CC BY
356
Е. А. Колядин, С. В. Виноградов
ЭФФЕКТ ТЕМПЕРАТУРНОГО РАЗДЕЛЕНИЯ ГАЗОВ (ЭФФЕКТ РАНКА)
В газодинамике вихревых течений известно такое явление, как эффект Ранка (эффект Ранка - Хилша, или вихревой эффект), заключающийся в том, что в вихревых трубах достаточно простой геометрии (рис. 1) происходит разделение потока газа на два, один из которых - периферийный - имеет температуру выше температуры исходного газа, а второй -центральный - соответственно ниже.
Рис. 1. Принципиальная схема вихревых труб: а - противоточного типа, б - прямоточного типа: 1 - гладкая цилиндрическая труба; 2 - завихритель тангенциального или улиточного типа для подачи сжатого газа; 3 - дроссельный кран (дроссель, вентиль); 4 - выход горячего газа через кольцевую щель; 5 - диафрагма для выхода холодного газа
Эффект температурного разделения газов был обнаружен Ранком в 1931 г. при исследовании процесса в циклоне-пылеуловителе. После Второй мировой войны началось интенсивное экспериментальное и теоретическое исследование этого эффекта, которое не прекращается и по сей день. Техническая простота эффекта стимулирует активность изобретателей. Опираясь в своей работе в том числе и на весьма сомнительные тео-
рии или действуя эмпирически, они нашли массу способов усовершенствования первых вихревых труб, а также чрезвычайно расширили область их применения. Спектр разработанных и применяющихся устройств, в которых используется вихревой эффект, чрезвычайно широк [1, 2], а их возможности впечатляющи. Так, в лучших конструкциях, предназначенных для получения холода, температура на оси достигает приблизительно 200 °С при исходной комнатной температуре.
Вихревая труба состоит из корпуса, выполненного в виде цилиндрической или диффузорной трубы с диаметром начального сечения О0 и длиной Ь, тангенциально расположенных по отношению к корпусу вводных сопел с площадью проходного сечения ^о, диафрагмы с диаметром отверстия с1е и конического регулировочного вентиля.
Интенсивность энергетического разделения газов в вихревой трубе обычно оценивают по зависимости величин избыточных температур газа АТ1 и АТ2 от доли охлажденного потока ц. При этом
АТ = Т - Т •
1 -1 0 -1 1 ?
АТ2 = Т2 - Т,;
т=М 7М o,
где Т0, Т1, Т2 - температура торможения на входе в вихревую трубу, на выходе из нее охлажденного и горячего потоков соответственно;
М0 и Ы\ - массовые расходы исходного и охлажденного потоков газа соответственно.
Типичные экспериментальные зависимости величин АТ1 и АТ2 от относительного расхода холодного потока ц приведены на рис. 2. Обычно каждой паре кривых соответствуют определенные условия проведения экспериментов: отношение давлений газа на входе в вихревую трубу и выходе охлажденного потока из диафрагмы Р0/Рь температура газа на входе в вихревую трубу Т0, безразмерная площадь вводных сопел Ш = 42 и др.
Анализ имеющегося изобилия экспериментальных данных показывает, что всякая гипотеза, претендующая на объяснение эффекта Ранка, должна ответить на следующий принципиальный вопрос: каким образом заметная часть входящего тангенциального потока достигает центра вихря при отсутствии у нее запаса кинетической энергии и эквивалентного количества тепловой энергии. То, что кинетическая энергия центральной части вихря близка к нулю, следует непосредственно из осевой симметрии системы, но каким образом в условиях постоянного обновления центральных порций газа вблизи оси оказывается не просто заторможенный газ, но и не нагревшийся в процессе торможения - неясно. Предлагаемая гипотеза отвечает на этот принципиальный вопрос просто: в центре вихря оказываются те порции входящего потока, которые изначально имели незначительный запас кинетической энергии, а механизмом, обеспечивающим попадание в центр вихря именно этих порций, является разделение в поле центробежных сил элементов потока, имеющих разную окружную (тангенциальную) скорость.
Рис. 2. Температура газа на выходе из вихревой трубы
Поясним подробнее суть предлагаемой гипотезы. Благодаря наличию трения и турбулентности как на выходе из тангенциального сопла, так и в самой трубе, имеются элементы потока, двигающиеся с различными скоростями, т. е. имеющие разную кинетическую энергию при прочих равных параметрах. К вопросу о форме функции распределения объемов газа по величине скорости мы вернемся позднее, однако будем иметь в виду, что за счет эффекта «прилипания» при взаимодействии потока газа с неподвижной стенкой в этом распределении имеются слои с различной величиной скорости от нуля до Ктах. Представим себе, что на одном и том же радиусе во вращающемся газе (рис. 3) имеются два микрообъема, один из которых имеет положительную пульсацию окружной скорости, а другой - отрицательную. Наличие разных тангенциальных скоростей при одном и том же центростремительном ускорении приведет к разделению этих элементов: более «быстрый» удалится от центра потока, а более «медленный» сдвинется к центру. Таким образом, периферия потока будет обогащаться «быстрым» газом, а центральное ядро - «медленным». В итоге в центральной области с пониженным статическим давлением соберется заторможенный газ, который испытает, в силу низкой теплопроводности, практически адиабатическое охлаждение, расширяясь в условиях падения давления от начального давления на входе в трубу до атмосферного. На периферии же «быстрый» газ (более «быстрый», чем исходный) испытает частичное торможение о стенки, что приведет к его нагреву. Это означает, что явление температурного разделения газа аналогично эффектам, наблюдаемым при размешивании сахара в стакане с чаем: все, что движется медленнее окружающей жидкости — сахар, чаинки, пузырьки собирается в центре вихря.
Рис. 3. Формирование на входе в вихревую трубу турбулентных элементов и их разделение в поле центробежных сил: 1 - стенка трубы; 2 - тангенциальное входное сопло; 3 - профиль скорости газа на входе в вихревую трубу; 4 - микровихрь, образующийся при взаимодействии тангенциального потока с цилиндрической стенкой; 5 - микровихрь, образующийся при взаимодействии тангенциального потока с вихревым течением; 6 - элемент газа с отрицательной пульсацией скорости; 7 - элемент газа с положительной пульсацией скорости; Е - результирующая сила
Таким образом, причиной процесса энергетического разделения газа в вихревых трубах является центробежная сепарация турбулентных элементов по величине тангенциальной скорости.
Эта гипотеза позволяет качественно объяснить весь массив достоверных экспериментальных данных, опубликованных на сегодняшний день, а также объяснить некоторые особенности конструкций вихревых аппаратов.
В настоящее время вихревая техника широко внедрена в различные отрасли промышленности, широко использующие сжатый воздух в современных технологических процессах в машиностроении, судоремонте, строительстве, на предприятиях пищевой и рыбной промышленности.
Анализ современных энергетических технологий показывает, что способ преобразования тепловой энергии на основе вихревого эффекта является перспективным. Он выгодно отличается от известных устройств простотой технического выполнения и обслуживания, а также является более дешевым в промышленном производстве. Одним из перспективных типов вихревых труб является самовакуу-мирующаяся вихревая труба. По эффективности она значительно превосходит все известные охлаждающие устройства и на некоторых режимах более чем в три раза превосходит эффективность идеальной турбины при одинаковых условиях на входе и выходе. По данным
исследований в самовакуумирующейся вихревой трубе имеет место очень интенсивный процесс теплообмена, характеризующийся коэффициентом теплообмена более 500 Вт/(м2 град). Эффект высоко интенсивного теплообмена в самовакуумирующейся вихревой трубе возникает мгновенно, что с успехом применяется в технике. Вихревые трубы могут использоваться как индивидуально, так и в технологической схеме с теплообменником.
Достоинствами вихревой трубы является конструктивная простота, компактность, безопасность и надежность в эксплуатации.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Меркулов А. П. Вихревой эффект и его применение в технике. - М.: Машиностроение, 1969. - 183 с.
2. Суслов А. Д. и др. Вихревые аппараты. - М.: Машиностроение, 1985. - 235 с.
