Вихревой эффект
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.
Физическая сущность
[править | править код]На периферии образуется закрученный поток с большей температурой, а из центра — в противоположную сторону выходит охлаждённый поток.
Газ, под высоким давлением подаваемый на вход вихревой трубы в касательном направлении, по мере расширения превращает часть своей тепловой энергии в кинетическую энергию вращения, которая затем постепенно диссипирует обратно в тепло вследствие трения о стенки трубы по мере движения потока. Теплообмен между осевым и периферическим потоками способствует выравниванию их температур, однако кинетические энергии этих потоков отличаются (на периферии как правило выше), что приводит к систематическому перетоку энергии в сторону «горячего» конца, а эффект рекуперативного теплообмена является препятствием выравниванию температур в обратном направлении.
Для терморазделения необходим не только прямой, но и обратный проход, как на рисунке.
«Движущей силой» температурного разделения является перепад давления между входом и выходами, при этом баланс энтропии системы очевидно положителен. Выходящий из «холодного» конца трубки газ может иметь температуру намного ниже температуры сжатого газа на входе (если «горячий» конец не заглушен), отведённое от него тепло уносится газом с «горячего» конца. Парадоксальное на первый взгляд появление разницы температур в изначально однородном потоке — не такое уж редкое явление в газах, объём и температура которых могут меняться по мере изменения давления в потоке.
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.
История
[править | править код]Впервые эффект открыт французским инженером Жозефом Ранком в конце 1920-х годов, когда Ранк случайно подставил руку к выходу очищенного воздуха изобретённого им ранее промышленного циклона. В конце 1931 года Ж. Ранк подал заявку на изобретенное устройство, названное им «вихревой трубой» (в литературе встречается как «труба Ранка»). Получить патент удалось 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.
Более 20 лет открытие Ранка оставалось не замеченным, пока в 1946 году немецкий физик Рудольф Хильш[нем.] не опубликовал работу об экспериментальных исследованиях вихревой трубы (нем. Die Expansion von Gasen im Zentrifugalfeld als Kälteprozeß), в которой дал рекомендации по конструированию таких устройств. С тех пор их так же называют «трубами Ранка — Хилша».
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.
См. также
[править | править код]Примечания
[править | править код]- ↑ Патент США № 1 952 281 от 27 марта 1934. Method and apparatus for obtaining from a fluid under pressure two currents of fluids at different temperatures. Описание патента на сайте Ведомства по патентам и товарным знакам США.
- ↑ Газета — Русский Гольфстрим — Энергетика и промышленность России. Дата обращения: 22 июня 2011. Архивировано 22 октября 2012 года.
- ↑ Газета — Рукотворный смерч как источник экологичного холода — Энергетика и промышленность России. Дата обращения: 22 июня 2011. Архивировано 20 июля 2014 года.
- ↑ Polihronov, J.; et al. The maximum coefficient of performance (COP) of vortex tubes (англ.) // Canadian Journal of Physics[англ.] : journal. — Vol. 93. — P. 1279—1282. — doi:10.1139/cjp-2015-0089.
Литература
[править | править код]- А. Д. Суслов, С. В. Иванов, А. В. Мурашкин, Ю. В. Чижиков. [publ.lib.ru/ARCHIVES/S/SUSLOV_A._D/Vihrevye_apparaty.(1985).%5Bdjv%5D.zip Вихревые аппараты]. — М.: Машиностроение, 1985. — 256 с.
- Меркулов А. П. Вихревой эффект и его применение в технике. — Самара: Оптима, 1997. — 184 с.
- Пиралишвили Ш.А., Поляев В.М., Сергеев М.Н. Вихревой эффект. Эксперимент, теория, технические решения. — УНЦП Энергомаш, 2000. — 412 с.
