Попытка экспериментальной проверки теоретических предположений о физической сущности появления холода в вихревых трубках.
Ранее я выдвигал версию механизма работы охлаждающей трубки на эффекте Ранка-Хилша, где в качестве основы было взято охлаждение струи воздуха за счёт трансформации внутренней энергии самого газа в кинетическую энергию струи (выше скорости звука). При этом внутри вихревой трубки происходит передача тепла между тёплыми стенками устройства к остывшей сверхзвуковой струе газа, а затем обратно от холодных стенок к нагретому при торможении газу.
Чтобы как-то подтвердить эту версию я купил в интернете китайскую вихревую трубку на эффекте Ранка-Хилша (далее ВТР) за приемлемые для меня 4 тыс. рублей. (см.рис.1-2.) Покупать «настоящую» из США или Канады за 50 тыс. рублей я не стал.
Рис.1. Приблизительный вид объявления о продаже алюминиевой ВТР китайского производства.
Рис.2. Приблизительные ТХ для китайских ВТР, на том же сайте. Моя ВТР имеет номер 8, таким образом для неё нужен расход 200л/мин, при этом заявляемая холодильная мощность 480 BTU/ч, что соответствуют мощности около 140 Вт.
Получив эту ВТР, я выяснил, что сильно ошибался в своей первоначальной статье относительно устройства таких вих��евых трубок.
Оказалось, что завихритель и конусный раструб на «холодном» выходе ВТР сделаны единым блоком из ПЛАСТМАССЫ!
Это открытие чуток подорвало мою веру в свою теорию ещё до апробации купленной ВТР в работе.
Ранее я видел фото различных пластиковых завихрителей для ВТР некой американской фирмы. (см.рис.3.)
Рис.3. Фото пластиковых завихрителей производства США. Качество профилирования завихрителя значительно выше, чем у китайского пластикового завихрителя в моей ВТР. В американском завихрителе видна явная клиновидная форма каналов, соответствующая плавному разгону струи в нём. В тоже время в купленном мной китайском завихрителе разгонный канал прямой и с постоянным сечением по всей длине (так легче фрезеровать штамп).
Но тогда я считал, что эти пластмассовые завихрители вставляются своими длинными концами в горячий конец ВТР, а с холодной стороны должна быть алюминиевая деталь с раструбом «холодного» конца ВТР.
Далее я всё же собрал присоединительную систему от ВТР к сжатому воздух от компрессора и испытал её.
Проблема состояла в том, что мой маленький компрессор на 1кВт с расходом около 100л/мин не смог поднять давление даже до одной атмосферы.
Замеры температуры на выходе из ВТР находились на уровне погрешности измерений +-2С.
Этап-2
Пришлось модифицировать завихритель ВТР заклеиванием термоклеем 4-х из 6-ти сопел. То есть фактически увеличилась подача воздуха на одну щель в 3 раза. (см.рис.4.)
Рис.4. Вид разобранной ВТР и его отдельных деталей в разрезе.
После такой модернизации пластикового завихрителя давление перед ВТР поднялось до +1,2 атм, а на выходе из ВТР начали обнаруживаться заметные тепловые эффекты.
Так при температуре в подающей трубе +29С (после компрессора воздух нагретый) на выходе с холодного конца получены показания +14С, а с горячего конца +31С. (см.рис.5.)
Рис.5. Распределение температур по выходам из ВТР и его отдельных деталей в разрезе.
В результате получены параметры:
Твх= +29С
Тхол=+14С
Тгор=+31С
Температура в помещении +24С.
То есть получено понижение температуры на дТ=15С:
дТ=29-14=15С
Для проверки влияния материала завихрителя на свойства ВТР были изготовлены завихрители из стали, латуни, алюминия и меди. Эти материалы отличаются разными коэффициентами теплопроводности с ростом в 2 раза от металла к металлу. (см.рис.6.)
Рис.6. Таблица теплопроводности различных металлов.
Основные втулки завихрителей выточены на токарном станке по размерам исходного пластикового завихрителя из ВТР. (см.рис.7.)
Рис.7. Размеры металлической втулки для изготовления завихрителя для ВТР.
Воздушные наклонные каналы пропиливались вручную лобзиком по металлу (ювелирный лобзик).
Толщина полотна у лобзика 0,4мм.
При этом были изготовлены завихрители с несколькими вариантами щелей.
Так был вариант латунного завихрителя с двумя достаточно толстыми щелями как у заклеенного пластикового ВТР.
Остальные завихрители были с 6-ю щелями меньшей толщины (по толщине полотна 0,4мм), чтобы обеспечить давление от компрессора перед ВТР от 1атм и более. (см.рис.8-10.)
Рис.8. Фото китайской ВТР и сменных экспериментальных завихрителей из различных металлов.
Рис.9. Фото китайской ВТР и сменных завихрителей из различных металлов.
Рис.10. Фото разобранной китайской ВТР и сменных завихрителей из различных металлов.
Рис.11. Фот�� разобранной китайской ВТР и сменных завихрителей из различных металлов.
Результат работы ВТР с завихрителями из разных материалов приведены в таблице.(см.рис.12.)
Рис.12. Таблица параметров температуры воздуха по выходам из ВТР с завихрителями из разных материалов.
Вывод:
При постоянном давлении перед ВТР все типы завихрителей показали приблизительно равную эффективность снижения температуры холодной струи.
То есть китайская штамповка из дешёвого пластика вполне адекватно работает.
А это значит, что нет смысла переплачивать в 10 раз за «настоящее качество из США».
Также есть ощущение, что во всей теме охлаждения с помощью ВТР нет никакого особого технического смысла.
Так тонкая струя воздуха от компрессора с комнатной температурой +20С охладит зону сверления на станке почти так же эффективно, как и воздух с температурой +10С из ВТР, если учесть что в зоне резанья температура более +100С.
То есть при охлаждении воздухом вместо СОЖ важен сам факт интенсивного обдува зоны резанья острой воздушной струёй, а не абсолютная температура струи на срезе тонкого сопла.
Этап-3
Чтобы проверить версию с теплопередачей через корпус ВТР я вырезал из тонкой резины (велосипедная камера) прокладку под завихритель ВТР с отверстием в сторону «тёплой» трубы (см.рис.13.)
Рис.13. Распределение температур по выходам из ВТР на разрезе ВТР с установленной под завихритель тонкой резиновой прокладкой.
В результате получены параметры:
Твх= +30С
Тхол=+23С
Тгор=+30С
То есть из-за установки тонкой резиновой прокладки охлаждение резко понизилось с дТ=14С до дТ=7С.
Результат работы ВТР с завихрителями из разных материалов с резиновой прокладкой приведены в таблице (см.рис.14.)
Рис.14. Таблица параметров температуры воздуха по выходам из ВТР с завихрителями из разных материалов и резиновой термоизолирующей прокладкой под завихрителем.
Вывод:
Теплоизоляция торцевой поверхности завихрителя с помощью тонкой резиновой прокладки от металлической (алюминий) стенки корпус привела к резкому снижению эффекта охлаждения.
О чём это говорит?
Это значит, что холодная высокоскоростная струя газа от завихрителя охлаждала не только раструб завихрителя ВТР на холодном конце, но и охлаждала весь входящий воздух при его контакте с охлаждённым корпусом ВТР.
При теплоизоляции завихрителя от корпуса с помощью резиновой прокладки остался только поток холода через сам завихритель к раструбу холодного конца ВТР.
Неожиданные открытия
Стоит заметить, что воздух из холодного и горячего конца ниже температуры входящего воздуха.
Но это же нарушение теплового баланса?!
На самом деле это лишь дополнительное подтверждение нашего вывода о передаче тепла по внешнему корпусу.
При этом входящий в ВТР горячий воздух от компрессора охлаждается не только холодом остывшей при разгоне струи внутри завихрителя ВТР, но и холодом воздуха из комнаты с температурой +24С.
То есть горячий воздух из подающего шланга +30С охлаждается в кольцевом канале ВТР от уличного воздуха с температурой +24С через наружную стенку корпуса ВТР.
Этап-4
Чтобы проверить версию с теплопередачей в стенку корпуса я вырезал из тонкой алюминиевой пластины 0,3мм (стенка алюминиевой банки от пива) круглую шайбу и сделал по центру отверстие Ф5мм.
В результате получены следующие данные. (см.рис.15.)
Рис.15. Таблица параметров температуры воздуха по выходам из ВТР с завихрителями из разных материалов и алюминиевой теплопроводной +резиновой термоизолирующей прокладкой под завихрителем.
Вывод:
Наличие тонкой алюминиевой пластинки с высокой теплопроводностью над резиновой прокладкой повышает охлаждение на ВТР в сравнении с одиночной резиновой прокладкой.
То есть на коротком ходе воздуха по узкой разгонной щели происходит интенсивный регенеративный теплообмен вдоль этой струи по тонкой алюминиевой пластине.
Этап-5
Чтобы проверить влияние диаметра отводящего отверстия в сторону «горячей» трубы я вырезал из тонкой алюминиевой пластины 0,3мм (стенка алюминиевой банки от пива) круглую шайбу и сделал по центру отверстие 2мм (пробил гвоздём).
Эту алюминиевую пластину я добавил поверх прокладки из резины (велосипедная камера) под завихритель ВТР с отверстием в сторону «тёплой» трубы. (см.рис.16.)
Рис.16. Распределение температур по выходам из ВТР на разрезе ВТР с установленной под завихритель тонкой алюминиевой с отверстием Ф2мм + резиновой прокладками.
В результате получены следующие параметры:
Твх= +30С
Тхол=+28С
Тгор=+25С
Получен феноменальный результат, что «холодный» и «горячий» концы поменялись местами!
Хотя перепад температур сильно уменьшился с дТ=14С до дТ=5С.
дТ=30-25=5С
При этом и на «тёплом» конце температура тоже понизилась от температуры входа на дТ=2С
дТ=30-28=2С
То есть разница в диаметрах отверстий между Ф5мм и Ф2мм привела к изменению направления оттока холода из вихревой камеры. Причём со снятым глушителем температура на «тёплом» конце упала с +28С до +27С.
Но всё не так как кажется!
Этап-5.2
Держа в руках работающий ВТР с отвинченным глушителем я почувствовал, что палец засасывает в открытое отверстие «горячего» конца ВТР.
Для проверки эффекта я приложил к отверстию шарик от пинг-понга и его ПРИСОСАЛО!
(см.рис.17.)
Рис.17. Вид ВТР с алюминиевой прокладкой с отверстием Ф2мм под завихрителем, с отвинченной «горячей» трубой и залипшим к отверстию шариком от пинг-понга.
То есть при установке алюминиевой шайбы с отверстием Ф2мм произошло вовсе не изменение направления распределения тепла!
На самом деле бывший «горячий конец» стал всасывать воздух из помещения и подмешивать его в струю выходящего воздуха из «холодного» конца ВТР.
Именно это вызвало понижение температуры выходящей струи при снятии глушителя, тем самым увеличив подмес холодного комнатного воздуха в горячую струю воздуха от компрессора. (см.рис.18.)
Рис. 18. Вид ВТР со снятым глушителем. Температура справ на «горячем» конце показана +25С, то есть это комнатная температура от засасываемого в ВТР воздуха.
За тем я переставил шарик с всасывающего «горячего» на выбрасывающий «холодный» конец ВТР.
Каково же было моё удивление, когда шарик не был сдут струёй из ВТР, а стал колебаться в струе на выходе из ВТР.
Тут я вспомнил про эффект зависания шарика в воронке на конце шланга от пылесоса.
Этот эффект рассматривался в одном из образовательных видеороликов в интернете.
https://rutube.ru/video/e3d957f28d8fd0123ace921652e57f2a/
Этот эксперимент я сам повторил с помощью того же шарика от пинг-понга, пластиковой воронки с кухни и строительного пылесоса (в котором есть возможность подключение шланга на выдув воздуха).
Пылесос я приобретал ранее для проведения экспериментов с воздушными атмосферными вихрями типа смерчей (торнадо) и циклонов.
https://habr.com/ru/articles/842882/
Шарик зависает в воронке не только при плотном прижатии к шлангу пылесоса, но даже если просто дуть струёй из шлага с расстояния 5-10см в узкий конец воронки.
По спиральному изогнутому шлангу воздух от радиального вентилятора идёт сильно закрученным, а в тонком отверстие пластиковой воронки струя из пылесоса обжимается и разгоняется, при этом угловая скорость струи возрастает.
Можно предположить, что удержание шарика происходит за счёт разрежения, которое возникает на оси сильно закрученной воздушной струи.
При таком спиральном вращении потока воздуха в центре струи возникает сильное разрежение (от центростремительного ускорения), которое может всасывать не только шарики от пинг-понга, но и крупные предметы с поверхности земли. Именно так создаётся эффект «пылесоса» в смерчах и торнадо.
На похожем принципе работает «Вихревой сепаратор высококипящих компонентов в сверхзвуковой газовой струе», который рассматривался ранее в другой статье. Правда там используется центростремительное ускорение в вихревой струе для выброса из струи капель конденсата в сторону стенок:
https://habr.com/ru/articles/904824/
Замер давления всасывания
Замер давления всасывания был сделан с помощью тонкой гибкой трубки, пластилиновой заглушки и бутылки с водой.
Замер показал разрежение около 50мм.вод.ст. (500Па) при диаметре отверстия в пластинке Ф2мм (диаметр отверстия «холодного раструба» равно Ф2,9мм).
При увеличении отверстия в алюминиевой пластинке до Ф2,5мм давление разрежения уменьшилось до 40мм.вод.ст. (400Па).
А при увеличении диаметра отверстия до Ф3,5мм из отверстия стало уже сильно дуть, а на вылетающей вихревой струе стал залипать шарик, причём безо всякой воронки.
Шарик на струе из ВТР начинает сильно колебаться и соскакивает.
Но если шарик придержать одним пальцем сбоку (причём можно и сверху!) чтобы затормозить раскачку колебаний, то шарик продолжает спокойно устойчиво висеть на струе в любом пространственном положении.
Причём в положении ВТР струёй вниз шарик устойчиво висит вообще без передерживания пальцами!
В таком нижнем положении висящий в струе шарик быстро вращается и колеблется в струе с достаточно большой амплитудой на заметном расстоянии от выходного отверстия из ВТР.
Левитация шарика на струе воздуха
По такому случаю я также я проверил эффект висение шарика в свободной струе воздуха.
Если взять струю от компрессора по шлангу с отверстием Ф6мм, то в этой струе также зависает шарик от пинг-понга, причём на достаточно большом расстоянии от среза шланга.
Шарик висит в струе и при сильном наклоне струи до 30 градусов от вертикали.
Но это уже совсем другая история.
Заключение:
Полученные результаты не очень впечатляют, так как не удалось получить струю «обжигающего холода», как это рисуют проспекты торговцев ВТР.
Но если провести сравнение на фоне реальных испытаний других экспериментаторов с мощной производственной базой, то сделанный мной «на коленке» эксперимент кажется просто шедевром эффективности.
Так в интернете мне попался отчёт о натурном эксперименте с большой ВТР, где достигнутые результаты много скромнее моих, но на их эксперимент было затрачено куда больше материальных ресурсов (см.рис.19-20.)
Рис.19. Таблица отчёта об эксперименте с промышленной ВТР, при испытании продувкой сжатым воздухом в различных режимах.
Рис.20. Фото гигантской ВТР в заводском цеху при испытаниях.
Ссылка на полный отчёт об эксперименте:
При этом в чужом дорогостоящем эксперименте лучший показатель дТх=21С достигнут при давлении на входе 6,4 атм (строка №16) и при чудовищном расходе воздуха 615м3/ч (10 тыс.л/мин.).
Из которых только 395м3/ч несут полезный для потребителя холод (6,6м3/мин).
Гора родила мышь!
Расход холода в такой струе составляет всего 2,8 кВт!
Nхол=395*1,2*21*1,003/3600=2,77 кВт
А компрессор на расход общий 10 тыс.л./мин потребляет 55кВт электричества! (см.рис.21.)
Рис.21. Характеристики компрессора на расход 10м3/мин.
https://compressorgroup.ru/catalog/item/vintovoy_kompressor_kraftmachine_bs55_8pb/
Альтернативные варианты генерации воздушного охлаждения
Вариаант-1
Если сделать просто холодильную машину с электрической мощностью 55кВт, то получим систему с выработкой холода более 150 кВт.
А такой большой мощностью холода можно заморозить целый цех со всеми станками, а не только маленькую струйку воздуха в зону резанья станка!
Вариант-2
В тоже время для целей локального воздушного охлаждения острой струёй можно использовать воздух от компрессора низкого давления при Ризб=0,5 атм, который на тот же расход холодной струи 6,6 м3/мин затратит всего около 5 кВт (см рис.), то есть в 11 раз меньше чем компрессор на 6 атм. (см.рис.22.)
Рис. 22. Компрессоры низкого давления 50кПа с расходом 3,1м3/мин и электрической мощностью двигателя 2,2 кВт. Две таких воздуходувки установленных в параллель (суммарно 4,4 кВт электричества) заменяют по расходу холодного воздуха на обдув деталей из ВТР от компрессора мощностью 55кВт.
https://erstvak.com/product/rotornaya-vozdukhoduvka-ruts-kubicek-3d28c-080/
На выходе из воздуходувки низкого давления воздух нужно принудительно охлаждать в обычном промышленном фреоновом морозильнике.
При этом обычный промышленный морозильник на мощность холода 3 кВт потребляет всего 1 кВт электричества (то есть Кх=Nxол/Nэл=3).
То есть тот же расход холодной струи воздуха с температурой +0С можно получить, затратив всего 6 кВт электричества.
5+1=6 кВт
Это как минимум в 9 раз меньше затрат электричества на работу компрессорного оборудования на обдув с ВТР.
Охлаждать воздух ниже +0С опасно и сложно, так как начинается обмерзание воздуховодов изнутри морозильника от выпадающего из воздуха конденсата (инея).
Внутри ВТР тоже должно начинаться оледенение от оседания замерзающего конденсата из переохлаждённого ниже +0С завихрённой воздушной струи.
Так при работе пневматических молотков на холоде начинается их обмерзание изнутри от выпадающего замерзающего конденсата из неосушенного воздуха, вплоть до полной потери работоспособности отбойного молотка. После чего отбойный молоток отправляют оттаивать в тёплое помещение.
ИТОГО по статье:
Проведённый эксперимент показал воспроизводимость эффекта охлаждения воздуха в ВТР.
При этом во многих вариациях подхода к данной ВТР так и не удалось зафиксировать экстремальный холод в струе воздуха на уровне минус-80С (200К), что подразумевается при околозвуковой скорости струи воздуха из отверстия на перепаде давления от 2 атм к 1 атм, при срабатывании 33% внутренней энергии на однонаправленный разгон газа в струе.
Р.S.
Если у кого-то есть доступ к действующим промышленным ВТР, выдающим струю воздуха с температурой в глубоком минусе по Цельсию, то я был бы рад воспользоваться возможностью это увидеть и замерить температуру собственноручно.