Вихревой эффект Ранке

Исследуя циклические сепараторы для очистки газа от пыли, французский инженер-металлург Ж. Ранке в конце 20-х годов XX века обнаружил необычное явление: в центре струи газ, выходящий из циклона, имел более низкую температуру, чем исходный. Уже в конце 1931 г. Ранке получает первый патент на устройство, названное им "вихревой трубой" (ВТ), в котором осуществляется разделение потока сжатого воздуха на два потока - холодный и горячий. Вскоре патентует это изобретение и в других странах [80].
В1933 г. Ранке делает доклад во Французском физическом обществе об открытом им явлении разделения сжатого газа в ВТ [81]. Но научной общественностью его сообщение было встречено с недоверием, так как никто не мог объяснить физику этого процесса. Ведь ученые еще совсем незадолго до того поняли неосуществимость фантастической идеи "демона Максвелла", который для разделения теплого газа на горячий и холодный должен был выпускать через микроотверстие из сосуда с газом быстрые молекулы газа и не выпускать медленные. Все решили, что это противоречит второму началу термодинамики и закону возрастания энтропии.

Рис. 6.5. Вихревая труба Ранке.

Более 20 лет открытие Ранке игнорировалось. И лишь в 1946 г. немецкий физик Р. Хильш опубликовал работу об экспериментальных исследованиях ВТ, в которой дал рекомендации для конструирования таких устройств. С тех пор их иногда называют трубами Ранке - Хильша.
Но еще в 1937 г. советский ученый К. Страхович, рассказывается в [82], не зная об опытах Ранке, в курсе лекций по прикладной газодинамике теоретически доказывал, что во вращающихся потоках газа должны возникать разности температур. Однако только после второй мировой войны в СССР, как и во многих других странах, началось широкое применение вихревого эффекта. Необходимо отметить, что советские исследователи в этом направлении к началу 70-х годов заняли мировое лидерство. Обзор некоторых советских работ по ВТ дан, например, в книге [82], из которой мы позаимствовали как вышесказанное в данном разделе, так и многое из изложенного ниже в нем.
В вихревой трубе Ранке, схема которой приведена на рис. 6.5, цилиндрическая труба 1присоединена одним концом к улитке 2, которая заканчивается сопловым вводом прямоугольного сечения, обеспечивающим подачу сжатого рабочего газа в трубу по касательной к окружности ее внутренней поверхности. С другого торца улитка закрыта диафрагмой 3 с отверстием в центре, диаметр которого существенно меньше внутреннего диаметра трубы 1. Через это отверстие из трубы 1 выходит холодный поток газа, разделяющегося при его вихревом движении в трубе 1 на холодную (центральную) и горячую (периферийную) части. Горячая часть потока, прилегающая к внутренней поверхности трубы 1, вращаясь, движется к дальнему концу трубы 1 и выходит из нее через кольцевой зазор между ее краем и регулировочным конусом 4.
В [82] объясняется, что всякий движущийся поток газа (или жидкости) имеет, как звестно, две температуры: термодинамическую (называемую еще статической) Т, определяемую энергией теплового движения молекул газа (эту температуру измерял бы термометр, движущийся вместе с потоком газа с той же скоростью V, что и поток) и температуру торможения Т0, которую измеряет неподвижный термометр, помещенный на пути потока. Эти температуры связаны соотношением

(6.1)

в котором С - удельная теплоемкость газа. Второе слагаемое в (6.1) описывает возрастание температуры вследствие торможения потока газа на термометре. Если торможение осуществляется не только в точке измерения, а и по всему сечению потока, то весь газ нагревается до температуры торможения Т0. При этом кинетическая энергия потока превращается в тепло.
Преобразуя формулу (6.1), получают выражение

(6.2)

которое говорит о том, что при увеличении скорости потока V в адиабатических условиях термодинамическая температура уменьшается.
Отметим, что последнее выражение применимо не только к потоку газа, но и к потоку жидкости. В нем с увеличением скорости V потока в адиабатических условиях термодинамическая температура жидкости тоже должна уменьшаться. Именно на это уменьшение температуры потока воды, ускоряемого в сужающемся водоводе к турбине, указывал, как мы отмечали в разделе 3.4, Л. Гербранд, предлагая преобразовывать тепло воды рек в кинетическую энергию потока, подаваемого к турбине гидроэлектростанций.
Действительно, еще раз переписав выражение (6.1) в виде

(6.3)

получим для прироста кинетической энергии потока воды формулу

(6.4)

(Здесь m - масса воды, прошедшей через водовод).
Но вернемся к вихревой трубе. Разгоняясь в ее входной улитке до большой скорости, газ на входе в цилиндрическую трубу 1 имеет максимальную тангенциальную скорость VR наименьшую термодинамическую температуру. Далее он движется в трубе 1 по цилиндрической спирали к дальнему выходу, частично закрытому конусом 4. Если этот конус удалить, то весь поток газа будет беспрепятственно выходить через дальний (горячий) конец трубы 1. Более того, ВТ будет засасывать через отверстие в диафрагме 3 и часть наружного воздуха. (На этом принципе основана работа вихревых эжекторов, имеющих меньшие габариты, чем прямоточные.)
Но регулируя зазор между конусом 4 и краем трубы 1, добиваются повышения давления в трубе до такой величины, при которой засасывание внешнего воздуха прекращается и часть газа из трубы 1 начинает выходить через отверстие в диафрагме 3. При этом в трубе 1 появляется центральный (приосевой) вихревой поток, движущийся навстречу основному (периферийному), но вращающийся, как утверждается в [82], в ту же сторону.
Во всем комплексе процессов, происходящих в ВТ, выделяют два основных, определяющих, по мнению большинства исследователей, перераспределение энергии между периферийным и центральным вихревыми потоками газа в ней.
Первый из основных процессов - это перестройка поля тангенциальных скоростей вращающихся потоков по мере продвижения их вдоль трубы. Быстро вращающийся периферийный поток постепенно передает свое вращение центральному потоку, движущемуся навстречу. В результате, когда частицы газа центрального потока подходят к диафрагме 3, вращение обоих потоков направлено в одну и ту же сторону, и происходит так, словно вокруг своей оси вращается твердый цилиндр, а не газ. Такой вихрь называют "квазитвердым". Это название определяется тем, что частицы вращающегося твердого цилиндра в своем движении вокруг оси цилиндра имеют такую же зависимость тангенциальной скорости от расстояния до оси: Vr. =.?r.
Второй основной процесс в ВТ - это выравнивание термодинамических температур периферийного и центрального потоков в каждом сечении ВТ, вызываемое турбулентным энергообменом между потоками. Без этого выравнивания внутренний поток, имеющий меньшие тангенциальные скорости, чем периферийный, имел бы большую термодинамическую температуру, чем периферийный. Поскольку тангенциальные скорости у периферийного потока больше, чем у центрального, то после выравнивания термодинамических температур температура торможения периферийного потока, перемещающегося к выходу трубы 1, полуприкрытому конусом 4, оказывается большей, чем у центрального потока, перемещающегося к отверстию в диафрагме 3.
Одновременное действие двух описанных основных процессов и приводит, по мнению большинства исследователей, к перекачке энергии от центрального потока газа в ВТ к периферийному и к разделению газа на холодный и горячий потоки.
Такое представление о работе ВТ до настоящего времени остается признанным большинством специалистов. Да и конструкция ВТ со времен Ранке почти не изменилась, хотя области применения ВТ с тех пор все более расширяются. Было обнаружено, что ВТ, у которых вместо цилиндрической используется коническая (с малым углом конусности) труба, показывают несколько лучшую эффективность в работе. Но они сложнее в изготовлении. Чаще всего ВТ, работающие на газах, применяют для получения холода, но иногда, например при работе в вихревых термостатах, используют как холодный, так и горячий ее потоки [82].
Хотя вихревая труба имеет КПД гораздо меньший, чем промышленные холодильники других типов, что обусловлено большими затратами энергии на сжатие газа перед подачей его в ВТ, предельная простота конструкции и неприхотливость ВТ делают ее незаменимой для многих применений.
ВТ могут работать с любыми газообразными рабочими телами (например, с водяным паром) и при самых разных перепадах давлений (от долей атмосферы до сотен атмосфер). Весьма широк и диапазон расходов газа в ВТ (от долей м3/час до сотен тысяч м3/час), а значит и диапазон их мощностей. При этом с увеличением
Диаметра ВТ (то есть с увеличением ее мощности) повышается и эффективность ВТ.
Когда ВТ используют для получения холодного и горячего потоков газа одновременно, трубу делают неохлаждаемой. Такие ВТ называют адиабатными. А вот при использовании только холодного потока выгоднее применять, ВТ, в которых корпус трубы или его дальний (горячий) конец охлаждается водяной рубашкой или другим методом принудительно. Охлаждение позволяет увеличить холодопроизводительность ВТ.

6.3. Парадоксы вихревой трубы

Вихревая труба, ставшая тем "демоном Максвелла", который (осуществляет отделение быстрых молекул газа от медленных, недаром долго не получала признания после изобретения ее Ж. Ранке. Вообще всякие процессы и устройства, если они не получают теоретического обоснования и научного объяснения, в наш просвещенный" век почти наверняка оказываются обреченными на неприятие. Это если хотите, оборотная сторона просвещения: все, что не находит сиюминутного объяснения, не имеет права на существование! А в трубе Ранке даже после появления вышеизложенного объяснения ее работы многое оставалось и остается неясным. К сожалению, авторы книг и учебников редко отмечают неясности тех или иных вопросов, а наоборот, чаще стремятся обойти и завуалировать их, чтобы создать видимость всесилия науки. Не исключение в этом отношении и книга [82].
Так, на ее стр. 25 при объяснении процесса перераспределения! энергии в ВТ путем перестройки поля скоростей вращающихся потоков газа и возникновения "квазитвердого" вихря можно заметить некоторую путаницу. Например), читаем: "При движении центрального потока к... он испытывает все более интенсивную закрутку со стороны внешнего потока. В этом процессе, когда внешние слои закручивают внутренние, в результате... тангенциальные скорости внутреннего потоке уменьшаются, а внешнего - растут". Нелогичность этой фразы навощит на мысль, не пытаются ли авторы книги тут скрыть нечто такое, что не находит объяснения, создать видимость логики там, где ее нет?
Попытки создания теории ВТ путем построения и решения системы газодинамических уравнений, описывающих процессы в ВТ, приводили многих авторов к непреодолимым математическим трудностям. А тем временем исследования вихревого эффекта экспериментаторами выявляли в нем все новые особенности, обоснование которых оказывалось невозможным ни по одной из принятых гипотез.
В 70-е годы развитие криогенной техники стимулировало поиски новых возможностей вихревого эффекта, поскольку другие существующие методы охлаждения - дросселирование, эжектирование и детандирование газов -- не обеспечивали решение встававших практических задач по охлаждению в больших объемах и сжижению газов с низкой температурой конденсации. Поэтому еще более интенсивно продолжалось исследование работы вихревых охладителей.
Интереснейших результатов в этом направлении достиг ленинградцев В. Е. Финько. В его вихревом охладителе [83] с ВТ, имеющей угол конусности до 14°, было достигнуто охлаждение воздуха до 30°К. Отмечено значительное возрастание эффекта охлаждения при увеличении давления газа на входе до 4 МПа и выше, что [противоречило общепринятой точке зрения о том, что при давлении более 1 МПа эффективность ВТ практически не увеличивается с ростом давления.
Эта и другие особенности, обнаруженные при испытаниях вихревого охладителя с дозвуковыми скоростями входного потока, не согласующиеся с существовавшими представлениями о вихревом эффекте и принятой в литературе методикой расчета охлаждения газов с его помощью, побудили В. Е. Финько осуществить в [84] анализ этих расхождений.
Им было подмечено, что температуры торможения не только холодного (Гох), но и "горячего" (Гог) выходящих потоков газа оказались существенно ниже температуры Т газа, подаваемого в его ВТ. Это означало, что энергетический баланс в его ВТ не соответствует известному уравнению баланса Хильша для адиабатных ВТ.

(6.5)

где I - удельная энтальпия рабочего газа,

В имевшейся литературе Финько не обнаружил работ, посвященных проверке соотношения (6.5). В опубликованных работах, как правило, доля холодного потока JLI определялась расчетно с помощью формулы

(6.6)

по результатам замеров температур Товх Гог Гох. Последнюю формулу получают из (6.5) при использовании условий:
В.Е.Финько создает стенд, описанный в [84], на котором наряду с измерением температур торможения потоков осуществлялись измерения расходов газа Овх, Ох, Ог. В результате было твердо установлено, что выражение (6.5) неприемлемо для расчета энергетического баланса ВТ, поскольку различие удельных энтальпий входящего и выходящих потоков в экспериментах составляло 9-24% и возрастало с увеличением входного давления или с понижением температуры входящего газа. Финько отмечает, что некоторое несоответствие соотношения (6.5) результатам испытаний наблюдалось и ранее в работах других исследователей, например в [85, 86], где величина несходимости составляла 10-12%, но объяснялась авторами этих работ неточностью замера расходов.
Далее В. Е. Финько отмечает, что ни один из ранее предлагавшихся механизмов теплообмена в ВТ, в том числе и механизм противоточного турбулентного теплообмена, не объясняет те высокие скорости теплоотвода из газа, которые приводят к зарегистрированным им значительным перепадам температур (~70°К и более) в его вихревом охладителе. Он предлагает свое объяснение охлаждения газа в ВТ "работой вихревого расширения газа", осуществляемой внутри трубы над ранее поступившими туда порциями газа, а также над внешней атмосферой, куда выходит газ.
Тут мы должны отметить, что в общем случае энергетический баланс ВТ имеет вид [82]:

(6.7)

где Wохл - количество тепла, отводимого в единицу времени от корпуса ВТ за счет его естественного или искусственного охлаждения. При расчетах адиабатных труб последним слагаемым в (6.7) пренебрегают ввиду его малости, так как ВТ имеют обычно небольшие размеры и теплообмен их с окружающим воздухом посредством конвекции незначителен по сравнению с теплообменом между потоками газа внутри ВТ. А при работе искусственно охлаждаемых ВТ последнее слагаемое в (6.7) обеспечивает увеличение доли холодного потока газа, выходящего из ВТ. В вихревом охладителе Финько искусственное охлаждение отсутствовало, а естественный конвекционный теплообмен с окружающим атмосферным воздухом был незначительным.
Следующий эксперимент Финько, описанный в [84], казалось бы, не имел прямого отношения к вопросам теплообмена в ВТ. Но именно он заставляет наиболее сильно усомниться не только в правильности существовавших до того представлений о механизме теплообмена между потоками газа в ВТ, но и вообще в правильности всей общепризнанной картины работы ВТ. Финько вводит по оси своей ВТ тонкий стержень, другой конец которого закреплен в подшипнике. При работе ВТ стержень начинает вращаться со скоростью до 3000 об/мин, приводимый в движение вращающимся центральным потоком газа в ВТ. Но только направление вращения стержня оказалось противоположным направлению вращения основного (периферийного) вихревого потока газа в ВТ!
Из этого эксперимента можно сделать вывод, что вращение центрального потока газа направлено противоположно вращению периферийного (основного) потока. Но это противоречит сложившемуся представлению о "квазитвердом" вращении газа в ВТ.
Вдобавок ко всему В. Е. Финько зарегистрировал на выходе холодного потока газа из своей ВТ инфракрасное излучение полосового спектра в диапазоне длин волн 5-12 мкм, интенсивность которого повышалась с повышением давления газа на входе в ВТ. Иногда же визуально наблюдалось еще и "выходящее из ядра потока излучение голубого цвета". Однако исследователь не придал излучению особого значения, отметив наличие излучения как любопытный сопутствующий эффект и даже не привел в [84] величины его интенсивностей. Это говорит о том, что Финько не связывал наличие этого излучения с механизмом теплообмена в ВТ.
Вот тут-то мы должны опять вспомнить о предлагавшемся в разделах 4.4 и 4.5 механизме сбрасывания "лишней" массы-энергии из приводимой во вращение системы тел для возникновения необходимой отрицательной энергии связи системы. Мы писали, что легче всего энергию сбрасывать электрически заряженным телам. Они при вращении могут просто излучать энергию в виде электромагнитных волн или фотонов. В потоке любого газа всегда имеется некоторое количество ионов, движение которых по окружности или дуге в вихревом потоке и должно приводить к излучению электромагнитных волн.
Правда, при технических частотах вращения вихря интенсивность излучения радиоволн движущимся ионом, рассчитанная по известной формуле для циклотронного излучения на основной частоте , оказывается чрезвычайно малой. Но циклотронное излучение - не единственный и далеко не самый главный из возможных механизмов излучения фотонов из вращающегося газа. Существует ряд других возможных механизмов, например посредством возбуждения молекул газа ионно - звуковыми колебаниями с последующим высвечиванием возбужденных молекул. Мы здесь говорим о циклотронном излучении лишь потому, что его механизм наиболее понятен инженеру - читателю данной книги. Повторим еще раз, что когда природе требуется излучить из системы движущихся тел энергию, у нее найдется тысяча способов это сделать. Тем более из такой системы, как газовый вихрь, в котором так много понятных даже при сегодняшнем развитии науки возможностей для излучения.
В. Е. Финько зарегистрировал полосовой спектр электромагнитного излучения с
длинами волн =‹10 мкм. Полосовой спектр характерен для теплового излучения молекул газа. Твердые же тела дают непрерывный спектр излучения [87]. Из этого можно заключить, что в опытах Финько зарегистрировано именно излучение рабочего газа, а не металлического корпуса ВТ.
На тепловое излучение вращающегося газа может расходоваться не масса покоя излучающих молекул или ионов, а тепловая энергия газа как наиболее мобильная часть его внутренней энергии. Тепловые соударения между молекулами газа не только возбуждают молекулы, но и подпитывают ионы кинетической энергией, которую те излучают уже в виде электромагнитной. И похоже, что вращение газа как-то (возможно, посредством торсионного поля) стимулирует этот процесс излучения. В результате излучения фотонов газ охлаждается до более низких температур, чем это следует из известных теорий теплообмена между центральным и периферийным вихревыми потоками в ВТ.
В работе Финько [84] не указана, к сожалению, интенсивность наблюдавшегося излучения, а потому пока ничего нельзя сказать о величине уносимой им мощности. Но им отмечался нагрев внутренней поверхности стенок ВТ не менее чем на 5°К, что могло быть обусловлено нагревом именно этим излучением.
В связи с этим напрашивается следующая гипотеза о процессе теплоотвода от центрального потока к периферийному вихревому потоку газа в ВТ. Газ как центрального, так и периферийного потоков при их вращении излучает фотоны. Казалось бы, что периферийный должен излучать интенсивнее, так как он имеет большую тангенциальную скорость. Но центральный поток находится в интенсивном осевом торсионном поле, которое стимулирует излучение фотонов возбужденными молекулами и ионами. (Это в опытах Финько доказывает наличие голубого свечения именно из "ядра" потока.) При этом газ потока охлаждается за счет ухода из него излучения, уносящего энергию, а излучение поглощается стенками трубы, которые нагреваются этим излучением. Но периферийный поток газа, контактирующий со стенками трубы, снимает это тепло и нагревается. В результате центральный вихревой поток оказывается холодным, а периферийный - нагретым.
Таким образом, корпус ВТ играет роль промежуточного тела, обеспечивающего передачу тепла от центрального вихревого потока к периферийному.
Понятно, что когда корпус ВТ делают охлаждаемым, передача тепла от него периферийному потоку газа уменьшается из - за уменьшения перепада температур между корпусом трубы и газом в ней, и холодопроизводительность ВТ повышается.
Эта гипотеза объясняет и обнаруженное Финько нарушение теплового баланса о котором мы говорили выше. Действительно, если часть излучения покидает пределы ВТ через ее выпускные отверстия (а эта часть может составлять ~10%, судя по геометрии устройства, использовавшегося Финько), то уносимая этой частью излучения энергия уже не регистрируется приборами, измеряющими температуру торможения газа у выходов трубы. Доля уходящего из трубы излучения особенно возрастает, если излучение рождается преимущественно возле отверстия диафрагмы 3 трубы (см. рис. 6.5), где скорости вращения газа максимальны.
О нагреве периферийного потока газа в ВТ надо сказать еще несколько слов. Когда В.Е. Финько установил в "горячем" конце своей ВТ "спрямитель" потока газа (решетчатый "тормоз"), "горячая" часть выходящего потока газа после "спрямителя" уже имела температуру, на 30-60°К большую, чем Товх. При этом доля холодного потока увеличивалась из-за уменьшения площади проходного сечения для отвода "горячей" части потока, а температура холодной части потока уже не была столь низка, как при работе без "спрямителя".
После установки "спрямителя" Финько отмечает очень интенсивный шум при работе его ВТ. И он объясняет нагрев газа при размещении в трубе "спрямителя" (который, как показали его оценки, не мог нагреваться столь сильно только за счет трения потока газа о "спрямитель") возникновением звуковых колебаний в газе, резонатором которых выступает труба. Этот процесс Финько назвал "механизмом волнового расширения и сжатия газа", ведущим к его нагреву.
Понятно, что торможение вращения потока газа должно было приводить к превращению части кинетической энергии потока в тепло. Но вот механизм этого превращения был выявлен лишь в работе Финько.
Изложенное показывает, что вихревая труба таит в себе еще много загадок и что бытовавшие в течение десятилетий представления о ее работе требуют коренного пересмотра.