Вихревой холодильник своими руками

Охладители (холодильники, фризеры, чиллеры и т.д.) предназначены для получения и поддержания температуры какого-либо объекта ниже температуры окружающей его среды. Можно разделить их на две большие группы: вырабатывающие холод машинным методом (с потреблением внешней энергии) и применением охлаждающих веществ (при таянии, сублимации, испарении, растворении температура снижается) [1]. К первым относятся компрессионные, теплоиспользующие (абсорбционные), термоэлектрические холодильники, КПД которых или холодильный коэффициент подчиняется второму закону термодинамики. Ко вторым – устройства, базирующиеся на применении льда, сухого льда, жидкого азота и др.

Солнечная энергия может выступать в качестве теплоподводчика в обратном термодинамическом цикле. Это обусловливает технологическую сложность устройства (например, наличие испарителя, конденсатора, компрессора с приводом, дросселя и т.д.). Немашинные технологии получения холода требует наличия расходуемого запаса охлаждающих веществ, в цикле фазовых превращений которых можно использовать солнечный нагрев.

Поэтому солнечная энергия, представляемая собой необъятный ресурс доступного использования, издавна привлекала умы с целью удовлетворения потребностей в комфортных условиях или осуществления мероприятий, невозможных без снижения температур. В настоящее время – это, во-первых, кондиционирование воздуха в жилых и производственных помещениях и, во-вторых, многочисленные производственные технологии. Историю же создания и развития холодильной техники можно начать с описания системы получения воды из воздуха путем его охлаждения на Великом шелковом пути, действующем тысячелетия назад, обустроенном этой системой древними создателями из Китая.

Вихревой колодец

Придумать, создать, эксплуатировать, удовлетворять потребности – без затрат энергии, охлаждающих веществ, надеясь только на Солнце – достойно восхищения современных инженеров. Приведенное ниже описание основано на публикации [2], к которой можно отнестись критически, но вдуматься стоит. Итак…

Одним из достоинств Великого шелкового пути, протянувшегося на несколько тысяч современных километров, величайшего в истории человечества инженерно-транспортного сооружения, были колодцы. Это сооружения в виде цилиндра 1 (обожженный глиняный кирпич) диаметром 6 м, высотой 6-8 м, большей частью вкопанного в землю (рис.1). Крыша цилиндра (основное ноу-хау!) выполнена конусной с внутренними касательными к выходу у вершины каналами 3, каналы начинались на периферии конуса, заканчивались в его центре, не доходя до оси конуса.

Сбоку цилиндра имелось несколько маршевых сходов 4 для спуска в колодец, на дне которого выполнена кольцевая емкость 5, в центре ее – возвышение с горкой камней 6.

Опубликованное описание действия колодца следующее. Солнце интенсивно нагревало крышу 2, воздух в каналах 3 из-за нагрева поднимался вверх, выходя под крышей в виде тангенциальных, закрученных струй из-под верха конуса крыши 2. Затем (и это самое интересное явление!) воздух спиральным образом опускался вниз, вдоль стенок цилиндра 1. Это движение сопровождалось охлаждением воздуха – до такой степени, что на горке камней 6 вследствие конденсации выпадала роса, ее количество было таким, что вода (конденсат!) заполняло кольцевую емкость 5. Отработанный воздух выходил из колодца через маршевые сходы 4.

Процентное содержание водяных паров в воздухе, особенно сухом, на тех территориях, где работала эта система, весьма незначительно (доли процента), но через колодец проходили тысячи кубометров воздуха в сутки, и в колодцах накапливалось столько воды, что хватало напоить караван из 150-200 верблюдов. Установка таких колодцев вдоль пути через 12-15 км обеспечивала успешное функционирование Великого пути.

Для нашего рассмотрения важен сам факт охлаждения воздуха солнечным воздействием – через организацию вихревого движения. В упомянутой публикации даны литературные источники, где говорится о возможном снижении температуры воздуха до «степени замораживания» в центре вихревого потока.

К сожалению, описанная схема в настоящее время по разным причинам не используется, несмотря на простоту устройства и неисчерпаемый энергоресурс. Считается, существующие схемы эффективнее «древних». Несмотря на призывы их применить (публикация была в 2008 г), никакой серьезной информации по возрождению таких колодцев практически нет.

Эффект Ранка

Спустя полторы тысячи лет, в конце 20-х годов ХХ века, явление разделения потока газа на горячий и холодный при его закручивании было открыто французским исследователем Ж. Ранком, как новый физический факт, т.е. хорошо забытое древнее техническое достижение. В 1934 г. Ранк получил патент США №1.925.281 на устройство, названное им «вихревой трубой».

Изучая промышленные циклоны, Ранк измерял температуры по объему аппарата и обнаружил повышенную температуру на периферии и пониженную в центре, по оси, причем обнаруживались разно направленные потоки. Физического объяснения этому не получалось, поэтому патентование затянулось, до отработки конкретной конструкции – «трубы Ранка».

В настоящее время описано множество вариантов конструкций трубы Ранка. На рис. 2 представлена принципиальная, основная схема устройства. Цилиндрический (может быть конусный) канал 1 имеет тангенциальный патрубок-сопло 2 (может быть улиточные подвод). На торце рядом с ним – центральное выходное отверстие 3, а на противоположном торце – кольцевое выходное отверстие 4, образованное стенкой канала 1 и расположенной в центре диафрагмой 5 (может быть конус). Представленная конструкция на рис. 2 является противоточной (выход по разные стороны канала 1); работают схемы и прямоточные – отверстие 3 закрыто, диафрагма 5 убрана. Отвод сред из устройства – соответствующими трубопроводами. [3].

Исходный газ (воздух; упоминаются и жидкостные трубы Ранка) поступает из патрубка 2, горячий поток выходит из отверстия 4 холодный – отверстия 3.

Опубликованные параметры эффекта Ранка следующие. Входное давление воздуха 2…11 атм., доля массовая холодного воздуха 0,23…0,6, температура горячего воздуха – до 110°C, холодного – до -40°C. Диаметр вихревой камеры 12…100 мм.

Отмечаются такие достоинства метода охлаждения и нагрева использованием эффекта Ранка:

— отсутствие хладагентов и теплоносителей,
— простота конструкции, компактность,
— низкая цена, простота эксплуатации,
— быстрая смена режимов,
— возможность одновременного нагрева, охлаждения, разделения фаз.

— необходимость компрессорного дорогого воздуха,
— низкая термодинамическая энергоэффективность.

Пока эти недостатки препятствуют широкому внедрению эффекта Ранка. Представляет большой интерес сама физика этого явления.

В самом деле, горячий воздух имеющий меньшую плотность (вес), чем холодный, должен по направлениям круговых течений быть в центре потока, а более тяжелый холодный – на периферии, у стенки цилиндрического канала. В действительности в рассматриваемом случае наблюдается противоположная картина: по центру, на оси – холодный, у стенки – горячий. Более того, в некоторых публикациях говорится о разных направлениях вращения: центральный поток и периферийный не совпадают по крутке.

Существует несколько точек зрения, теорий на эти физические факты (центробежная, радиальная, вихревая, гипотеза «Демон Максвелла», турбулентные микрообъемы и пульсация, торообразные линии тока, детандерное охлаждение, диссипативные тепловыделения), предложено и проанализировано несколько физико-математических моделей в виде громоздких систем дифуравнений, но общепризнано, что удовлетворительного объяснения температурно-сепарационного эффекта трубы Ранка нет.

Поэтому с целью понятного описания физики трубы Ранка при экспозиции подобных аппаратов и приборов можно предложить следующую гипотезу. Быстрые потоки окружного периферийного течения «вымывают» молекулы центрального объема, — в первую очередь – самые быстрые, «горячие» молекулы, которых легче захватить из-за их большей длины свободного пробега и скоростной активности. Такая точка зрения, подтверждаемая молекулярно-кинетической теорией газа, позволяет надеяться на проявление эффекта при меньших скоростях исходного газа, т.е. снизить энергоемкость технологии охлаждения. Возможно, так объясняется эффективность «колодцев» Великого шелкового пути.

На основании вышеизложенного исторического и нового опубликованного материала предлагается разработанная и опробованная в лабораторных условиях установка и технология охлаждения воздуха в системах кондиционирования и вентиляции зданий и сооружений.

Конструкция охладителя

Охладитель состоит из вертикального цилиндра 1 (рис.3) диаметром 70 мм высотой 400 мм (даются размеры опытной, ориентировочной конструкции, т.к. аналогов неизвестно, надо было определить основные элементы, их компоновку, сочетание, возможности изготовления и монтажа). Сверху прикреплен сдвоенный конус 2. Между внутренним и наружным конусом – зазор 10 мм, диаметр конуса 300 мм, высота 150 мм. Между конусами – фиксирующие лопатки, создающее проходное сечение. Конус 2 – это солнечный нагреватель, он создает тягу в цилиндре 1.

Внешний конус 2 входит в полость цилиндра 1, внутренний является направляющим. Снизу цилиндра 1 прикреплена круговая коробка 3, внутри которой выложены спиральные каналы 4 при помощи изогнутых лопастей 5. Лопасти 5 заканчиваются на уровне нижнего среза цилиндра 1, не входя в него, т.е. каналы 4 стыкуются с полостью его. Через дно коробки 3 вниз отходит воздуховод 6. Конусы 2 и коробка 3 снаружи выкрашены в черный цвет, цилиндр 1 – белый. Все детали изготовлены из картона.

Действие этого охладителя выявлялось определением характерных температур: t₁ — наружный воздух на входе в коробку 3, t₂ — нагретый воздух на выходе из зазора конусов 2, t₃ — воздух на выходе из воздуховода 6.

Цель этих измерений – проверка исходных гипотез и предположений, наличия факта охлаждения (температурной сепарации). Для этого конструкция устанавливалась на освещенное солнцем место (в кабинете, на подоконнике) и спиртовым термометром измерялась температура воздуха в указанных местах, после установления постоянного режима (10-20 минут), несколько раз. Получены усредненные данные:

Эти данные можно считать доказательством термосепарационного действия предложенной технологической схемы. Значит, движение воздуха в соплах и цилиндрической камере с образованием вихря можно организовать за счет конвекционного нагрева Солнцем, что, впрочем, подтверждается еще китайскими колодцами. Для увеличения охлаждающего эффекта необходимы дальнейшие конкретные исследования. В частности, предполагается установить в полости цилиндра 1 так называемый аэродинамический стабилизатор – для проверки высказанной выше гипотезы. Перспективна так же многоступенчатость процесса.

Конечная цель излагаемых в данной статье положений – системы кондиционирования и вентиляции для жилых и производственных сооружений при минимизации энергетических и материальных затрат. Рис. 4 показывает вариант использования солнечного вихревого охладителя воздуха, установленного на крыше высотного здания. Охладитель 1 на крыше в виде короба со спиральными каналами 2 может оформиться соответствующей архитектурной формой. Воздуховоды 3 распределяют холодный воздух по помещениям. Кроме прямого назначения, охладитель может работать просто в режиме естественной вентиляции, высасывая воздуховодами теплый воздух из помещений.

Выводы

Энергоресурсосберегающие системы кондиционирования и вентиляции можно создать на основе эффекта Ранка. Солнечный вихревой охладитель воздуха является примером таких возможных разработок. Целесообразны углубленные физические и конструкционные исследования таких аппаратов.

Литература

1. Индивидуальные солнечные установки. Н.В. Харченко. М, Энергоатомиздат, 1991 г., 208 с.

2. Великий шелковый путь: вихри в колодцах. Х. Умяров. Журнал «Техника молодежи», № 8, 2008, стр.20-23.

3. Вихревая труба Ранка-Хилша как перспективное устройство получения низких температур. А.Н. Белоусов, Журнал НИУ ИТМО, серия «Холодильная техника и кондиционирование», №2,2014 г., стр. 12-21.

Журнал «Изобретатель» включен ВАК Республики Беларусь в перечень научных изданий для опубликования результатов диссертационных исследований.

Источник

Как получить температуру в -50°C (и ниже!) на дому или вихревая трубка Ранка-Хилша «под микроскопом»

А что, если я скажу Вам, что можно «подуть» в Т-образную трубку — и с двух других её концов пойдет воздух «сильно минусовой» и «сильно плюсовой» температуры? Похоже на какой-то бред, не так ли? Тем не менее, такое замечательное устройство вполне себе существует и известно очень давно. Ученые до сих пор расходятся во мнениях относительно того, «как же оно всё-таки работает?!». Предлагаем и Вам ознакомиться с этим любопытным эффектом…

❒ В 1931 г. Жозефом Ранком был открыт вихревой эффект энергетического разделения газов, называемый часто эффектом Ранка.

После доклада Ранка Французскому физическому обществу о своем открытии о нем забыли и только с 1946 года вихревой эффект стал объектом исследований ученых разных стран.

В Советском Союзе первые широкие исследования вихревого эффекта были проведены профессором Мартыновским В. С. и доцентом Алексеевым В. П. в Одесском технологическом институте пищевой и холодильной промышленности.

Большую работу по созданию вихревых вакуум-аппаратов провела группа под руководством д-ра техн. наук Дубинского М. Г.; им опубликовано несколько теоретических работ по закрученным потокам.

Внешне простой вихревой эффект на самом деле заключает в себе сложный газодинамический процесс, происходящий в пространственном турбулентном потоке вязкого сжимаемого газа. Этим, пожалуй, и объясняется неудача многих попыток найти аналитическое решение задачи.

❒ Несмотря на длительное изучение вихревого эффекта до сих пор отсутствует общепризнанная физико-математическая модель феномена.

Наиболее обоснованной считается гипотеза взаимодействия вихрей, но и она не лишена некоторых неточностей и противоречий. Пока не проведено строго обоснованного прямого эксперимента, способного полностью подтвердить ее достоверность.

На основе проведенных исследований разработаны полуэмпирические методики расчета вихревого эффекта и некоторых видов вихревых аппаратов.

На этом период первоначального изучения вихревого эффекта закончился и начался период освоения и внедрения его в производство.

С 1953 года в Куйбышевском авиационном институте велась работа по исследованию вихревого эффекта и его промышленному использованию. В 1958 году в институте создана лаборатория промышленного применения вихревого эффекта, в которой разработано несколько промышленных образцов вихревых холодильно-нагревательных установок и созданы различные типы вихревых аппаратов.

Благодаря своим особенностям вихревой эффект нашел практическое применение в самых различных областях техники и производства.

Примером этому может служить то, что в лаборатории Куйбышевского авиационного института были созданы вихревой конденсационный гигрометр, вихревой отсасывающий электросварочный аппарат, вихревой охладитель цилиндрических тел, велись работы по созданию вихревого карбюратора, вихревой кондиционирующей установки для транспортных машин и других вихревых аппаратов.

На многих предприятиях СССР работали вихревые холодильные камеры, вихревые термостаты и вихревые вакуум-насосы.

В данный момент, вихревые трубы широко используются в разных отраслях промышленности по всему миру:

▍Сущность вихревого эффекта и конструкции вихревых труб

Вихревой эффект, или эффект Ранка, проявляется в закрученном потоке вязкой сжимаемой жидкости и реализуется в очень простом устройстве, называемом вихревой трубой (трубой Ранка—Хилша, вихревым энергоразделителем, вихревым холодильником), схематичная конструкция которой изображена на рис. 1. и рис. 2.

То есть, можно сказать, что 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.

Вихревая труба представляет собой гладкую цилиндрическую трубу 1, снабженную тангенциальным соплом 2, улиткой 3, диафрагмой 4 с осевым отверстием и дросселем 5.

При втекании газа через сопло образуется интенсивный круговой поток, приосевые слои которого заметно охлаждаются и отводятся через отверстие диафрагмы в виде холодного потока, а периферийные слои подогреваются и вытекают через дроссель в виде горячего потока.

По мере прикрытия дросселя общий уровень давления в вихревой трубе повышается и расход холодного потока через отверстие диафрагмы увеличивается при соответствующем уменьшении расхода горячего потока. При этом температуры холодного и горячего потоков также изменяются.

На периферии образуется закрученный поток с большей температурой, а из центра — в противоположную сторону выходит охлажденный поток. 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. Температурное разделение происходит путём теплопередачи от сжатого (и потому горячего) кумулятивным эффектом или имплозией центрального жгута к несжатой периферии, имеющей температуру как на входе. По мере движения к «горячему» концу периферия нагревается от двигающегося ей навстречу сжатого горячего центрального жгута, который в свою очередь наоборот остывает. Т. о. образующийся в трубке вихрь является тепловым насосом компрессионного типа с противоточным теплообменником, способным передать до 100 % разницы температур. Поэтому для терморазделения необходим не только прямой, но и обратный проход, как на рисунке. Так как после выхода из трубки жгут расширяется до давления окружающей среды (атмосферного), выходящий из «холодного» конца трубки газ имеет температуру намного ниже температуры окружающей среды (если «горячий» конец не заглушен), а всё утерянное им тепло уносится газом с «горячего» конца.

▍- Достоинства вихревой трубки:

Нет движущихся частей;
Не требуется обслуживание;
Надежность;
Без электричества или химикатов;
Компактная, легкая;
Бюджетная;
Мгновенное получение результата;
Прочность конструкции;
Регулируемая температура;

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 центробежных 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.

В результате многочисленных экспериментальных исследований создано несколько конструктивных вариантов вихревых труб.

Основным их различием является конструктивное выполнение тангенциального соплового входа сжатого газа и длина цилиндрической части (вихревой зоны) трубы в калибрах.
На рисунке 3 приведены конструктивные особенности исследованных вихревых труб, показавших хорошие результаты.

Разработанные Р. Хилшем вихревые трубы имеют один круглый утопленный тангенциальный сопловой вход и входную улитку прямоугольного сечения, ввиду чего на срезе сопла имеется площадка, создающая зону завихрения.

Этот недостаток устранен в конструкции В. С. Мартыновского и В. П. Алексеева, которые создали тангенциально-лотковый сопловой вход, имеющий два круглых наполовину утопленных в теле трубы сопловых входа, переходящих в лоток.

Подобная конструкция позволила устранить зону завихрения и улучшить эффективность вихревой трубы, хотя и усложнила изготовление соплового входа.
Оптимальной длиной вихревой зоны трубы (расстояние от соплового входа до дросселя горячего конца) авторы двух рассмотренных выше конструкций считают 50 калибров.

Конструкция Меркулова А. П. имеет сопловой вход прямоугольного сечения и прямоугольную входную улитку, построенную по спирали Архимеда, что обеспечивает устранение зоны завихрения на сопловом срезе при сохранении простоты конструкции.

Второй особенностью этой конструкции является сокращение длины вихревой зоны до 9 калибров, осуществляемое за счет ограничения вихревой зоны спрямляющей четырехлопастной крестовиной, устанавливаемой перед дросселем горячего потока (рис 4. и рис 5. )

Введение этих двух элементов позволило еще более повысить эффективность вихревой трубы и сделать ее значительно компактнее.

▍Влияние диаметра отверстия диафрагмы

С полным основанием можно ожидать, что на характеристики вихревых труб различных диаметров будут влиять не абсолютные значения диаметров отверстия диафрагмы, а их отношение к диаметру вихревой трубы:

Экспериментальные данные трех различных исследований хорошо укладываются на прямую линию (График А).
С изменением соотношения, характеристики вихревой трубы заметно меняются (График Б, где µ-относительный весовой расход холодного потока).

▍Влияние длины вихревой зоны трубы

В ряде работ за оптимальную длину L вихревой зоны трубы принималась длина, соответствующая 50 ее калибрам.

Это делало вихревую трубу очень громоздкой, поэтому многие исследователи пытались уменьшить ее.

В результате было найдено конструктивное решение, обеспечивающее резкое сокращение вихревой зоны.

За счет установки на горячем конце вихревой зоны четырехлопастной крестовины — удалось сократить длину этой зоны до 9 калибров и при этом несколько улучшить эффективность вихревой трубы как по эффекту охлаждения, так и по холодопроизводительности.

На рис. 6 приведены опытные кривые зависимости максимальных значений эффекта охлаждения от относительной длины вихревой зоны для двух отличных друг от друга давлений и проходных сечений соплового входа.

При сокращении длины вихревой зоны до оптимальной наблюдается небольшой рост максимального значения эффекта охлаждения, а при (L/D) Рисунок 6.

Следующим шагом по пути сокращения вихревой зоны явилось запатентованное В. Хендалом предложение делать вихревую зону в виде усеченного конуса с расширением в сторону дросселя и с углом конусности около 7°.

Это позволило сократить длину вихревой зоны до 4-х калибров при сохранении максимального эффекта охлаждения вихревой трубы.

▍Влияние площади проходного сечения сопла

Экспериментами установлено, что для получения оптимальных характеристик имеется определенное соотношение между диаметром вихревой трубы и площадью Fc проходного сечения соплового входа.

С увеличением Fc растет общий расход газа через вихревую трубу, что приводит к повышению гидравлического сопротивления отверстия диафрагмы (холодному потоку), а следовательно, и к повышению уровня давлений в вихревой зоне. Последнее снижает получаемый эффект охлаждения. Но увеличение общего расхода (и расхода холодного потока) уменьшает эффект подмешивания к холодному потоку теплого пограничного слоя, текущего по плоскости диафрагмы, что приводит к увеличению эффективности вихревой трубы.

Эти два противоположно влияющих фактора дают оптимальное значение величины проходного сечения сопла, которое удобнее выразить относительной величиной, являющейся отношением площади Fc проходного сечения сопла к площади поперечного сечения вихревой трубы:

Согласно указанным выше экспериментам оптимальное значение относительной площади проходного сечения сопла лежит в пределах:

При повышении давления питающего сжатого газа оптимальные значения приближаются к нижнему пределу.

Для случая получения максимального эффекта охлаждения при малых µ значение Fc увеличивается.

Для большинства случаев расчета вихревой трубы принимается:

Сопловой ввод конструктивно должен быть выполнен так, чтобы при сохранении тангенциальности он обеспечивал плавный вход сжатого газа в вихревую зону и осевую симметрию формирующегося вихря.

Отсутствие зон завихрения и плавность входа струи обеспечивает конструкция № 3 (см. рис. 3. ), имеющая прямоугольное сечение сопла и входную улитку.

Хорошую осевую симметрию и плавность входа обеспечивают конструкции № 2 и 6, но они труднее в изготовлении и требуют усложненной системы подвода сжатого газа, поэтому чаще используется конструкция № 3 с прямоугольным сечением сопла.

▍Влияние давления сжатого газа

При условии сохранения постоянным давления холодного потока за отверстием диафрагмы величина давления, подаваемого к соплу сжатого газа, играет существенную роль в получаемом эффекте охлаждения.

С повышением давления входа растут эффект охлаждения и холодопроизводительность.
На рис. 7 изображены кривые эффектов охлаждения ∆tx и холодопроизводительности µ∆tx для различных давлений p.

▍Влияние температуры сжатого газа

Результаты экспериментов показали, что с ростом температуры, растет эффект охлаждения холодного потока и эффект подогрева горячего потока, значение же температурной эффективности при этом практически остается неизменным.

▍Влияние масштаба вихревой трубы

С уменьшением масштаба вихревой трубы возрастает влияние эффекта подмешивания пограничного слоя диафрагмы к холодному потоку, что приводит к ухудшению получаемого эффекта охлаждения последнего.

Влияние масштабного фактора впервые экспериментально было обнаружено Хилшем, а затем подтверждено Мартыновским и Алексеевым. Автором были исследованы вихревые трубы с диаметрами D= 10, 16, 20, 25, 30 и 33 мм.

В этих исследованиях наблюдался рост эффективности вихревой трубы с ее масштабом.
Несмотря на то, что исследованные различными авторами серии вихревых труб имели различный диапазон диаметров и различное конструктивное исполнение при несколько отличающихся геометрических соотношениях, полученные максимальные эффекты охлаждения имеют довольно четкую зависимость от диаметра D вихревой трубы.

Эта зависимость для двух давлений входа представлена на рис. 8 . Как видно из рисунка, экспериментальные точки могут быть аппроксимированы в прямые линии, несколько расходящиеся с ростом D.

Возможность местного получения холода является важным достоинством вихревых труб, масштаб которых может быть как угодно малым.

Например, вихревая труба диаметром 1 мм и длиной 10 мм (близкая к размерам полупроводниковых элементов), расходуя около 15 л воздуха в минуту может обеспечить отвод от полупроводникового элемента рассеиваемой мощности порядка 5 вт.

Это делает ее незаменимым устройством для стабилизации температуры отдельных ответственных элементов полупроводниковых электронных устройств летательных аппаратов.

❒ Теперь, возвращаясь к декларированной в названии статьи возможности получения температуры в -50 градусов , можно сказать следующее. Опираясь на результаты эксперимента, проведённого в видео, приложенном ниже, даже без каких-либо расчётов, можно грубо прикинуть минимально возможную температуру, которую мы можем получить. Предположим, что в качестве компрессора, будет использован компрессор от холодильника. Основным плюсом которого является поршень достаточно малого диаметра (около 10 мм). Однако у данного поршня есть свои плюсы: благодаря своему малому диаметру, он может качать воздух под достаточно большими давлениями.

Автором данной статьи экспериментально было выявлено, что компрессор холодильника может качать воздух под давлением в 20 атмосфер. Так как в эксперименте, показанном в ролике выше была озвучена цифра в 4 атмосферы, необходимая для получения температуры в -10 градусов, возьмём эти цифры в качестве ориентира. Основываясь на них, по формуле пропорции, высчитаем необходимую величину давления, которая позволит нам получить нужную отрицательную температуру (конечно, зависимость между давлением и температурой,- скорее всего, не будет настолько линейной, но мы можем взять за некий базис эти числа, чтобы было от чего оттолкнуться):

4 = -10
20 = х, отсюда х = -200/4 = -50 градусов.

Таким образом, используя широкодоступные компрессора от бытовых холодильников (которые можно купить в магазинах запчастей для холодильников), мы можем достичь температуры в -50 градусов.

В инструкции ниже, вкратце рассмотрено, как переделать компрессор от бытового холодильника — в источник высокого давления (20 атмосфер) для экспериментов с вихревыми трубками.

Нам для этого понадобятся следующие компоненты:

Далее, мы делаем следующее:

В итоге должно получиться нечто такое:

▍ — Некоторые дополнительные пояснения к процессу переделки компрессора от холодильника:

1. Не стоит сильно беспокоиться за компрессор, что «он должен работать постоянно в смазке, без нее-он выйдет из строя». У автора данный компрессор от холодильника работал для целей аэрографии в течение 3 лет. Только периодически (раз в месяц) доливал во входной патрубок 3-4 см3 машинного масла. Но, если хотите сделать всё более аккуратно, можно на входной патрубок установить «лубрикатор» — специальное устройство, насыщающее всасываемый воздух распыленным маслом. Используется для смазки компрессора. Тогда вся система в сборе будет выглядеть так: лубрикатор–>компрессор–>ресивер(сойдет даже бутылка 2л от «кока-колы» — это по моему личному, многолетнему опыту). Ресивер нужен для накопления давления, чтобы избежать пульсаций воздух и отстоя паров масла и воды в подаваемом воздухе–>вихревая трубка;

2. На напечатанной с помощью 3d печати вихревой трубке — следует нарезать резьбу М10х1(если вы будете использовать рекомендованные мной компоненты). Так как печатная такая мелкая резьба получается «оплывшей» и лучше ее нарезать плашкой;

3. Ниже вы найдете ссылки на требующиеся в процессе переделки компоненты:

4. Во многом, вихревые трубки изготовляются, основываясь на эмпирических данных, предыдущих исследователей («примерно такого размера и таких параметров — вроде работало…»). Отсутствие общепризнанной теории вихревых труб — сильно осложняет процесс их изготовления согласно заданных параметров (о чём уже было сказано выше).

Однако, не всё так плохо, если:

а) компрессор справляется с подачей нужного количества воздуха в трубку;

б) трубка изготовлена, опираясь на имеющиеся эмпирические данные (например, рисунок 3. ) ❒ — такие трубки работают сразу, почти все. Они отличаются только своими возможностями получения нужных низких/высоких температур.

Самые экстремальные исследователи, могут попробовать запитать вихревую трубку воздухом высокого давления (до 300 атмосфер!) от появившихся в изобилии в последние годы — компрессоров высокого давления для PCP пневматических винтовок .
Полагаем, результат будет весьма впечатляющим.

▍ — Автор данной статьи, в процессе её подготовки, заметил еще один интересный факт, который должен быть озвучен: все публично доступные результаты экспериментов с этими трубами, основываются на стандартных технологиях.

Под этим подразумевается, что для производства данных вихревых труб используется стандартные металлические детали, изготовленные с применением стандартных металлообрабатывающих станков.

Налицо полное игнорирование возможностей изготовления данных трубок с применением 3D печати!

Однако именно 3D печать может дать новые возможности в изготовлении данных устройств!
Например: изготовление микромассива данных трубок, объединённых в миниатюрный кластер.

Данный кластер может быть установлен в дальнейшем прямо на критичные электронные компоненты, требующие охлаждения, например процессор компьютера.

А с появлением общедоступных фотополимерных принтеров по недорогой цене, например, Anycubic Photon ,- возможно изготовление поистине миниатюрных и сложных кластерных систем, базирующихся на вихревых трубках (в буквальном смысле – микронного масштаба)!

Таким образом, любой исследователь данного эффекта, имеющий в наличии соответствующей трехмерный принтер и программу инженерного трехмерного проектирования, например, solidworks, может с лёгкостью смоделировать и распечатать вихревую трубку или их кластер любого размера, соответствующего возможностям компрессора, имеющегося в наличии у конкретного исследователя!

Производители на aliexpress тоже не остались в стороне и выпускают весьма интересное устройство — «Мобильный кондиционер сварщика», основанный на данной трубке Ранка-Хилша. Данное устройство позволяет обеспечить комфортным микроклиматом рабочих в цеху — персонально каждого. Это устройство достаточно подключить к цеховой сети сжатого воздуха:

При желании провести ряд собственных экспериментов, там же имеются и готовые вихревые трубки .

Используя 3d печать, любой исследователь может легко и быстро создать целую серию вихревых трубок, подогнав их размеры и параметры получаемой температуры — под требующиеся именно ему!

С 1960-х годов вихревое движение является темой множества научных исследований. Регулярно проводятся специализированные конференции по вихревому эффекту, например, в Самарском аэрокосмическом университете.

Следует заметить, что возможности некоторых установок на эффекте Ранка внушают уважение — например, рекордное охлаждение, которого удалось достигнуть на одной ступени, составляет более 200°С!

▍ — Желающие более подробно ознакомиться с данным эффектом и вихревыми трубами — могут прочитать следующую литературу:

А.П. Меркулов — «Вихревой эффект и его применение в технике»;
Ш.А. Пиралишвили, В.М.Поляев, М.Н. Сергеев — «Вихревой эффект. Эксперимент, теория, технические решения».

Источник