1
ВИХРЕВОЙ ЭФФЕКТ РАНКА
Ш.Б. Нұрбалаев, Д.Ә. Әубәкір
ЭеО-центр «Ноосфера и Устойчивое развитие» при ЕНУ им. Л.Н. Гумилева E-mail: [email protected]
Введение: Метеорологи давно заметили, что в турбулентной атмосфере тепло самопроизвольно переносится от холодных разреженных верхних слоев к более теплым и плотным ее нижним слоям, т.е. в
«противоестественном» направлении – от холодных слоев к теплым. В турбулентной сжимаемой атмосфере теплоперенос, таким образом, ориентирован по градиенту давления воздуха в гравитационном поле Земли.
Высокая степень турбулентности сжимаемой среды (воздуха, газа) и высокий градиент давления в потоке – совокупность факторов, присутствующих при работе многих промышленных аппаратов с вращательным, вихревым, криволинейным движением потока, например при работе обычного пылеотделителя – циклона.
1. Суть эффекта и постановка проблемы
Французский инженер-металлург Жорж Жозеф Ранк первым провел целенаправленное экспериментальное исследование пылеотделителя – циклона и запатентовал первую вихревую трубу – устройство, использующее эффект «самопроизвольного» температурного разделения воздушного (газового) вихря на холодный осевой и горячий периферийный поток [2].
При движении потока газа или жидкости по плавно поворачивающей поверхности трубы у еѐ внешней стенки образуется область повышенного давления и температуры, а у внутренней – область пониженной температуры и давления. Это достаточно хорошо известное явление называется эффектом Ранка или эффектом Ранка-Хильша.
Классическими устройствами, использующими эффект Ранка, являются вихревые трубы, которые строят по двум основным схемам: прямоточной и противоточной [1].
Схема вихревой трубки Ранка приведена на рис. 1. Здесь 1 – гладкая цилиндрическая труба, 2 – вход газа (завихритель тангенциального или улиточного типа), 3 – дроссель, 4 – выход горячего газа через кольцевую щель, 5 – диафрагма для выхода холодного газа.
2
Рисунок 1. Основные схемы прямоточной (а) и противоточной (б) вихревых труб на эффекте Ранка.
Парадоксальность эффекта Ранка заключается в том, что центробежные силы во вращающемся потоке направлены наружу. Как известно, более тѐплые слои газа или жидкости имеют меньшую плотность и должны подниматься вверх, а в случае центробежных сил – стремиться к центру, более холодные имеют большую плотность и, соответственно, должны стремиться к периферии. Между тем при большой скорости вращающегося потока всѐ происходит с точностью, да, наоборот.
Эффект Ранка проявляется как для потока газа, так и для потока жидкости, которая, как известно, является практически несжимаемой и потому фактор адиабатического сжатия или расширения к ней неприменим.
Тем не менее, в случае жидкости эффект Ранка обычно выражен значительно слабее.
В настоящее время наиболее общепризнанным объяснением эффекта Ранка является следующее.
Известно, что если измерять температуру движущегося в трубе потока двумя термометрами, то они покажут разную температуру, если один из них неподвижен относительно потока, а другой вмонтирован в трубу. При этом температура, измеренная вмонтированным в трубу термометром будет связана с температурой, измеренной термометром, движущимся вместе с потоком, следующим образом:
T0 T v2 /(2Cp), (1) где T0 – температура, измеренная вмонтированным в трубу термометром,
«температура торможения»; T – «собственная» температура потока, измеренная термометром, движущимся вместе с ним, «статическая температура»; v – скорость движения потока по трубе; Cp – удельная теплоѐмкость вещества потока.
3
Второе слагаемое в (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 (1), получают выражение,
T0 T v2 /(2Cp), (2) которое говорит о том, что при увеличении скорости потока v в адиабатических условиях термодинамическая температура уменьшается.
Отметим, что последнее выражения применимо не только к потоку газа, но и к потоку жидкости. В нем с увеличением скорости потока v в адиабатических условиях термодинамическая температура жидкости тоже должна уменьшается.
Таким образом, мы видим, что температура торможения, измеряемая неподвижным термометром, при одной и той же собственной статической температуре этого потока будет зависеть от его скорости. Если относительно такого термометра остановить весь газ, то вся его температура поднимется до этого значения – кинетическая энергия преобразуется в тепловую. Именно это явление вызывает нагрев передних кромок крыла у скоростных самолѐтов (прежде всего сверхзвуковых), а также сгорание в атмосфере метеоритов и отработавших свой срок космических летательных аппаратов.
В процессе экспериментального и теоретического изучения особенностей работы вихревых труб расширяется диапазон их производительности и области применения. Особенно вихревые трубы используются в химической, газовой, нефтедобывающей и других отраслях промышленности.
Условно объединив области в группы, список применений можно представить так:
1) технология машиностроения, станкостроение, промышленная электроника: создание «холодных зон» на поверхности или в объеме инструмента и/или материала; охлаждение блоков управления программных станков, автоматических линий, роботизированных участков, безлюдных производств;
2) горячие и вредные производства: воздушные завесы в рабочих зонах покрасочных камер, кузнечных цехов, гальванических и металлургических производств; глубокие шахты: вентиляция тупиковых забоев;
3) литейное производство: охлаждение песка в установках с быстротвердеющими смесями; хранение сельхозпродукции: охлаждение зерна и дисперсных продуктов во временных хранилищах;
4
4) мебельная промышленность: вдув холодного воздуха в зону фрезерования при изготовлении облицовочных плит и в зону налива лака в лаконаливных машинах;
5) кабинах кранов, в вагончиках бурильщиков и т.д.;
6) производство листовых материалов: раздув холодным потоком полиэтиленовой пленки, охлаждение листовой резины; производство стекла;
7) перевозка фруктов и овощей: малые автофруктовозы и хранилища на малых судах;
8) пищевые производства; транспорт; горная техника;
9) портативные транспортные холодильники, охладители воды и т.п.
Вывод: Безусловно, попытки использовать эффект Ранка не только для охлаждения, но и для обогрева предпринимались неоднократно и не безрезультатно. В любом случае, исследования эффекта Ранка нельзя считать законченными, даже если предлагаемые гипотезы покажутся приемлемыми большинству исследователей. Требуется еще проведение как теоретических, так и экспериментальных изысканий с целью расширения сферы использования вихревого эффекта Ранка в будущем. А а перспективности таких изысканий можно не сомневаться [1]-[4].
Литература:
1. Потапов Ю.С., Фоминский П.П., Потапов С.Ю. Энергия вращения. – Кишинев, 2001. – 400 с
2. Азаров А.И. Промышленные вихревые трубы: производство, применение, развитие // Техномир, 2007. – № 1 (31). – С.20-22.
3. Гуцол А.Ф. Эффект Ранка // Успехи физических наук. Медодические заметки. – Мурманск, 1997. – №6. – Том 167.
4. Аубакир Д.А., Ревинов Н.М., Манабаев Б.С., Карасев Н.И. Арканно- вихревая технология – база экологически безопасных ноосферных технологий устойчивого развития земной цивилизации // Экологическая безопасность урбанизированных территорий в условиях устойчивого развития: материалы Международной научно-практической конференции. – Астана: Изд-во ЕНУ, 2006. – С. 395-399.
