Занимательная физика. Вихревой эффект Ранка –Хилша: холодильник без подвижных частей

  Во время учебы, будучи незелёным студентом довелось прослушать курс нетрадиционных процессов и аппаратов химической технологии. Рассказывали там много разного интересного. Среди всего прочего особенно ярко запомнился вихревой эффект или эффект Ранка-Хилша [1]: явление вихревого разделения газа на два потока: горячего и холодного газа. Чем с вами и хочу поделиться.

  Перед описанием непосредственно эффекта кратко об этом открытия. Первооткрывателем вихревого эффекта считают француза Ж.Ранка. До этого разработал циклон (аки промышленный стационарный пылесос), устройство очищающее газы от пыли под действием центробежных сил в 20-е годы прошлого века. Собственно циклон и есть прототип современного пылесоса, в этом устройстве тоже под действием центробежных сил и фильтров происходит удаление взвесей и крупных частиц пыли . Но так как теоретически объяснить вихревой эффект у Ранка не получилось, патент вихревой трубки датируется 1931- 1934 годами 2. M. G. Ranque, J. de. Phys. et Rad. [7], 4, 112 (1933). Оппоненты считали, что данный эффект противоречит второму закону термодинамики, также этому препятствовало отсутствие теории турбулентности. После войны вихревую трубку усовершенствовал и внедрял немец Рудольф Хилш, опубликовавший по данной теме работу в 1947 году 3. В США работами по охлаждающей технике на основе вихревого эффекта занимался Фултон с 1952 по 1963, основавший компанию Fulton Cryogenics 4. Также с помощью этой технологии можно проводить криогенное разделение газов, т.е. получать жидкий азот и кислород из воздуха, хотя широкого применения это не нашло. В данной статье можно найти табличку с параметрами исследованных вихревых трубок [5].

  Представьте, что у вас есть длинная трубка с тремя отверстиями, одно из которых находиться под углом к оси (по касательной к окружности). Вы подаёте через это наклонное отверстие поток сжатого газа (с высокой скоростью) в трубу. Газ начинает вращаться вдоль стенок трубки и при этом разделяется два новых потока отличных по своим термодинамическим параметрам. Вдоль стеки формируется первый поток – сжимается и нагревается, по сравнению с исходным газом, и течёт вперёд от входа газа в трубке к её выходу. Вдоль оси трубки, формируется второй поток газа отличающихся тем, обладает пониженным давлением и температурой, и он охлаждается (эффект дросселирования, все согласно 2-му закону термодинамики), и течёт назад ко входу возле которого находится второе выходное отверстие. Приведу численный пример, подаётся газ под углом в трубу с давлением 60 бар и температурой 30 градусов по Цельсию, а выходе имеете два потока, горячий газ давлением 15 бар и температурой 60 градусов по Цельсию и второй поток с давлением и температурой 1 бар и 0 ос (при соотношении расходов холодного газа и исходного 0,2). Для наглядности привожу картинки. Причем при использовании тангенциального ввода газа область 2 может занимать до половины диаметра трубки от её центра и длине до нескольких десятков диаметров трубки. Этот эффект наблюдается только для сжимающихся рабочих тел [6].

  Простым языком: вы подаёте под углом в трубку сжатый газ, а на выходе получаете два потока, горячего и холодного газа. КПД охлаждение довольно высоко, но не думаю, что оно превышает КПД процесса детандирования (о нём я ёще расскажу). Эффект тем сильнее чем длиннее трубка и выше давление газа. Т.е. имея сжатый газ можно получить холодильник и нагреватель в одном комплекте без электрических и движущихся механических частей. Когда такое видишь, вживую вспоминаются слова старого фантаста: «Хорошо развитая технология неотличима от магии». Из недостатков: высокий уровень шума (в немецкой википедии приводят для одной из вихревых трубок такие данные: 3 кГц и 120 дБ при разнице температур выше 40 градусов) и возможность возникновения вибраций.
  Соотношения потоков входящего, холодного и горячего газов можно оценить теоретически, например, рассчитав диаметры выходных отверстий. Также регулировать параметры газов можно меняя точки ввода и отбора газов. В литературе по данной тематике (Меркулов А.П. Вихревой эффект и его применение в технике) приводят такой диапазон соотношений холодного и входящего газа α = 0.2 – 0.8, соответственно при меньшем значении перепад температур выше. В то время как эффективность охлаждения достигает наибольших значений при 0.5 – 0.6. Вообще, кажется удивительным, как центральный поток газа теряет свою температуру и кинетическую энергию.
  Разделение газа на внутренний холодный и внешний горячий газ происходит под действием центробежных сил. Энергия давления газа, входящего в трубку, переходит в кинетическую энергию завихрения, а затем в тепловую за счёт трения о стенку. А газ в трубку с меньшей скоростью перемещается в центр, где по мнению автора гипотезы он испытывает в некотором приближении адиабатическое расширение и соответственно охлаждается.

То есть явление температурного разделения газах аналогично эффектам, наблюдаемым при размешивании сахара в стакане с чаем: всё что движется медленнее окружающей жидкости - сахар, чаинки, пузырьки - собирается в центре жидкости.

  Причем разряжение вдоль оси трубки ближе к входу газа в трубку сильнее по сравнению с давлением на её выходе, что и обуславливает противоток холодного внутреннего (приосевого) газа к горячему внешнему (пристенному) газу. Происходит подсос газа от стенок у выхода из трубки в области высокого давления к оси трубки в область пониженного давления у входа в трубку.

  Актуальна данная идея как для нефетгазодобычи, так и в других областях. В качестве примера достаточно просто поискать патенты по теме «вихревой эффект», можно найти десятки применений, в качестве холодильников, аппаратной косметологии ( 136 339 U1), огнетушителей (94 007 117 A1), очистки от паров воды (2 579 722 C2)и даже выработки электроэнергии для слаботочной электроники (2 479 073 C2) (картинка и текст ниже).

Изобретение относится к устройствам, работа которых основана на эффектах Ранка -Хилше, Пельтье, Зеебека, и может быть использовано для нагрева/охлаждения газа или жидкости, а также получения электроэнергии для питания слаботочной аппаратуры.

Выводы:
На основе вихревого эффекта Ранка-Хилша можно создать устройства для охлаждения или подогрева газа, на производствах не имеющих недостатка в сжатом газе, не прибегая к сложных технических ухищрениям и в отсутствие подвижных механических частей. К недостаткам можно отнести высокий шум порядка 120 дБ, вызванный высокими предзвуковыми скоростями истекания газа. Эффект довольно сложно объяснить теоретически. По одной из гипотез это связано с сжиманием и расширением газа в вихревой трубке под действием центробежных сил.

Спасибо за внимание. Статья написана для биржи тем, этим блогером, и я думаю он не обидеться если вы на него подпишитесь. В общем вступайте в мои ряды и со мною будет сила!

Источники:

1. А.Ф. Гуцол Эффект Ранка. Успехи физических наук. Т.167. №6 1997.
   2.G. Ranque: Expériences sur la Détente Giratoire avec Productions Simultanées d'un Echappement d'air Chaud et d'un Echappement d'air Froid. In: J. de Physique et Radium 4(7)(1933) 112S
2. Review of Scientific Instruments 18, 108 (1947); doi: http://dx.doi.org/10.1063/1.1740893
   4.http://www.freepatentsonline.com/3208229.html
3. А.М. Белоусов, И.Х. Исрафилов. Вихревая труба Ранка-Хилша как перспективное устройство получения низких температур Научный журнал НИУ ИТМО. Серия «Холодильная техника и кондиционирование» № 2, 2014
4. R. T. Balmer: Pressure-driven Ranque-Hilsch temperature separation in liquids. In: Trans. ASME, J. Fluids Engineering 110, Juni 1988, S. 161–164.