Вихревой эффект Ранка-Хилша - температурное разделение газа при закручивании

Вихревой эффект (эффект Ранка-Хилша, англ. Ranque-Hilsch Effect) — эффект температурного разделения газа при закручивании в цилиндрической или конической камере при условии, что поток газа в трубке проходит не только прямо, но и обратно. На периферии образуется закрученный поток с большей температурой, а из центра — в противоположную сторону выходит охлажденный поток.



Существует распространённое заблуждение, что температурное разделение происходит путём перемещения молекул газа на прямом проходе вихря (в одну сторону). Но объяснимых физикой причин для такого разделения нет, как нет причин и для вращения центрального жгута в противоположную сторону относительно периферии. В противоположную сторону вращаются микровихри между центральным жгутом и периферией, т. к. жгут вращается с более высокой скоростью относительно периферии. Но катятся они, как ролики в подшипнике, в ту-же сторону, в которую вращаются внешний слой и центральный жгут. Температурное разделение происходит путём теплопередачи от сжатого (и потому горячего) кумулятивным эффектом или имплозией центрального жгута к несжатой периферии, имеющей температуру как на входе. По мере движения к "горячему" концу периферия нагревается от двигающегося ей навстречу сжатого горячего центрального жгута, который в свою очередь наоборот остывает. Т. о. образующийся в трубке вихрь является тепловым насосом компрессионного типа с противоточным теплообменником, способным передать до 100% разницы температур. Поэтому для терморазделения необходим не только прямой, но и обратный проход, как на рисунке. Т. к. после выхода из трубки жгут расширяется до давления окружающей среды (атмосферного), выходящий из "холодного" конца трубки газ имеет температуру намного ниже температуры окружающей среды (если "горячий" конец не заглушен), а всё утерянное им тепло уносится газом с "горячего" конца. Впервые эффект открыт французским инженером Жозефом Ранком в конце 20-х годов, когда Ранк случайно подставил руку к выходу очищенного воздуха изобретённого им ранее промышленного циклона. В конце 1931 года Ж. Ранк подает заявку на изобретенное устройство, названное им «Вихревой трубой» (в литературе встречается как «труба Ранка»). Получить патент удается только в 1934 году в США. В настоящее время реализован ряд аппаратов, в которых используется вихревой эффект, вихревых аппаратов. Это «вихревые камеры» для химического разделения веществ под действием центробежных сил и «вихревые трубы», используемые как источник холода. Также проводились опыты в вихревой трубе с водой. Но по причине её меньшей сжимаемости и большей теплоёмкости аналогичного газам терморазделения добиться не удалось. Вода с обоих концов трубки выходила одной температуры - либо равной температуре входа при маленькой трубке, либо более высокой при большей трубке.

С 1960-х годов вихревое движение является темой множества научных исследований. Регулярно проводятся специализированные конференции по вихревому эффекту, например, в Самарском аэрокосмическом университете.

Существуют и применяются вихревые теплогенераторы и микрокондиционеры. Эффективность охлаждения с применением эффекта невысока и ниже эффективности традиционных холодильных установок, трубки Ранка применяются в тех случаях, когда требуется простота устройства или при отсутствии других источников энергии, кроме сжатого воздуха.


Vortex tube
The vortex tube, also known as the Ranque-Hilsch vortex tube, is a mechanical device that separates a compressed gas into hot and cold streams. The gas emerging from the "hot" end can reach temperatures of 200 °C (392 °F), and the gas emerging from the "cold end" can reach −50 °C (−58 °F). It has no moving parts.

Pressurised gas is injected tangentially into a swirl chamber and accelerated to a high rate of rotation. Due to the conical nozzle at the end of the tube, only the outer shell of the compressed gas is allowed to escape at that end. The remainder of the gas is forced to return in an inner vortex of reduced diameter within the outer vortex

Fundamental approach: the physics
This approach is based on first-principles physics alone and is not limited to vortex tubes only, but applies to moving gas in general. It shows that temperature separation in a moving gas is due only to enthalpy conservation in a moving frame of reference.

The thermal process in the vortex tube can be estimated in the following way:
1) The adiabatic expansion of the incoming gas, which cools the gas and turns its heat content into the kinetic energy of rotation. The total enthalpy, which is the sum of the enthalpy and the kinetic energy, is conserved. 2) The peripheric rotating gas flow moves towards the hot outlet. Here the heat recuperation effect takes place between the quickly rotating peripheric flow and the opposite slowly rotating axial flow. Here the heat transfers from axial flow to the peripheric one.
3) The kinetic energy of rotation turns into the heat by the means of the viscous dissipation. The temperature of the gas rises. As the total enthalpy has been increased during the heat recuperation process, this temperature is higher than the incoming gas.
4) Some of the hot gas leaves the hot outlet, carrying away the excess heat.
5) The rest of the gas turns towards the cold outlet. As it passes its way to the cold outlet, its heat energy is transferred to the peripheric flow. Although the temperature at the axis and at the periphery is about the same everywhere, the rotation is slower at the axis, so the total enthalpy is lower as well.
6) The low total enthalpy cooled gas from the axial flow leaves the cold outlet.

The main physical phenomenon of the vortex tube is the temperature separation between the cold vortex core and the warm vortex periphery. The "vortex tube effect" is fully explained with the work equation of Euler, also known as Euler's turbine equation, which can be written in its most general vectorial form as:



where T is the total, or stagnation temperature of the rotating gas at radial position r, the absolute gas velocity as observed from the stationary frame of reference is denoted with v; the angular velocity of the system is w and cp is the isobaric heat capacity of the gas. This equation was published in 2012; it explains the fundamental operating principle of vortex tubes. The search for this explanation began in 1933 when the vortex tube was discovered and continued for more than 80 years.

The above equation is valid for an adiabatic turbine passage; it clearly shows that while gas moving towards the center is getting colder the peripheral gas in the passage is "getting faster". Therefore, vortex cooling is due to angular propulsion. The more the gas cools by reaching the center, the more rotational energy it delivers to the vortex and thus the vortex rotates even faster. This explanation stems directly from the law of energy conservation. Compressed gas at room temperature is expanded in order to gain speed through a nozzle; it then climbs the centrifugal barrier of rotation during which energy is also lost. The lost energy is delivered to the vortex, which speeds its rotation. In a vortex tube, the cylindrical surrounding wall confines the flow at periphery and thus forces conversion of kinetic into internal energy, which produces hot air at the hot exit.

Therefore, the vortex tube is a rotorless turboexpander. It consists of a rotorless radial inflow turbine (cold end, center) and a rotorless centrifugal compressor (hot end, periphery). The work output of the turbine is converted into heat by the compressor at the hot end.

Phenomenological approach
This approach relies on observation and experimental data. It is specifically tailored to the geometrical shape of the vortex tube and the details of its flow and is designed to match the particular observables of the complex vortex tube flow, namely turbulence, acoustic phenomena, pressure fields, air velocities and many others. The earlier published models of the vortex tube are phenomenological. They are:

1. Radial pressure difference: centrifugal compression and air expansion
2. Radial transfer of angular momentum
3. Radial acoustic streaming of energy
4. Radial heat pumping

More on these models can be found in recent review articles on vortex tubes.

The phenomenological models were developed at an earlier time when the turbine equation of Euler was not thoroughly analyzed; in the engineering literature, this equation is studied mostly to show the work output of a turbine; while temperature analysis is not performed since turbine cooling has more limited application unlike power generation, which is the main application of turbines. Phenomenological studies of the vortex tube in the past have been useful in presenting empirical data. However, due to the complexity of the vortex flow this empirical approach was able to show only aspects of the effect but was unable to explain its operating principle. Dedicated to empirical details, for a long time the empirical studies made the vortex tube effect appear enigmatic and its explanation – a matter of debate.

History
The vortex tube was invented in 1931 by French physicist Georges J. Ranque. It was rediscovered by Paul Dirac in 1934 while he was searching for a device to perform isotope separation, see Helikon vortex separation process. German physicist Rudolf Hilsch [de] improved the design and published a widely read paper in 1947 on the device, which he called a Wirbelrohr (literally, whirl pipe). In 1954, Westley published a comprehensive survey entitled ‘‘A bibliography and survey of the vortex tube’’, which included over 100 references. In 1951 Curley and McGree, in 1956 Kalvinskas, in 1964 Dobratz, in 1972 Nash, and in 1979 Hellyar made important contribution to the RHVT literature by their extensive reviews on the vortex tube and its applications. From 1952 to 1963, C. Darby Fulton, Jr. obtained four U.S. patents relating to the development of the vortex tube. In 1961, Fulton began manufacturing the vortex tube under the company name Fulton Cryogenics. Dr. Fulton sold the company to Vortec, Inc. The vortex tube was used to separate gas mixtures, oxygen and nitrogen, carbon dioxide and helium, carbon dioxide and air in 1967 by Linderstrom-Lang. Vortex tubes also seem to work with liquids to some extent, as demonstrated by Hsueh and Swenson in a laboratory experiment where free body rotation occurs from the core and a thick boundary layer at the wall. Air is separated causing a cooler air stream coming out the exhaust hoping to chill as a refrigerator. In 1988 R. T. Balmer applied liquid water as the working medium. It was found that when the inlet pressure is high, for instance 20-50 bar, the heat energy separation process exists in incompressible (liquids) vortex flow as well. Note that this separation is only due to heating; there is no longer cooling observed since cooling requires compressibility of the working fluid.

Current applications
Commercial vortex tubes are designed for industrial applications to produce a temperature drop of up to 71 °C (127 °F). With no moving parts, no electricity, and no refrigerant, a vortex tube can produce refrigeration up to 6,000 BTU/h (1,800 W) using only filtered compressed air at 100 PSI (6.9 bar). A control valve in the hot air exhaust adjusts temperatures, flows and refrigeration over a wide range.

Vortex tubes are used for cooling of cutting tools (lathes and mills, both manually-operated and CNC machines) during machining. The vortex tube is well-matched to this application: machine shops generally already use compressed air, and a fast jet of cold air provides both cooling and removal of the "chips" produced by the tool. This completely eliminates or drastically reduces the need for liquid coolant, which is messy, expensive, and environmentally hazardous.

 

ВИХРЕВОЙ ГЕНЕРАТОР ТЕПЛА И ХОЛОДА
2 янв. 2016 г.

 

Самодельная термо-вихревая труба
30 дек. 2012 г.

 

первоначально имеем некую внутреннюю энергию газа,заключенную в избыточном давлении.
Часть ее переходит в энергию разности температур на выходе,причем вся масса что была на входе,у нас и на выходе. других дырок устройство не имеет. А где ж у нас остаток на потери?
Кинетическая энергия струи на выходе и остаточное давление?

 

А если сопло Лаваля на выход трубки присобачить? Будет увеличивать скорость(эффективность)?
p.s. Вообще толком не знал что это такое,так мелькало в сети ,трубка Ранка,да трубка ранка.В том числе и здесь. А сейчас заинтересовало. забавная вещь.

 

На чудеса опять надеетесь? Рождественские... Ну, понятное дело, сама по себе разница температур не несёт в себе никакой энергии. Она лишь позволяет преобразовать тепловую энергию привычными нам способами. А на потери нет никакого "остатка". Энергия, затраченная на их компенсацию (трение о стенки, турбулентность), большей частью оказывается в горячем потоке, в виде тепловой. Скорости на выходе там могут быть не слишком и велики, чтобы всерьёз их рассматривать как существенный фактор прироста КПД. Это зависит от соотношения сечений сопла и "выхлопа" (последний можно выполнить в виде диффузора). А кое-какие "демоны" (распределение "горячих и холодных" молекул в условиях градиента скорости) там всё же присутствуют, но их "профессия" совсем иная, чем в том же торнадо, к примеру. Короче, труба Ранка - разновидность теплового насоса, никакая комбинация которого с тепловым двигателем не даст нам ВД 2-го рода, если Вы - про это

 

Этот эффект похож, скорее, на термо-атмосферный градиент Циолковского. Вот только создаётся он не за счёт готового беззатратного фактора - гравитации - а за счёт притока в систему дополнительной кинетической энергии струи, вызывающей существенные ц/б силы, своего рода "искусственную гравитацию" в сумме с градиентом скорости. Вот два фактора получения разницы температур в трубе Ранка

 

Хотя, теоретически, наверное, можно было бы довести ТР до такого совершенства, чтобы полученная разница температур частично использовалась для работы компрессора (тоже какой то весьма совершенной конструкции в тандеме с модным нынче "стирлингом", или ещё как-то), а частично - на генерацию энергии для потребителя. Но практически, думаю, это недостижимо. Намного проще сделать то, что задумано у меня с заранее предопределённой целью, без лишних конструктивных звеньев, множащих потери на циркуляцию энергии внутри системы

 

А кто же их не хочет? И мне больше,чем кому бы то ни было.

з.ы. Вот дошла очередь англоязычнй текст ,тот что выше почитать. Они молодцы,обясняют по существу.

"Следовательно, вихревая труба представляет собой безроторный турбодетандер. Он состоит из безроторной турбины с радиальным впуском (холодный конец, центр) и безроторного центробежного компрессора (горячий конец, периферия). Рабочая мощность турбины преобразуется в тепло компрессором на горячем конце."
конец в переводе.

 

А мне кажется, что всё тут вполне объяснимо. Если бы не было выхода для осевой части потока в центре её торца, противоположного кольцеобразному выходу для горячей периферийной части потока, то не было бы и самого противотока. Естественно, всё движется по пути наименьшего сопротивления И откуда там берётся "кумулятивный эффект" или "имплозия", спрашивается? Там действуют обыкновенные центробежные силы. Если кем-то проводились замеры давлений по радиусу трубы, данные замеров наверняка это подтвердят. Вот и верь тут всему, что пишет "Вики"!..

 

Новый подход в объяснении эффекта Ранка-Хилша. В объяснении эффекта Ранка существует относительно новый подход, который дает ответ на следующий волнующий величайшие умы вопрос: каким образом большая часть вводимого тангенциального потока газа достигает центра вихря без огромного количества тепловой энергии и без имевшегося у нее запаса кинетической энергии. Согласно рассматриваемой гипотезы, на оси вихря оказывается порции входящего потока, имеющие изначально незначительный запас кинетической энергии, а механизмом, обеспечивающим попадание в центр вихря непосредственно этих порций, является разделение в поле центробежных сил элементов потока, имеющих разную тангенциальную скоростью [8]. На одном и том же радиусе во вращаемся газе имеются два микрообъёма, у одного из которых положительно пульсирует окружная скорость, а у другого − отрицательно. Наличие разных тангенциальных скоростей при одном и том же центростремительном ускорении приводит к разделению элементов на более быстрые, которые удаляются от центра потока, и на более медленные, сдвигающиеся к центру. Из вышесказанного можно сделать вывод, что новая теория, объясняющая эффект Ранка, отличается причиной возникновения процесса энергетического разделения газа в вихревых трубах, где ею служит центробежная сепарация турбулентных элементов по величине тангенциальной скорости. Эта гипотеза позволяет объяснить весь массив экспериментальных данных об особенности вихревых аппаратов, опубликованных на сегодняшний день.

Пожалуйста, не забудьте правильно оформить цитату:
Закиева Р.Р., Медведева Г.А. СОВРЕМЕННОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭФФЕКТА РАНКА-ХИЛША // Студенческий: электрон. научн. журн. 2019. № 14(58). URL: https://sibac.info/journal/student/58/137099 (дата обращения: 07.01.2020).

 

Возможно, издержки перевода. Но какой же это турбодетандер, если тепловая энергия в нём не преобразуется в механическую, а всё как раз наоборот? Механическая энергия сжатого воздуха на выходе превращается в тепловую, только неравно разделённую между его потоками

 

Кстати, где достоверные подтверждения именно противовращения центрального вихря? Не могло ли когда-либо получиться так, что кто-то в описании действия трубы просто перепутал противовращение с противотоком? И с тех пор этот ляп кочует из сайта в сайт, из статьи в статью, порождая разные гипотетические фантазии. Схемы в разных местах приводятся самые разные, как с изменением, так и без изменения направления вращения. Вот, к примеру, видео Белецкого. Тут на 0.47 мелькает схема без изменения вращения

А вот выдержка из 6.2 по ссылке на книгу Ю.С.Потапова
http://www.universalinternetlibrary.ru/book/potapov/6.shtml
"...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."

 

А вот кое-какие данные (в т. ч. по давлению) о подробных исследованиях эффекта их книги Меркулова "Вихревой эффект и его применение". Полностью она у меня есть в формате DJVU. Там тоже ничего не говорится о противовращении осевого вихря

 

Я не нашёл списка источников Потапова. Но, возможно, его [82] - как раз и есть книга Меркулова

 

Ну дают... Трубке уже сто лет почти,а все изучают,никак не разберутся.
Достаточно скоростным тепловизором,если такие существуют,наверно можно проследить направление потоков без внесения погрешностей.
Все ж надо верить полагаю,что уступают фреоновым тепловым насосам. Фазовый переход здесь рулит. И дед Иван говорит это. А вы говорите,дурак,дурак.
з.ы. ось абсцисс F это относительный диаметр?

 

В той же книге Меркулова издания ещё 1969-го года приводятся исследования потока в этих трубах вдоль и поперёк. А также - варианты их конструкции и применения. Попробую выложить сюда в PDF для скачивания.
Не знаю насчёт тепловизора. Наверное, с его помощью можно разглядеть распределение температуры в специальной трубе с теплопрозрачными стенками. И то непонятно - как это получится в объёме. Но направление потоков он не покажет. И про сами причины явления тепловизор Вам точно ничего не расскажет. А ось абсцисс обозначена не F. Это r с чёрточкой наверху, относительный радиус. Т. е. нулевая точка - ось трубы

 

Ну да,стеклянная труба. для ИК. Мож.как у Белецкого.
А я вот еще чего... Ежели нам производительность не важна,
а температуру надобно поменьше,можно ведь последовательно трубку
поменьше за холодным концом большой,каскадно.Правда ж я умная...
... Уеду я от вас...

 

Теплотехнический "АВТОТРАНСФОРМАТОР"!

С Р-Х вихревым эффектом можете пароперегревать воду от теплоты кондиционера например, понижая энтропию вторичной цепи и повышая ТЕМПЕРАТУРУ.
Идеально для кухней, автоклав, осушки пищей и мноогое другое...

P1≈U.q≈P2 - электротехнический трансформатор
Q1≈T.s≈Q2 - теплотехнический трансформатор


Прибыльно и для транспорта, но не единственный вариант - хорошая надёжность и неплохая мощность пароперегрева:
.

В этом форуме читали о болгарине, который летом греет воду для целого блока от своего кондиционера, а большие цехи могут греть пару для локомотивов.

Многие теплофикационные предприятия крадут тепло и зимой с не малой мощностью от окружающей среды, а холодный воздух оседает низко!!! Японцы даже ухитрились делать это и для электропроизводства, тая снег с солярными панелями (и от рассеянных лучей работают) или геотермальными источниками.