Вихревой эффект, эффект Ранка-Хилша, Ranque-Hilsch Effect
Вихревой эффект, эффект Ранка-Хилша, 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. 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, т. к. 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. Т. к. 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. Впервые эффект открыт французским инженером Жозефом Ранком в конце 20-х годов, когда Ранк случайно подставил руку к выходу очищенного воздуха изобретённого им ранее промышленного циклона. В конце 1931 года Ж. Ранк подает заявку на изобретенное устройство, названное им «Вихревой трубой» (в литературе встречается как «труба Ранка»). Получить патент удается только в 1934 году в США[1]. В настоящее время реализован ряд аппаратов, в которых используется вихревой эффект, вихревых аппаратов. Это «вихревые камеры» для химического разделения веществ под действием центробежных сил и «вихревые трубы», используемые как источник холода. Также проводились опыты в вихревой трубе с водой. Но по причине её меньшей сжимаемости и большей теплоёмкости аналогичного газам терморазделения добиться не удалось. Вода с обоих концов трубки выходила одной температуры - либо равной температуре входа при маленькой трубке, либо более высокой при большей трубке.
В сороковых годах дополнительными исследованиями эффекта и доработкой Трубки Ранка занимался немецкий физик Роберт Хилш. В честь этих выдающихся исследователей интересующий нас эффект и стали называть эффектом Ранка-Хилша.
С 1960-х годов вихревое движение является темой множества научных исследований. Регулярно проводятся специализированные конференции по вихревому эффекту, например, в Самарском аэрокосмическом университете.
Существуют и применяются вихревые теплогенераторы и микрокондиционеры. Эффективность охлаждения с применением эффекта невысока и ниже эффективности традиционных холодильных установок, трубки Ранка применяются в тех случаях, когда требуется простота устройства или при отсутствии других источников энергии, кроме сжатого воздуха.
Дальнейшие исследования проводились во многих странах, в том числе и в СССР. Однако исследования эти носили случайный характер. Причина-отсутствие теории достоверно объясняющей этот парадоксальный, чрезвычайно впечатляющий эффект.
А как всегда получается, - что не можем объяснить, откладываем подальше, до лучших времён.
Тем не менее, исследования пусть недостаточно, но проводились, и в СССР были выпущены две книги (две известных автору статьи, а так может и больше), целиком посвященные этому эффекту и возможности его практического применения .
Впервые лично автор этой заметки столкнулся с трубкой Ранка ещё в девяностые годы на Минском Тракторном Заводе.
Один известный в то время рационализатор пытался внедрить изготовленную им трубку для охлаждения токарных резцов непосредственно в процессе резания.
Работа предложенного к испытаниям изделия впечатлила. При подключении трубки к заводской воздушной сети из ”холодного ” конца практически пошёл снег. Эффект охлаждения был достигнут.
Однако побочный эффект, возникший при испытаниях этой, довольно большой по габаритам, трубки сразу перечеркнул возможность её использования , по крайней мере в таком виде, для охлаждения инструмента при точении. Поток воздуха был настолько силён, что мгновенно раздул металлическую стружку со станка во все стороны, в том числе и на соседние станки, на работающих на них людей. Испытания ведь проводились на станке с открытой рабочей зоной, да и других станков в то время практически и не было. Кроме того, очень сильный шум при работе этой большой трубки тоже не способствовал её дальнейшему внедрению.
Однако, вернёмся в наше время. Серийно выпускаемые вихревые трубки, специально предназначенные для охлаждения зоны резания, оснащаются эффективными глушителями шума, имеют различные приспособления для крепления к станку (механические, магнитные), имеют удобную регулировку температуры выходящего воздуха , оснащаются гибкими патрубками для подвода потока холодного воздуха непосредственно в нужное место. Выпускаются трубки различной мощности, что позволяет подобрать трубку в соответствии с поставленной задачей. Все трубки оснащаются фильтрам масло- и водоотделителями.
Кстати, как мы уже отмечали, поток воздуха разделяется в Трубке Ранка на два – холодный и горячий. Так вот, выпускаются специальные трубки, предназначенные для нагрева. Они имеют некоторые конструктивные особенности. Преимущества таких нагревателей - абсолютная безопасность, так как для их работы не используются электрические нагревательные элементы и открытое пламя.
Интересно то, что , как мы уже отмечали, в мире выпускается громадное количество вихревых трубок Ранка различных типоразмеров и видов. Вместе с тем, в открытой прессе практически не встречается информация о их практическом применении при обработке того или иного материала, режимах резания, режущих пластинах . Нам попадали статьи о применении охлаждающих трубок Ранка при обработке чугуна, но тут и так всё понятно, а для остальных обрабатываемых материалов только общая информация. Вместе с тем, теоретический эффект от внедрения этих интереснейших изделий может быть громадным. Представьте только – обработка без применения СОЖ… Не в этом то смысл практического закрытия информации? В общем – вихревая трубка Ранка, это просто “золотая жила” для различных “внедренцев” и исследователей, работающих в области обработки различных материалов. Можно предположить, что ещё много диссертаций будет защищено по этой теме. Ну и хорошо. Была бы польза.
Возможности использования вихревой трубки (трубки Ранка-Хилша, Vortex Tube) для охлаждения зоны резания при обработке различных материалов громадны.
