СОВРЕМЕННОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭФФЕКТА РАНКА-ХИЛША

Введение. Вихревой эффект, или эффект Ранка-Хилша, состоит в том, что при подаче сжатого газа или жидкости на вход вихревой трубы достаточно простой геометрии и последующей его закрутке в камере энергоразделения, происходит разделение газа на фракции, что позволяет получить «самопроизвольно» разделённые воздушные вихри: холодный осевой и горячий периферийный, причем вращения происходят в противоположные стороны. Уникальность этого эффекта состоит в том, что он противоречит законам физики: как известно, тёплые слои газа или жидкости должны подниматься вверх, так как имеют меньшую плотность, а в случае центробежных сил – стремиться к центру, более холодные, имея большую плотность, стремятся к периферии, а в случае эффекта Ранке, все происходит наоборот.

История открытия. В 1931 году Ж. Ранком был открыт вихревой эффект при исследовании процесса изменения температуры в промышленном циклоне-пылеуловителе [1]. В сороковых годах прошлого столетия немецкий исследователь Рудольф Хилш усовершенствовал и внедрил в промышленность вихревую трубку. Именно в честь этих исследователей был назван эффект Ранка-Хилша. После Второй мировой войны началось интенсивное теоретическое и экспериментальное исследование этого эффекта. Вызванный интерес связан с технической простотой эффекта. Стоит заметить, что исследования носили случайный характер из-за отсутствия теории, бесспорно объясняющей, впечатляющий эффект. Опираясь в своих работах на неподтвержденные теории или двигаясь интуитивно, исследователи смогли усовершенствовать первые вихревые трубки, а также им удалось, в связи с впечатляющими возможностями, расширить область их применения: так удалось достигнуть температуры на оси приблизительно -200°С при исходной комнатной температуре [2].

Основные понятия гидродинамики вихревых потоков и характеристики вихревых труб. Элементарным примером вихревого движения жидкости является вращение всего объема, как твердого тела вокруг некоторой оси с постоянной угловой скоростью, где скорость кругового движения и радиус оси вращения описывается формулой:

.

Такое движение называется квазитвердым вращением или вынужденным вихрем [3]. В этом случае «завихренность» и «циркуляция скорости» Г зависит от выбранного контура интегрирования:

.

Такое движение может привести к адиабатическому сжатию внешних слоев и разряжению внутренних и образовать температурное разделение газа по радиусу, что напоминает эффект Ранка, однако, учитывая тот факт, что в вихревых трубках процесс непрерывен, это объяснение эффекта Ранка нельзя считать приемлемым.

Другим видом вращения жидкости является «свободный» или «потенциальный» вихрь, для которого формула циркуляции выглядит иначе:

При этом величина циркуляции постоянна для любого замкнутого контура, охватывающего ось вращения, и равна нулю для любого другого контура [3]. Причиной возникновения свободных вихрей являются законы сохранения момента импульса и механической энергии, поэтому для свободных вихрей характерно распределение жидкости, возникающее в связи с достаточно быстрым изменением молекулами газа или жидкости радиуса своего вращения. Поскольку при радиусе, стремящимся к нулю, скорость вращения жидкости или газа должна неограниченно возрастать, это характерно случаям, когда в центре вихря жидкость или газ отсутствуют.

Так же для исследования сущности эффекта Ранка, рассматривали вихри Рэнкина − плоские течения, промежуточные между свободными и вынужденными вихрями, в которых распределение скорости имеет вид [4]:

Где C и r₀ – константы, определяющие интенсивность вихря и радиальную координату, условно разделяющую свободный и вынужденный вихри, рассматриваемые ранее.

Это основные модели течений, использовавшиеся для математического описания движения газа и жидкости в вихревых трубах.

Однако, в случае трубки Ранка, следует представить особенности закрутки трехмерных течений в цилиндрических каналах. Для этого рассмотрим длинную трубку, в закрытом конце которой расположен завихритель. Стоит заметить, что в вихревых трубах используются исключительно тангенциальные и улиточные, это связано с образованием центральной зоны обратного течения вокруг завихрителя, радиус которого составляет около половины радиуса трубы завихрителя, а длина при интенсивной закрутке потока может быть в десятки раз больше диаметра трубы [5]. Наукой установлено, что по мере движения интенсивно вращающегося газа вдоль трубы его тангенциальная скорость в связи с торможением о стенки падает и, как следствие, при малой скорости поступательного давления, радиальный перепад давления стремительно уменьшается, что приводит к возникновению на оси трубы отрицательного градиента давления, который и порождает обратное течение.

Наиболее признанная теория. Наибольшее развитие и признание у практиков получила теория [4, 5, 6], объясняющая процесс температурного разделения газа в вихревой трубе существованием интенсивных турбулентных пульсаций в радиальном направлении. Согласно этой теории, источником механической энергии циклов является турбулентность [6]. При этом общая картина течения в вихревой трубе представляется в виде двух вихрей: внешнего, распространяющегося от завихрителя к дросселю, и внутреннего – приосевого, двигающегося от дросселя к диафрагме. Во внешнем вихре зависимость скорости вращения ϑ∙от радиуса r приблизительно описывается законом потенциального вихря, который отражает сохранение момента импульса вихревого потока. С учетом того, что такой закон вращения при наличии вязкости подразумевает возникновение касательных напряжений, которые должны тормозить внутренние слои и ускорять внешние, многие ученые видели именно в этом причину передачи энергии от внутренних слоев к внешним и именно этим объясняли существование эффекта температурного разделения газа на фракции в вихревых трубках. Более подробное рассмотрение сил, действующих на жидкость в свободном вихре, показывает, что силы вязкости, ускоряющие движение со стороны меньшего радиуса, и, тормозящие со стороны большего радиуса равны по модулю [5]. Это означает, что скорость в рассматриваемом элементе будет оставаться постоянной, а, следовательно, передача кинетической энергии в радиальном направлении в потенциальную не происходит. Осевой градиент давлений заставляет жидкость изменить свою осевую скорость на обратную и турбулизоваться. Возникающий обратный приосевой поток закручивается при своем движении все более интенсивным свободным вихрем. То есть кинетическая энергия вращения передается от внешнего свободного вихря к внутреннему вынужденному, а перенос тепловой энергии в обратном направлении осуществляется благодаря радиальным пульсациям в условиях высокого градиента статического деления.

Основные противоречия в возникновении такой картины течения: во-первых, как известно, наличие касательных напряжений в вязкой жидкости должно приводить к переходу кинетической энергии в тепловую; во-вторых, известно, что скорость распространения тепла из турбулентной струи превышает скорость распространения количества движения, и что адиабатическое перемещение газовых объемов в поле с градиентом давления приводит к установлению соответствующего поля температур [7]. Однако одновременное этих двух соображений невозможно, так как второе из приведенных соображений требует адиабатичности, а первое – интенсивного теплообмена.

Развитие эффекта Ранка-Хилша на сегодняшний день. В связи с простотой устройства изобретательский интерес в этой области к сегодняшнему дню, угас, однако, отсутствие понятной теории, объясняющей этот эффект, искушает ученых создать на базе вихревой трубки вечный двигатель второго рода и опровергнуть второе начало термодинамики. Недавно был продемонстрирован новый подход к объяснению эффекта Ранка, который одновременно является простым в объяснении и представляется продуктивным в действии, поскольку позволяет сделать, помимо качественных выводов, количественные оценки относительно процессов, происходящих в вихревых трубках.

Новый подход в объяснении эффекта Ранка-Хилша. В объяснении эффекта Ранка существует относительно новый подход, который дает ответ на следующий волнующий величайшие умы вопрос: каким образом большая часть вводимого тангенциального потока газа достигает центра вихря без огромного количества тепловой энергии и без имевшегося у нее запаса кинетической энергии. Согласно рассматриваемой гипотезы, на оси вихря оказывается порции входящего потока, имеющие изначально незначительный запас кинетической энергии, а механизмом, обеспечивающим попадание в центр вихря непосредственно этих порций, является разделение в поле центробежных сил элементов потока, имеющих разную тангенциальную скоростью [8]. На одном и том же радиусе во вращаемся газе имеются два микрообъёма, у одного из которых положительно пульсирует окружная скорость, а у другого − отрицательно. Наличие разных тангенциальных скоростей при одном и том же центростремительном ускорении приводит к разделению элементов на более быстрые, которые удаляются от центра потока, и на более медленные, сдвигающиеся к центру. Из вышесказанного можно сделать вывод, что новая теория, объясняющая эффект Ранка, отличается причиной возникновения процесса энергетического разделения газа в вихревых трубах, где ею служит центробежная сепарация турбулентных элементов по величине тангенциальной скорости. Эта гипотеза позволяет объяснить весь массив экспериментальных данных об особенности вихревых аппаратов, опубликованных на сегодняшний день.

Сформулируем принципиальные выводы из новой гипотезы, объясняющей эффект Ранка, которые можно сделать, приняв рассматриваемую гипотезу за рабочую. Первый вывод. Охлаждение центрального потока является результатом протекания нескольких процессов – центробежной сепарации заторможенных элементов и их адиабатического расширения. Стоит заметить, что, в случае несжимаемой жидкости энергетическое разделение будет иметь место в гораздо меньшем масштабе [9]. Второй вывод. Турбулентность в вынужденный вихрь превозносится из неоднородного входящего тангенциального потока [5].

Применение вихревых труб. К полезным свойствам вихревых труб относится: отсутствие подвижных частей и, как следствие, надежность и долговечность; возможность работать в жестких условиях; имеет относительно удобные габариты; расход перерабатываемого газа может варьироваться в диапазоне от долей до сотен тысяч кубических метров в час; не требует подготовки перед эксплуатацией; пространственное положение не влияет на работоспособность [10]. Также вихревая трубка Ранка обладает свойствами, препятствующими большому внедрению в производство: не экономичность; высокий уровень шума, который она генерирует; конструктивная простота, за которой скрывается сложнейший, многоплановый, исключительно точно сбалансированный термогазодинамический процесс. На сегодняшний день сделаны некоторые достижения в развитии вихревых труб Ранке [6], которые позволяют применять их в производстве: во всех трубках присутствуют фильтры масло и водоотделения, глушители шума, устройства для регулировки температуры выходящего воздуха, гибкие патрубки для подвода потока в нужное место.

Далее рассматриваются некоторые достижения в разработке трубки Ранка подробнее.

Коническая вихревая трубка. Такая форма позволяет сократить длину трубки, не влияя на ее эффективность. Таким образом, широко используют конические трубы, в которые подается дополнительный поток газа с температурой как у входного потока, но при меньшем давлении, что позволяет увеличить охлаждающий эффект трубок.

Рисунок 1. Коническая вихревая трубка

Трубка Парулейкара. При конической форме камеры разделения эффективность вихревой трубы повышается в 2 раза, несмотря на уменьшение длины камеры, по сравнению с цилиндрической трубой. В основном, начальный участок камеры разделения выполняют в виде конуса, конечный − в виде цилиндра, а в конец камеры разделения устанавливают развихритель. Примером такой конструкции является трубка Парулейкара. Камера разделения данной трубки имеет три участка: первый, у сопла, − конический, второй − цилиндрический и третий – конический [11], суммарный эффект видоизмененной конструкции получается такой же, как у вихревой трубки с крестовиной.

Рисунок 2. Вихревая трубка Парулейкара. 1 - камера разделения; 2 - конфузор; 3 -сопло; 4 -диффузор; 5 - патрубок ввода сжатого воздуха, б - соединительная гайка; 7 - игольчатый вентиль; 8 - патрубок вывода потока; 9 – развихритель

Охлаждаемые вихревые трубки. Учеными были сделаны выводы, что если искусственно охлаждать самые горячие слои газа, находящиеся на периферии вихревой трубки, то ее КПД значительно возрастет. Существует два вида охлаждаемых вихревых труб: с охлаждающей рубашкой, где охлаждение происходит за сет протекающей по трубке жидкости, и с охлаждающим жидкостным вихрем [6]. В случае первой трубки охлаждение происходит за счет протекающей по рубашке жидкости – за счет кольцевой щели внутри трубы.

Рисунок 3. Охлаждаемые вихревые трубки. a – с охлаждающей рубашкой, б – с охлаждающим жидкостным вихрем

Вихревые трубы с многократной циркуляцией. У вихревых труб достаточно низкий КПД всего 20-40 %. Чтобы его повысить, используют энергию горячего потока, вместо выброса ее в окружающую среду, то есть использовать конструкцию, которая не дает потоку разделяться [12]. В данном случае имеют место два основных процесса: вакуумирование холодного потока за счет раскрутки горячего потока и регенеративный теплообмен в самой трубке.

Вихревые трубки с искусственным торможением вихревого потока. В такой конструкции трубки приосевой поток создается вынужденным торможением на нагретом конце камеры разделения, где установлена крестовина, формирующая заторможенный поток, который формирует дополнительный приосевой поток, охлаждающийся за счет взаимодействия с периферийным потоком [6]. Эффективность данной конструкции была подтверждена экспериментально: с уменьшением длины увеличивается КПД.

Рисунок 4. Вихревая трубка с торможением потока. 1 - камера разделения; 2 - корпус; 3 - улитка; 4 - диафрагма; 5 - гайка; б - сопло; 7- регулировочная игла; 8 – крестовина

Вихревая трубка Метенина. Еще одним вариантом конструкции является вихревая трубка Метенина. На нагретом конце камеры разделения данной трубки установлены сетка, являющаяся развихрителем, затормаживая внутренние части потока, передавшие часть своей энергии внешнему слою, и лопаточный диффузор, позволяющий сократить длину камеры разделения.

Рисунок 5. Вихревая трубка Метенина. 1 -патрубок нагретого потока; 2 - сетка; 3 -лопаточный диффузор; 4 - вихревая камера; 5 - сопло; б - диафрагма; 7 - патрубок охлажденного потока; 8 – диск

Использование вихревых трубок для сепарации газов. Применение эффекта Ранка для сепарации газов открыло большие перспективы для исследователей в самых разных областях. Так, нефтяные газы, которые добываются из скважины, не используются без предварительной обработки из-за большого содержания примесей [12]. Вихревая труба с искривленной формой достаточно редкая конструкция. Ее главное преимущество заключается в возможности ее использования в тех случаях, когда, в силу своих габаритов, не могут быть применены трубы классической конфигурации. Искривленные вихревые трубы уступают обычным по получаемой разнице температур, но позволяют достичь большей холодопроизводительности.

Таким образом, на сегодняшний день существует множество различных типов конструкций вихревой трубы.

Использование эффекта Ранка в вакуумных системах очень перспективно, так, в работе [13] описана вихревая ловушка с применением данного эффекта.

Рисунок 6. Охлаждаемая вакуумная ловушка

Схему работы ловушки можно представить так: сжатый воздух тангенциально подается в камеру, образуя закрученный поток, который перемещается от соплового ввода к щелевому диффузору, из-за чего на оси камеры формируется область пониженного давления с низкой температурой. Откачиваемый поток, соприкасаясь с охлаждаемой поверхностью, состоящий из паров воды, конденсируется и разделяется на конденсат и откачиваемый газ. Кроме охлаждения, эффект Ранка-Хилша позволяет достичь области низкого вакуума с помощью вихревого эжектора, что делают его использование перспективным. Однако, широкое применение вихревых эжекторов сдерживает их небольшой КПД вызванный несовершенством энергообмена. В настоящее время ведутся исследования с целью повышения эффективности вихревого вакуумного процесса.

Заключение. 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. На сегодняшний день сделаны некоторые достижения в развитии вихревых труб Ранке [6], которые позволяют применять их в производстве: во всех трубках присутствуют фильтры масло и водоотделения, глушители шума, устройства для регулировки температуры выходящего воздуха, гибкие патрубки для подвода потока в нужное место. В связи с простотой устройства изобретательский интерес в этой области на данный момент, угас, однако, отсутствие понятной теории, объясняющей этот эффект, искушает ученых создать на базе вихревой трубки вечный двигатель второго рода и опровергнуть второе начало термодинамики.

Список литературы:

1. Гольдштик М.А., Штерн В.Н., Яворский Н.И., Вязкие течения с парадоксальными свойствами, Новосибирск: Наука, 1989. – 336 с.
2. Курнайкин В.В. Форкамерный роторный двигатель внутреннего сгорания // Патент России № 2387851. 2010. Бюл. № 33.
3. Меркулов, А.П. Вихревой эффект и его применение в технике / А.П. Меркулов.– Самара: Оптима,1997. – 355 с.
4. Гупта А., Лилли Д., Сайред, Закрученные потоки. М.: Мир, 1987. – 590 с.
5. Халатов А.А., Теория и практика закрученных потоков, Киев, Наукова думка, 1989. – 192 с.
6. Кузнецов В.И. Теория и расчет эффекта Ранка. Омск: Омский гос. тех. универ., 1995. – 217 с.
7. Абрамович Г.Н. Теория турбулентных струй. М.: Наука, 1984. − 716 с.
8. Гуцол А.Ф. Эффект Ранка. Успехи физических наук. Методические заметки, Том 167, № 6, 1997. − С. 665-687.
9. Balmer R.Т. Pressure-driven Ranque–Hilsch temperature seperation in liquids. J Fluids Eng., 1988, − 161-164.
10. Пиралишвили Ш.А. Вихревой эффект. Эксперимент, теория, технические решения/ Ш.А. Пиралишвили, В.М. Поляев, М.Н. Сергеев / Под. ред. А.И. Леонтьева. – М.: УНПЦ «Энергомаш», 2000. – 412 с.
11. Коркодинов Я.А., Применение эффекта Ранка-Хильша // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Машиностроение, материаловедение. – 2012. – № 4. – С. 42–54.
12. Gronner J. Sucessful experience with vortex tube technology at the epe cavity storage of RWE Energy // 23rd World Gas Conference. − Amsterdam, 2006. − 11 p.
13. Ханнанов Р.Б. Вихревая труба как вакуумный насос // Вестник Казанского технологического университета– 2010. – № 11. – С. 494–496.