История «повторного открытия» вихревого эжектора: от личных экспериментов к теории
В ходе моих предыдущих изысканий, посвященных исследованию трубки Ранка-Хилша (ВТР), был зафиксирован любопытный эффект: при демонтаже глушителя через диафрагму устройства начинался активный подсос воздуха. В комментариях к работе один из читателей порекомендовал обратиться к специализированной литературе, а именно к монографии «Вихревые аппараты».
Ознакомившись с этим фундаментальным трудом (рис. 1–2), я обнаружил, что мой «изобретенный» вакууматор детально описан под названием «вихревой эжектор».
Эта работа объемом более 250 страниц целиком посвящена различным модификациям ВТР. Мой вариант вакуумного насоса, сконструированный на базе китайской вихревой трубки с использованием шарика для пинг-понга в качестве запорного элемента, практически полностью копирует схему, приведенную на страницах книги (рис. 3).
Эволюция показателей разрежения
Первые прототипы вихревого отсоса демонстрировали скромные результаты — около 400–500 Па (40–50 мм вод. ст.). В ходе замеров вакуумная трубка герметизировалась пластилином в выходном отверстии корпуса (рис. 4).
Усовершенствованная версия устройства позволила достичь разрежения в 14 кПа (1,4 м вод. ст.). Примечательно, что шарик не просто «прилипал» к отверстию, а совершал интенсивные колебательно-вращательные движения, самостоятельно стабилизируя зазор для выхода вихревого потока вдоль стенок (рис. 5). Эксперименты с плоскими заглушками не дали значительного прироста эффективности, подтвердив оптимальность сферической формы для данной конфигурации.
Дальнейшая модернизация заключалась в установке осевой иглы диаметром 1,6 мм в вихревую камеру. Это решение позволило поднять уровень вакуумирования до 19 кПа (1,9 м вод. ст.).
Математическое обоснование эффекта
Феномен разрежения объясняется вовлечением осевого потока в интенсивное вращение основным периферийным вихрем. При допущении о постоянстве угловой скорости можно провести оценочный расчет. Для камеры диаметром 5 мм при скорости струи 200 м/с угловая скорость составит порядка 80 000 рад/с.
Расчетное давление для кольцевого слоя воздуха толщиной 0,6 мм дает значение около 4,2 кПа. Удивительно, но это теоретическое значение практически совпадает с экспериментально полученным приростом разрежения (450 мм вод. ст.).
Согласно анализу, давление на дне камеры колеблется от -19 кПа до +24 кПа. Именно этот перепад сил, действующих на поверхность шарика, создает условия для его «присасывания» и последующей циклической пульсации.
Анализ промышленных показателей
В литературе упоминаются значения остаточного давления в 1 кПа при вакуумировании малых емкостей. Однако послойный расчет показывает, что для достижения такого результата потребовалась бы скорость струи свыше 900 м/с, что физически недостижимо для сжатого воздуха комнатной температуры из-за энергетических ограничений.
Реалистичный предел для промышленных компрессоров (при давлении около 1 МПа) ограничивается скоростью струи в 775 м/с. Следовательно, сверхглубокий вакуум в подобных устройствах, скорее всего, является следствием особых условий эксперимента или многоступенчатых схем.
Сравнение с механическими системами
Почему нельзя заменить вихревую камеру обычным центробежным вентилятором? Расчеты показывают: чтобы получить разрежение в 1 кПа при стандартных оборотах электроинструмента (18 000 об/мин), потребовался бы диск диаметром 1 метр, вращающийся со сверхзвуковой скоростью (около 950 м/с). Это создает колоссальные нагрузки на разрыв материала.
Для сравнения, окружная скорость дисков в обычных УШМ ограничена безопасными 80 м/с. Для достижения глубокого вакуума в механических системах приходится использовать сложные многоступенчатые турбины (до 11 ступеней для достижения 1 кПа).
Выводы
Вихревые аппараты представляют собой изящное газодинамическое решение. Они позволяют достигать скоростей вращения потока, недоступных для механических крыльчаток из-за предела прочности материалов. При всей своей простоте и дешевизне изготовления они остаются крайне эффективными инструментами там, где требуется компактность.
Однако для создания вакуума в лабораторных условиях существует еще более доступная альтернатива — водоструйные насосы, способные обеспечивать остаточное давление на уровне 2,5 кПа за счет энергии обычной водопроводной сети. Подробнее об их устройстве я рассказывал в этой статье.
