Вихревая трубка

Чтобы узнать о термине «вихревая трубка», используемом в гидродинамике , см. Завихрение .

Разделение сжатого газа на горячий и холодный поток

Вихревая труба , также известная как вихревая труба Ранка-Хилша , представляет собой механическое устройство , разделяющее сжатый газ на горячий и холодный потоки. Газ, выходящий из горячего конца, может достигать температуры 200 ° C (390 ° F), а газ, выходящий из холодного конца, может достигать -50 ° C (-60 ° F). Он не имеет движущихся частей и считается экологически чистой технологией , поскольку может работать исключительно на сжатом воздухе и не использует фреон . Однако его эффективность низка, что сводит на нет другие его экологические преимущества.

Газ под давлением впрыскивается по касательной в вихревую камеру возле одного конца трубки, что приводит к быстрому вращению — первому вихрю — по мере его движения вдоль внутренней поверхности трубки к дальнему концу. Коническое позволяет газу выходить именно из этого внешнего слоя на этом сопло конце через клапан. Остальная часть газа вынуждена вернуться во внутренний вихрь уменьшенного диаметра внутри внешнего вихря. Газ из внутреннего вихря передает энергию газу во внешнем вихре, поэтому внешний слой на дальнем конце горячее, чем был изначально. Газ в центральном вихре также становится холоднее по возвращении в исходную точку, где он выходит из трубки.

Метод работы

Для объяснения температурного разделения в вихревой трубе существует два основных подхода:

Фундаментальный подход: физика

Этот подход основан только на первых принципах физики и не ограничивается только вихревыми трубками, но применим и к движущемуся газу в целом. Он показывает, что температурное разделение в движущемся газе обусловлено только сохранением энтальпии в движущейся системе отсчета.

Тепловой процесс в вихревой трубе можно оценить следующим образом:

Основным физическим явлением вихревой трубы является температурное разделение между холодным ядром вихря и теплой периферией вихря. «Эффект вихревой трубки» полностью объясняется уравнением работы Эйлера: также известное как уравнение турбины Эйлера, которое в наиболее общей векторной форме можно записать как:

$T-{\frac {{\vec {v}}\cdot {\vec {\omega }}\times {\vec {r}}}{c_{p}}}={\mbox{const}}$,

где $T$ это общая температура или температура торможения вращающегося газа в радиальном положении. ${\vec {r}}$абсолютная скорость газа, наблюдаемая в стационарной системе отсчета, обозначается ${\vec {v}}$; угловая скорость системы равна ${\vec {\omega }}$ и $c_{p}$ – изобарная теплоемкость газа. Это уравнение было опубликовано в 2012 году; он объясняет 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 трубка, и продолжались более 80 лет.

Приведенное выше уравнение справедливо для адиабатического канала турбины; это ясно показывает, что в то время как газ, движущийся к центру, становится холоднее, периферийный газ в канале «становится быстрее». Следовательно, вихревое охлаждение происходит за счет углового движителя. Чем больше газ охлаждается, достигая центра, тем больше энергии вращения он передает вихрю, и, таким образом, вихрь вращается еще быстрее. Это объяснение вытекает непосредственно из закона сохранения энергии. Сжатый газ при комнатной температуре расширяется для набора скорости через сопло; затем он преодолевает центробежный барьер вращения, при этом энергия также теряется. Потерянная энергия передается вихрю, который ускоряет его вращение. В вихревой трубе цилиндрическая окружающая стенка ограничивает поток на периферии и, таким образом, способствует преобразованию кинетической энергии во внутреннюю, в результате чего на горячем выходе образуется горячий воздух.

Следовательно, вихревая труба представляет собой безроторный турбодетандер . Он состоит из безроторной турбины с радиальным притоком (холодный конец, центр) и безроторного центробежного компрессора (горячий конец, периферия). Рабочая мощность турбины преобразуется в тепло компрессором на горячем конце.

Феноменологический подход

Этот подход основан на наблюдениях и экспериментальных данных. Он специально адаптирован к геометрической форме вихревой трубы и деталям ее течения и предназначен для соответствия конкретным наблюдаемым характеристикам сложного потока вихревой трубы, а именно турбулентности, акустическим явлениям, полям давления, скорости воздуха и многим другим. Опубликованные ранее модели вихревой трубы являются феноменологическими. Они есть:

1. Радиальная разница давлений: центробежное сжатие и расширение воздуха.
2. Радиальная передача углового момента
3. Радиальное акустическое течение энергии
4. Радиальная тепловая накачка

Более подробную информацию об этих моделях можно найти в недавних обзорных статьях о вихревых трубках.

Феноменологические модели были разработаны еще раньше, когда уравнение турбины Эйлера еще не было тщательно проанализировано; в инженерной литературе это уравнение изучается в основном для того, чтобы показать рабочую мощность турбины; при этом температурный анализ 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 оказались полезными для представления эмпирических данных. Однако из-за сложности вихревого потока этот эмпирический подход смог показать только аспекты эффекта, но не смог объяснить принцип его действия. Посвященные эмпирическим деталям, эмпирические исследования долгое время делали эффект вихревой трубы загадочным, а его объяснение – предметом дискуссий.

История

Вихревая трубка была изобретена в 1931 году французским физиком Жоржем Ж. Ранком . Он был заново открыт Полем Дираком в 1934 году, когда он искал устройство для разделения изотопов , что привело к разработке процесса вихревого разделения Геликона . Немецкий физик Рудольф Хильш усовершенствовал конструкцию и в 1947 году опубликовал широко читаемую статью об устройстве, которое он назвал Wirbelrohr (буквально «водоворотная труба»). В 1954 году Уэстли опубликовал обширный обзор под названием «Библиография и обзор вихревой трубки», который включал более 100 ссылок. В 1951 году Керли и МакГри в 1956 году Кальвинскас, in 1964 Dobratz, в 1972 году Нэш, и в 1979 году Хелляр внесли важный вклад в литературу по RHVT своими обширными обзорами вихревой трубки и ее применения.С 1952 по 1963 год К. Дарби Фултон-младший получил четыре патента США, относящиеся к разработке вихревой трубки. В 1961 году Фултон начал производство вихревых трубок под названием Fulton Cryogenics. Фултон продал компанию Vortec, Inc. Вихревая трубка была использована для разделения газовых смесей кислорода и азота, углекислого газа и гелия, углекислого газа и воздуха в 1967 году Линдерстремом-Лангом. Вихревые трубы, по-видимому, также в некоторой степени работают с жидкостями, как продемонстрировали Сюэ и Свенсон в лабораторном эксперименте, в котором свободное вращение тела происходит из ядра и толстого пограничного слоя на стенке. Воздух отделяется, в результате чего из выхлопной системы выходит более холодный воздушный поток, надеющийся охладиться, как в холодильнике. В 1988 году Р.Т. Балмер применил в качестве рабочего тела жидкую воду. Установлено, что при высоком входном давлении, например 20-50 бар, процесс разделения тепловой энергии существует и в несжимаемом (жидком) вихревом потоке. Обратите внимание, что это разделение происходит только из-за нагрева; охлаждения уже не наблюдается, так как для охлаждения необходима сжимаемость рабочего тела.

Эффективность

См. Также: Коэффициент производительности.

Вихревые трубы имеют более низкую эффективность, чем традиционное оборудование для кондиционирования воздуха . Они обычно используются для недорогого точечного охлаждения при наличии сжатого воздуха.

Приложения

Текущие приложения

Коммерческие вихревые трубки предназначены для промышленного применения и обеспечивают падение температуры до 71 °C (160 °F). Не имея движущихся частей, электричества и хладагента, вихревая труба может производить охлаждение мощностью до 1800 Вт (6000 БТЕ/ч), используя 100 стандартных кубических футов в минуту (2,832 м3). ³ /мин) фильтрованного сжатого воздуха при давлении 100 фунтов на квадратный дюйм (6,9 бар). Регулирующий клапан в выпуске горячего воздуха регулирует температуру, расход и охлаждение в широком диапазоне.

Вихревые трубы используются для охлаждения режущего инструмента ( токарных и фрезерных станков как с ручным управлением, так и с ЧПУ ) в процессе механической обработки. Вихревая труба 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, образующейся при работе инструмента. Это устраняет или значительно снижает потребность в жидкой охлаждающей жидкости, которая является грязной, дорогой и опасной для окружающей среды.

См. также

• Тепловой насос
• Демон Максвелла
• Виндхук

Ссылки

Дальнейшее чтение

• Г. Ранк, (1933) «Опыты по вращательному расширению с одновременным выходом горячего и холодного воздуха», Journal de Physique et Le Radium , Приложение, 7-я серия, 4 : 112 S – 114 S.
• Х. Х. Ван Несс, «Понимание термодинамики» , Нью-Йорк: Дувр, 1969, начиная со страницы 53. Обсуждение вихревой трубки с точки зрения традиционной термодинамики.
• Марк П. Сильверман, И все же он движется: странные системы и тонкие вопросы физики , Кембридж, 1993, глава 6.
• Сэмюэл Б. Сюэ и Фрэнк Р. Свенсон, «Внутренние потоки вихревых диодов», 1970 г., Труды Академии наук штата Миссури, Уорренсбург, Миссури.
• К. Л. Стонг, Ученый-любитель , Лондон: Heinemann Educational Books Ltd, 1962, Глава IX, Раздел 4, Вихревая трубка «Хилша», стр. 514–519.
• Ван Димтер, Джей-Джей (1952). «К теории охлаждающего эффекта Ранка-Хилша». Прикладные научные исследования . 3 (3): 174–196. дои : 10.1007/BF03184927 .
• Саиди, Миннесота; Валипур, М.С. (2003). «Экспериментальное моделирование холодильника с вихревой трубкой». Журнал прикладной теплотехники . 23 (15): 1971–1980. Бибкод : 2003AppTE..23.1971S . дои : 10.1016/s1359-4311(03)00146-7 .
• Валипур, Массачусетс; Ниязи, Н. (2011). «Экспериментальное моделирование изогнутого холодильника с вихревой трубкой Ранка – Хилша». Международный журнал холодильного оборудования . 34 (4): 1109–1116. дои : 10.1016/j.ijrefrig.2011.02.013 .
• М. Куросака, Акустическое течение в закрученном потоке и эффект Ранка-Хилша (вихревая трубка), Журнал механики жидкости, 1982, 124:139-172.
• М. Куросака, Дж. К. Чу, Дж. Р. Гудман, Возвращение к эффекту Ранка-Хилша: температурное разделение, связанное с упорядоченными вращающимися волнами или «вихревым свистом», статья AIAA-82-0952, представленная на 3-й совместной конференции по теплофизике AIAA / ASME (июнь 1982 г.)
• Гао, Чэнмин (2005). Экспериментальное исследование вихревой трубы Ранка-Хилша . Эйндховен: Эйндховенский технологический университет. ISBN  90-386-2361-5 .
• Р. Риччи, А. Секкьяроли, В. Д'Алессандро, С. Монтельпаре. Численный анализ сжимаемого турбулентного винтового течения в вихревой трубе Ранка-Хилша. Вычислительные методы и экспериментальные измерения XIV, стр. 353–364, Под ред. К. Бреббиа, К. М. Карломаньо, ISBN   978-1-84564-187-0 .
• А. Секкьяроли, Р. Риччи, С. Монтельпаре, В. Д'Алессандро. Гидродинамический анализ вихревой трубы Ранка-Хилша. Il Nuovo Cimento C, том 32, 2009 г., ISSN   1124-1896 .
• А. Секкьяроли, Р. Риччи, С. Монтельпаре, В. Д'Алессандро. Численное моделирование турбулентного течения в вихревой трубе Ранка-Хилша. Международный журнал тепломассообмена , Vol. 52, выпуски 23–24, ноябрь 2009 г., стр. 5496–5511, ISSN   0017-9310 .
• Н. Пурмахмуд, А. Гасанзаде, О. Мутаби. Численный анализ влияния зазора винтовых сопел на охлаждающую способность вихревой трубы Ранка-Хилша. Международный журнал холода , Vol. 35, выпуск 5, 2012 г., стр. 1473–1483, ISSN   0140-7007 .
• М.Г. Ранк, 1933, «Эксперименты по вращательному расширению с имитацией выхлопа горячего и холодного воздуха», Journal de Physique et le Radium (на французском языке), Приложение, 7-я серия, Vol. 4, с. 112С–114С.
• Р. Хилш, 1947, «Использование расширения газов в центробежном поле в качестве процесса охлаждения», Обзор научных инструментов, Vol. 18, № 2, стр. 108–113.
• Дж. Рейнольдс, 1962, «Заметки о потоках в вихревой трубке», Журнал механики жидкости, Vol. 14, стр. 18–20.
• Т.Т. Кокерилл, 1998, «Термодинамика и механика жидкости в вихревой трубке Ранка-Хилша», доктор философии. Диссертация, Кембриджский университет, инженерный факультет.
• В. Фрелингсдорф и Х. Унгер, 1999, «Численные исследования сжимаемого потока и разделения энергии в вихревой трубе Ранка-Хилша», Int. J. Тепломассоперенос, Vol. 42, стр. 415–422.
• Дж. Льюинс и А. Бежан, 1999, «Теория оптимизации вихревой трубки», Energy, Vol. 24, стр. 931–943.
• Дж. П. Хартнетт и ЭРГ Эккерт, 1957, «Экспериментальное исследование распределения скорости и температуры в высокоскоростном потоке вихревого типа», Труды ASME, Vol. 79, № 4, стр. 751–758.
• М. Куросака, 1982, «Акустическое течение в закрученных потоках», Журнал механики жидкости, Том. 124, стр. 139–172.
• К. Стефан, С. Лин, М. Дерст, Ф. Хуанг и Д. Сехер, 1983, «Исследование разделения энергии в вихревой трубе», Международный журнал тепломассообмена, Vol. 26, № 3, стр. 341–348.
• Б.К. Альборн и Дж.М. Гордон, 2000, «Вихревая трубка как классический термодинамический цикл охлаждения», Журнал прикладной физики, Vol. 88, № 6, стр. 3645–3653.
• Г.В. Шепер, 1951, Холодильная техника, Вып. 59, № 10, стр. 985–989.
• Дж. М. Нэш, 1991, «Устройства вихревого расширения для высокотемпературной криогеники», Proc. 26-й Межобщественной конференции по конверсии энергии, Vol. 4, стр. 521–525.
• Д. Ли, Дж. С. Бэк, Э. А. Гролл и П. Б. Лоулесс, 2000, «Термодинамический анализ вихревой трубки и устройств вывода работы для транскритического цикла углекислого газа», предварительные материалы 4-й конференции IIR-Густава Лоренцена по природным рабочим жидкостям в Пердью. , Э.А. Гролл и Д.М. Робинсон, редакторы, лаборатории Рэя В. Херрика, Университет Пердью, стр. 433–440.
• Х. Такахама, 1965, «Исследования вихревых трубок», Бюллетень JSME, Vol. 8, № 3, стр. 433–440.
• Б. Альборн и С. Гроувс, 1997, «Вторичный поток в вихревой трубке», Fluid Dyn. Исследования, Том. 21, стр. 73–86.
• Х. Такахама и Х. Йокосава, 1981, «Разделение энергии в вихревых трубках с расширяющейся камерой», Журнал ASME по теплопередаче, Vol. 103, стр. 196–203.
• М. Сибулкин, 1962, «Нестационарное вязкое круговое течение. Часть 3: Применение к вихревой трубке Ранка-Хилша», Журнал механики жидкости, Vol. 12, стр. 269–293.
• К. Стефан, С. Лин, М. Дерст, Ф. Хуанг и Д. Сехер, 1984, «Отношение подобия для разделения энергии в вихревой трубке», Int. J. Тепломассоперенос, Vol. 27, № 6, стр. 911–920.
• Х. Такахама и Х. Кавамура, 1979, «Рабочие характеристики разделения энергии в вихревой трубе с паровым приводом», Международный журнал инженерных наук, Vol. 17, стр. 735–744.
• Г. Лоренцен, 1994, «Возрождение углекислого газа в качестве хладагента», H&V Engineer, Vol. 66. № 721, стр. 9–14.
• Д.М. Робинсон и Э.А. Гролл, 1996, «Использование углекислого газа в холодильном цикле с транскритическим сжатием пара», Материалы Международной конференции по охлаждению 1996 года в Purdue, Дж. Э. Браун и Э. А. Гролл, редакторы, Ray W. Herrick Laboratories, Университет Пердью, стр. . 329–336.
• В.А. Литтл, 1998, «Последние разработки в области охлаждения Джоуля-Томсона: газы, охладители и компрессоры», Proc. Из 5-го Межд. Конференция по криокулерам, стр. 3–11.
• А. П. Клееменко, 1959, «Однопоточный каскадный цикл (в схемах сжижения и разделения природного газа)», Труды 10-го Международного конгресса по охлаждению, Pergamon Press, Лондон, с. 34.
• Дж. Маршалл, 1977, «Влияние условий эксплуатации, физического размера и характеристик жидкости на эффективность газоразделения вихревой трубы Линдерстрема-Ланга», Int. J. Тепломассоперенос, Vol. 20, стр. 227–231.

Внешние ссылки

• Патент США Дж. Дж. Ранка
• Подробное объяснение эффекта вихревой трубки со множеством изображений.
• Оберлинского колледжа Демонстрация физики
• Строим вихревую трубку этим старым Тони, YouTube
• Vortex'n 2 Этот старый Тони, YouTube