Вихревая трубка Ранка-Хильша. Трубка ранка хилшаВихревая трубка Ранка-Хильша. - Блог clear66Экспериментальными исследованиями Ранка в 1933 г. было установлено, что вихревой поток воздуха у оси и на периферии циклона имеет различную температуру. Спутся 13 лет открытие Ранка было подтверждено Хильшем на примере вихревой трубы. В настоящее время вихревые охладители в силу простоты конструкции и эксплуатации имеют широкий диапазон применения. Охлаждающей средой, применяемой в вихревых охладителях, могут быть воздух, гелий, природные газы и др. Однако воздух является наиболее распространенным хладагентом . Вихревая труба (Рис.2 ) обычно имеет цилиндрический корпус 1, внутри которого расположена диафрагма 2. Рядом с ней тангенциально размещен патрубок - сопло 3. В противоположном (горячем) конце трубы расположен дроссельный вентиль 4. Рис2. (кликните по картинке для увеличения)Схема вихревой трубы где 1 - труба 2 - диафрагма 3 - сопло 4 - вентиль Вихревой эффект несмотря на довольно продолжительный срок исследований до сих пор не имеет единого, признанного всеми, научного объяснения. Нижеприведенная гипотеза базируется на передаче кинетической энергии в потоке завихренного воздуха. В сопло 3 подается сжатый воздух. Попадая по касательной в трубу 1 завихряется и приобретает кинетическую энергию. Воздух двигается в вихревом потоке с различной угловой скоростью. У оси трубы скорость вращения больше, чем на периферии. Поэтому внутренние слои воздуха, отдавая кинетическую энергию внешним слоям, охлаждаются до температуры tх и выходят через диафрагму 2. Нагретый до температуры tг воздух выходит через свободный конец трубы. Расход и температура воздуха регулируются дроссельным вентилем 4. Температура охлажденного воздуха зависит от его начальных параметров - давления и температуры, а также от конструкции устройства. При давлении P = 0,4...1 МПа и температуре tн = 20оС воздух может быть охлажден до конечной температуры tх = -80...0оС. Довольно простая штуковина. Запитать можно от компрессора, которым автомобилисты накачивают колеса. Компрессор питается от 12 вольт. Дает приличное давление, что-то около 3 атмосфер. Работает труба и на воде, но с более низкой эффективностью. Ватерчиллер на вихревом эффекте. Конено это ближе к экстриму. Мне кажется, такое охлаждение обойдется дешевле фреонки. Но, скорее всего, будет гораздо шумнее. Но МИНУС 80 градусов! overclockers.ru Древние тюрки и трубка РанкеКто такие древние тюрки, думаю, объяснять не надо. Это народы, заселявшие Великую степь во времена Тюркского Каганата, а может и раньше - во времена Империи Гуннов, и, видимо, позже - во времена Монгольской Империи. Объединяла их общая языковая группа, кочевые традиции и Великий шелковый путь. В расовом плане состав тюрок достаточно разнообразен: монголоиды, европеоиды и смеси в различных пропорциях.Теперь о трубке Ранке. Работая над совершенствованием циклонов для очистки газов от пыли, французский инженер Джозеф Ранке заметил, что струя газа, выходящая из центра циклона, имеет более низкую температуру, чем исходный газ, подаваемый в циклон. Уже в конце 1931 г. Ранке подаёт заявку на изобретенное устройство, названное им "вихревой трубой". Но получить патент ему удаётся только в 1934 г., и то не на родине, а в Америке (Патент США № 1952281).Так вот, есть основания предполагать, что эффект, открытый Джозефом Ренке в 1931 году бых хорошо известен древним тюркам и широко ими использовался. Во всяком случае так считает автор статьи: http://www.technicamolodezhi.ru/rubriki_tm/203/2155Вот часть строки из Корана [3:113(117)] (в переводе И.Ю. Крачковского, 1963): «То, что они тратят... подобно вихрю, в котором холод: он поразил посев людей...».По свидетельствам арабских путешественников VII в. вдоль Великого шелкового пути на расстоянии в 12-15 км друг от друга были созданы колодцы, в каждом из которых имелось воды, в количествах достаточных, чтобы напоить караван в 150 - 200 верблюдов. Авторы записок создателями колодцев называют китайцев и их инженеров. В VII в., во время правления династии Тан, Тюркский каганат был частью Китайской империи. "Сам колодец был наполовину своей высоты вкопан в грунт. Путешественники спускались за водой по лестницам - а таких спусков было несколько - на отмостки и черпали воду. В центре углубления для скопившейся воды возвышалась аккуратно выложенная высоким конусом груда камней (конденсатор?!). Арабы свидетельствуют, что и скопившаяся вода, и воздух на уровне отмостков были на удивление холодными, хотя снаружи колодца стояла убийственная жара. Нижняя тыльная часть камней в груде была влажной, а на ощупь камни были холодными." К сожалению автор не приводит первоисточников, но делает вывод, что единственный возможный способ охлаждения и конденсации воды из горячего воздуха - использование эффекта Ране, поторый родится еще только через полторы тысячи лет. На рисунках автор реконструирует устройство таких колодцев. Реконструкция колодцев Великого шелкового пути Накопление воды в колодце Конструкция верхней части колодца "Высота здания колодца, включая его вкопанную часть, составляла 6-8 м при диаметре здания в основании не более 6 м, но в колодце возникало и устойчиво работало вихревое образование. Охлаждающий эффект вихря использовался с очень высоким КПД. Конусная груда камней действительно исполняла роль конденсатора. Ниспадающий «холодный» осевой поток вихря отнимал тепло камней, охлаждал их. Водяной пар, содержащийся в ничтожных количествах в каждом удельном объёме воздуха, конденсировался на поверхностях камней. Таким образом в углублении колодца шёл постоянный процесс накопления воды. «Горячий» периферийный поток вихря выбрасывался наружу через входные проёмы лестничных спусков в колодец. Только этим можно объяснить наличие сразу нескольких спусков внутрь. Благодаря большой инерционности вращения вихревого образования, колодец работал круглосуточно. Вода добывалась и днём, и ночью, при этом никаких видов энергии, кроме солнечной, не использовалось. Вполне возможно, что ночью колодец работал даже интенсивнее, чем днём, поскольку температура воздуха пустыни после захода солнца падает на 30-400С, что сказывается на его плотности и влажности." beckbulat.livejournal.com Вихревое расширение газа. Эффект Ранка – ХилшаВ 1931 году французский инженер и изобретатель Жорж Жозеф Ранк подал патент на «вихревую трубу», которая использует эффект температурного разделения газового потока при его вихревом течении, обнаруженный им при измерении температуры в промышленном циклоне. Сущность эффекта заключается в том, что газ, закрученный в трубе за счет тангенциального ввода в нее, расширяется и делится на холодный поток (центральные слои) и горячий поток (периферийные слои). Осуществляется такой процесс в вихревых трубах, которые могут иметь различное конструктивное исполнение (рис.2.26, 2.27).
Х Х Г Рис.2.26. Схемы устройства вихревой трубы. Если в гладкую цилиндрическую трубу ввести по касательной (тангенциально) газ, то он образует внутри трубы вихрь. При этом происходит расширение газа, падение его давления и увеличение скорости. Далее газ выводится в осевом направлении трубы. Горячие слои газа (Г) выводятся из периферийной зоны трубы, а холодные (Х) из центральной зоны. При движении газа внутри трубы его скорость снижается до уровня скорости на входе в трубу. По схеме движения газового потока вихревые трубы делятся на: противоточные (рис. 2.26а), поточные (рис. 2.26б) и поточно-противоточные (рис. 2.26в).
Рис. 2.27. Конструкция вихревой трубы. Таким образом, µ = mx.
Процесс вихревого расширения на Т – S диаграмме изображен на рис. 2.28. Здесь – 1-2s процесс изоэн 1 (1µ) кг р2 2г тропного расширения 1 кг газа, принятый нами за эталон; 3 1-2х – процесс вихревого расширения µ кг газа холодного пото∆Тв µ кг ка; 1-2г процесс вихревого расши∆ТS 2s 2х a б (qв/µ) S рения (1-µ) кг газа горячего потока. При вихревом расширении в создании холодопроизводительности участвует только холодный поРис.2.28. Процесс вихревого расширения газа. ток, то есть меньшее количество вещества, чем при других видах расширения газа. Так, если при изоэнтропном расширении удельная холодопроизводительность процесса qs = m ⋅ C p (T1 − T2s ), то при вихревом расширении qв = µ ⋅ m ⋅ C p (T1 − T2 x ).
умноженная на µ. Если сравнить холодопроизводительность этих процессов, то мы получим отношение – адиабатный температурный КПД процесса вихревого расширения газа. ∆Тв – интегральный эффект вихревого расширения газа; ∆ТS – интегральный эффект изоэнтропного расширения газа.
η µ·η η (µ·η) в качестве генератора холода и тепла. Соотношение расходов холодного и горячего потоков можно изменить с помощью дросселя. Чем больше проходное сечение
0,2 0,4 0,6 0,8 µ ревой трубе количество тепла, полученное горячим потоком, равно количеству тепла, Рис.2.29. Характеристики вихревой трубы. отведенному от холодного потока. Согласно экспериментальным данным (рис. 2.29), максимальная холодопроизводительность вихревой трубы обычно соответствует значениям µ = 0,6…0,65. Необходимо отметить, что эта величина µ не совпадает с режимом максимального интегрального температурного эффекта, наблюдаемого при µ = 0,25…0,35. Физика процесса вихревого расширения Природа явлений, возникающих в вихревой трубе, сложна и недостаточно изучена. Ни одна из существующих гипотез, объясняющих ее, не имеет полного экспериментального подтверждения. Наибольшее распространение получила гипотеза Хилша-Фултона, согласно которой причиной возникновения вихревого эффекта является специфическое распределение тангенциальных (окружных) скоростей во вращающемся потоке газа. Сжатый газ подводится к соплу, в котором ускоряется и направляется в улитку, обеспечивающую закрутку и вход вращающегося с высокой скоростью потока в цилиндрическую трубу. При тангенциальной закрутке потока в улитке скорость потока также увеличивается. Это приводит к снижению давления (расширению газа из-за преобразования потенциальной энергии потока в кинетическую) и к снижению температуры и энтальпии – температура и энтальпия неускоренного потока на входе в камеру; Если расширившийся в сопле газ затормозить, то его энтальпия и температура вновь увеличится бы до значения i ∗ . Однако в цилиндрической трубе те чение интенсивно закрученного газа таково, что слои газа, расположенные вблизи оси, передают часть своей кинетической энергии периферийным слоям.
Рис.2.30. Эпюра распределения окружных скоростей в поперечном сечении вихревой трубы. ратуры внутренних слоев, поэтому их полная энтальпия и температура уменьшаются.
Изменение величины окружной скорости по радиусу трубы r подчиняется закону свободного вихря Cu ⋅ r = const, где Си – окружная составляющая скорости; r – радиус, на котором фиксируется скорость. Однако из данного уравнения следует, что при r→ 0, Сu → ∞, чего физически не может быть в реальном потоке газа. И, действительно, в реальном потоке газа всегда существует некое ядро потока (тонированная площадка на рис.2.30), для которого закон Cu ⋅ r = const не выполняется. Окружная скорость в ядре потока подчиняется закону вращения твердого тела Cu = r ⋅ω , где ω – угловая скорость потока. Из рассмотренного ясно, что скорость (как линейная, так и угловая) вращения центральных слоев выше, чем у периферийных. Это приводит к внутреннему трению слоев газа. За счет работы трения l центральные слои передают часть своей кинетической энергии периферийным слоям. Поэтому на выходе из улитки, когда скорость газового потока резко снижается, температура заторможенных центральных слоев оказывается более низкой, чем первоначальная на входе в вихревую трубу. Периферийные слои, получившие кинетическую энергию, напротив, имеют температуру торможения более высокую, чем первоначальная. При этом снижение кинетической энергии наружных слоев газа, происходящее за счет трения о стенки трубы, не уменьшает его полной энергии и температуры торможения. Температура периферийных слоев газа выше, чем у центральных слоев, и в вихревой трубе идет также обратный перенос тепловой энергии – от периферии к центру. Это перенос тепла q за счет теплопроводности. Однако скорость этого процесса ниже, чем у процесса передачи кинетической энергии за счет трения слоев, и поэтому за ограниченное время нахождения газа в вихревой трубе не происходит выравнивания температур газа в центральных и периферийных слоях. Таким образом, выходящая через центральное отверстие диафрагмы часть газа mх имеет температуру ∗ < t ∗ , а часть газа, выходящая по периферийной части трубы, имеет температуру t ∗ > t ∗ . г 1 Соотношение между потоками энергии, идущими от центра к периферии (l) и обратно (q), отражает формула Фултона, выведенная на основе гипотезы Хилша-Фултона
q λ где µ – динамическая вязкость газа; λ – коэффициент теплопроводности; Pr – число Прандтля. Из формулы следует, что при числе Pr ≥ 0,5 наступает явление реверса. Здесь поток тепловой энергии и поток кинетической энергии сравниваются по величине и вихревого эффекта уже не наблюдается. Поскольку Pr характеризует теплофизические свойства вещества, то вихревой эффект не следовало бы ожидать для жидкостей, где число Прандтля, как правило, значительно больше, чем 0,5. Однако данный вывод не получил экспериментального подтверждения, вихревой эффект, хотя и незначительный, наблюдается также для жидкостей. Кроме того, реверс в проведенных экспериментах на газе наступал при Pr ной мере отражает реальную физическую картину вихревого эффекта. 2.2.6. Холодильные машины, использующие процесс расширения газа Холодильные машины, использующие процессы расширения газа, отличаются большим разнообразием схем, конструкций и обратных термодинамических циклов, совершаемых рабочим телом. В большинстве случаев в таких машинах рабочее тело, совершая цикл, не претерпевает фазовых превращений. Такие машины называются газовыми холодильными машинами (ГХМ). В зависимости от целевого назначения ГХМ делятся на машины для охлаждения потребителя холода и ожижительные. Цель работы ожижительных ГХМ конденсация рабочего тела, как правило, низкотемпературного газа (азота, кислорода, гелия и др.). Часто такие машины работают в составе газоразделительных установок, где низкотемпературные газовые смеси разделяются методом ректификации. (Материал взят из книги Теоретические основы холодильной техники : монография — А. М. Ибраев, А. А. Сагдеев) studik.net |
|
||||||||||||||||||
|
|
||||||||||||||||||
|
Вход
Одна из конструкций вихревой трубы представлена на рис. 2.27. Вихревая труба состоит из сопла 1, улитки 2, цилиндрической трубы 3, диафрагмы 4, дросселя 5, состоящего из крестовины 6 и заслонки 7. Дроссель позволяет менять соотношение между массовыми потоками горячего (mг) и холодного(mх) газа. На 1 кг входящего газа приходится µ кг выходящего холодного и (1µ) кг горячего газа.
mx + mг
T р1
В Т – S диаграмме величину qв иллюстрирует площадь площадки а2х3б,
Вихревая труба может быть использована
дросселя, тем больше величина mг и меньше mх. Если вихревая труба используется в качестве генератора холода, то следует иметь в виду, что увеличение mх снижает холодильный эффект. Это объясняется тем, что в вих0,0
При этом снижение кинетической энергии не компенсируется соответствующим увеличением термодинамической темпеl q
Это явление объясняется особенностью эпюры окружной скорости Сu вращающегося в трубе потока газа (рис.2.30). По максимально упрошенной схеме движение газового потока можно представить следующим образом.
l = 2 µ ⋅ C p = 2 Pr,
