Кавитационные вихревые теплогенераторы — все, что нужно знать о технологии и о ее практическом применении. Вихревая труба

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.

Изобретение относится к комбинированным системам для нагрева и охлаждения. Внутренняя поверхность камеры энергетического разделения выполнена со спиралью. Толщина спирали составляет (0,05-0,3)D, где D - диаметр внутренней поверхности камеры энергоразделения. Шаг спирали может соответствовать пространственному периоду завихренного входного потока в осевом направлении камеры, а направление навивки спирали противоположно направлению вращения входного потока. Использование изобретения позволит повысить эффективность энергетического разделения потока в вихревой трубе. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к комбинированным системам для нагрева и охлаждения и может использоваться в различных областях науки и техники, в частности в системах воздушного охлаждения (нагрева). Известна вихревая труба, содержащая камеру энергетического разделения, завихритель входного потока, диафрагму вывода охлажденного потока и дроссельный кран, установленный на выходе нагретого потока . Однако эффективность энергетического разделения потока (другими словами, холодопроизводительность) для этой трубы невелика. Наиболее близким техническим решением является вихревая труба, содержащая камеру энергетического разделения, завихритель входного потока, диафрагму вывода охлажденного потока и дроссельный кран, установленный на выходе нагретого потока . Однако эффективность энергетического разделения потока (другими словами, холодопроизводительность) для этой трубы невелика. Технический результат, который может быть получен при осуществлении изобретения, состоит в повышении эффективности энергетического разделения потока в вихревой трубе (в повышении холодопроизводительности). Этот результат достигается тем, что в вихревой трубе, содержащей камеру энергетического разделения, завихритель входного потока, диафрагму вывода охлажденного потока и дроссельный кран, установленный на выходе нагретого потока, внутренняя поверхность камеры снабжена спиралью. В частности, шаг спирали может соответствовать пространственному периоду завихренного входного потока в осевом направлении камеры, причем направление навивки спирали противоположно направлению вращения входного потока. На чертеже представлена схема вихревой трубы. Вихревая труба содержит камеру 1 энергетического разделения потока с внутренней поверхностью 2, завихритель 3, диафрагму 4 вывода охлажденного потока, дроссельный кран 5, установленный на выходе нагретого потока. На внутренней поверхности 2 камеры 1 установлена спираль 6, шаг которой соответствует пространственному периоду завихренного входного потока в осевом направлении камеры, а направление навивки спирали противоположно направлению вращения входного потока. В частности, шаг спирали может быть переменным, например, увеличиваясь с удалением от завихрителя. Толщина спирали 6 (соответствующий размер в радиальном направлении) составляет (0,05-0,3)D, где D - диаметр внутренней поверхности 2 камеры 1. В частности, сечение спирали может представлять собой круг (см. чертеж). В этом случае толщина спирали равна диаметру проволоки, из которой навита эта спираль. Работает вихревая труба следующим образом. Входной поток (от внешнего источника, на чертеже не показанного) под давлением в несколько атмосфер поступает в завихритель 3, обеспечивающий формирование закрученной (завихренной) струи в камере энергетического разделения 1. За счет эффекта Ранка в камере 1 периферийная (пристеночная) область потока нагревается, а центральная (приосевая) охлаждается. Пространственное разделение охлажденного и нагретого потоков осуществляется с помощью дроссельного крана 5 и диафрагмы 4. Отметим, что на чертеже представлена схема так называемой противоточной трубы , но возможна несколько иная компоновка, соответствующая прямоточной трубе. В периферийной области камеры 1 закрученная струя имеет спиралеобразный вид , причем шаг спирали, вообще говоря, увеличивается с удалением от завихрителя (в ряде работ вместо характеристики "шаг" используют "угол наклона спирали"). При некотором частичном перекрытии крана 5 в приосевой области камеры 1 формируется возвратный поток холодного (точнее, охлажденного) воздуха, который выходит из трубы через диафрагму 4. Проведенные эксперименты показали, что введение в вихревую трубу спирали, выполненной указанным образом, при неизменном давлении входного потока позволяет в несколько раз повысить расход воздуха через диафрагму 4 и на несколько градусов понизить температуру холодного воздуха, т.е. в несколько раз повысить холодопроизводительность вихревой трубы. При этом форма спирали и ее положение в камере 1 подбирались экспериментально. К настоящему времени этот эффект в литературе не описан, отсутствует и его теоретическое объяснение. Одна из возможных гипотез, объясняющих эффект спирали, состоит в следующем. Согласно литературным данным входной (периферийный) поток в камере 1 представляет собой свободный (или комбинированный) вихрь, у которого максимум тангенциальной скорости находится на расстоянии 0,6-0,9 R от оси камеры 1 (R - радиус внутренней поверхности 2 камеры 1, 2R=D), Поток холодного воздуха представляет собой вынужденный вихрь, диаметр которого (в зависимости от давления на входе и т.д.) составляет (0,1-0,5)D. Спираль расположена в области внешнего вихря, там, где тангенциальная скорость максимальна. Этот вихрь (его ось) прецессирует во времени нерегулярным образом , причем направление прецессии противоположно направлению вращения вихря. Соответственно, направление прецессии совпадает с направлением навивки спирали. В результате взаимодействия вихря со спиралью прецессия в определенной мере стабилизируется в пространстве и времени. При этом улучшаются условия для разделения потоков холодного и горячего воздуха. Помимо этого, возможно, что при указанных параметрах и ориентации спирали происходит более интенсивный обмен турбулентными "микровихрями" между периферийным и приосевым потоками воздуха, в частности, за счет генерации "микровихрей" определенного размера. Все это в совокупности приводит к повышению эффективности переноса тепла от приосевого (холодного) потока к периферийному (горячему) потоку, т.е. к дополнительному охлаждению приосевого потока. Таким образом, введение спирали указанной формы позволяет повысить холодопроизводительность вихревой трубы. Источники информации 1. Меркулов А.П. Вихревой эффект и его применение в технике. М.: Машиностроение, 1969. - 184 с. 2. Гуцол А.Ф. Эффект Ранка. Успехи физических наук, 1997. - Том 167, 6. - С.665-687. 3. Патент РФ 2067266, кл. F 25 B 9/02, 1996. 4. Патент РФ 2170892, кл. F 25 B 9/04, 2001.

Формула изобретения

1. Вихревая труба, содержащая камеру энергетического разделения, завихритель входного потока, диафрагму вывода охлажденного потока и дроссельный кран, установленный на выходе нагретого потока, отличающаяся тем, что внутренняя поверхность камеры снабжена спиралью, причем толщина спирали составляет (0,05-0,3)D, где D-диаметр внутренней поверхности камеры энергетического разделения. 2. Вихревая труба по п. 1, отличающаяся тем, что шаг спирали соответствует пространственному периоду завихренного входного потока в осевом направлении камеры, а направление навивки спирали противоположно направлению вращения входного потока.

Для отопления частного дома и квартиры, часто используются автономные генераторы. Предлагаем рассмотреть, что такое индукционный вихревой теплогенератор, его принцип работы, как сделать устройство своими руками, а также чертежи приборов.

Описание генератора

Существуют разные виды вихревых тепрогенераторов, в основном различают их по форме. Ранее использовались только трубчатые модели, сейчас активно применяют круглые, ассиметричные или овальные. Нужно отметить, что это небольшое устройство может обеспечить полностью автономное отопление, а при правильном подходе еще и горячее водоснабжение.

Вихревой и гидровихревой теплогенератор, представляет собой механическое устройство, которое отделяет сжатый газ их горячих и холодных потоков. Воздух, выходящий из «горячего» конца, может достигать температуры 200 ° С, а из холодного доходить до -50. Нужно отметить, что главным преимуществом такого генератора является то, что это электрическое устройство не имеет движущихся частей, все стационарно закреплено. Трубы чаще всего изготовлены из нержавеющей легированной стали, которая отлично противостоит высоким температурам и внешним разрушающим факторам (давлению, коррозии, ударным нагрузкам).

Сжатый газ вдувают по касательной в вихревую камеру, после чего он ускоряется до высокой скорости вращения. В связи с коническим соплом на конце выходной трубы, только «входящая» часть сжатого газа допускается для движения в данном направлении. Остальная часть вынуждено возвращается во внутренний вихрь, который является меньшего диаметра, чем наружный.

Где используются вихревые теплогенераторы энергии:

1. В холодильных установках;
2. Для обеспечения отопления жилых зданий;
3. Для нагрева промышленных помещений;

Нужно учитывать, что вихревой газовый и гидравлический генератор имеет меньшую эффективность, чем традиционное оборудование для кондиционирования воздуха. Они широко используются для недорогого точечного охлаждения, когда доступен сжатый воздух из локальной сети обогрева.

Видео: изучение вихревых теплогенераторов

Принцип действия

Существуют различные объяснения причин возникновения вихревого эффекта вращения при полном отсутствии движения и магнитных полей.

В данном случае, газ выступает телом вращения, за счет быстрого перемещения внутри устройства. Такой принцип работы отличается от общепринятого стандарта, где отдельно идет холодный и горячий воздух, т.к. при совмещении потоков согласно законам физики образуется разное давление, которое в нашем случае вызывает вихревое движение газов.

Благодаря наличию центробежной силы, температура воздуха на выходе намного больше температуры её на входе, это позволяет использовать устройства, как для получения тепла, так и для эффективного охлаждения.

Существует еще одна теория принципа работы теплогенератора, за счет того, что оба вихря вращаются с одинаковой угловой скоростью и направлением, внутренний вихревой угол теряет свой угловой момент. Уменьшение момента передается кинетической энергии к внешнему вихрю, в результате чего образуются отрывные течения горячего и холодного газа. Такой принцип работы является полным аналогом эффекта Пельтье, в котором устройство использует электрическую энергию давления (напряжения) для перемещения тепла к одной стороне перехода разнородных металлов, в результате чего другая сторона охлаждается и потребляемая энергия возвращается к источнику.

Достоинства вихревого теплогенератора :

• Обеспечивает значительную (до 200 º С) разность температур между «холодным» и «горячим» газом, работает даже при низком входном давлении;
• Работает с эффективностью до 92%, не нуждается в принудительном охлаждении;
• Преобразует весь поток на входе в один охлаждающий. Благодаря чему практически исключена вероятность перегрева систем отопления
• Используется энергия, вырабатываемая в вихревой трубки единым потоком, что способствует эффективному нагреву природного газа при минимальных теплопотерях;
• Обеспечивает эффективное разделение вихревой температуры входного газа при атмосферном давлении и выходного газа при отрицательном давлении.

Такое альтернативное отопление при практически нулевой затрате вольт отлично нагревает помещение от 100 квадратных метров (в зависимости от модификации). Главные минусы : это высокая стоимость и редкое применение на практике.

Как сделать теплогенератор своими руками

Вихревые теплогенераторы – это очень сложные приспособления, на практике можно сделать автоматический ВТГ Потапова, схема которой подходит как для дома, так и для промышленных работ.

Так появился механический теплогенератор Потапова (КПД 93%), схема которого приведена на рисунке. Несмотря на то, что первым патент получил Николай Петраков, именно устройство Потапова пользуется особым успехом у домашних мастеров.

На данной схеме изображена конструкция вихрегенератора. Патрубок смешения 1 присоединен к напорному насосу фланцем, который в свою очередь подает жидкость с давлением от 4 до 6 атмосфер. Когда вода попадает в коллектор, на чертеже 2,образовывается вихрь, и она подается в специальную вихревую трубу (3), которая сконструирована так, что длина в 10 раз больше, чем диаметр. Вихрь воды передвигается по спиральной трубе у стенок к горячему патрубку. Этот конец заканчивается донышком 4, в центре которого есть специальное отверстие для выхода горячей воды.

Чтобы контролировать поток, перед донышком расположено специальное тормозящее приспособление, или выпрямитель потока воды 5, он представляет собой несколько рядов пластин, которые приварены к втулке по центру. Втулка соосна тубе 3. В тот момент, когда вода движется по трубе к выпрямителю по стенкам, в осевом участке образовывается противоточное течение. Здесь вода движется по направлению к штуцеру 6, который врезан в стенку улитки и трубе подачи жидкости. Здесь производитель установил еще один дисковый выпрямитель потока 7, чтобы контролировать течение холодной воды. Если из жидкости выходит тепло, то его направляет по специальному байпасу 8 к горячему концу 9, где вода смешивается с нагретой при помощи смесителя 5.

Непосредственно из патрубка горячей воды жидкость поступает в радиаторы, после чего делая «круг», возвращается к теплоносителю для повторного нагрева. Далее источник нагревает жидкость, насос повторяет круг.

По такой теории даже существуют модификации теплогенератора для серийного производства низкого давления. К сожалению, проекты хороши только на бумаге, реально их мало кто использует, особенно, если учитывать, что расчет осуществляется при помощи теоремы Вириала, которая обязана учитывать энергию Солнца (непостоянную величину), и центробежную силу в трубе.

Формула представляет собой следующее:

Епот = – 2 Екин

Где Екин =mV2/2 – это кинетическое движения Солнца;

Масса планеты – m, кг.

Бытовой теплогенератор вихревого типа для воды Потапова может иметь следующие технические характеристики:

Обзор цен

Несмотря на относительную простоту, чаще проще купить вихревые кавитационные теплогенераторы, чем самостоятельно собрать самодельный прибор. Продажа генераторов нового поколения осуществляется во многих крупных городах России, Украины, Беларуси и Казахстана.

Рассмотрим прайс-лист из открытых источников (мини-приборы будут дешевле), сколько стоит генератор Мустафаева, Болотова и Потапова:

Наиболее низкая цена на теплогенератор вихревой энергии марки Акойл, Вита, Гравитон, Муст, Евроальянс, Юсмар, НТК, в Ижевске, к примеру, около 700 000 рублей. При покупке обязательно проверяйте паспорт прибора и сертификаты качества.