Vortex tube принцип работы
Обновлено: 06.07.2024
Вихревая труба Ранка-Хилша как перспективное устройство получения низких температур Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»
Аннотация научной статьи по строительству и архитектуре, автор научной работы — Белоусов А.М., Исрафилов И.Х., Харчук С.И.
Вихревая труба , или труба Ранка-Хилша , представляет собой устройство, позволяющее получить потоки холодного и горячего воздуха при подаче на вход сжатого газа и его последующей закрутке в камере энергоразделения. В данной статье рассматривается эффективность использования вихревой трубы в качестве охладителя. Обсуждены технические и экологические преимущества использования систем подобного рода. Приведены и описаны основные типы конструкций вихревых труб . В статье также приводится краткий обзор результатов экспериментальных исследований и численного моделирования, приведенных в предыдущих работах по изучению температурного разделения в вихревых трубах .
Похожие темы научных работ по строительству и архитектуре , автор научной работы — Белоусов А.М., Исрафилов И.Х., Харчук С.И.
Ranque-Hilsch vortex tube as perspective device of low temperature obtaining
The vortex tube (the Ranque-Hilsch tube ) is a device that enables the separation of hot and cold air as compressed gas flows tangentially into the vortex chamber through inlet nozzles. The paper describes on investigation of the effectiveness of the vortex tube as a refrigerator. Engineering and environmental advantages of such systems were discussed. The basic types of constructions of the vortex tubes were given and described. The paper also reviews the experimental investigations and numerical simulations presented in previous studies on temperature separation in the vortex tubes.
Текст научной работы на тему «Вихревая труба Ранка-Хилша как перспективное устройство получения низких температур»
Вихревая труба Ранка-Хилша как перспективное устройство
получения низких температур
Набережночелнинский институт (филиал) ФГАОУ ВПО «Казанский (Приволжский) федеральный университет», 423810, Республика Татарстан, г. Набережные Челны, пр. Мира, д. 68/19 (1/18),
ФГБОУ ВПО «Казанский государственный энергетический университет», 420066, Республика Татарстан, г. Казань, ул. Красносельская, 51
Вихревая труба, или труба Ранка-Хилша, представляет собой устройство, позволяющее получить потоки холодного и горячего воздуха при подаче на вход сжатого газа и его последующей закрутке в камере энергоразделения. В данной статье рассматривается эффективность использования вихревой трубы в качестве охладителя. Обсуждены технические и экологические преимущества использования систем подобного рода. Приведены и описаны основные типы конструкций вихревых труб. В статье также приводится краткий обзор результатов экспериментальных исследований и численного моделирования, приведенных в предыдущих работах по изучению температурного разделения в вихревых трубах.
Ключевые слова: вихревая труба, труба Ранка-Хилша, температурное разделение, холодильная техника, экология
Ranque-Hilsch vortex tube as perspective device of low temperature obtaining
Naberezhnye Chelny institute (branch) of Kazan Federal University, 423810, Republic of Tatarstan, Naberezhnye Chelny, Mira avenue, 68/19 (1/18),
Kazan State Power Engineering University, 420066, Republic of Tatarstan, Kazan, Krasnoselskaya street, 51
The vortex tube (the Ranque-Hilsch tube) is a device that enables the separation of hot and cold air as compressed gas flows tangentially into the vortex chamber through inlet nozzles. The paper describes on investigation of the effectiveness of the vortex tube as a refrigerator. Engineering and environmental advantages of such systems were discussed. The basic types of constructions of the vortex tubes were given and described. The paper also reviews the experimental investigations and numerical simulations presented in previous studies on temperature separation in the vortex tubes.
Keywords: vortex tube, Ranque-Hilsch tube, temperature separation, refrigeration, ecology.
Необходимость получения холода была и остается одной из важных задач для различных сфер жизнедеятельности. Как, например, в быту - для сохранения продуктов питания, так и в промышленности, где низкотемпературные технологии получили
широкое применение на всех этапах производственного цикла - от изготовления изделия, до его испытания [1].
Наиболее популярным решением в области холодопроизводства является применение парокомпрессионных машин. Однако, основным недостатком хладогенераторов подобного типа является необходимость использования хладагентов (фреон, аммиак), которые могут нанести вред как жизни и здоровью человека, так и окружающей среде [2].
Альтернативным способом получения холода является применение установок на основе вихревой трубы Ранка-Хилша. Суть вихревого эффекта заключается в разделении газа при закручивании в цилиндрической или конической камере на две фракции. На периферии образуется закрученный поток с большей температурой, а в центре -закрученный охлажденный поток, причем вращение в центре происходит в другую сторону, чем на периферии. На рис.1 представлена одна из возможных конструкций вихревой трубы [3].
—>—I ПоОбоЗ сжатого Выход холодного 1 Воздуха Выход горячего
Рис. 1. Схема вихревой трубы [3]: 1 - сопловой ввод; 2 - камера энергоразделения; 3 - диффузор холодного потока; 4 - развихритель горячего потока; 5 - сопловой сужающийся канал.
Можно выделить следующие достоинства вихревых труб по сравнению с парокомпрессионными машинами:
1. отсутствие необходимости в хладагентах и теплоносителях;
2. простота конструкции, компактность;
3. дешевизна изготовления, простота обслуживания и ремонта;
4. отсутствие подвижных узлов и, как следствие, высокая надежность;
5. высокая скорость выхода на рабочий режим;
6. возможность осуществления нескольких процессов одновременно (охлаждение, нагрев, фазоотделение).
К недостаткам указанного способа получения холода можно отнести:
1. относительно низкая энергетическая эффективность;
2. необходимость использования мощного компрессора для получения низких температур.
Перечисленные положительные свойства вихревых труб позволяют придать технологическим системам такие качества, как безопасность, экологичность, технологичность, быстродействие, простота в изготовлении и эксплуатации. Указанные достоинства уже позволяют конкурировать с парокомпрессионными установками [4,5].
По энергетической эффективности и удельной холодопроизводительности вихревые трубы значительно уступают турбинным и парокомпрессионным машинам. Поэтому в областях, где холод является постоянной необходимостью, вихревые аппараты неконкурентоспособны по отношению к другим видам холодильной техники. Однако, во многих технологических процесса требуется только периодическая потребность в получении холода: при подогреве термостатированных растворов, обработка зерна от вредителей, охлаждении деталей посадки и тормозов, фрикционных узлов, тиристоров, охлаждение блоков управления программных станков и т.д. [3,6] В этих случаях при отсутствии дополнительных производственных площадей для размещения холодильного оборудования, мелкосерийной продукции, когда нецелесообразно содержать стационарные установки, вихревые холодильники выигрывают по сравнению с фреоновыми.
Можно выделить следующие виды конструкций вихревых труб:
1. разделительные цилиндрические;
3. разделительные конические;
6. с искривленной геометрией.
Принцип работы цилиндрической вихревой трубы [7] заключается в следующем. Газ под высоким давлением подается тангенциально в вихревую камеру через закручивающее устройство. Расширяясь внутри трубы, он организует быстро вращающийся вихрь. Так как диаметр диафрагмы меньше диаметра трубы, то газ начинает двигаться аксиально в сторону конического дросселя по периферийной части трубы. По мере уменьшения закрутки потока по длине трубы возникает обратный градиент давления в приосевой области, вынуждающий газ двигаться от дросселя в сторону диафрагмы.
Особенностью прямоточной вихревой трубы является организация отвода холодного и горячего потоков с одной стороны камеры энергоразделения. Температуры истекающего холодного и горячего потоков для данных труб могут отличаться на 140-230°С. При этом на практике, как правило, используются температуры до -40°С. Данная конструкция оказалась малоэффективной по сравнению с другими и на практике используются редко [3].
Стремление сократить длину вихревой трубы привело к созданию конструкции с конической формой камеры энергоразделения. Угол раскрытия конической части обычно составляет 3°-6° при длине 5-9 калибров. Исследования вихревых труб данной конструкции показали, что создаваемый ими эффект охлаждения выше, чем у цилиндрической при одинаковых условиях.
С целью увеличения эффективности вихревой трубы путем отбора части тепла периферийного вихря была создана конструкция охлаждаемой трубы. Принцип ее работы основан на том, что энергия отводится не только потоком горячего газа, но и дополнительным охлаждающим веществом. Отбор тепла можно осуществлять путем использования рубашки охлаждения или дополнительного внешнего оребрения.
А.П. Меркулов и Ш.А. Пиралишвили [8] предложили для повышения изоэнтропного КПД вводить в приосевую зону камеры энергоразделения со стороны дросселя дополнительный поток газа. Двухконтурные вихревые трубы позволяют сократить потребную мощность на получение заданной холодопроизводительности за счет увеличения расхода холодного воздуха при сохранении температуры.
Вихревая труба с искривленной геометрией пока достаточно редкая конструкция. Она может быть использована в тех случаях, когда, в силу своих габаритов, не могут быть применены трубы стандартной конфигурации. Искривленные вихревые трубы уступают обычным по получаемой разнице температур, но позволяют достичь большей холодопроизводительности [9].
Таким образом, на сегодняшний день существует множество различных типов конструкций вихревой трубы. Но, несмотря на широкое использование эффекта энергоразделения, на данный момент среди ученых нет единого мнения о природе его возникновения. Сложность изучения данного явления связана со сложностью движения потока в вихревой трубе, а также наличием значительных турбулентных пульсаций. Существующие на сегодняшний день гипотезы, объясняющие природу вихревого эффекта, подразделяются на четыре группы:
1. центробежные гипотезы;
2. гипотезы, использующие «Демон Максвелла»;
3. гипотеза радиальных потоков Хилша-Фултона;
4. гипотеза взаимодействия вихрей.
В настоящее время основными методами изучения процессов, происходящих в вихревой трубе, являются экспериментальные исследования и численное моделирование.
Рассматривая проведенные экспериментальные исследования, можно выделить две основные группы: исследования влияния геометрии вихревой трубы и параметров входного потока на ее эффективность и изучение макроструктуры потока. В таблице 1 приведены некоторые результаты опытных изысканий разных лет, начиная с обнаружения вихревого эффекта в 1933 году.
Сводная таблица экспериментальных исследований вихревых труб [10]
1933 Ranque 12 7 38 -32 -
1947 Hilsch 4,6 11 140 -53 0,23
1950 Webster 8,7 - - - -
1951 Scheper 38,1 2 3,9 -11,7 0,26
19561957 Hartnett, Eckert 76,2 2,4 3,5 -40 -
1956 Мартыновский, Алексеев 4,4/28 12 - -65 -
1957 Scheller, Brown 25,4 6,1 15,6 -23 0,506
1958 Otten 20 8 40 -50 0,43
1959 Lay 50,8 1,68 9,4 -15,5 0
1960 Suzuki 16 5 54 -30 1
1960 Takahama, Kawashima 52,8 - - - -
1962 Sibulkin 44,5 - - - -
1962 Reynolds 76,2 - - - -
1962 Blatt, Trusch 38,1 4 - -99 0
1965 Takahama 28/78 - - - -
1966 Takahama, Soga 28/78 - - - -
1968 Vennos 41,3 5,76 -1 -13 0,35
1969 Bruun 94 2 6 -20 0,23
1973 Soni 6,4/32 1,5/3 - - -
1982 Schlenz 50,8 3,36 - - -
1983 Stephan и др. 17,6 6 78 -38 0,3
1983 Amitani и др. 800 3,06 15 -19 0,4
1988 Negm и др. 11/20 6 30 -42 0,38
1994 Ahlborn и др. 18 4 40 -30 -
1996 Ahlborn и др. 25,4 2,7 30 -27 0,4
2001 Guillaume, Jolly III 9,5 6 - -17,37 0,4
2003 Saidi, Valipour 9 3 - -43 0,6
2004 Ргошуоп§е, Б1ашва-агё 16 3,5 - 33 0,33
2005 Рготуоп§е, Б1ашва-агё 16 3,5 25 30 0,38
2005 АЦ^аШе1 и др. 19 3 1,2 -11 0,1
2010 УаНроиг, Маг1 19,05 3 26 -21 0,3
2007 Бтсег 9 3 Ть-Тс=56 0,9
2011 Бтсег 6x9 4 Ть-Тс=67,6 0,9
2012 Хие и др. 60 2,6 1,4 -7,2 -
С развитием методов численного решения задач гидрогазодинамики некоторые исследователи перешли к изучению вихревого эффекта путем математического моделирования на основе уравнений Навье-Стокса и законов сохранения. Особенно активное развитие это направление исследований получило с конца 90-х гг. с появлением вычислительной техники достаточной производительности. Первые модели имели большое количество допущений и показывали только качественную сходимость. С развитием компьютерной техники стали применяться более точные модели, обеспечившие более достоверные результаты численных экспериментов (таблица 2).
Сводная таблица экспериментов по численному моделированию [10]
Исследователи Модель потока Модель вязкости Сходимость результатов с натурными экспериментами
ЫпёеМгош-Ьа^ (1971) Несжимаемый Алгебраическая модель вязкости Сходимость низкая, но улавливается тенденция к сходимости
БсЫеш (1982) 2D, сжимаемый Алгебраическая модель вязкости Низкая, но качественная сходимость
Ашйат и др. (1983) 2Э, сжимаемый Алгебраическая модель вязкости Достаточная, но предположения сомнительны
Борисов и др. (1993) Несжимаемый Алгебраическая модель вязкости Качественная сходимость
Ош1:оп, Ваккеп (1999) 2Э, сжимаемый к-е модель Достаточно высокая
ЕгоЫт§вёог£, и^ег (1999) 2Э, сжимаемый к-в модель Достаточно высокая
Promvonge (1999) 2Э, сжимаемый ASM и к-е модели Высокая
Behera и др. (2005) 3Э, сжимаемый к-е и RNG k-s модели Достаточно высокая
Aljuwaihel и др. (2005) 2Э, сжимаемый k-s и RNG к-е модели Достаточно высокая
Skye и др. (2006) 2Э, сжимаемый к-е и RNG к-е модели Достаточно высокая
Eiamsa-ard, Promvonge (2006) 2Э, сжимаемый ASM и к-е модели Высокая
Baghdad, Ouadha, Imine, Addad (2011) 3Э, сжимаемый к-е, к-ю, SST к-ю, Достаточно высокая (к-е, к-ю,
RSM модели ББТ к-ю) Высокая (ИЗМ)
Bovand, Valipour, Dincer, Tamayol (2013) 3Э, сжимаемый RNG к-е модель Достаточно высокая
Таким образом, вихревые трубы продолжают оставаться актуальным объектом изучения для исследователей. В настоящее время, в силу невысокой энергетической эффективности, охладителям подобного типа сложно конкурировать с традиционными холодильными установками. Однако, четкое понимание процессов, вызывающих вихревой эффект, позволит создать более точную математическую модель явлений, происходящих в вихревой трубе. Это, в свою очередь, даст возможность повысить энергоэффективность установок на основе трубы Ранка-Хилша, а также проводить оценку производительности разрабатываемых охладителей на ранних этапах проектирования.
1. Пархимович А.Ю. Имитационное моделирование температурной стратификации закрученных потоков в вихревых хладогенераторах: дис. на соиск. учен. степ. канд. техн. наук: 05.04.13 / Пархимович А.Ю.; Уфимский гос. авиационный техн. ун-т. -Уфа, 2008. - 124 с.
2. Ховалыг Д.М., Синицына К.М., Бараненко А.В., Цой А.П. Энергоэффективность и экологическая безопасность техники низких температур // Научный журнал НИУ ИТМО. Сер. Холодильная техника и кондиционирование. - 2014. - №1. - С. 2.
3. Хаит А.В. Исследование эффекта энергоразделения с целью улучшения характеристик вихревой трубы: дис. на соиск. учен. степ. канд. техн. наук: 05.04.13 /
Хаит А.В.; Уральский фед. ун-т им. первого президента России Б.Н. Ельцина. -Екатеринбург, 2012. - 199 с.
4. Носков А.С., Хаит А.В., Бутымова А.П., Плешков С.Ю., Ловцов А.В. Энергоэффективность и экономическая целесообразность применения систем искусственного климата на базе вихревой трубы // Инженерно-строительный журнал. - 2011. - №1. - С. 17-23.
5. Носков А.С., Алехин В.Н., Ловцов А.В., Хаит А.В. Энергетическая эффективность систем искусственного климата на базе вихревой трубы // Академический вестник Уралниипроект РААСН. - 2011. - №3. - С. 65-69.
6. Азаров А.И. Вихревые трубы в промышленности. Изобретатель - машиностроению. Энергосбережение и вихревой эффект: исследование и освоение инновационных проектов. - СПб.: Изд-во ЛЕМА, 2010. - 170 с.
7. Алексеев Г.В. Математические методы в пищевой инженерии: Учебное пособие/ Г.В. Алексеев Г.В., Вороненко Б.А., Лукин Н.И. - СПб.: Лань, 2012. - 176 с.
8. Меркулов, А.П. Вихревой эффект и его применение в технике. - М.: Машиностроение, 1969. - 184 с.
9. Пиралишвили Ш.А., Поляев В.М., Сергеев М.Н. Вихревой эффект. Эксперимент, теория, технические решения - М.: УНПЦ «Энергомаш», 2000. - 414 с.
10. M.S. Valipour, N. Niazi. Experimental modeling of a curved Ranque-Hilsch vortex tube refrigerator// Int. J. Refrig. 34 (4) (2011) P.1109-1116.
11. S. Eiamsa-ard, P. Promvonge, Review of Ranque-Hilsch effects in vortex tubes// Renew. Sustain. Energy Rev. 12 (7) (2008) P.1822-1842.
1. Parhimovich A.Y. Simulation of temperature stratification of swirled flow in the vortex cold generators. - Ufa, 2008. - 124 p.
2. Khovalyg D.M., Sinitsyna K.M., Baranenko A.V., Tsoi A.P. Energy efficiency and ecological safety technicians of low temperature. Science Journal of University ITMO Institute of Refrigeration and Biotechnologies. - 2014. - №1. - P. 2.
3. Chait A.V. Research of energy separation effect in purpose of improvement of vortex tube. - Ekaterinburg, 2012. - 199 p.
4. Noskov A.S., Chait A.V., Butymova A.P., Pleshkov S.Y., Lovtsov A.V. Energy effectiveness and economics expediency of using of climatic systems based on vortex tube. Magazine of civil engineering. - 2011. - №1. - P. 17-23.
6. Azarov A.I. Азаров А.И. Vortex tubes in industry. Researcher for engineering. Energy saving and vortex effect: research and development of innovative projects. - SPb.: LEMA, 2010. - 170 p.
7. Alex G.V. The Mathematical methods in food инженерии: Scholastic allowance. G.V. Alex G.V., Voronento B.A., Luton N.I. - SPB.: Fallow deer, 2012. - 176 s.
8. MerMov A.P. Vortex effect and its using in industry. - М.: Mashinostroenie, 1969. 184 p.
9. Piralishvili Sh.A., Polyaev V.M., Sergeev M.N. Vortex effect: experiment, theory, technical solutions - М.: ESPC «Energomash», 2000. - 414 p.
10. M.S. Valipour, N. Niazi. Experimental modeling of a curved Ranque-Hilsch vortex tube refrigerator. Int. J. Refrig. 34 (4) (2011) P.1109-1116.
11. S. Eiamsa-ard, P. Promvonge. Review of Ranque-Hilsch effects in vortex tubes. Renew. Sustain. Energy Rev. 12 (7) (2008) P.1822-1842
Безлопастной ветрогенератор
У специалистов по альтернативной энергетике давно сформировался стереотип относительно того, как должны выглядеть правильные и эффективные ветрогенераторы. Такое положение дел вовсе не удивительно, ведь ветрогенераторы возводятся каждый год по всему миру, и это всегда огромные сооружения с лопастями, похожие на гигантские ветряные мельницы. А что до безлопастных ветрогенераторов, то к ним отношение, как правило, в среде альтернативщиков весьма и весьма скептическое.
Тем не менее разработчики новых решений не спешат останавливаться в своем энтузиазме. И вот, в 2015 году, испанская компания Vortex Bladeless предложила новый вариант и уже готовую модель решения, показывающую, как могут быть устроены ветрогенераторы, не уступающие по эффективности традиционным лопастным, однако превосходящие их как по безопасности, так и по экономичности производства и по возможностям установки.
Безлопастной ветрогенератор Vortex Bladeless
Компания Vortex Bladeless представила модель и рабочий макет принципиально нового ветрогенератора, совсем не похожего на обычные ветряки. Здесь нет вращающихся на ветру лопастей, и вообще не предусматриваются крупные вращающиеся части.
Принцип, по которому вертикальный безлопастной ветрогенератор станет покачиваться на ветру — не связан с порывами ветра. Принцип заключается в раскачивании вертикального генератора невидимыми вихрями воздуха, образующимися в форме цепочки позади цилиндрических объектов, обдуваемых газом или обтекаемых жидкостью в поперечном направлении.
Данный феномен был объяснен в далеком 1912 году американским физиком и специалистом по аэродинамике и воздухоплаванию Теодором фон Карманом. А явление образования цепочек вихрей вокруг обдуваемой газом или обтекаемой жидкостью, вертикальной оси назвали в честь ученого «дорожкой Кармана». Это явление и положено разработчиками в основу уникального безлопастного ветрогенератора.
Вихревая дорожка Кармана
Ветряной генератор от Vortex вдвое дешевле в производстве, чем лопастная турбина аналогичной мощности, а затраты на регулярное обслуживание меньше в пять раз! К тому же количество выделяемых парниковых газов на 40% ниже, работает генератор тише, и почти полностью безопасен для птиц и летучих мышей.
А что касается эффективности в целом, то вертикальные безлопастные генераторы можно будет устанавливать на меньшей площади и получать таким образом больше электроэнергии, чем от тех же лопастных ветрогенераторов, требующих огромных площадей дабы турбине было где размахнуться. Этот фактор крайне важен при возведении крупных ветряных электростанций, а вертикальных генераторов можно установить несколько, и близко друг к другу — электростанция получится более компактной.
Мало того, разработчики проверили аэродинамику системы из двух своих ветрогенераторов, когда один стоял позади другого, и оказалось, что тот который стоял сзади — раскачивался еще сильнее, ведь он повторно использовал вихри от первого.
Безлопастной ветрогенератор Vortex Bladeless
Авторы проекта уверены, что для частных домовладений будет достаточно небольших ветрогенераторов Mini высотой в 12,5 метров на номинальную мощность в 4 кВт, а основу крупных ветряных электростанций составят разрабатываемые модели Gran на 1 МВт каждый. Еще на начальном этапе исследований, в 2012 году, европейские инвесторы вложили в Vortex Bladeless порядка 1000000 евро, и по сей день проект представляется очень перспективным.
Установка безлопастного ветрогенератора
Конструктивно ветряк состоит из двух частей. Верхняя часть обладает неровной поверхностью, и именно она раскачивается и генерирует воздушные вихри дорожки Кармана вокруг себя. В неподвижной нижней части конструкции расположены элементы электрогенератора.
Установка спроектирована таким образом, чтобы раскачка происходила на резонансной частоте, совпадающей с частотой вихрей в образуемой дорожке Кармана. Так ветер раскачивает верхнюю часть ветряка, используя явление механического резонанса. И если раньше такой резонанс разрушал мосты и другие сооружения, то теперь он сможет генерировать электроэнергию, проявляя свой разрушительный потенциал более дружелюбно.
Сначала специалисты компании успешно протестировали прототипы на 2 кВт, рассчитанные на ветер, дующий со скоростью от 1,5 до 7 м/с; модели на 4 кВт рассчитаны на 3-15 м/с, и так возможно масштабирование вплоть до единиц мегаватт. Главные составные части будущих ветряных электростанций на новых генераторах — вертикальные генераторы Vortex Bladeless на 1 МВт, высотой 150 метров, из которых можно будет собрать огромную электростанцию необходимой мощности.
В основании подвижной части расположены два кольца отталкивающихся магнитов
Всех тонкостей разработчики, конечно, не раскрывают, однако кое-что известно. В основании подвижной части расположены два кольца отталкивающихся магнитов. Когда ветер нагибает структуру в одну сторону, магниты тянут в другую сторону, и эти небольшие нажимающие и выталкивающие движения как раз и способствуют проявлению кинетической энергии, возникающей в процессе кругового покачивания башни. Эта энергия затем преобразуется в электрическую при помощи линейного генератора переменного тока. Частота колебаний башни достигает 20 Гц.
Безлопастной ветрогенератор
Исследования продолжались долго, и на различных этапах устройство непрерывно совершенствовалось. Более 200 моделей было изготовлено, и каждая из них была испытана разработчиками в аэродинамической трубе. Чтобы геометрия мачты наконец позволила бы собирать столько энергии ветра, сколько максимально возможно, и чтобы собственная частота мачты Vortex Bladeless могла бы изменяться, дабы подстраиваться в резонанс с дорожкой Кармана.
Вихревая трубка - Vortex tube
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 . Из-за конического сопла 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.
СОДЕРЖАНИЕ
Метод работы
Для объяснения температурного разделения в вихревой трубе есть два основных подхода:
Фундаментальный подход: физика
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 периферийным 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. Когда он проходит к выходу для холода, его тепловая энергия передается периферическому 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; он объясняет фундаментальный принцип работы вихревых трубок. Поиски этого объяснения начались в 1933 году, когда была открыта вихревая труба, и продолжались более 80 лет. Т <\ displaystyle T>р → <\ displaystyle <\ vec > 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 разработан с учетом геометрической формы вихревой трубы и деталей ее потока и разработан с учетом конкретных наблюдаемых характеристик сложного потока вихревой трубы, а именно турбулентности, акустических явлений, полей давления, скорости воздуха и многих других. Опубликованные ранее модели вихревой трубы 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 турбин 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 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 холодильник. 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 (127 ° F). Без движущихся частей, без электричества и без хладагента, вихревая трубка может производить охлаждение до 6000 БТЕ / ч (1800 Вт), используя всего 100 кубических футов в минуту отфильтрованного сжатого воздуха при давлении 100 фунтов на квадратный 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. Компания Vortex Bladeless («Vortex» переводится как «Вихрь», а «Bladeless» – «Безлопастной») использует принципиально новый подход к извлечению энергии ветра. Устройство собирает энергию завихрений – аэродинамического эффекта, досаждающего инженерам-проектировщикам и архитекторам на протяжении веков (эффект срыва вихрей). При обходе ветром стационарно установленной конструкции структура потока воздуха изменяется, образуя циклические колеблющиеся вихри. Если их силы достаточно велики, стационарная структура начинает колебаться, может войти в резонанс с поперечными составляющими силы ветра и даже разрушиться. Классическим академическим примером может служить мост Такома-Нэрроуз, который разрушился спустя три месяца после торжественного открытия вследствие ряда причин, и, в частности, из-за эффекта срыва вихрей. Вместо того чтобы бороться с этой аэродинамической нестабильностью, технология Vortex использует ее, максимизируя результирующие колебания и извлекая из них энергию. Естественно, конструкция такого устройства абсолютно не похожа на обычную турбину. Вместо обычных башни, гондолы и лопастей устройство имеет неподвижную мачту, генератор и пустотелый, легкий, полужесткий стекловолоконный цилиндр на вершине. Этот ветрогенератор не имеет каких-либо контактирующих друг другом подвижных частей, что исключает необходимость смазки и уменьшает износ. Известно, что устройство может иметь только определенную частоту колебаний, что ограничивает возможность его непрерывной работы. Однако благодаря самонастраивающейся магнитной связи Vortex может работать в широком диапазоне скоростей ветра. Эта система позволяет максимизировать амплитуду колебаний: когда ветер усиливается, отталкивающая сила магнита возрастает, вследствие чего расстояние между штангой и магнитом сокращается. В результате колебания и потенциал генерируемой энергии увеличиваются до максимума. Vortex может автоматически изменять свою жесткость и «синхронизироваться» со скоростью набегающего ветра, чтобы оставаться в резонансе без какого-либо механического или ручного вмешательства. Основные преимущества Vortex Одним из главных преимуществ Vortex является исключительно низкая цена. Фактическая нормализованная стоимость производства энергии для типичной оффшорной фермы составит $0.035/кВт·ч (порядка 35 евро за МВт·ч), включая капитальные затраты, эксплуатацию и обслуживание, аренду земли, страхование и административные расходы. Это ставит предложенную технологию на нижнюю границу ценового диапазона подобных проектов, делая ее весьма конкурентоспособной не только по отношению к устройствам генерации мощности с использованием альтернативной или возобновляемой энергии, но даже по сравнению с традиционными технологиями. Столь значительное снижение цены обусловлено сокращением производственных затрат, поскольку мачта и оборудование генератора, в основном, представляют собой одно целое. Это позволяет исключить из конструкции гондолу, опорные механизмы и лопасти – самые дорогостоящие компоненты традиционных ветрогенераторов. Грубая оценка показывает, что выигрыш в стоимости производства по сравнению с обычной ветряной турбиной может составлять 51%. Изготовление, перевозка, строительство и монтаж также значительно упрощаются, оставаясь при этом операциями, стандартными для индустрии ветроэнергетики. Существует еще один отличительный признак, дающий Vortex конкурентное преимущество над другими установками. Благодаря тому, что генератор (и центр тяжести) находятся ближе к земле, Vortex упрощает процедуры монтажа, использования и технического обслуживания. В противоположность этому, типичная гондола обычного ветрогенератора устанавливается более чем в 80 метрах над поверхностью земли. В конструкции полностью отсутствуют механические элементы, которые могут изнашиваться от трения, что, согласно оценкам, позволит, по сравнению с традиционными турбинами, сократить эксплуатационные расходы на 53%, исключив необходимость замены масла или большинства механических частей, требующуюся многолопастным ветряным турбинам на протяжении 20-летнего срока их службы. Конечно же, Vortex не застрахована от усталости. Ветер может вызывать смещение и скручивание элементов структуры, прежде всего, эластичной штанги, в особенности, в нижней ее части, противостоящей наибольшим силам. Однако проведенные компанией исследования подтвердили, что нагрузки, испытываемые штангой, далеки от предельно допустимых режимов основного строительного материала генератора – углеродного волокна. Компьютерное моделирование показывает, что срок службы установки будет находиться в диапазоне между 32 и 96 годами. Феноменологический подход
История
Эффективность
Приложения
Текущие приложения
Ветряная турбина без лопастей
Будь здесь Дон Кихот, что бы он подумал о
мельнице без лопастей?
Конструкция Vortex сейчас занимает 30% площади, требуемой обычному ветрогенератору. Практически, это площадь круга, по траектории которого совершает движение вершина мачты при максимальной скорости ветра. При той же высоте, которую имеют современные ветряные турбины, она может извлекать до 40% содержащейся в воздухе энергии, что, безусловно, является более чем хорошим показателем. Система немного проигрывает в эффективности преобразования энергии, достигая уровня порядка 70% от эффективности традиционных генераторов, но связано это только с тем, что при ее создании акцент делался на исключение трущихся и изнашивающихся деталей.
Более «зеленая» альтернатива традиционной ветроэнергетике
Кроме того, как ожидается, намного снизится вред, наносимый популяции птиц, поскольку характер и размах движений Vortex отличаются от традиционной ветряной турбины, что делает установку лучше различимой.
При частоте колебаний оборудования менее 20 Гц воздействие звука становится несущественным, открывая путь к созданию полностью бесшумных ветряных ферм будущего.
Поскольку Vortex не убивает птиц и не шумит, проект активно поддерживается несколькими экологическими защитными организациями, включая ассоциацию SEO Birdlife.
Стадия испытаний
Для доказательства реализуемости технологии Vortex провела испытания множества прототипов в аэродинамической трубе. В настоящее время Vortex Bladeless оптимизирует методику испытаний в реальных условиях, чтобы завершить создание небольшой действующей модели.
На начальном этапе Vortex сосредоточится на производстве небольших изделий. Первым будет генератор мощностью 100 Вт, имеющий высоту 3 м и вес 10 кг. Турбина разрабатывалась специально для автономной работы в единой системе с солнечными панелями. Такое решение будет рентабельным для домохозяйств с уже установленными солнечными батареями и сможет производить электричество в то время, когда солнечная энергия не вырабатывается. Начав работать, этот продукт, получивший название Vortex Atlantis, положит начало пилотной программе компании. Это будет солнечная панель, использующая энергию ветра.
Вторая установка, которую подготовят к производству в течение года, будет также малоразмерной. 4-киловаттный генератор высотой 13 м и весом 100 кг, как и первый, 100-ваттный генератор, предназначенный для автономного использования, будет оптимизирован для совмещенных с солнечными батареями гибридных систем, использующих общие электрические инверторы.
Основная цель будет достигнута через четыре года, когда Vortex представит ветрогенератор мощностью более одного мегаватта.
О Vortex Bladeless
 |
| Изобретатель безлопастной турбины Дэвид Яньес. |
Vortex Bladeless – испанская стартап-компания, занимающаяся разработкой ветряной турбины без лопастей и запатентовавшая в процессе работы множество технических решений. Работа поддерживалась грантами фонда Repsol, испанской инвестиционной компанией Spanish Angels и кредитами испанского правительства. В апреле 2015 года Vortex переместилась в Бостон и сформировала консультативный совет с участием представителей Гарвардского университета, IDEO, TerraForm Power и Dat Venture. В настоящее время компания ведет переговоры с инвесторами из США, чтобы запустить следующий этап финансирования в рамках краудфандингового проекта, целью которого станет коммерциализация технологии. Сегодня компания насчитывает 11 сотрудников. Учредители встретились несколько лет назад. Дэвид Яньес (David Yañez) является автором идеи, Рауль Мартинг (Raul Marting) занимается вопросами, связанными с организацией компании, а Дэвид Сурайол (David Suriol) управляет бизнесом.
Демонстрационное видео
Средняя вихревая трубка Nex Flow Medium Vortex Tube (283-1133 л/мин)
Средняя вихревая трубка Nex Flow Medium Vortex Tube в наиболее распространенном размере с потреблением 283, 425, 708, 850 и 1133 л/мин. При почти полном отсутствии движущихся частей, вихревая трубка принимает сжатый воздух и превращает его в холодный воздух температурой до -46°C на одном конце, и в горячий воздух на другом конце, температурой до +127°C.
Средняя вихревая трубка Nex Flow Medium Vortex Tube в наиболее распространенном размере с потреблением 283, 425, 708, 850 и 1133 л/мин. При почти полном отсутствии движущихся частей, вихревая трубка принимает сжатый воздух и превращает его в холодный воздух температурой до -46°C на одном конце, и в горячий воздух на другом конце, температурой до +127°C.
Средняя вихревая трубка Nex Flow Medium Vortex Tube в наиболее распространенном размере с потреблением 283, 425, 708, 850 и 1133 л/мин. Поставляется в двух версиях - с регулируемой заглушкой горячего конца с помощью отвертки, и с «ручным регулятором» и глушителем горячего конца, встроенным в устройство.
У вихревых трубок “горячий конец” обычно снабжен контролем напора и температуры воздуха на холодном конце. Чем больше напор на горячем конце, тем ниже температура на холодном конце. Важно отметить, что охлаждающая способность определяется одновременно напором и температурным перепадом. Поэтому, если важна охлаждающая способность, то поток из холодного конца должен быть в диапазоне 60% – 80%. Если важна температура, тогда поток должен быть менее 50%.
У всех вихревых трубок имеется “генератор”, который рассчитан на определенный поток. Бывает два типа генераторов – один для охлаждения, а второй - для ограничения потока с холодного конца, для достижения очень низких температур. В зависимости от температуры и давления входящего сжатого воздуха становится возможно достигать очень низких температур, до -40-45 ºC .
- Охлаждение электронных и электрических панелей.
- Охлаждение инструментов/машин.
- Охлаждение приборов видеонаблюдения.
- Застывание горячих расплавленных клеев.
- Охлаждение спаяных деталей.
- Охлаждение газов.
- Охлаждение горячих прокладок.
- Охлаждение камер с микроклиматом.
Как работают вихревые трубки?
Наши вихревые трубки из нержавеющей стали снабжены бронзовыми генераторами в стандартном варианте, а не дешевыми пластиковыми генераторами, что гарантирует их длительный срок эксплуатации в высокотемпературной среде. При почти полном отсутствии движущихся частей, вихревая трубка принимает сжатый воздух и превращает его в холодный воздух температурой до -46°C на одном конце, и в горячий воздух на другом конце, температурой до +127°C.
- Нет движущихся частей, надежный, не требует обслуживания.
- Без хладагента.
- Компактный и легкий.
- Низкая стоимость применения.
- Блоки не требуют обслуживания.
- Мгновенное понижение температуры в промышленных шкафах.
- Не искрят и взрывобезопасны.
- Заменяемые генераторы.
Настройка щелевого клапана на выпуске горячего воздуха устанавливает напор и температуру на холодном конце. Чем больше воздуха выпускается на горячем конце, тем меньше напор холодного воздуха и тем ниже температура на холодном конце. Закрытием клапана на горячем конце увеличивается напор холодного воздуха и повышается температура воздуха на холодном конце. Доля общего входящего воздуха в вихревую трубку, направляемая на холодный конец, называется “холодная фракция”. Холодная фракция от 60% до 80% обеспечивает оптимальное охлаждение. Ознакомьтесь с графиком ниже, где указано “повышение” температуры на горячем конце и “падение” температуры на холодном конце вихревых трубок при различных входящих давлениях и разных уставках “холодной фракции”.
Для большинства промышленных задач, таких как охлаждение контрольных панелей, инструментов, требуется максимальное охлаждение и применяются приборы серии Frigid-X™ 50000H. Для задач, при которых требуются особо низкие температуры, например, для охлаждения лабораторных образцов, испытания печатных плат применяются приборы серии Frigid-X™ 50000C. При необходимости поставляются глушители как для холодного, так и для горячего конца.
| Модель | Расход воздуха (л/мин) при 6.9 Бар | Мощность (Ватт) при 6.9 Бар |
| 50010H | 283 | 214 |
| 50015H | 425 | 322 |
| 50025H | 708 | 527 |
| 50030H | 850 | 615 |
| 50040H | 1133 | 849 |
| 50010С | 283 | - |
| 50015С | 425 | - |
| 50025С | 708 | - |
| 50030С | 850 | - |
| 50040С | 1133 | - |
Средняя вихревая трубка Nex Flow с генератором
Средняя вихревая трубка Nex Flow с генератором и глушителем горячего конца в сборке
Средняя вихревая трубка Nex Flow с генератором, глушителем горячего конца в сборке и глушителем холодного конца
Средняя вихревая трубка Nex Flow с генератором, глушителем горячего конца в сборке, глушителем холодного конца и шлангом
Средняя вихревая трубка Nex Flow с генератором, глушителем горячего конца в сборке и шлангом
Средняя вихревая трубка Nex Flow с генератором и глушителем холодного конца
Средняя вихревая трубка Nex Flow с генератором, глушителем холодного конца и шлангом
Читайте также: