В основе работы вихревой трубы лежит т.н. эффект Ранка-Хилша (1933 г). Вихревая труба представляет собой газодинамическое устройство с тангенциальным входом газа, рис. 2.3.1.
Рис. 2.3.1. Схема вихревой трубы.
Как известно, в закрученных потоках вязкого газа при наличии поперечного градиента скорости поверхности тока взаимодействуют между собой из-за наличия касательных сил вязкости. Работа, затраченная на преодоление этих сил преобразуется в тепло. При этом разные струйки могут обладать разными запасами полной энергии
.
Наличие в потоке градиента температур предопределяет теплообмен между слоями газа. Однако, большой вклад в перераспределение полной энергии принадлежит турбулентному механизму переноса.
Вихревая труба состоит из корпуса, выполненного в виде цилиндрической или диффузорной трубы с диаметром начального сечения и длиной , тангенциально расположенных по отношению к корпусу вводных сопел с площадью проходного сечения , диафрагмы с диаметром отверстия , расположенной вблизи соплового входа, и конического регулировочного вентиля на противоположном от диафрагмы конце корпуса.
Интенсивность энергетического разделения газов в вихревой трубе обычно оценивают по зависимости величин избыточных температур газа и от доли охлажденного потока . При этом
,
где 
- температура торможения на входе в
вихревую трубу, на выходе из нее охлажденного и горячего потоков соответственно;
и - массовые расходы исходного и охлажденного потоков газа соответственно.
Рис. 2.3.2. Температура газа на выходе из ВТ.
Типичные экспериментальные зависимости величин и от относительного расхода холодного потока приведены на рисунке 2.3.2.(195).
Обычно каждой паре кривых 
соответствуют определенные условия проведения
экспериментов: отношение давлений газа на входе в вихревую трубу и выходе
охлажденного потока из диафрагмы , температура газа на входе в вихревую трубу
,
безразмерная площадь вводных сопел и др.
Эффект энергетического разделения газа неразрывно связан с перестройкой затухающего вихревого турбулентного движения и происходит в довольно протяженной области течения, простирающейся от соплового входа на расстояние от одного до нескольких десятков диаметров вихревой трубы. При большой длине области происходящие в ней явления не будут определяться детальной структурой потока на входе в вихревую трубу и должны зависеть от переменных, характеризующих течение в целом. т.е. от интегральных величин, таких как массовый расход поступающего в трубу газа , поток импульса в направлении оси трубы , поток энергии и массовый расход отбираемого через отверстие диафрагмы холодного газа . К этим интегральным характеристикам, необходимо, добавить характерный размер - диаметр трубы .
Следует отметить, что поток газа в вихревой трубе является развитым турбулентным потоком. Можно предположить, что турбулентность, возбуждаемая струями, истекающими из вводных сопел вихревой трубы, имеет высокий уровень, превышающий во всей области энергетического разделения уровень турбулентности, порождаемый в пограничном слое на стенках трубы.
Рабочая величина давления на входе в вихревую трубу может меняться в широких пределах; по имеющимся данным вихревая труба устойчиво работает при полном давлении на входе 0,5-0,7 МПа, известны эксперименты с пропусканием через ВТ газа с давлением до 25 МПа. Температура теплого и холодного потоков зависит от начальной температуры газа на входе; рисунок дает представление о перепаде температур в потоках; этот перепад, как правило, сохраняется. Потери энергии в ВТ связаны с трением высокоскоростного газового потока о стенки.
Таким образом, вихревая труба является весьма удобным инструментом для получения высокотемпературных (+60, +800С) и низкотемпературного (-20, -400С) газовых потоков, которые можно использовать для отопительных целей и холодильной техники.
В настоящее время вихревая техника широко внедрена в промышленность: вихревые управляющие клапаны в системах управления тягой ракетных двигателей, вихревые холодильники, вихревые системы очистки, осушки газа в газовой промышленности, вихревые системы газоподготовки для нужд пневмо-газоавтоматики.
Эффект Ранка-Хилша и его применение.Часть1.
Вихревой эффект (эффект Ранка –Хилша) – эффект разделения газа или жидкости на две фракции при закручивании в цилиндрической или конической камере. На периферии образуется закрученный поток с большой температурой, а в центре – охлаждённый поток, закрученныё в противоположную сторону.
Впервые данный эффект был открыт при исследовании работы циклонов французским инженером Жозефом Ранком в конце двадцатых годов прошлого столетия, который и запатентовал изделие на основе этого эффекта - “Трубку Ранка” (Вихревую трубку Ранка).
На рисунке схема работы, а на фото - наиболее типичный вид серийно выпускаемых вихревых трубок
В сороковых годах дополнительными исследованиями эффекта и доработкой Трубки Ранка занимался немецкий физик Роберт Хилш. В честь этих выдающихся исследователей интересующий нас эффект и стали называть эффектом Ранка-Хилша.
Дальнейшие исследования проводились во многих странах, в том числе и в СССР. Однако исследования эти носили случайный характер. Причина-отсутствие теории достоверно объясняющей этот парадоксальный, чрезвычайно впечатляющий эффект.
А как всегда получается, - что не можем объяснить, откладываем подальше, до лучших времён.
Тем не менее, исследования пусть недостаточно, но проводились, и в СССР были выпущены две книги (две известных автору статьи, а так может и больше), целиком посвященные этому эффекту и возможности его практического применения.
Один известный в то время рационализатор пытался внедрить изготовленную им трубку для охлаждения токарных резцов непосредственно в процессе резания.
Работа предложенного к испытаниям изделия впечатлила. При подключении трубки к заводской воздушной сети из ”холодного ” конца практически пошёл снег. Эффект охлаждения был достигнут.
Однако побочный эффект, возникший при испытаниях этой, довольно большой по габаритам, трубки сразу перечеркнул возможность её использования, по крайней мере в таком виде, для охлаждения инструмента при точении. Поток воздуха был настолько силён, что мгновенно раздул металлическую стружку со станка во все стороны, в том числе и на соседние станки, на работающих на них людей. Испытания ведь проводились на станке с открытой рабочей зоной, да и других станков в то время практически и не было. Кроме того, очень сильный шум при работе этой большой трубки тоже не способствовал её дальнейшему внедрению.
Однако, вернёмся в наше время. Серийно выпускаемые вихревые трубки, специально предназначенные для охлаждения зоны резания, оснащаются эффективными глушителями шума, имеют различные приспособления для крепления к станку (механические, магнитные), имеют удобную регулировку температуры выходящего воздуха, оснащаются гибкими патрубками для подвода потока холодного воздуха непосредственно в нужное место. Выпускаются трубки различной мощности, что позволяет подобрать трубку в соответствии с поставленной задачей. Все трубки оснащаются фильтрам масло и водо –отделителями.
Кстати, как мы уже отмечали, поток воздуха разделяется в Трубке Ранка на два – холодный и горячий. Так вот, выпускаются специальные трубки, предназначенные для нагрева. Они имеют некоторые конструктивные особенности. Преимущества таких нагревателей - абсолютная безопасность, так как для их работы не используются электрические нагревательные элементы и открытое пламя.
Интересно то, что, как мы уже отмечали, в мире выпускается громадное количество вихревых трубок Ранка различных типоразмеров и видов. Вместе с тем, в открытой прессе практически не встречается информация о их практическом применении при обработке того или иного материала, режимах резания, режущих пластинах. Нам попадали статьи о применении охлаждающих трубок Ранка при обработке чугуна, но тут и так всё понятно, а для остальных обрабатываемых материалов только общая информация. Вместе с тем, теоретический эффект от внедрения этих интереснейших изделий может быть громадным. Представьте только – обработка без применения СОЖ… Не в этом то смысл практического закрытия информации? В общем – вихревая трубка Ранка, это просто “золотая жила” для различных “внедренцев” и исследователей, работающих в области обработки различных материалов. Можно предположить, что ещё много диссертаций будет защищено по этой теме. Ну и хорошо. Была бы польза.
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
При 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 Ранка
В 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:
T 0 = T + v 2 / (2 · c p) (1),
где T 0 - 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; c p - 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 Ранка
Как 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.
- Для наиболее эффективного разделения следует всячески предотвращать возникновение турбулентностей, перемешивающих уже разделённые слои. Отсюда следуют требования к гладкости внутренних поверхностей устройства и необходимость ламинарности входного потока.
- Рабочий поток не должен делать слишком много оборотов: практически всё разделение происходит на первых витках, и дальнейшее движение будет лишь приводить к ненужным потерям на трение и увеличивать аэро/гидродинамическое сопротивление, затрудняя работу нагнетателя. Однако, чем выше плотность потока, тем труднее будет идти разделение и тем больше оборотов надо будет сделать.
- В наибольшей степени эффект Ранка должен проявляться для разреженного газа, свойства которого близки к свойствам идеального газа. При возрастании плотности газа и тем более при использовании жидкостей сокращение свободного пробега частиц и повышение вязкости среды становится существенным фактором, наряду с турбулентностью ухудшающим температурное разделение исходного потока.
- Оптимальная скорость потока должна быть соизмерима со скоростью теплового движения его частиц (как известно, в газах эта скорость близка к скорости звука). Слишком высокая скорость приведёт к тому, что все частицы будут отбрасываться к внешней стенке, и у внутренней стенки образуется бесполезная область вакуума, а слишком низкая ухудшит разделение частиц по их скоростям. Впрочем, в реальности энергозатраты на разгон потока до скорости звука могут оказаться менее выгодными, чем для получения того же количества тепла/холода при меньшей скорости, но большем расходе потока.
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 , 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 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.
Вашему вниманию и обсуждению представлен твердотопливный котел на угле, вобравший на мой взгляд все лучшие технологии прошлого и современности.
Данный котел сможет не только обогреть дом, но и вырабывать электроэнергию и пиролизный газ для бытового использования в плите итд. Е
Конечно, я не теплотехник, и не печник, но судя по тем моделям современных котлов, что есть в продаже, вспоминаю поговорку: «Ковчег построил любитель, профессионалы построили "Титаник "».
Предыстория.
Подбирая твердотопливный котел отопления, изучил почти всех производителей котлов для использования в частном доме и такое ощущение, что «современные» котлы выпускают в сараях причем с низкой эффективностью и из консервных банок! Толщина металла у основной массы продавцов составляет от 3 мм до максимум 6 мм, а в «гарантийных обязательствах написано: котел может служить до 7 лет, «при правильной эксплуатации». То есть вам не кто не гарантирует, что эта жестянка не прогорит раньше первого сезона эксплуатации!
Все это говорит о том, что производители котельного оборудования не заинтересованы в выпуске хороших и долговечных котлов. Когда изучаешь сколько такие котлы потребляют угля или дров удивляешь цифры фантастические от 3 до 10 кг. топлива в ЧАС!
В связи с удручающей ситуацией на рынке котлов, пришлось изучить опыт начиная от древности до наших дней. Требования которые хотелось бы видеть от СОВРЕМЕННОГО КОТЛА, не то что сейчас продают, из консервных банок с низким КПД.
На мой взгляд твердотопливный котел отопления должен отвечать следующим требованиям:
1) Простой и надежный
2) Энергонезависимый
3) Потреблять минимум топлива
4) Производить тепловую энергию
5) Производить Древесный газ (ПИРОЛЕЗНЫЙ) для подключения плиты и других источников потребления.
Для решения этих задач пришлось изучать опыт от древних Аркаимцев до современных котлов с циркулирующим кипящим слоем (которые почему не производят для домашнего использования)
Привожу план схему КОТЛА, разработанного мною, где применены следующие технологии:1) Трубка Ранке. (на рисунке с права от котла) За основу взята технология котлов с циркулирующим кипящим слоем, что способствует более тщательному сгоранию топлива. За счет использования «трубы Ранке» происходит разделение вихревых воздушных потоков на горячий и холодный, это позволяет несгоревшие частички топлива возвращать обратно в топливную камеру, а более горячий воздушный поток поднимающийся вверх использовать для разогревания воды до состояния пара. Разогретый пар можно использовать для небольшой паровой электро турбины .
2) Сухая возгонка древесины. Технология получения и очищения ДРЕВЕСТНОГО ГАЗА (пиролизного) разработанная Петр Григорьевичем Соболевским в 1811 году для освещения улиц (термолампами) и отопления домов. Эта технология ПРОСТА и прекрасно себя зарекомендовала, с успехом применялась несколько десятилетий для освещения крупных городов России: Москва, Санкт- Петербург, итд.Принцип действия сухой возгонки древесины понятен из этих картинок:
Принципиальная схема «термолампа»
конструкции П. Г. Соболевского (1811 г.):
1 – печь; 2 – поддувало или зольник; 3 – зольная решетка;
4 – дверцы печные; 5 – чугунный цилиндр; 6 – отверстие для загрузки
дров; 7 – пространство около цилиндра, через которое проходит пламя;
8 – дымовая труба; 9 – задвижка в трубе; 10 – конец цилиндра,
сообщенный с холодильником; 11 – холодильник; 12 – приемный сосуд
для кислоты и дегтя; 13 – сосуд, наполненный до половины водой;
14 – медная труба, пропускающая газ через воду из сосуда 12 в сосуд 13;
15 – кожаная трубка с краном, по которой очищенный газ поступает
в газгольдер; 16 – газгольдер; 17 – кожаная трубка, выводящая газ
к лампам; 18 – линия, показывающая, до какой высоты может
подняться колокол газгольдера; 19 – отводная трубка для отвода
излишнего газа.1) Создание реактивной тяги в печи .
а) Смысл технологии реактивной тяги в печи сводится к подводу охлажденного воздуха в зону горения. Для этого воздух в поддувало через трубу подводят из колодца или охлаждают прогоняя через более холодные слои земли, это способствует более интенсивному и жаркому горению топлива.
б) Создание вихревых потоков. В поддувало печи подводится воздух не с одной стороны, с двух противоположных сторон - это создает эффект «сквозняка» собственно - это и есть вихревой поток. Этот метод применяли в древнем городе Аркаиме.
С каждым годом подорожание отопления заставляет искать более дешевые способы обогрева жилой площади в холодную пору года. Особенно это относится к тем домам и квартирам, которые имеют большую квадратуру. Одним из таких способов экономии является вихревой . Он имеет массу преимуществ, а также позволяет экономить на создании. Простота конструкции не затруднит его сбор даже у новичков. Далее рассмотрим преимущества такого способа отопления, а также попытаемся составить план-схему по сбору теплогенератора своими руками.
Теплогенератор – это специальный прибор, основная цель которого вырабатывать тепло, путем сжигания, загружаемого в него, топлива. При этом вырабатывается тепло, которое затрачивается на обогрев теплоносителя, который уже в свою очередь непосредственно выполняет функцию обогрева жилой площади.
С тех пор генераторы, конечно же, модифицировались и способны обогревать гораздо больше площади, нежели это было 250 лет назад.
Принципиальным критерием, по которому генераторы отличаются друг от друга, является загружаемое топливо. В зависимости от этого выделяют следующие виды
:
- Дизельные теплогенераторы – вырабатывают тепло в результате сгорания дизельного топлива. Способны хорошо обогревать большие площади, но для дома их лучше не использовать в силу наличия выработки токсичных веществ, образуемых в результате сгорания топлива.
- Газовые теплогенераторы – работают по принципу непрерывной подачи газа, сгорая в специальной камере который также вырабатывает тепло. Считается вполне экономичным вариантом, однако установка требует специального разрешения и соблюдения повышенной безопасности.
- Генераторы, работающие на твердом топливе – по конструкции напоминают обычную угольную печь, где имеется камера сгорания, отсек для сажи и пепла, а также нагревательный элемент. Удобны для эксплуатации на открытой местности, поскольку их работа не зависит от погодных условий.
- – их принцип работы основывается на процессе термической конверсии, при которой пузырьки, образуемые в жидкости, провоцируют смешанный поток фаз, увеличивающий вырабатываемое количество тепла.