Помощь по Теле2, тарифы, вопросы

С тех пор генераторы, конечно же, модифицировались и способны обогревать гораздо больше площади, нежели это было 250 лет назад.

Принципиальным критерием, по которому генераторы отличаются друг от друга, является загружаемое топливо. В зависимости от этого выделяют следующие виды :

1. Дизельные теплогенераторы – вырабатывают тепло в результате сгорания дизельного топлива. Способны хорошо обогревать большие площади, но для дома их лучше не использовать в силу наличия выработки токсичных веществ, образуемых в результате сгорания топлива.
2. Газовые теплогенераторы – работают по принципу непрерывной подачи газа, сгорая в специальной камере который также вырабатывает тепло. Считается вполне экономичным вариантом, однако установка требует специального разрешения и соблюдения повышенной безопасности.
3. Генераторы, работающие на твердом топливе – по конструкции напоминают обычную угольную печь, где имеется камера сгорания, отсек для сажи и пепла, а также нагревательный элемент. Удобны для эксплуатации на открытой местности, поскольку их работа не зависит от погодных условий.
4. – их принцип работы основывается на процессе термической конверсии, при которой пузырьки, образуемые в жидкости, провоцируют смешанный поток фаз, увеличивающий вырабатываемое количество тепла.

Назначение вихревого теплогенератора Потапова (ВТГ), сделанного своими руками, состоит в том, чтобы получить тепло только при помощи электродвигателя и насоса. В основном это устройство используют как экономичный нагреватель.

Схема устройства вихревой теплосистемы.

Так как нет исследований по определению параметров изделия в зависимости от мощности насоса, то будут освещены примерные размеры.

Проще всего делать вихревой теплогенератор из стандартных деталей. Для этого подойдет любой электродвигатель. Чем он будет мощней, тем больший объем воды нагреет до заданной температуры.

Главное это двигатель

Выбирать двигатель нужно в зависимости от того, какое напряжение имеется. Есть много схем, при помощи которых можно подключить к сети 220 Вольт двигатель на 380 Вольт и наоборот. Но это другая тема.

Начинают сборку теплового генератора с электродвигателя. Его надо будет закрепить на станине. Конструкция этого устройства представляет собой металлический каркас, который проще всего сделать из угольника. Размеры надо будет подбирать на месте для тех устройств, которые будут в наличии.

Чертеж вихревого теплогенератора.

Список инструментов и материалов:

• угловая шлифовальная машинка;
• сварочный аппарат;
• электродрель;
• набор сверл;
• рожковые или накидные ключи на 12 и на 13;
• болты, гайки, шайбы;
• металлический уголок;
• грунтовка, краска, кисть малярная.

1. Нарежьте при помощи угловой шлифовальной машинки угольники. Используя сварочный аппарат, соберите прямоугольную конструкцию. Как вариант — сборку можете сделать при помощи болтов и гаек. На конечном варианте конструкции это не скажется. Длину и ширину подберите так, чтобы все детали оптимально разместились.
2. Вырежьте еще один кусок угольника. Прикрепите его как поперечину с таким расчетом, чтобы можно было закрепить двигатель.
3. Сделайте покраску рамы.
4. Просверлите отверстия в каркасе под болты и установите двигатель.

Установка насоса

Теперь надо будет подобрать водяной насос. Сейчас в специализированных магазинах можно приобрести агрегат любой модификации и мощности. На что надо обратить внимание?

1. Насос должен быть центробежным.
2. Ваш двигатель сможет его раскрутить.

Установите на раме насос, если надо будет сделать еще поперечины, то изготовьте их либо из уголка, либо из полосового железа такой же толщины, как и уголок. Соединительную муфту вряд ли возможно сделать без токарного станка. Поэтому придется ее где-то заказывать.

Схема гидровихревого теплогенератора.

Вихревой теплогенератор Потапова состоит из корпуса, сделанного в виде закрытого цилиндра. На его концах должны быть сквозные отверстия и патрубки для присоединения к системе отопления. Секрет конструкции находится внутри цилиндра. За входным отверстием должен располагаться жиклер. Его отверстие подбирается для данного устройства индивидуально, но желательно, чтобы оно было в два раза меньше четвертой части диаметра корпуса трубы. Если делать меньше, то насос не сможет пропускать воду через это отверстие и начнет сам нагреваться. Кроме того, начнут интенсивно за счет явления кавитации разрушаться внутренние детали.

Инструменты: угловая шлифовальная машинка или ножовка по металлу, сварочный аппарат, электродрель, разводной ключ.

Материалы: толстая металлическая труба, электроды, сверла, 2 патрубка с резьбой, соединительные муфты.

1. Отрежьте кусок толстой трубы диаметром 100 мм и длиной 500-600 мм. Сделайте на ней внешнюю проточку примерно 20-25 мм и в половину толщины трубы. Нарежьте резьбу.
2. Сделайте из такого же диаметра трубы два кольца длиной 50 мм. Нарежьте внутреннюю резьбу с одной стороны каждого полукольца.
3. Из такой же толщины плоского металла, что и труба, сделайте крышки и приварите их с той стороны колец, где нет резьбы.
4. Сделайте в крышках центральное отверстие: у одной по диаметру жиклера, а у другой по диаметру патрубка. С внутренней стороны крышки, где стоит жиклер, сверлом большего диаметра сделайте фаску. В результате должна получиться форсунка.
5. Подключите теплогенератор к системе. Патрубок, где стоит форсунка, присоедините к насосу в отверстие, из которого вода подается под давлением. Ко второму патрубку подсоедините вход системы отопления. Выход из системы соедините с входом насоса.

Вода под давлением, которое создаст насос, будет проходить через форсунку вихревого теплогенератора, который вы делаете своими руками. В камере она начнет нагреваться за счет интенсивного перемешивания. Потом ее подадите в систему для обогрева. Чтобы регулировать температуру, поставьте за патрубком шаровое запирающее устройство. Прикройте его, и вихревой теплогенератор будет дольше гонять воду внутри корпуса, а значит, температура в нем начнет подниматься. Примерно так работает этот нагреватель.

Пути повышения производительности

Схема теплового насоса.

В насосе происходят потери тепла. Так что вихревой теплогенератор Потапова в таком варианте имеет существенный недостаток. Поэтому логично погруженный насос окружить водяной рубашкой, чтобы его тепло тоже шло на полезное нагревание.

Внешний корпус всего устройства сделайте чуть больше диаметра имеющегося в наличии насоса. Это может быть либо готовая труба, что желательно, либо сделанный из листового материала параллелепипед. Его размеры должны быть такими, чтобы внутрь входил насос, соединительная муфта и сам генератор. Толщина стенок должна выдерживать давление в системе.

Для того чтобы потери тепла снизились, сделайте вокруг корпуса устройства теплоизоляцию. Защитить ее можно кожухом, сделанным из жести. В качестве изолятора используйте любой теплоизоляционный материал, выдерживающий температуру кипения жидкости.

1. Соберите компактное устройство, состоящее из погружного насоса, соединительного патрубка и теплогенератора, который вы собрали своими руками.
2. Определитесь в его габаритах и подберите трубу такого диаметра, внутри которой все эти механизмы легко бы разместились.
3. Сделайте крышки с одной и другой стороны.
4. Обеспечьте жесткость крепления внутренних механизмов и возможность насосу качать через себя воду из полученного резервуара.
5. Сделайте входное отверстие и закрепите на нем патрубок. Насос должен своим забором воды располагаться внутри как можно ближе к этому отверстию.

На противоположном конце трубы приварите фланец. С его помощью будет крепиться через резиновую прокладку крышка. Чтобы проще монтировать внутренности, сделайте несложный легкий каркас или скелет. Внутри него соберите устройство. Проверьте подгонку и герметичность всех узлов. Вставьте в корпус и закройте крышкой.

Подключите к потребителям и проверьте все на герметичность. Если протечек нет, включите насос. Открывая и закрывая кран, который находится на выходе из генератора, отрегулируйте температуру.

Утепление генератора

Схема подключения теплогенератора к системе отопления.

Сначала надо сделать кожух утеплителя. Возьмите для этого лист оцинкованной жести или тонкого алюминия. Вырежьте из него два прямоугольника, если будете делать кожух из двух половинок. Или один прямоугольник, но с таким расчетом, что в нем после изготовления полностью поместится вихревой теплогенератор Потапова, который собрали своими руками.

Гнуть лист лучше всего на трубе большого диаметра или использовать поперечину. Положите на нее вырезанный лист и прижмите сверху рукой деревянный брусок. Второй рукой нажмите на лист жести так, чтобы образовался по всей длине небольшой изгиб. Продвиньте немного заготовку и снова повторите операцию. Делайте так до тех пор, пока не получится цилиндр.

1. Соедините его при помощи замка, который используют жестянщики для водосточных труб.
2. Сделайте крышки для кожуха, предусмотрев в них отверстия для подключения генератора.
3. Обмотайте теплоизоляционным материалом устройство. При помощи проволоки или тонких полосок жести зафиксируйте изоляцию.
4. Поместите устройство в кожух, закройте крышками.

Есть еще один способ увеличить производство тепла: для этого надо разобраться, как работает вихревой генератор Потапова, коэффициент полезного действия которого может приближаться к 100% и выше (нет единого мнения, почему так происходит).

Во время прохождения воды через сопло или жиклер на выходе создается мощный поток, который ударяется в противоположный конец устройства. Он закручивается, и за счет трения молекул происходит нагревание. Значит, поместив вовнутрь этого потока дополнительную преграду, можно увеличить перемешивание жидкости в устройстве.

Зная, как это работает, можно начать конструировать дополнительное усовершенствование. Это будет гаситель вихрей, сделанный из продольных пластин, расположенных внутри двух колец в виде стабилизатора авиационной бомбы.

Схема стационарного теплогенератора.

Инструменты: сварочный аппарат, угловая шлифовальная машинка.

Материалы: листовой металл или полосовое железо, толстостенная труба.

Сделайте из трубы меньшего диаметра, чем вихревой теплогенератор Потапова, два кольца шириной 4-5 см. Из полосового металла нарежьте одинаковые полоски. Длина их должна равняться четвертой части длины корпуса самого теплового генератора. Ширину подберите с таким расчетом, чтобы после сборки внутри оставалось свободное отверстие.

1. Закрепите пластину в тисках. Повесьте на нее с одной и другой стороны кольца. Приварите к ним пластину.
2. Выньте из зажима заготовку и переверните ее на 180 градусов. Поместите внутрь колец пластину и закрепите в зажиме так, чтобы пластины находились друг напротив друга. Закрепите таким образом на равном расстоянии 6 пластин.
3. Соберите вихревой теплогенератор, вставив описанное устройство напротив сопла.

Наверное, можно и дальше усовершенствовать это изделие. Например, вместо параллельных пластин использовать стальную проволоку, смотав ее в воздушный клубок. Или на пластинах сделать отверстия разного диаметра. Об этом усовершенствовании нигде ничего не сказано, но это не значит, что делать этого не стоит.

Схема устройства тепловой пушки.

1. Обязательно защитите при помощи окрашивания всех поверхностей вихревой теплогенератор Потапова.
2. Внутренние его части во время работы будут находиться в очень агрессивной среде, вызванной процессами кавитации. Поэтому и корпус, и все, что в нем находится, постарайтесь сделать из толстого материала. Не экономьте на железе.
3. Сделайте несколько вариантов крышек с разными входными отверстиями. Потом проще будет подбирать их диаметр, чтобы получить высокую производительность.
4. Это же относится и к гасителю колебаний. Его также можно видоизменять.

Соберите небольшой лабораторный стенд, где будете обкатывать все характеристики. Для этого не подключайте потребители, а закольцуйте трубопровод на генератор. Это упростит его испытание и подбор необходимых параметров. Так как сложные приборы по определению коэффициента полезной деятельности в домашних условиях вряд ли можно найти, то предлагается следующий тест.

Включите вихревой теплогенератор и засеките время, когда он разогреет воду до определенной температуры. Градусник лучше иметь электронный, он точнее. Затем внесите изменения в конструкцию и снова проведите опыт, следя за повышением температуры. Чем сильнее вода будет нагреваться за одно и то же время, тем больше предпочтений надо будет отдавать окончательному варианту установленного усовершенствования в конструкции.

Вашему вниманию и обсуждению представлен твердотопливный котел на угле, вобравший на мой взгляд все лучшие технологии прошлого и современности.

Данный котел сможет не только обогреть дом, но и вырабывать электроэнергию и пиролизный газ для бытового использования в плите итд. Е

Конечно, я не теплотехник, и не печник, но судя по тем моделям современных котлов, что есть в продаже, вспоминаю поговорку: «Ковчег построил любитель, профессионалы построили "Титаник "».

Предыстория.

Подбирая твердотопливный котел отопления, изучил почти всех производителей котлов для использования в частном доме и такое ощущение, что «современные» котлы выпускают в сараях причем с низкой эффективностью и из консервных банок! Толщина металла у основной массы продавцов составляет от 3 мм до максимум 6 мм, а в «гарантийных обязательствах написано: котел может служить до 7 лет, «при правильной эксплуатации». То есть вам не кто не гарантирует, что эта жестянка не прогорит раньше первого сезона эксплуатации!

Все это говорит о том, что производители котельного оборудования не заинтересованы в выпуске хороших и долговечных котлов. Когда изучаешь сколько такие котлы потребляют угля или дров удивляешь цифры фантастические от 3 до 10 кг. топлива в ЧАС!

В связи с удручающей ситуацией на рынке котлов, пришлось изучить опыт начиная от древности до наших дней. Требования которые хотелось бы видеть от СОВРЕМЕННОГО КОТЛА, не то что сейчас продают, из консервных банок с низким КПД.

На мой взгляд твердотопливный котел отопления должен отвечать следующим требованиям:

1) Простой и надежный

2) Энергонезависимый

3) Потреблять минимум топлива

4) Производить тепловую энергию

5) Производить Древесный газ (ПИРОЛЕЗНЫЙ) для подключения плиты и других источников потребления.

Для решения этих задач пришлось изучать опыт от древних Аркаимцев до современных котлов с циркулирующим кипящим слоем (которые почему не производят для домашнего использования)
Привожу план схему КОТЛА, разработанного мною, где применены следующие технологии:

1) Трубка Ранке. (на рисунке с права от котла) За основу взята технология котлов с циркулирующим кипящим слоем, что способствует более тщательному сгоранию топлива. За счет использования «трубы Ранке» происходит разделение вихревых воздушных потоков на горячий и холодный, это позволяет несгоревшие частички топлива возвращать обратно в топливную камеру, а более горячий воздушный поток поднимающийся вверх использовать для разогревания воды до состояния пара. Разогретый пар можно использовать для небольшой паровой электро турбины .

2) Сухая возгонка древесины. Технология получения и очищения ДРЕВЕСТНОГО ГАЗА (пиролизного) разработанная Петр Григорьевичем Соболевским в 1811 году для освещения улиц (термолампами) и отопления домов. Эта технология ПРОСТА и прекрасно себя зарекомендовала, с успехом применялась несколько десятилетий для освещения крупных городов России: Москва, Санкт- Петербург, итд.

Принцип действия сухой возгонки древесины понятен из этих картинок:

Принципиальная схема «термолампа»
конструкции П. Г. Соболевского (1811 г.):
1 – печь; 2 – поддувало или зольник; 3 – зольная решетка;
4 – дверцы печные; 5 – чугунный цилиндр; 6 – отверстие для загрузки
дров; 7 – пространство около цилиндра, через которое проходит пламя;
8 – дымовая труба; 9 – задвижка в трубе; 10 – конец цилиндра,
сообщенный с холодильником; 11 – холодильник; 12 – приемный сосуд
для кислоты и дегтя; 13 – сосуд, наполненный до половины водой;
14 – медная труба, пропускающая газ через воду из сосуда 12 в сосуд 13;
15 – кожаная трубка с краном, по которой очищенный газ поступает
в газгольдер; 16 – газгольдер; 17 – кожаная трубка, выводящая газ
к лампам; 18 – линия, показывающая, до какой высоты может
подняться колокол газгольдера; 19 – отводная трубка для отвода
излишнего газа.

1) Создание реактивной тяги в печи .

а) Смысл технологии реактивной тяги в печи сводится к подводу охлажденного воздуха в зону горения. Для этого воздух в поддувало через трубу подводят из колодца или охлаждают прогоняя через более холодные слои земли, это способствует более интенсивному и жаркому горению топлива.

б) Создание вихревых потоков. В поддувало печи подводится воздух не с одной стороны, с двух противоположных сторон - это создает эффект «сквозняка» собственно - это и есть вихревой поток. Этот метод применяли в древнем городе Аркаиме.

Эффект Ранка-Хилша и его применение.Часть1.

Вихревой эффект (эффект Ранка –Хилша) – эффект разделения газа или жидкости на две фракции при закручивании в цилиндрической или конической камере. На периферии образуется закрученный поток с большой температурой, а в центре – охлаждённый поток, закрученныё в противоположную сторону.

Впервые данный эффект был открыт при исследовании работы циклонов французским инженером Жозефом Ранком в конце двадцатых годов прошлого столетия, который и запатентовал изделие на основе этого эффекта - “Трубку Ранка” (Вихревую трубку Ранка).

На рисунке схема работы, а на фото - наиболее типичный вид серийно выпускаемых вихревых трубок

В сороковых годах дополнительными исследованиями эффекта и доработкой Трубки Ранка занимался немецкий физик Роберт Хилш. В честь этих выдающихся исследователей интересующий нас эффект и стали называть эффектом Ранка-Хилша.

Дальнейшие исследования проводились во многих странах, в том числе и в СССР. Однако исследования эти носили случайный характер. Причина-отсутствие теории достоверно объясняющей этот парадоксальный, чрезвычайно впечатляющий эффект.

А как всегда получается, - что не можем объяснить, откладываем подальше, до лучших времён.

Тем не менее, исследования пусть недостаточно, но проводились, и в СССР были выпущены две книги (две известных автору статьи, а так может и больше), целиком посвященные этому эффекту и возможности его практического применения.

Один известный в то время рационализатор пытался внедрить изготовленную им трубку для охлаждения токарных резцов непосредственно в процессе резания.

Работа предложенного к испытаниям изделия впечатлила. При подключении трубки к заводской воздушной сети из ”холодного ” конца практически пошёл снег. Эффект охлаждения был достигнут.

Однако побочный эффект, возникший при испытаниях этой, довольно большой по габаритам, трубки сразу перечеркнул возможность её использования, по крайней мере в таком виде, для охлаждения инструмента при точении. Поток воздуха был настолько силён, что мгновенно раздул металлическую стружку со станка во все стороны, в том числе и на соседние станки, на работающих на них людей. Испытания ведь проводились на станке с открытой рабочей зоной, да и других станков в то время практически и не было. Кроме того, очень сильный шум при работе этой большой трубки тоже не способствовал её дальнейшему внедрению.

Однако, вернёмся в наше время. Серийно выпускаемые вихревые трубки, специально предназначенные для охлаждения зоны резания, оснащаются эффективными глушителями шума, имеют различные приспособления для крепления к станку (механические, магнитные), имеют удобную регулировку температуры выходящего воздуха, оснащаются гибкими патрубками для подвода потока холодного воздуха непосредственно в нужное место. Выпускаются трубки различной мощности, что позволяет подобрать трубку в соответствии с поставленной задачей. Все трубки оснащаются фильтрам масло и водо –отделителями.

Кстати, как мы уже отмечали, поток воздуха разделяется в Трубке Ранка на два – холодный и горячий. Так вот, выпускаются специальные трубки, предназначенные для нагрева. Они имеют некоторые конструктивные особенности. Преимущества таких нагревателей - абсолютная безопасность, так как для их работы не используются электрические нагревательные элементы и открытое пламя.

Интересно то, что, как мы уже отмечали, в мире выпускается громадное количество вихревых трубок Ранка различных типоразмеров и видов. Вместе с тем, в открытой прессе практически не встречается информация о их практическом применении при обработке того или иного материала, режимах резания, режущих пластинах. Нам попадали статьи о применении охлаждающих трубок Ранка при обработке чугуна, но тут и так всё понятно, а для остальных обрабатываемых материалов только общая информация. Вместе с тем, теоретический эффект от внедрения этих интереснейших изделий может быть громадным. Представьте только – обработка без применения СОЖ… Не в этом то смысл практического закрытия информации? В общем – вихревая трубка Ранка, это просто “золотая жила” для различных “внедренцев” и исследователей, работающих в области обработки различных материалов. Можно предположить, что ещё много диссертаций будет защищено по этой теме. Ну и хорошо. Была бы польза.

С самого начала привлекал изобретателей кажущейся простотой технической реализации - в самом деле, простейшая реализация вихревой трубы представляет собой кусок трубы самый обычной, куда с одной стороны внутрь тангенциально подаётся исходный поток, а на противополжном торце установлена кольцевая диафрагма, и из её внутреннего отверстия выходит охлаждённая часть потока, а из щели между внешним краем диафрагмы и внутренней поверхностью трубы - его горячая часть. Однако на самом деле не всё так просто - добиться эффективного разделения удаётся далеко не всегда, да и КПД таких установок обычно заметно уступает широко распространённым компрессорным тепловым насосам . Кроме того, обычно параметры установки на эффекте Ранка рассчитаны для конкретной мощности, определяемой скоростью и расходом вещества исходного потока, и когда параметры входного потока отклоняются от оптимальных значений, КПД вихревой трубы существенно ухудшается. Тем не менее следует заметить, что возможности некоторых установок на эффекте Ранка внушают уважение - например, рекордное охлаждение, которого удалось достигнуть на одной ступени, составляет более 200°С!

Впрочем, с учётом нашего климата, гораздо больший интерес представляет использование эффекта Ранка для обогрева, да при этом ещё хотелось бы и не выходить за рамки «подручных средств».

Суть эффекта Ранка

При движении потока газа или жидкости по плавно поворачивающей поверхности трубы у её внешней стенки образуется область повышенного давления и температуры, а у внутренней (либо в центре полости, если газ закручен по поверхности цилиндрического сосуда) - область пониженной температуры и давления. Это достаточно хорошо известное явление называется эффектом Ранка по имени открывшего его в 1931 г. французского инженера Жозефа Ранка (G.J.Ranque, иногда пишут «Ранке»), или эффектом Ранка-Хилша (немец Robert Hilsh продолжил исследование этого эффекта во второй половине 1940-х годов и улучшил эффективность вихревой трубы Ранка). Конструкции, использующие эффект Ранка, представляют собой разновидность теплового насоса , энергия для функционирования которого берётся от нагнетателя, создающего поток рабочего тела на входе трубы.

Парадоксальность эффекта Ранка заключается в том, что центробежные силы во вращающемся потоке направлены наружу. Как известно, более тёплые слои газа или жидкости имеют меньшую плотность и должны подниматься вверх, а в случае цетробежных сил - стремиться к центру, более холодные имеют большую плотность и, соответственно, должны стремиться к периферии. Между тем при большой скорости вращающегося потока всё происходит с точностью до наоборот!

Эффект Ранка проявляется как для потока газа, так и для потока жидкости, которая, как известно, является практически несжимаемой и потому фактор адиабатического сжатия / расширения к ней неприменим. Тем не менее, в случае жидкости эффект Ранка обычно выражен значительно слабее - возможно, именно по этой причине, да и очень малая длина свободного пробега частиц затрудняет его проявление. Но это верно, если оставаться в рамках традиционной молекулярно-кинетической теории, а у эффекта могут быть и совсем другие причины.

На мой взгляд, на данный момент наиболее полное и достоверное научное описание эффекта Ранка представлено в статье А.Ф.Гуцола (в формате pdf). Как ни удивительно, в своей основе его выводы о сути явления совпадают с полученными нами «на пальцах». К сожалению, он оставляет без внимания первый фактор (адиабатическое сжатие газа у внешнего радиуса и расширение у внутреннего), который, на мой взгляд, весьма существенен при использовании сжимаемых газов, правда, действует он только внутри устройства. А второй фактор А.Ф.Гуцол называет «разделением быстрых и медленных микрообъёмов».

Современное объяснение эффекта Ранка

В настоящее время наиболее общепризнанным объяснением эффекта Ранка является следующее.

Известно, что если измерять температуру движущегося (скажем, в трубе) потока двумя термометрами, то они покажут разную температуру, если один из них неподвижен относительно потока (т.е. перемещается вместе с ним), 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:

T 0 = T + v 2 / (2 · c p) (1),

где T 0 - 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; c p - удельная теплоёмкость вещества потока.

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 самолётов (прежде всего сверхзвуковых), а также сгорание в атмосфере метеоритов и отработавших свой срок космических летательных аппаратов.

Предполагается, что возле выходного отверстия диафрагмы угловые скорости и холодного и горячего потоков равны, то есть весь вихрь вращается как единое твёрдое тело («квазитвёрдый» вихрь). В таких условиях на разных радиусах вихревой трубы газ имеет различную линейную скорость, соответственно он имеет и различную термодинамическую температуру. Благодаря эффективному турбулентному перемешиванию внутри вихревой трубки, эти температуры стремятся выровняться, из-за чего и происходит перераспределение собственных («термостатических») температур различных частей потока газа, которое становится явным, когда газ выходит из вихревой трубы.

К сожалению, это объяснение нельзя признать удовлетворительным. Во-первых, оно является «чисто математическим», и если пытаться наполнить его физической сутью, то мы приходим к тому же «разделению быстрых и медленных микрообъёмов». Во-вторых, не совсем понятно, с какой стати именно температура торможения во всём сечении вихревой трубы априори принимается одинаковой? А приняв в качестве основной гипотезу обмена энергией между различными частями потока, мы должны придти к обратному распределению температур. В самом деле, внешние слои имеют наибольшую линейную скорость и, следовательно, наибольшую температуру торможения. Следовательно, энергия от них должна перетекать к медленно движущимся центральным слоям, повышая их собственную температуру. Таким образом, из середины должен выходить горячий газ, а из периферийной щели - холодный, что прямо противоречит наблюдаемым фактам. Поэтому утверждается, что быстро движущийся на периферии газ, попадая в результате турбулентного движения в центр, там тормозится и теряет свою кинетическую энергию. Но опять же, куда может деться эта энергия? Только в тепло, а значит, опять-таки, в середине температура должна расти. Наконец, есть данные, что вихрь внутри трубы Ранка отнюдь не квазитвёрдый, и более того, его центральная часть может вращаться в противоположную сторону, а в таком случае вся эта теория вообще не соответствует практике. В общем, прежде чем строить теории, необходимы практические измерения хотя бы скоростей и направлений вращения на разных радиусах и на разных расстояниях от диафрагмы.

Другие объяснения эффекта Ранка

Как ни странно, объяснить эффект Ранка можно и с помощью более простых механистических подходов к идеальному газу, изложенных при рассмотрении поворота потока идеального газа .

Если в таких механистических объяснениях есть зерно истины, то для оптимизации устройств на эффекте Ранка будут эффективны следующие советы.

1. Для наиболее эффективного разделения следует всячески предотвращать возникновение турбулентностей, перемешивающих уже разделённые слои. Отсюда следуют требования к гладкости внутренних поверхностей устройства и необходимость ламинарности входного потока.
2. Рабочий поток не должен делать слишком много оборотов: практически всё разделение происходит на первых витках, и дальнейшее движение будет лишь приводить к ненужным потерям на трение и увеличивать аэро/гидродинамическое сопротивление, затрудняя работу нагнетателя. Однако, чем выше плотность потока, тем труднее будет идти разделение и тем больше оборотов надо будет сделать.
3. В наибольшей степени эффект Ранка должен проявляться для разреженного газа, свойства которого близки к свойствам идеального газа. При возрастании плотности газа и тем более при использовании жидкостей сокращение свободного пробега частиц и повышение вязкости среды становится существенным фактором, наряду с турбулентностью ухудшающим температурное разделение исходного потока.
4. Оптимальная скорость потока должна быть соизмерима со скоростью теплового движения его частиц (как известно, в газах эта скорость близка к скорости звука). Слишком высокая скорость приведёт к тому, что все частицы будут отбрасываться к внешней стенке, и у внутренней стенки образуется бесполезная область вакуума, а слишком низкая ухудшит разделение частиц по их скоростям. Впрочем, в реальности энергозатраты на разгон потока до скорости звука могут оказаться менее выгодными, чем для получения того же количества тепла/холода при меньшей скорости, но большем расходе потока.

Есть и другие варианты.

Вот ещё одно заслуживающее внимание объяснение эффекта Ранка от Г.В.Трещалова , правда, оно построено на предположении максвелловского распределения молекул по скоростям в рамках молекулярно-кинетической теории газов.

А вот , в которой, среди прочего, рассмотрена и работа вихревой трубы. Она основывается на взаимодействии слоёв среды. Существование подобных слоёв маловероятно в рамках молекулярно-кинетической теории, зато неизбежно в теории глобулярной организации вещества.

Классические схемы вихревых труб на эффекте Ранка

Классическими устройствами, использующими эффект Ранка, являются вихревые трубы , которые строят по двум основным схемам: прямоточной и противоточной.

Классические схемы прямоточной (а ) и противоточной (б ) вихревых труб на эффекте Ранка. 1 - гладкая цилиндрическая труба, 2 - вход газа (завихритель тангециального или улиточного типа), 3 - дроссель, 4 - выход горячего газа через кольцевую щель, 5 - диафрагма для выхода холодного газа.