Вихревая трубка, также известная как вихревая трубка Ранка-Хилш, это механическое устройство, которое отделяет сжатый газ в горячие и холодные потоки. Газ, выходящий из горячего конца, может достигать температуры 200 ° C (392 ° F), а газ, выходящий из холодного конца, может достигать -50 ° C (-58 ° F). В нем нет движущихся частей.
Сжатый газ подается по касательной в вихревую камеру и ускоряется до высокой скорости вращения. Благодаря коническому соплу на конце трубы, только внешняя оболочка сжатого газа может выходить на этом конце. Остальная часть газа вынуждена возвращаться во внутренний вихрь уменьшенного диаметра во внешнем вихре.
Для объяснения температурного разделения в вихревой трубе есть два основных подхода:
Этот подход основан только на физических принципах и не ограничивается только вихревыми трубками, но применим к движущемуся газу в целом. Это показывает, что разделение температур в движущемся газе происходит только из-за сохранения энтальпии в движущейся системе отсчета.
Тепловой процесс в вихревой трубе можно оценить следующим образом: 1) Адиабатическое расширение набегающего газа, которое охлаждает газ и превращает его теплосодержание в кинетическую энергию вращения. Полная энтальпия, которая является суммой энтальпии и кинетической энергии, сохраняется. 2) Периферический вращающийся поток газа движется к горячему выходу. Здесь эффект рекуперации тепла имеет место между быстро вращающимся периферическим потоком и противоположным медленно вращающимся осевым потоком. Здесь тепло передается от осевого потока к периферическому. 3) Кинетическая энергия вращения превращается в тепло за счет вязкой диссипации. Температура газа повышается. Поскольку в процессе рекуперации тепла общая энтальпия увеличилась, эта температура выше, чем у поступающего газа. 4) Часть горячего газа выходит из горячего выхода, унося излишки тепла. 5) Остальной газ уходит в сторону холодного выхода. По мере того, как он проходит к выходу для холода, его тепловая энергия передается периферийному потоку. Хотя температура на оси и на периферии везде примерно одинакова, вращение на оси медленнее, поэтому общая энтальпия также ниже. 6) Охлажденный газ с низкой общей энтальпией из осевого потока выходит из холодного выхода.
Основным физическим явлением вихревой трубки является температурное разделение между ядром холодного вихря и теплой периферией вихря. «Эффект вихревой трубы» полностью объясняется уравнением работы Эйлера, также известным как уравнение турбины Эйлера, которое в наиболее общей векторной форме может быть записано как:
где - полная или температура торможения вращающегося газа в радиальном положении, абсолютная скорость газа, наблюдаемая из стационарной системы отсчета, обозначается значком ; угловая скорость системы есть и есть изобарная теплоемкость газа. Это уравнение было опубликовано в 2012 году; в нем объясняется фундаментальный принцип работы вихревых трубок (вот видео с анимированной демонстрацией того, как это работает). Поиски этого объяснения начались в 1933 году, когда была открыта вихревая труба, и продолжались более 80 лет.
Вышеприведенное уравнение справедливо для адиабатического прохода турбины; это ясно показывает, что по мере того как газ, движущийся к центру, становится холоднее, периферийный газ в канале «ускоряется». Следовательно, вихревое охлаждение происходит за счет углового движения. Чем больше газ охлаждается, достигая центра, тем больше энергии вращения он передает в вихрь, и, таким образом, вихрь вращается еще быстрее. Это объяснение напрямую связано с законом сохранения энергии. Сжатый газ при комнатной температуре расширяется, чтобы набрать скорость через сопло; Затем он преодолевает центробежный барьер вращения, во время которого также теряется энергия. Потерянная энергия передается вихрю, который ускоряет его вращение. В вихревой трубе цилиндрическая окружающая стенка ограничивает поток на периферии и, таким образом, вызывает преобразование кинетической энергии во внутреннюю, в результате чего на горячем выходе образуется горячий воздух.
Таким образом, вихревая трубка представляет собой безроторный турбодетандер. Он состоит из безроторной турбины с радиальным притоком (холодный конец, центр) и безроторного центробежного компрессора (горячий конец, периферия). Выходная мощность турбины преобразуется компрессором на горячем конце в тепло.
Этот подход основан на наблюдениях и экспериментальных данных. Он специально адаптирован к геометрической форме вихревой трубы и деталям ее потока и разработан для соответствия конкретным наблюдаемым характеристикам сложного потока вихревой трубы, а именно турбулентности, акустическим явлениям, полям давления, скорости воздуха и многим другим. Ранее опубликованные модели вихревой трубки феноменологичны. Они есть:
Подробнее об этих моделях можно найти в недавних обзорных статьях о вихревых трубках.
Феноменологические модели были разработаны в более раннее время, когда турбинное уравнение Эйлера не было тщательно проанализировано; в технической литературе это уравнение изучается в основном для того, чтобы показать рабочую мощность турбины; в то время как анализ температуры не проводится, поскольку охлаждение турбины имеет более ограниченное применение, в отличие от выработки электроэнергии, которая является основным применением турбин. Феноменологические исследования вихревой трубы в прошлом были полезны для представления эмпирических данных. Однако из-за сложности вихревого течения этот эмпирический подход смог показать только некоторые аспекты эффекта, но не смог объяснить принцип его действия. Посвященные эмпирическим деталям, эмпирические исследования долгое время заставляли эффект вихревой трубки казаться загадочным, а его объяснение - предметом споров.
Вихревую трубку изобрел в 1931 году французский физик Жорж Ж. Ранк. Он был повторно открыт Полем Дираком в 1934 году, когда он искал устройство для разделения изотопов, см. Процесс разделения вихрей Геликона. Немецкий физик Рудольф Хильш [ де ] улучшил конструкцию и опубликовал в 1947 году широко читаемую статью об устройстве, которое он назвал Wirbelrohr (буквально «водоворот»). В 1954 году Уэстли опубликовал всеобъемлющий обзор под названием «Библиография и обзор вихревой трубки», который включал более 100 ссылок. В 1951 году Керли и МакГри, в 1956 году Калвинскас, в 1964 году Добрац, в 1972 году Нэш и в 1979 году Хелляр внесли важный вклад в литературу по RHVT своими обширными обзорами вихревой трубки и ее приложений. С 1952 по 1963 год К. Дарби Фултон-младший получил в США четыре патента на разработку вихревой трубки. В 1961 году Fulton начал производство вихревых трубок под названием Fulton Cryogenics. Доктор Фултон продал компанию Vortec, Inc. Вихревую трубку использовала компания Linderstrom-Lang для разделения газовых смесей, кислорода и азота, двуокиси углерода и гелия, двуокиси углерода и воздуха в 1967 году. Кажется, что вихревые трубки также в некоторой степени работают с жидкостями, что продемонстрировали Сюэ и Свенсон в лабораторном эксперименте, в котором свободное вращение тела происходит от ядра и толстого пограничного слоя на стенке. Воздух отделяется, в результате чего из выхлопной трубы выходит более холодный воздушный поток, который надеется охладиться, как в холодильнике. В 1988 году RT Balmer в качестве рабочего тела применил жидкую воду. Было обнаружено, что при высоком давлении на входе, например 20-50 бар, процесс разделения тепловой энергии также существует в несжимаемом (жидкостном) вихревом потоке. Обратите внимание, что это разделение происходит только из-за нагрева; охлаждения больше не наблюдается, так как охлаждение требует сжимаемости рабочего тела.
Вихревые трубы имеют меньшую эффективность, чем традиционное оборудование для кондиционирования воздуха. Они обычно используются для недорогого точечного охлаждения при наличии сжатого воздуха.
Коммерческие вихревые трубки предназначены для промышленного применения и обеспечивают падение температуры до 71 ° C (160 ° F). Без движущихся частей, электричества и хладагента вихревая трубка может производить охлаждение до 1800 Вт (6000 БТЕ / ч) с использованием 100 стандартных кубических футов в минуту (2,832 м 3 / мин) отфильтрованного сжатого воздуха при давлении 100 фунтов на кв. Дюйм ( 6,9 бар). Регулирующий клапан на выходе горячего воздуха регулирует температуру, потоки и охлаждение в широком диапазоне.
Вихревые трубки используются для охлаждения режущего инструмента ( токарные станки и мельницы, как вручную, так и управляемые ЧПУ машины) в процессе обработки. Вихревая трубка хорошо подходит для этого применения: в механических цехах обычно уже используется сжатый воздух, а быстрая струя холодного воздуха обеспечивает как охлаждение, так и удаление стружки, производимой инструментом. Это полностью исключает или резко снижает потребность в жидком хладагенте, который является грязным, дорогим и опасным для окружающей среды.