Вихревая трубка

Устройство для разделения сжатого газа на горячий и холодный потоки

Разделение сжатого газа на горячий поток и холодный поток

Вихревая трубка , также известная как вихревая трубка 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). ^[1] Она не имеет движущихся частей и считается экологически чистой технологией, поскольку может работать исключительно на сжатом воздухе и не использует фреон . ^[2] Однако ее эффективность низкая, что сводит на нет другие ее экологические преимущества.

Сжатый газ впрыскивается тангенциально в вихревую камеру около одного конца трубки, что приводит к быстрому вращению — первому вихрю — по мере его движения по внутренней поверхности трубки к дальнему концу. Коническое сопло позволяет газу, в частности, из этого внешнего слоя выходить на этом конце через клапан. Оставшийся газ вынужден возвращаться 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 холоднее по возвращении в исходную точку, где он выпускается из трубки.

Метод работы

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

Фундаментальный подход: физика

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

Тепловой процесс в вихревой трубе можно оценить следующим образом:

Основным физическим явлением вихревой трубки является температурное разделение между холодным ядром вихря и теплой периферией вихря. «Эффект вихревой трубки» полностью объясняется уравнением работы Эйлера ^[3], также известным как уравнение турбины Эйлера, которое можно записать в наиболее общей векторной форме как: ^[4]

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

где — полная или стационарная температура вращающегося газа в радиальном положении , абсолютная скорость газа, наблюдаемая из неподвижной системы отсчета, обозначается как ; угловая скорость системы — это и — изобарическая теплоемкость газа. Это уравнение было опубликовано в 2012 году; оно объясняет фундаментальный принцип работы вихревых трубок (Вот видео с анимированной демонстрацией того, как это работает ^[5] ). Поиски этого объяснения начались в 1933 году, когда была открыта вихревая трубка, и продолжались более 80 лет. ${\displaystyle T}$ ${\displaystyle {\vec {r}}}$ ${\displaystyle {\vec {v}}}$ ${\displaystyle {\vec {\omega }}}$ ${\displaystyle c_{p}}$

Вышеприведенное уравнение справедливо для адиабатического турбинного прохода; оно ясно показывает, что в то время как газ, движущийся к центру, становится холоднее, периферийный газ в проходе «становится быстрее». Таким образом, охлаждение вихря происходит из-за углового движения. Чем больше газ охлаждается, достигая центра, тем больше вращательной энергии он передает вихрю, и, таким образом, вихрь вращается еще быстрее. Это объяснение напрямую вытекает из закона сохранения энергии. Сжатый при комнатной температуре газ расширяется, чтобы набрать скорость через сопло; затем он поднимается на центробежный барьер вращения, во время которого энергия также теряется. Потерянная энергия передается вихрю, который ускоряет его вращение. В вихревой трубе цилиндрическая окружающая стенка ограничивает поток на периферии и, таким образом, заставляет преобразовывать кинетическую энергию во внутреннюю, что производит горячий воздух на горячем выходе.

Таким образом, вихревая труба представляет собой безроторный турбодетандер . ^[6] Он состоит из безроторной радиальной входной турбины (холодный конец, центр) и безроторного центробежного компрессора (горячий конец, периферия). Выходная работа турбины преобразуется в тепло компрессором на горячем конце.

Феноменологический подход

Этот подход опирается на наблюдения и экспериментальные данные. Он специально адаптирован к геометрической форме вихревой трубки и деталям ее потока и разработан для соответствия конкретным наблюдаемым параметрам сложного потока вихревой трубки, а именно турбулентности, акустическим явлениям, полям давления, скоростям воздуха и многим другим. Ранее опубликованные модели вихревой трубки являются феноменологическими. Они:

1. Радиальная разность давлений: центробежное сжатие и расширение воздуха
2. Радиальная передача момента импульса
3. Радиальный акустический поток энергии
4. Радиальный тепловой насос

Более подробную информацию об этих моделях можно найти в недавних обзорных статьях о вихревых трубах. ^{[7] [8]}

Феноменологические модели были разработаны ранее, когда уравнение турбины Эйлера не было тщательно проанализировано; в инженерной литературе это уравнение изучается в основном для того, чтобы показать выходную мощность турбины; в то время как температурный анализ не выполняется, 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 потока этот эмпирический подход смог показать только аспекты эффекта, но не смог объяснить его принцип действия. Посвященные эмпирическим деталям, эмпирические исследования долгое время делали эффект вихревой трубы загадочным, а его объяснение – предметом споров.

История

Вихревая трубка была изобретена в 1931 году французским физиком Жоржем Ж. Ранком . ^[9] Она была заново открыта Полем Дираком в 1934 году, когда он искал устройство для разделения изотопов , что привело к разработке процесса разделения вихрей Геликон . ^[10] Немецкий физик Рудольф Хильш  [de] усовершенствовал конструкцию и опубликовал широко читаемую статью в 1947 году об устройстве, которое он назвал Wirbelrohr (буквально, вихревая труба). ^[11] В 1954 году Уэстли ^[12] опубликовал всеобъемлющий обзор под названием «Библиография и обзор вихревой трубки», который включал более 100 ссылок. В 1951 году Керли и МакГри ^[13] , в 1956 году Калвинскас ^[14] , в 1964 году Добрац ^[15] , в 1972 году Нэш ^[16] и в 1979 году Хеллиар ^[17] внесли важный вклад в литературу по RHVT своими обширными обзорами вихревой трубы и ее применения. С 1952 по 1963 год Ч. Дарби Фултон-младший получил четыре патента США, связанных с разработкой вихревой трубы. ^[18] В 1961 году Фултон начал производство вихревой трубы под названием компании Fulton Cryogenics. ^[19] Фултон продал компанию Vortec, Inc. ^[19] Вихревая труба использовалась для разделения газовых смесей, кислорода и азота, углекислого газа и гелия, углекислого газа и воздуха в 1967 году Линдерстромом-Лангом. ^{[20] [21]} Вихревые трубы, по-видимому, также работают с жидкостями в некоторой степени, как продемонстрировали Сюэ и Свенсон в лабораторном эксперименте, где свободное вращение тела происходит из ядра и толстого пограничного слоя у стенки. Воздух отделяется, вызывая более холодный поток воздуха, выходящий из выхлопной трубы в надежде охладиться как холодильник. ^[22] В 1988 году RT Balmer применил жидкую воду в качестве рабочей среды. Было обнаружено, что при высоком давлении на входе, например 20-50 бар, процесс разделения тепловой энергии существует и в несжимаемом (жидкостном) вихревом потоке. Обратите внимание, что это разделение происходит только из-за нагрева; больше не наблюдается охлаждения, поскольку охлаждение требует сжимаемости рабочей жидкости.

Эффективность

Вихревые трубы имеют меньшую эффективность, чем традиционное оборудование для кондиционирования воздуха . ^[23] Они обычно используются для недорогого точечного охлаждения, когда доступен сжатый воздух.

Приложения

Текущие приложения

Коммерческие вихревые трубы предназначены для промышленного применения, чтобы производить падение температуры до 71 °C (160 °F). Без подвижных частей, без электричества и без хладагента вихревая труба 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 100 фунтах на квадратный дюйм (6,9 бар). Регулирующий клапан в выпуске горячего воздуха регулирует температуру, потоки и охлаждение в широком диапазоне. ^{[24] [25]}

Вихревые трубы используются для охлаждения режущих инструментов ( токарных и фрезерных станков , как ручных, так и с ЧПУ ) во время обработки. Вихревая труба хорошо подходит для этого применения: механические цеха обычно уже используют сжатый воздух, а быстрая струя холодного воздуха обеспечивает как охлаждение, так и удаление стружки, образующейся при работе инструмента. Это исключает или радикально снижает потребность в жидкой охлаждающей жидкости, которая грязная, дорогая и экологически опасная.

Смотрите также

• Тепловой насос
• демон Максвелла
• Windhexe

Ссылки

1. Уокер, Джерл (1975). «Безумие перемешивания чая». Летающий цирк физики . John Wiley & Sons, Inc. стр. 97. ISBN 0-471-91808-3.
2. Сарифудин, Альфан; Виджаянто, Данар С.; Видиастути, Индах (2019). «Оптимизация параметров типа трубки, давления и массовой доли в производительности вихревой трубки с использованием метода Тагучи». Международный журнал по теплу и технологиям . 37 (2): 597–604. doi : 10.18280/ijht.370230 .
3. [1] - З. С. Спаковский. Унифицированная термодинамика и движение (конспект лекций), Массачусетский технологический институт, Кембридж, Массачусетс, 2007. Гл. 12.3.
4. Полихронов, Желязко Г.; Страатман, Энтони Г. (2012). «Термодинамика углового движения в жидкостях». Physical Review Letters . 109 (5): 054504-1–054504-4. Bibcode : 2012PhRvL.109e4504P. doi : 10.1103/PhysRevLett.109.054504. PMID  23006180.
5. 【Fun科學】惡魔急凍管(只要把空氣灌進去就瞬間變冷!!), 17 сентября 2021 г. , получено 18 сентября 2021 г.
6. Полихронов, Желязко Г.; Страатман, Энтони Г. (2015). «Эффект вихревой трубки без стенок». Канадский журнал физики . 93 (8): 850–854. Bibcode : 2015CaJPh..93..850P. doi : 10.1139/cjp-2014-0227.
7. Xue, Y.; et al. (2010). «Критический обзор температурного разделения в вихревой трубе». Exper. Therm. Fluid Sci . 34 (8): 1367–1374. Bibcode :2010ETFS...34.1367X. doi :10.1016/j.expthermflusci.2010.06.010.
8. Eiamsa-ard, S.; et al. (2008). «Обзор эффектов Ранка–Хилша в вихревых трубах». Renewable and Sustainable Energy Reviews . 12 (7): 1822–1842. doi :10.1016/j.rser.2007.03.006.
9. Жорж Жозеф Ранк, «Способ и устройство для получения из жидкости под давлением двух потоков жидкостей при разных температурах», Патент США № 1,952,281 (подан: 6 декабря 1932 г.; выдан: 27 марта 1934 г.).
10. Фармелло, Грэм (2009). Самый странный человек: Скрытая жизнь Поля Дирака . Нью-Йорк: Basic Books. стр. 248–9, 307, 311, 313–4, 321, 431. ISBN 978-0-465-02210-6.
11. Хильш, Рудольф (1947). «Использование расширения газов в центробежном поле как процесс охлаждения». Review of Scientific Instruments . 18 (2): 108–113. Bibcode : 1947RScI...18..108H. doi : 10.1063/1.1740893. PMID  20288553. Перевод оригинальной немецкой статьи: Рудольф Хильш (1946) «Die Expansion von Gasen im Zentrifugalfeld als Kälteprozeß» (Расширение газов в центробежном поле как процесс охлаждения), Zeitschrift für Naturforschung , 1  : 208–214. Доступно онлайн по адресу: Zeitschrift für Naturforschung.
12. Westley R (1954) Библиография и обзор вихревой трубы. Колледж аэронавтики, Крэнфилд, Великобритания
13. Curley W, McGree R Jr (1951) Библиография вихревых трубок. Refrig Eng 59(2):191–193
14. Калвинскас Л (1956) Вихревые трубы (расширение библиографии Уэсли). Лаборатория реактивного движения, Калифорнийский институт технологий Поиск литературы, 56, часть 2
15. Dobratz BM (1964) Вихревые трубки: библиография. Lawrence Radiation Laboratory UCRL-7829
16. Nash JM (1972) Вихревая трубка Ранка-Хилша и ее применение в системах контроля окружающей среды космических аппаратов. Dev Theor Appl Mech, том 6
17. Хеллиар КГ (1979) Сжижение газа с использованием вихревой трубы Ранка-Хилша: критерии проектирования и библиография. Отчет на степень инженера-химика, Массачусетский технологический институт
18. "Бесплатные патенты онлайн" . Получено 27 августа 2017 г.
19. Stone, Greg (октябрь 1976 г.). «Вихревые трубы дуют то горячим, то холодным». Popular Science . 209 (4): 123–125 – через Google Books.
20. Чэнмин Гао, Экспериментальное исследование вихревой трубы Ранка-Хилша, (2005) стр. 2
21. Вихревые трубки изготовлены из нержавеющей стали и используют генератор и клапан из латуни, герметизированные уплотнительными кольцами из витона, что позволяет использовать их в самых разных условиях.
22. RT Balmer. Разделение температур Ранка-Хилша в жидкостях под действием давления. Trans. ASME, J. Fluids Engineering , 110:161–164, июнь 1988 г.
23. Полихронов, Дж.; и др. (2015). «Максимальный коэффициент производительности (КПД) вихревых трубок». Канадский журнал физики . 93 (11): 1279–1282. Bibcode : 2015CaJPh..93.1279P. doi : 10.1139/cjp-2015-0089.
24. Newman Tools Inc. http://www.newmantools.com/vortex.htm
25. "Streamtek Corp". 20 августа 2021 г.Вторник, 2 июня 2020 г.

Дальнейшее чтение

• Ж. Ранк, (1933) «Опыты одновременной разрядки и одновременного производства воздуха в воздухе и охлаждённого воздуха», Journal de Physique et Le Radium , Приложение, 7-я серия, 4  : 112 С – 114 С.
• Х. К. Ван Несс, Понимание термодинамики , Нью-Йорк: Довер, 1969, начиная со страницы 53. Обсуждение вихревой трубки с точки зрения традиционной термодинамики.
• Марк П. Сильверман, И все же оно движется: странные системы и тонкие вопросы физики , Кембридж, 1993, Глава 6
• Сэмюэл Б. Сюэ и Фрэнк Р. Свенсон, «Внутренние потоки вихревого диода», Труды Миссурийской академии наук, 1970 г., Уорренсбург, Миссури.
• CL Stong, 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, М. Х.; Валипур, М. С. (2003). «Экспериментальное моделирование холодильника с вихревой трубкой». Журнал прикладной теплотехники . 23 (15): 1971–1980. Bibcode : 2003AppTE..23.1971S. doi : 10.1016/s1359-4311(03)00146-7.
• Валипур, М.С.; Ниази, Н. (2011). «Экспериментальное моделирование изогнутого вихревого трубчатого холодильника Ранка–Хилша». Международный журнал по охлаждению . 34 (4): 1109–1116. doi :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, Повторный взгляд на эффект Ранка-Хилша: температурное разделение, прослеживаемое до упорядоченных спиновых волн или «вихревого свиста», доклад AIAA-82-0952, представленный на 3-й совместной конференции AIAA/ASME по теплофизике (июнь 1982 г.)
• Гао, Чэнмин (2005). Экспериментальное исследование вихревой трубы Ранка-Хилша . Эйндховен: Технический университет Эйндховена. ISBN 90-386-2361-5.
• R. Ricci, A. Secchiaroli, V. D'Alessandro, S. Montelpare. Численный анализ сжимаемого турбулентного спирального потока в вихревой трубе Ранка-Хилша. Computational Methods and Experimental Measurement XIV, стр. 353–364, Ed. C. Brebbia, CM Carlomagno, 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.
• A. Secchiaroli, R. Ricci, S. Montelpare, V. D'Alessandro. Численное моделирование турбулентного течения в вихревой трубе Ранка-Хилша. International Journal of Heat and Mass Transfer , Vol. 52, Issues 23–24, November 2009, pp. 5496–5511, ISSN  0017-9310.
• Н. Пурмахмуд, А. Хассанзаде, О. Мутаби. Численный анализ влияния зазора спиральных сопел на охлаждающую способность вихревой трубки Ранка-Хилша. Международный журнал по охлаждению , т. 35, выпуск 5, 2012, стр. 1473–1483, ISSN  0140-7007.
• М.Г. Ранк, 1933, «Опыт работы в режиме разрядки с использованием симулированных производств d'un echappement d'air chaud et d'air froid», Journal de Physique et le Radium (на французском языке), Приложение, 7-я серия, Vol. 4, стр. 112 С–114 С.
• Р. Хильш, 1947, «Использование расширения газов в центробежном поле в качестве процесса охлаждения», Обзор научных приборов, т. 18, № 2, стр. 108–113.
• Дж. Рейнольдс, 1962, «Заметка о течениях в вихревых трубах», Журнал механики жидкости, т. 14, стр. 18–20.
• TT Cockerill, 1998, «Термодинамика и гидромеханика вихревой трубы Ранка-Хилша», докторская диссертация, Кембриджский университет, инженерный факультет.
• В. Фрёлингсдорф и Х. Унгер, 1999, «Численные исследования сжимаемого потока и разделения энергии в вихревой трубе Ранка-Хилша», Int. J. Heat Mass Transfer, т. 42, стр. 415–422.
• Дж. Левинс и А. Бежан, 1999, «Теория оптимизации вихревой трубки», Энергия, т. 24, стр. 931–943.
• JP Hartnett и ERG Eckert, 1957, «Экспериментальное исследование распределения скорости и температуры в высокоскоростном вихревом потоке», Transactions of the ASME, т. 79, № 4, стр. 751–758.
• М. Куросака, 1982, «Акустическое течение в закрученных потоках», Журнал механики жидкости, т. 124, стр. 139–172.
• К. Стефан, С. Лин, М. Дёрст, Ф. Хуан и Д. Сехер, 1983, «Исследование разделения энергии в вихревой трубе», Международный журнал по тепло- и массообмену, т. 26, № 3, стр. 341–348.
• Б. К. Альборн и Дж. М. Гордон, 2000, «Вихревая труба как классический термодинамический холодильный цикл», Журнал прикладной физики, т. 88, № 6, стр. 3645–3653.
• Г. В. Шепер, 1951, Холодильная техника, т. 59, № 10, стр. 985–989.
• Дж. М. Нэш, 1991, «Устройства вихревого расширения для высокотемпературной криогеники», Труды 26-й Межобщественной конференции по инженерному преобразованию энергии, том 4, стр. 521–525.
• D. Li, JS Baek, EA Groll и PB Lawless, 2000, «Термодинамический анализ вихревой трубы и устройств вывода работы для транскритического цикла углекислого газа», Предварительные труды 4-й конференции IIR-Gustav Lorentzen по природным рабочим жидкостям в Purdue, редакторы EA Groll и DM Robinson, Ray W. Herrick Laboratories, Purdue University, стр. 433–440.
• Х. Такахама, 1965, «Исследования вихревых трубок», Бюллетень JSME, Vol. 8, № 3, стр. 433–440.
• Б. Альборн и С. Гроувс, 1997, «Вторичное течение в вихревой трубе», Fluid Dyn. Research, т. 21, стр. 73–86.
• Х. Такахама и Х. Йокосава, 1981, «Разделение энергии в вихревых трубах с расширяющейся камерой», Журнал ASME по теплопередаче, т. 103, стр. 196–203.
• М. Сибулкин, 1962, «Нестационарное вязкое круговое течение. Часть 3: Применение к вихревой трубке Ранка-Хилша», Журнал механики жидкости, т. 12, стр. 269–293.
• К. Стефан, С. Лин, М. Дёрст, Ф. Хуан и Д. Сехер, 1984, «Соотношение подобия для разделения энергии в вихревой трубе», Int. J. Heat Mass Transfer, т. 27, № 6, стр. 911–920.
• Х. Такахама и Х. Кавамура, 1979, «Характеристики производительности разделения энергии в паровой вихревой трубе», Международный журнал инженерных наук, т. 17, стр. 735–744.
• Г. Лоренцен, 1994, «Возрождение углекислого газа в качестве хладагента», H&V Engineer, т. 66. № 721, стр. 9–14.
• DM Robinson и EA Groll, 1996, «Использование диоксида углерода в транскритическом парокомпрессионном холодильном цикле», Труды Международной конференции по холодильной технике 1996 года в Пердью, редакторы JE Braun и EA Groll, Ray W. Herrick Laboratories, Purdue University, стр. 329–336.
• WA Little, 1998, «Последние разработки в области охлаждения Джоуля-Томсона: газы, охладители и компрессоры», Труды 5-й Международной конференции по криоохладителям, стр. 3–11.
• А.П. Клееменко, 1959, «Однопоточный каскадный цикл (в схемах сжижения и разделения природного газа)», Труды 10-го Международного конгресса по холоду, Pergamon Press, Лондон, стр. 34.
• Дж. Маршалл, 1977, «Влияние условий эксплуатации, физических размеров и характеристик жидкости на эффективность разделения газа в вихревой трубе Линдерстрема-Ланга», Int. J. Heat Mass Transfer, т. 20, стр. 227–231

Внешние ссылки

• Патент США GJ Ranque
• Подробное объяснение эффекта вихревой трубки со множеством иллюстраций
• Демонстрация физики в колледже Оберлин
• Строим вихревую трубу Этот старый Тони, YouTube
• Vortex'n 2 Этот старый Тони, YouTube