расхода холодного потока) уменьшает эффект подмешивания к холодному потоку теплого пограничного слоя, текущего по плоскости диафрагмы, что приводит к увеличению эффективности вихревой трубы.
Эти два противоположно влияющих фактора дают оптимальное значение величины проходного сечения сопла, которое удобнее выразить относительной величиной, являющейся отношением площади Fc проходного сечения сопла к площади поперечного сечения вихревой трубы:
Согласно указанным выше экспериментам оптимальное значение относительной площади проходного сечения сопла лежит в пределах:
При повышении давления питающего сжатого газа оптимальные значения приближаются к нижнему пределу.
Для случая получения максимального эффекта охлаждения при малых µ значение Fc увеличивается.
Для большинства случаев расчета вихревой трубы принимается:
Сопловой ввод конструктивно должен быть выполнен так, чтобы при сохранении тангенциальности он обеспечивал плавный вход сжатого газа в вихревую зону и осевую симметрию формирующегося вихря.
Отсутствие зон завихрения и плавность входа струи обеспечивает конструкция № 3 (см. рис. 3.), имеющая прямоугольное сечение сопла и входную улитку.
Хорошую осевую симметрию и плавность входа обеспечивают конструкции № 2 и 6, но они труднее в изготовлении и требуют усложненной системы подвода сжатого газа, поэтому чаще используется конструкция № 3 с прямоугольным сечением сопла.
▍Влияние давления сжатого газа
При условии сохранения постоянным давления холодного потока за отверстием диафрагмы величина давления, подаваемого к соплу сжатого газа, играет существенную роль в получаемом эффекте охлаждения.
С повышением давления входа растут эффект охлаждения и холодопроизводительность.
На рис. 7 изображены кривые эффектов охлаждения ∆tx и холодопроизводительности µ∆tx для различных давлений p.
▍Влияние температуры сжатого газа
Результаты экспериментов показали, что с ростом температуры, растет эффект охлаждения холодного потока и эффект подогрева горячего потока, значение же температурной эффективности при этом практически остается неизменным.
▍Влияние масштаба вихревой трубы
С уменьшением масштаба вихревой трубы возрастает влияние эффекта подмешивания пограничного слоя диафрагмы к холодному потоку, что приводит к ухудшению получаемого эффекта охлаждения последнего.
Влияние масштабного фактора впервые экспериментально было обнаружено Хилшем, а затем подтверждено Мартыновским и Алексеевым. Автором были исследованы вихревые трубы с диаметрами D= 10, 16, 20, 25, 30 и 33 мм.
В этих исследованиях наблюдался рост эффективности вихревой трубы с ее масштабом.
Несмотря на то, что исследованные различными авторами серии вихревых труб имели различный диапазон диаметров и различное конструктивное исполнение при несколько отличающихся геометрических соотношениях, полученные максимальные эффекты охлаждения имеют довольно четкую зависимость от диаметра D вихревой трубы.
Эта зависимость для двух давлений входа представлена на рис. 8. Как видно из рисунка, экспериментальные точки могут быть аппроксимированы в прямые линии, несколько расходящиеся с ростом D.
Возможность местного получения холода является важным достоинством вихревых труб, масштаб которых может быть как угодно малым.
Например, вихревая труба диаметром 1 мм и длиной 10 мм (близкая к размерам полупроводниковых элементов), расходуя около 15 л воздуха в минуту может обеспечить отвод от полупроводникового элемента рассеиваемой мощности порядка 5 вт.
Это делает ее незаменимым устройством для стабилизации температуры отдельных ответственных элементов полупроводниковых электронных устройств летательных аппаратов.
❒ Теперь, возвращаясь к декларированной в названии статьи возможности получения температуры в -50 градусов, можно сказать следующее. Опираясь на результаты эксперимента, проведённого в видео, приложенном ниже, даже без каких-либо расчётов, можно грубо прикинуть минимально возможную температуру, которую мы можем получить. Предположим, что в качестве компрессора, будет использован компрессор от холодильника. Основным плюсом которого является поршень достаточно малого диаметра (около 10 мм). Однако у данного поршня есть свои плюсы: благодаря своему малому диаметру, он может качать воздух под достаточно большими давлениями.
Автором данной статьи экспериментально было выявлено, что компрессор холодильника может качать воздух под давлением в 20 атмосфер. Так как в эксперименте, показанном в ролике выше была озвучена цифра в 4 атмосферы, необходимая для получения температуры в -10 градусов, возьмём эти цифры в качестве ориентира. Основываясь на них, по формуле пропорции, высчитаем необходимую величину давления, которая позволит нам получить нужную отрицательную температуру (конечно, зависимость между давлением и температурой,- скорее всего, не будет настолько линейной, но мы можем взять за некий базис эти числа, чтобы было от чего оттолкнуться):
4 = -10
20 = х, отсюда х = -200/4 = -50 градусов.
Таким образом, используя широкодоступные компрессора от бытовых холодильников (которые можно купить в магазинах запчастей для холодильников), мы можем достичь температуры в -50 градусов.
В инструкции ниже, вкратце рассмотрено, как переделать компрессор от бытового холодильника — в источник высокого давления (20 атмосфер) для экспериментов с вихревыми трубками.
Нам для этого понадобятся следующие компоненты:
Далее, мы делаем следующее:
В итоге должно получиться нечто такое:
▍ — Некоторые дополнительные пояснения к процессу переделки компрессора от холодильника:
1. Не стоит сильно беспокоиться за компрессор, что «он должен работать постоянно в смазке, без нее-он выйдет из строя». У автора данный компрессор от холодильника работал для целей аэрографии в течение 3 лет. Только периодически (раз в месяц) доливал во входной патрубок 3-4 см3 машинного масла. Но, если хотите сделать всё более аккуратно, можно на входной патрубок установить «лубрикатор» — специальное устройство, насыщающее всасываемый воздух распыленным маслом. Используется для смазки компрессора. Тогда вся система в сборе будет выглядеть так: лубрикатор—>компрессор—>ресивер(сойдет даже бутылка 2л от «кока-колы» — это по моему личному, многолетнему опыту). Ресивер нужен для накопления давления, чтобы избежать пульсаций воздух и отстоя паров масла и воды в подаваемом воздухе—>вихревая трубка;
2. На напечатанной с помощью 3d печати вихревой трубке — следует нарезать резьбу М10х1(если вы будете использовать рекомендованные мной компоненты). Так как печатная такая мелкая резьба получается «оплывшей» и лучше ее нарезать плашкой;
3. Ниже вы найдете ссылки на требующиеся в процессе переделки компоненты:
- Медная тормозная трубка;
- Тройник для тормозных трубок;
- Компрессоры для холодильников;
- Припой медно-фосфорный;
- Горелка для газового баллона
- Баллон с Мapp-газом
- Плашка для нарезания резьбы М10х1;
- Держатель для плашки;
4. Во многом, вихревые трубки изготовляются, основываясь на эмпирических данных, предыдущих исследователей («примерно такого размера и таких параметров — вроде работало…»). Отсутствие общепризнанной теории вихревых труб — сильно осложняет процесс их изготовления согласно заданных параметров (о чём уже было сказано выше).
Однако, не всё так плохо, если:
а) компрессор справляется с подачей нужного количества воздуха в трубку;
б) трубка изготовлена, опираясь на имеющиеся эмпирические данные (например, рисунок 3.) ❒ — такие трубки работают сразу, почти все. Они отличаются только своими возможностями получения нужных низких/высоких температур.
Самые экстремальные исследователи, могут попробовать запитать вихревую трубку воздухом высокого давления (до 300 атмосфер!) от появившихся в изобилии в последние годы — компрессоров высокого давления для PCP пневматических винтовок.
Полагаем, результат будет весьма впечатляющим.
▍ — Автор данной статьи, в процессе её подготовки, заметил еще один интересный факт, который должен быть озвучен: все публично доступные результаты экспериментов с этими трубами, основываются на стандартных технологиях.
Под этим подразумевается, что для производства данных вихревых труб используется стандартные металлические детали, изготовленные с применением стандартных металлообрабатывающих станков.
Налицо полное игнорирование возможностей изготовления данных трубок с применением 3D печати!
Однако именно 3D печать может дать новые возможности в изготовлении данных устройств!
Например: изготовление микромассива данных трубок, объединённых в миниатюрный кластер.
Данный кластер может быть установлен в дальнейшем прямо на критичные электронные компоненты, требующие охлаждения, например процессор компьютера.
А с появлением общедоступных фотополимерных принтеров по недорогой цене, например, Anycubic Photon,- возможно изготовление поистине миниатюрных и сложных кластерных систем, базирующихся на вихревых трубках (в буквальном смысле – микронного масштаба)!
Таким образом, любой исследователь данного эффекта, имеющий в наличии соответствующей трехмерный принтер и программу инженерного трехмерного проектирования, например, solidworks, может с лёгкостью смоделировать и распечатать вихревую трубку или их кластер любого размера, соответствующего возможностям компрессора, имеющегося в наличии у конкретного исследователя!
Производители на aliexpress тоже не остались в стороне и выпускают весьма интересное устройство — «Мобильный кондиционер сварщика», основанный на данной трубке Ранка-Хилша. Данное устройство позволяет обеспечить комфортным микроклиматом рабочих в цеху — персонально каждого. Это устройство достаточно подключить к цеховой сети сжатого воздуха:
При желании провести ряд собственных экспериментов, там же имеются и готовые вихревые трубки.
Используя 3d печать, любой исследователь может легко и быстро создать целую серию вихревых трубок, подогнав их размеры и параметры получаемой температуры — под требующиеся именно ему!
С 1960-х годов вихревое движение является темой множества научных исследований. Регулярно проводятся специализированные конференции по вихревому эффекту, например, в Самарском аэрокосмическом университете.
Следует заметить, что возможности некоторых установок на эффекте Ранка внушают уважение — например, рекордное охлаждение, которого удалось достигнуть на одной ступени, составляет более 200°С!
▍ — Желающие более подробно ознакомиться с данным эффектом и вихревыми трубами — могут прочитать следующую литературу:
- А.П. Меркулов — «Вихревой эффект и его применение в технике»;
- Ш.А. Пиралишвили, В.М.Поляев, М.Н. Сергеев — «Вихревой эффект. Эксперимент, теория, технические решения».
