Как изготовить вихревой тепловой генератор потапова своими руками. Устройства на эффекте ранка

Изобретение относится к комбинированным системам для нагрева и охлаждения. Внутренняя поверхность камеры энергетического разделения выполнена со спиралью. Толщина спирали составляет (0,05-0,3)D, где D - диаметр внутренней поверхности камеры энергоразделения. Шаг спирали может соответствовать пространственному периоду завихренного входного потока в осевом направлении камеры, а направление навивки спирали противоположно направлению вращения входного потока. Использование изобретения позволит повысить эффективность энергетического разделения потока в вихревой трубе. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к комбинированным системам для нагрева и охлаждения и может использоваться в различных областях науки и техники, в частности в системах воздушного охлаждения (нагрева). Известна вихревая труба, содержащая камеру энергетического разделения, завихритель входного потока, диафрагму вывода охлажденного потока и дроссельный кран, установленный на выходе нагретого потока . Однако эффективность энергетического разделения потока (другими словами, холодопроизводительность) для этой трубы невелика. Наиболее близким техническим решением является вихревая труба, содержащая камеру энергетического разделения, завихритель входного потока, диафрагму вывода охлажденного потока и дроссельный кран, установленный на выходе нагретого потока . Однако эффективность энергетического разделения потока (другими словами, холодопроизводительность) для этой трубы невелика. Технический результат, который может быть получен при осуществлении изобретения, состоит в повышении эффективности энергетического разделения потока в вихревой трубе (в повышении холодопроизводительности). Этот результат достигается тем, что в вихревой трубе, содержащей камеру энергетического разделения, завихритель входного потока, диафрагму вывода охлажденного потока и дроссельный кран, установленный на выходе нагретого потока, внутренняя поверхность камеры снабжена спиралью. В частности, шаг спирали может соответствовать пространственному периоду завихренного входного потока в осевом направлении камеры, причем направление навивки спирали противоположно направлению вращения входного потока. На чертеже представлена схема вихревой трубы. Вихревая труба содержит камеру 1 энергетического разделения потока с внутренней поверхностью 2, завихритель 3, диафрагму 4 вывода охлажденного потока, дроссельный кран 5, установленный на выходе нагретого потока. На внутренней поверхности 2 камеры 1 установлена спираль 6, шаг которой соответствует пространственному периоду завихренного входного потока в осевом направлении камеры, а направление навивки спирали противоположно направлению вращения входного потока. В частности, шаг спирали может быть переменным, например, увеличиваясь с удалением от завихрителя. Толщина спирали 6 (соответствующий размер в радиальном направлении) составляет (0,05-0,3)D, где D - диаметр внутренней поверхности 2 камеры 1. В частности, сечение спирали может представлять собой круг (см. чертеж). В этом случае толщина спирали равна диаметру проволоки, из которой навита эта спираль. Работает вихревая труба следующим образом. Входной поток (от внешнего источника, на чертеже не показанного) под давлением в несколько атмосфер поступает в завихритель 3, обеспечивающий формирование закрученной (завихренной) струи в камере энергетического разделения 1. За счет эффекта Ранка в камере 1 периферийная (пристеночная) область потока нагревается, а центральная (приосевая) охлаждается. Пространственное разделение охлажденного и нагретого потоков осуществляется с помощью дроссельного крана 5 и диафрагмы 4. Отметим, что на чертеже представлена схема так называемой противоточной трубы , но возможна несколько иная компоновка, соответствующая прямоточной трубе. В периферийной области камеры 1 закрученная струя имеет спиралеобразный вид , причем шаг спирали, вообще говоря, увеличивается с удалением от завихрителя (в ряде работ вместо характеристики "шаг" используют "угол наклона спирали"). При некотором частичном перекрытии крана 5 в приосевой области камеры 1 формируется возвратный поток холодного (точнее, охлажденного) воздуха, который выходит из трубы через диафрагму 4. Проведенные эксперименты показали, что введение в вихревую трубу спирали, выполненной указанным образом, при неизменном давлении входного потока позволяет в несколько раз повысить расход воздуха через диафрагму 4 и на несколько градусов понизить температуру холодного воздуха, т.е. в несколько раз повысить холодопроизводительность вихревой трубы. При этом форма спирали и ее положение в камере 1 подбирались экспериментально. К настоящему времени этот эффект в литературе не описан, отсутствует и его теоретическое объяснение. Одна из возможных гипотез, объясняющих эффект спирали, состоит в следующем. Согласно литературным данным входной (периферийный) поток в камере 1 представляет собой свободный (или комбинированный) вихрь, у которого максимум тангенциальной скорости находится на расстоянии 0,6-0,9 R от оси камеры 1 (R - радиус внутренней поверхности 2 камеры 1, 2R=D), Поток холодного воздуха представляет собой вынужденный вихрь, диаметр которого (в зависимости от давления на входе и т.д.) составляет (0,1-0,5)D. Спираль расположена в области внешнего вихря, там, где тангенциальная скорость максимальна. Этот вихрь (его ось) прецессирует во времени нерегулярным образом , причем направление прецессии противоположно направлению вращения вихря. Соответственно, направление прецессии совпадает с направлением навивки спирали. В результате взаимодействия вихря со спиралью прецессия в определенной мере стабилизируется в пространстве и времени. При этом улучшаются условия для разделения потоков холодного и горячего воздуха. Помимо этого, возможно, что при указанных параметрах и ориентации спирали происходит более интенсивный обмен турбулентными "микровихрями" между периферийным и приосевым потоками воздуха, в частности, за счет генерации "микровихрей" определенного размера. Все это в совокупности приводит к повышению эффективности переноса тепла от приосевого (холодного) потока к периферийному (горячему) потоку, т.е. к дополнительному охлаждению приосевого потока. Таким образом, введение спирали указанной формы позволяет повысить холодопроизводительность вихревой трубы. Источники информации 1. Меркулов А.П. Вихревой эффект и его применение в технике. М.: Машиностроение, 1969. - 184 с. 2. Гуцол А.Ф. Эффект Ранка. Успехи физических наук, 1997. - Том 167, 6. - С.665-687. 3. Патент РФ 2067266, кл. F 25 B 9/02, 1996. 4. Патент РФ 2170892, кл. F 25 B 9/04, 2001.

Формула изобретения

1. Вихревая труба, содержащая камеру энергетического разделения, завихритель входного потока, диафрагму вывода охлажденного потока и дроссельный кран, установленный на выходе нагретого потока, отличающаяся тем, что внутренняя поверхность камеры снабжена спиралью, причем толщина спирали составляет (0,05-0,3)D, где D-диаметр внутренней поверхности камеры энергетического разделения. 2. Вихревая труба по п. 1, отличающаяся тем, что шаг спирали соответствует пространственному периоду завихренного входного потока в осевом направлении камеры, а направление навивки спирали противоположно направлению вращения входного потока.

Вихревые трубы.

Принцип работы вихревой трубы базируется на вихревом эффекте. Сущность вихревого эффекта заключается в снижении температуры в центральных слоях закрученного потока газа (свободного вихря) и повышении температуры периферийных слоев. При соответствующей конструкции устройства, вихрь газа удается разделить на два потока: с пониженной и повышенной температурами .

В настоящее время достаточно широко распространены системы тепло- и холодопроизводства на базе парокомпрессионных холодильных машин - чиллеров. Установки на базе вихревой трубы имеют ряд преимуществ по отношению к чиллерам:

1. Главным преимуществом систем на базе вихевой трубы является отсутствие каких-либо хладагентов и теплоносителей .

В настоящее время все вещества, используемые в качестве хладагента в холодильных машинах, имеют повышенную текучесть. К примеру, нормируемая утечка фреона в год около 6-8 % от общего количества. Незначительные дефекты соединений, микротрещины, а также сильные перепады температуры окружающей среды, ведут к дополнительным утечкам хладагента. Утечки данных веществ наносят существенный урон здоровью человека и экологии планеты.

Вещества, используемые в качестве теплоносителей, чаще всего являются ядовитыми, вследствии чего они также составляют опасность для человека.

2. Конструкция вихревой трубы является простой , что приводит к уменьшению трудоемкости изготовления, а также монтажа и обслуживания.

3. Отсутствие подвижных частей в конструкции вихревой трубы значительно повышает надежность холодильно-нагревательной системы в целом.

4. Удобство компоновки . Все оборудование является достаточно компактным и легким. Система в целом состоит из отдельных узлов, которые могут быть размещены в различных местах в любом положении.

5. Возможность охлаждения и нагрева газа при помощи одной системы .

6. Вихревая труба является малоинерционным агрегатом . Время выхода вихревой трубы на номинальный режим работы после подачи сжатого газа на вход составляет несколько секунд. Это обстоятельство позволяет с высокой точностью и практически мгновенно регулировать тепловой режим работы любой системы.

Возможная сфера применения вихревых аппаратов достаточно широка и включает в себя практически все отрасли промышленности и народного хозяйства. Устройства на базе вихревых труб практически не оставляют альтернативы при наличии уже установленного источника сжатого газа. Ниже перечислены некоторые области применения вихревых труб.

1. Промышленные холодильно-нагревательные установки .

2. Холодильные установки пищевой промышленности и торговли .

3. Отопление и кондиционирование помещений .

4. Тепловые насосы .

5. Криотехника .

Хотя вихревые трубы изначально создавались как холодильно-нагревательные устройства, их также можно использовать в некоторых других областях, таких как очистка жидкостей и газов, разделение жидкостей и газов на фракции и т.д.

Технические возможности.

Заметили, что цена отопления и горячего водоснабжения выросла и не знаете, что с этим делать? Решение проблемы дорогих энергоресурсов - это вихревой теплогенератор. Я расскажу о том, как устроен вихревой теплогенератор и каков принцип его работы. Также вы узнаете, можно ли собрать такой прибор своими руками и как это сделать в условиях домашней мастерской.

Немного истории

Вихревой тепловой генератор считается перспективной и инновационной разработкой. А между тем, технология не нова, так как уже почти 100 лет назад ученые думали над тем, как применить явление кавитации.

Первая действующая опытная установка, так-называемая «вихревая труба», была изготовлена и запатентована французским инженером Джозефом Ранком в 1934 году.

Ранк первым заметил, что температура воздуха на входе в циклон (воздухоочиститель) отличается от температуры той же воздушной струи на выходе. Впрочем, на начальных этапах стендовых испытаний, вихревую трубу проверяли не на эффективность нагрева, а наоборот, на эффективность охлаждения воздушной струи.

Технология получила новое развитие в 60- х годах двадцатого века, когда советские ученые догадались усовершенствовать трубу Ранка, запустив в нее вместо воздушной струи жидкость.

За счет большей, в сравнении воздухом, плотности жидкой среды, температура жидкости, при прохождении через вихревую трубу, менялась более интенсивно. В итоге, опытным путем было установлено, что жидкая среда, проходя через усовершенствованную трубу Ранка, аномально быстро разогревалась с коэффициентом преобразования энергии в 100%!

К сожалению, необходимости в дешёвых источниках тепловой энергии на тот момент не было, и технология не нашла практического применения. Первые действующие кавитационные установки, предназначенные для нагрева жидкой среды, появились только в середине 90-х годов двадцатого века.

Череда энергетических кризисов и, как следствие, увеличивающийся интерес к альтернативным источникам энергии послужили причиной для возобновления работ над эффективными преобразователями энергии движения водяной струи в тепло. В результате, сегодня можно купить установку необходимой мощности и использовать ее в большинстве отопительных систем.

Принцип действия

Кавитация позволяет не давать воде тепло, а извлекать тепло из движущейся воды, при этом нагревая ее до значительных температур.

Устройство действующих образцов вихревых теплогенераторов внешне несложное. Мы можем видеть массивный двигатель, к которому подключена цилиндрическое приспособление «улитка».

«Улитка» - это доработанная версия трубы Ранка. Благодаря характерной форме, интенсивность кавитационных процессов в полости «улитки» значительно выше в сравнении с вихревой трубой.

В полости «улитки» располагается дисковый активатор - диск с особой перфорацией. При вращении диска, жидкая среда в «улитке» приводится в действие, за счет чего происходят кавитационные процессы:

• Электродвигатель крутит дисковый активатор . Дисковый активатор - это самый важный элемент в конструкции теплогенератора, и он, посредством прямого вала или посредством ременной передачи, подсоединён к электродвигателю. При включении устройства в рабочий режим, двигатель передает крутящий момент на активатор;
• Активатор раскручивает жидкую среду . Активатор устроен таким образом, что жидкая среда, попадая в полость диска, закручивается и приобретает кинетическую энергию;
• Преобразование механической энергии в тепловую . Выходя из активатора, жидкая среда теряет ускорение и, в результате резкого торможения, возникает эффект кавитации. В результате, кинетическая энергия нагревает жидкую среду до + 95 °С, и механическая энергия становится тепловой.

Сфера применения

Иллюстрация	Описание сферы применения
	Отопление . Оборудование, преобразующее механическую энергию движения воды в тепло, с успехом применяется при обогреве различных зданий, начиная с небольших частных построек и заканчивая крупными промышленными объектами. Кстати, на территории России уже сегодня можно насчитать не менее десяти населённых пунктов, где централизованное отопление обеспечивается не традиционными котельными, а гравитационными генераторами.
	Нагрев проточной воды для бытового использования . Теплогенератор, при включении в сеть, очень быстро нагревает воду. Поэтому такое оборудование можно использовать для разогрева воды в автономном водопроводе, в бассейнах, банях, прачечных и т.п.
	Смешивание несмешиваемых жидкостей . В лабораторных условиях, кавитационные установки могут использоваться для высококачественного перемешивания жидких сред с разной плотностью, до получения однородной консистенции.

Интеграция в отопительную систему частного дома

Для того, чтобы применить теплогенератор в отопительной системе, его в нее надо внедрить. Как это правильно сделать? На самом деле, в этом нет ничего сложного.

Перед генератором (на рисунке отмечен цифрой 2) устанавливается центробежный насос (на рисунке - 1), которой будет поддавать воду с давлением до 6 атмосфер. После генератора устанавливается расширительный бак (на рисунке - 6) и запорная арматура.

Преимущества применения кавитационных теплогенераторов

Достоинства вихревого источника альтернативной энергии
	Экономичность . Благодаря эффективному расходованию электричества и высокому КПД, теплогенератор экономичнее в сравнении с другими видами отопительного оборудования.
	Малые габариты в сравнении с обычным отопительным оборудованием сходной мощности . Стационарный генератор, подходящий для отопления небольшого дома, вдвое компактнее современного газового котла. Если установить теплогенератор в обычную котельную вместо твёрдотопливного котла, останется много свободного места.
	Небольшая масса установки . За счет небольшого веса, даже крупные установки высокой мощности можно запросто расположить на полу котельной, не строя специальный фундамент. С расположением компактных модификаций проблем вообще нет. Единственно, на что нужно обратить внимание при монтаже прибора в отопительной системе, так это на высокий уровень шума. Поэтому монтаж генератора возможен только в нежилом помещении - в котельной, подвале и т.п
	Простая конструкция . Теплогенератор кавитационного типа настолько прост, что в нем нечему ломаться. В устройстве небольшое количество механически подвижных элементов, а сложная электроника отсутствует в принципе. Поэтому вероятность поломки прибора, в сравнении с газовыми или даже твердотопливными котлами, минимальна.
	Нет необходимости в дополнительных доработках . Теплогенератор можно интегрировать в уже существующую отопительную систему. То есть, не потребуется менять диаметр труб или их расположение.
	Нет необходимости в водоподготовке . Если для нормальной работы газового котла нужен фильтр проточной воды, то устанавливая кавитационный нагреватель, можно не бояться засоров. За счет специфических процессов в рабочей камере генератора, засоры и накипь на стенках не появляются.
	Работа оборудования не требует постоянного контроля . Если за твёрдотопливными котлами нужно присматривать, то кавитационный обогреватель работает в автономном режиме. Инструкция эксплуатации устройства проста - достаточно включить двигатель в сеть и, при необходимости, выключить.
	Экологичность . Кавитационные установки никак не влияют на экосистему, ведь единственный энергопотребляющий компонент - это электродвигатель.

Схемы изготовления теплогенератора кавитационного типа

Для того чтобы сделать действующий прибор своими руками, рассмотрим чертежи и схемы действующих устройств, эффективность которых установлена и документально зарегистрирована в патентных бюро.

Иллюстрации	Общее описание конструкций кавитационных теплогенераторов
	Общий вид агрегата . На рисунке 1 показана наиболее распространенная схема устройства кавитационного теплогенератора. Цифрой 1 обозначена вихревая форсунка, на которой смонтирована камера закрутки. С боку камеры закрутки можно видеть входной патрубок (3), который присоединён к центробежному насосу (4). Цифрой 6 на схеме обозначены впускные патрубки для создания встречного возмущающего потока. Особо важный элемент на схеме - это резонатор (7) выполненный в виде полой камеры, объем которой изменяется посредством поршня (9). Цифрой 12 и 11 обозначены дроссели, которые обеспечивают контроль интенсивности подачи водных потоков.
	Прибор с двумя последовательными резонаторами . На рис 2 показан теплогенератор, в котором резонаторы (15 и 16) установлены последовательно. Один из резонаторов (15) выполнен в виде полой камеры, окружающей сопло, обозначенное цифрой 5. Второй резонатор (16) также выполнен в виде полой камеры и расположен с обратного торца устройства в непосредственной близости от входных патрубков (10) подающих возмущающие потоки. Дроссели, помеченные цифрами 17 и 18, отвечают за интенсивность подачи жидкой среды и за режим работы всего устройства.
	Теплогенератор с встречными резонаторами . На рис. 3 показана малораспространённая, но очень эффективная схема прибора, в котором два резонатора (19, 20) расположены друг напротив друга. В этой схеме вихревая форсунка (1) соплом (5) огибает выходное отверстие резонатора (21). Напротив, резонатора, отмеченного цифрой 19, вы можете видеть входное отверстие (22) резонатора под номером 20. Обратите внимание на то, что выходные отверстия двух резонаторов расположены соосно.

Иллюстрации	Описание камеры закрутки (Улитки) в конструкции кавитационного теплогенератора
	«Улитка» кавитационного теплогенератора в поперечном разрезе . На этой схеме можно видеть следующие детали: 1 - корпус, который выполнен полым, и в котором располагаются все принципиально важные элементы; 2 - вал, на котором закреплен роторный диск; 3 - роторное кольцо; 4 - статор; 5 - технологические отверстия проделанная в статоре; 6 - излучатели в виде стержней. Основные трудности при изготовлении перечисленных элементов могут возникнуть при производстве полого корпуса, так как лучше всего его сделать литым. Так как оборудования для литья металла в домашней мастерской нет, такую конструкцию, пусть и с ущербом для прочности, придётся делать сварной.
	Схема совмещения роторного кольца (3) и статора (4) . На схеме показано роторное кольцо и статор в момент совмещения при прокручивании роторного диска. То есть, при каждом совмещении этих элементов мы видим образование эффекта, аналогичного действию трубы Ранка. Такой эффект будет возможен при условии, что в агрегате, собранном по предложенной схеме, все детали будут идеально подогнаны друг к другу
	Поворотное смещение роторного кольца и статора . На этой схеме показано то положение конструктивных элементов «улитки», при котором происходит гидравлический удар (схлопывание пузырьков), и жидкая среда нагревается. То есть, за счёт скорости вращения роторного диска, можно задать параметры интенсивности возникновения гидравлических ударов, провоцирующих выброс энергии. Проще говоря, чем быстрее будет раскручиваться диск, тем температура водной среды на выходе будет выше.

Подведем итоги

Теперь вы знаете, что собой представляет популярный и востребованный источник альтернативной энергии. А значит, вам будет просто решить: подходит такое оборудование или нет. Также рекомендую к просмотру видео в этой статье.

Откуда «растут ноги» у вихревого смесителя

Демон Максвелла

(рисунок не мой – нашел в интернете)
Этого сторожа-швейцара окрестили физики демоном Максвелла и доказали невозможность его существования на основе постулата второго закона термодинамики. Этот постулат гласит о том, что мера энтропии (хаоса) может только возрастать (быть больше нуля) в закрытой замкнутой системе.

Трубка Ранка-Хильша

Разница температур на выходе между двумя концами трубки Ранка может достигать 80 градусов при комнатной температуре и зависит от скорости подачи воздуха, как и от геометрии трубки.
Очень скоро выяснился экспериментальный факт: внутри трубки Ранка воздух ведет себя не как квазитвердое тело, как это думали. В трубке Ранка поток разделяется на два слоя, вращающиеся в разном направлении. Слой снаружи вращается в ту сторону, куда направлен воздух первоисточник. Слой по центру вращается в противоположную сторону. Что за чудеса!

С какой это стати и перепугу?...
Попробуем порисовать...
Нарисуем опять разрез трубки Ранка. По направлению голубой стрелки подаем воздух. Тогда в том месте, где нарисован синий круг у нас появится зона пониженного давления. В сторону этой зоны будет отклоняться поток - появится завихрение.

Ну у меня это так получилось нарисовать для одного вихря, ...пусть и неказисто...
Если объединить вихри в полный цикл, то картина может выглядеть так, как на рисунке Шауберга (которая рисовалась немецким ученым не для случая трубки Ранка). Синей стрелкой я нарисовал подачу воздуха-источника. На рисунке видно, как вихрь, пробегающий по контуру трубки, усиливает вращение во внешнем слое и закручивает поток в центре в противоположном направлении.

Рисунок Шауберга с моими цветными дополнениями

Есть предположение, что аналогичная схема присутствует в природном явлении торнадо. Во всяком случае, в центре торнадо, отмечают пониженную температуру, подобно тому, как это мы видим в трубке Ранка и вращается шнур торнадо в противоположную сторону от вращения периферии. Если это так, то нам должен быть интересен факт заниженного давления в центре торнадо. Это разряжение затягивает в себя как в воронку перефирию смерча.

Ведерко Ньютона

Теоретические и практические предпосылки

1.Академик Н.Н.Семенов в 1926-1927 гг. создал тепловую теорию самовоспламенения горючих газов. При температурах, лежащих ниже температуры самовоспламенения, в газе с небольшой скоростью идёт химическая реакция, а теплоотвод через стенку в наружную среду компенсирует теплоприход от реакции. С увеличением температуры скорость реакции растёт и создаются условия, когда теплоотвод не успевает компенсировать теплоприход и развивается тепловая лавина.

2.«Опытные данные и теоретическое рассмотрение свидетельствуют о том, что при распространении пламени реакция идет в каждый момент времени в сравнительно (по сравнению с размерами камер сгорания) тонком слое - зоне реакции. В непосредственной близости от зоны реакции, также в тонком слое, происходит разогрев несгоревшей смеси. Поэтому в первом приближении распространение пламени можно представить себе так: имеются две области - несгоревшего газа и продуктов реакции, разделенные поверхностью горения, толщиной которой можно пренебрегать и рассматривать ее как геометрическую поверхность, движущуюся относительно газа с известной скоростью - нормальной скоростью распространения пламени». Зельдович Я.Б на примере реакции водорода с кислородом обнаружил три предела воспламенения, которые проиллюстрировал в виде диаграммы «давление - температура»

Рис 1.0
«Пределы воспламенения стехиометрической смеси водорода с кислородом приведены на рис. 1.0. Если начальным давлению и температуре смеси отвечает точка, лежащая справа от кривой ABCD4 то происходит воспламенение; участок AB соответствует первому, ВС - второму и CD - третьему пределам воспламенения. Область между первым и вторым пределами называют полуостровом воспламенения.»

3. «Достаточно быстрое сгорание, при котором скорость пламени достигает сотен м/сек, происходит при турбулизации газовой смеси и соответственно, при турбулизации фронта пламени. Турбулизация вызывает значительное разрастание фронта пламени, ускорение теплообмена между продуктами сгорания и исходной смесью и, соответственно, горения.»

4. Академик М. А. Стырикович описал такие установи для сжигания угля


«В топке одновременно идут три взаимосвязанных процесса: гидродинамический процесс подачи со значительными скоростями (часто в закрученном виде) потоков воздуха и угольной пыли, процесс воспламенения. Обычно горелки располагаются на двух противоположных стенах топочной камеры в несколько ярусов (см. рис. 1), так что приходится учитывать и взаимодействие отдельных горелок между собой. При таком их расположении очень трудно обеспечить равномерность температуры по всему громадному сечению топки, а любая неравномерность может привести к шлакованию ширм или конвективных поверхностей. Более равномерное распределение температуры достигается при размещении горелок тангенциально по углам топки - так, что они создают в ней общий закрученный вихрь (рис. 2). Здесь уже не только каждая отдельная горелка порождает вихревой поток, но и вся совокупность горелок образует единый вихрь. Очевидно, что такую сложную геометрию потока рассчитать и реализовать весьма непросто»

5. широкое распространение на нефтепромыслах нашли вихревые излучатели (генераторы волн давления). Внешне генератор похож на трубку Ранка, но в отличие от трубки Ранка у него нет обратного выхода, а прямой выход открытый


"Генератор представляет собой корпус с цилиндрической камерой (камерой завихрения), с тангенциальным каналом (одним или несколькими) для подачи рабочей жидкости и соплом для выхода рабочей жидкости. Генератор работает следующим образом . При подаче жидкости через тангенциальное отверстие 2 диаметром d (см. рис. 1.3) внутри камеры завихрения 3 и выходного сопла 4 генератора образуется система двух закрученных потоков. По периферии камеры движется так называемый первичный вихрь (I), имеющий в попе- речном сечении форму кольца с наружным радиусом R = D/2 и внутренним rm. Этот поток состоит из рабочей жидкости, подаваемой в генератор. Приосевую область вихревой камеры занимает вторичный вихрь (II), вращающийся как квазитвёрдое тело. Он образуется вследствие вовлечения в движение первичным потоком жидкости из окружающей среды, в которую происходит истечение жидкости из генератора. Опыт показывает, что в случае незатопленного истечения струи жидкости (например, при истечении её в газообразную среду) движение устойчиво и пульсации давления и скорости в потоке отсутствуют. Если же истечение закрученной струи затопленное, т.е. рабочая жидкость в вихревой камере и вещество окружающей среды имеют одну и ту же физическую природу, то в потоке генерируются регулярные пульсации давления, частота и амплитуда которых зависит от скорости истечения и геометрических параметров камеры завихрения, её конструкции и формы сопла. В окружающей среде пульсации давления фиксируются как звук дискретного тона и значительной интенсивности."
"Причиной звуковых колебаний является прецессионное вращательное движение вторичного вихря"

Вихревой шнур

Существенную роль в ВС играет степень турбулентности, которую можно оценить числом Рейнольдса.
Re=v*L/n
Где
Re – безразмерное число Рейнольдса,
v- скорость потока
L- характерный линейный размер
n - кинетическая вязкость
Когда Re > 2320 движение идет с образованием завихрений.
Если принять n= 0.0015м2\с для воздуха при Т=270К
L=0.23м, то получим скорость при которой начинается турбулентность
v=0.15м\с.
Если скорость подачи через вихревое сопло-щель > 0.15м\с при данных допущениях, то ламинарный поток начинает переходить в турбулентный. Этого, правда, еще недостаточно, чтоб активно проявился вихревой эффект. Для этого, поток должен обладать достаточной скоростью, чтобы образовался вихрь диаметром сравнимым с радиусом ВС (за радиус ВС принимаем наименьшее расстояние от центра ВС до внутренней поверхности стенки ВС).
Сделаем небольшие оценки.
Согласно шкале Фудзиты-Пирсона, минимально возможным вихрем в природе являются вихри с линейной скоростью v при вращении воздуха в воронке порядка 18 м\с. Давайте рассмотрим такую схему:

Рис. расположение ВС для появления вихревого шнура, рисунок в плане. 1 – топливник, 2 –вихревое сопло, 3 – ВС

Примем размеры топливника 250 х 500 х 600.
Вихревую щель в узком месте возьмем 10 мм, высотой 124 мм.
Пусть имеется у печи дымовая труба цилиндрической формы d= 120.
Оценим скорость в трубе обычным диапазоном 2-8м\с.
Тогда скорость в узком месте сопла из уравнения струи будет оценена в диапазоне:
Vmin= 2*3.14*sqw(60) / (124*10) = 18 м\с
Vmax = 72 м\с
Полученный диапазон 18-72 м\с соответствует категориям F0- F3 по шкале Фудзиты-Пирсона.
Реальные турбулентности и трение в сопле могут занизить линейную скорость, но тем не менее у нас есть все теоретические предпосылки наблюдать в ВС такой конструкции небольшое торнадо с горящим шнуром по центру с соответствующими звуковыми эффектами.

Задачи получить вихревой шнур в печи не стоит. И, естественно, торнадо в бытовой печи это уже излишне, хотя и зрелищно.

Нам интересен сам факт перемешивания, турбулентности и появления зон с другим давлением и температурой, что заставляет пройти реакцию горения максимально полно.

воплощение

Также можно использовать ВС не только для КД, но и для топливника.

Рис. здесь топливо закладывается в ВС, загрузочная дверка предполагается сверху или сбоку.

Также легко ВС применяется в КС и для трубы.


Рис. Развязка перекресток для случая встречных четырех потоков. Вид в плане, труба в центре

Одно существенное замечание.

1 случай.
Если закручивать поток с внешней стороны (стороны стенки) вихревыми соплами правым винтом (смотреть если сверху, то движение против часовой стрелки), то тогда центральный поток, вращающийся по стрелке будет подниматься вверх, а на периферии опускаться вниз.

Рис. 1 случай

2 случай.
Если закручивать периферию левым винтом – по часовой стрелке, то подниматься будет внешний слой, а средний, вращаясь против часовой стрелки, будет опускаться.

Рис. 2 случай

Какая разница?
В нашей вселенной преобладает правый винт и это самая устойчивая в природе система – от структуры атома и молекулы ДНК, до вихря торнадо и скоплений звезд. Встречающиеся природные вихри Бенара, похоже, все правовинтовые.
По этой причине, когда я конструировал первые ВС, делал их с правой закруткой. Но к чему это приводит? Внутренний средний слой при таком способе начинает подниматься, а внешний – опускаться, иногда это даже приводило к тому, что дым мог отмахнуть через дверку - если ВС в топливнике. Чтоб этого не происходило, приходится идти на ухищрение и делать воздушный замок у проема- слева от дверки межфутеровочное пространство не заполняется и воздух подается на дверку.
Если реализовывать 2 способ в ВС, то преферийный слой поднимается, а центральный опускается и тогда нет никакой отмашки без всяких фокусов. И этот способ интересен еще одной особенностью - правовинтовой вихрь Бенара менее устойчив и он разрушается в зоне перехода в КС, отдавая свою энергию потоку.

ЛИТЕРАТУРА

1 Зельдович Я.Б. , Баренблатт Г.И., Либрович В.Б., Махвиладзе Г.М. Математическая теория горения и взрыва - М.: Наука, 1980
2. М.А.Стырикович. Проблемы сжигания твердого топлива в большой энергетике
3. В.И.Говоров, В.М.Плотников, Е.В.Каратай – г.Темиртау: КГИУ, 2007 г. Теоретические основы горения и взрыва (7.4. Факторы ускорения горения)
4. Н.Н. Семёнов. Цепные реакции. Л.: ОНТИ, 1934; 2-е изд. М.: Наука, 1986;
5.Неволин В.Г. Опыт применения звукового воздействия в практике нефтедобычи Пермского края. – Пермь, 2008.

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.

1. 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.
2. 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.
3. 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.
4. 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.