Вихревые приборы

Традиционная область технологий, с которыми имеет дело попаданец, обычно ограничивается этаким продвинутым «паропанком». То есть в силу присущих эпохе попадания ограничений по сложности, трудоемкости, дороговизне или недоступности сырья для него считаются реальными только относительно простые и грубоватые устройства и вещества, которые можно изготовить по памяти в полукустарных условиях, без наличия выскоточных и редких инструментов, да к тому же обладая относительно невысокой квалификацией.

В реальной истории этому уровню соответствует где-то начало-середина XIX века. Все, что появилось позже, для попаданца табу и «рояль».

Но оказывается, существуют малоизвестные широкой публике явления и технологии, которые были открыты или разработаны совсем недавно, уже в индустриальную эпоху, но отличаются простотой и вышеописанных ограничений не имеют. Такое «отложенное» открытие часто не случайно — несмотря на простоту, для своего открытия подобные вещи требуют в виде предпосылок либо существования продвинутых технологий, либо высокоразвитой науки, являясь, так сказать, «побочным продуктом» развития цивилизации. Возьмем вот
водоструйный насос
. Штука вроде бы простая до упора, но чтобы додуматься до принципа и получить эффективное устройство, нужно действовать целенаправленно, в соответствии с некой теоритической базой.

Именно это сочетание простоты и исчезающе малой вероятности, что для чего-то подобного додумаются аборигены, делает такие технологии для попаданца очень лакомым кусочком.

Вихревой эффект — как раз таки одно из таких недавно открытых и довольно-таки загадочных явлений. Теоретический аппарат, объясняющий это явление, так до конца и не разработан, но это не мешает с успехом его использовать. Причем именно уникальное сочетанием свойств — крайней простоты, дешевизны, технологичности, стопроцентной надежности и полного отсутствия требований к обслуживанию — часто обеспечивает выбор в пользу вихревых устройств даже при наличии гораздо более эффективной, но более дорогой и капризной альтернативы.

Суть явления одновременно очень проста и удивительна. При создании в открытой с двух сторон трубе с помощью тангенциального ввода потока сжатого газа 1 сильного кругового движения (вихря), происходит его разделение на два противоположных по направлению потока, один из которых(внутренний приосевой 2) относительно входного потока охлажден, а другой(внешний 3) нагрет. То есть такая труба начинает одновременно работать с одного конца холодильником, а с другого — нагревателем!

Вихревой эффект был открыт абсолютно случайно в 1931 году французским инженером Жозефом Ранком при опытах с промышленными циклонами. Он же разработал конструкцию вихревой трубы и взял первый патент. Несмотря на то, что труба реально работала, французские академики научное сообщение Ранка чуть ли не высмеяли. Очень уж эта штука напоминала пресловутую научную байку — так называемого «демона Максвелла», который обладает волшебным свойством разделять быстро и медленно двигающиеся молекулы.

Лишь после Второй Мировой, в 1946 году, Роберт Хилш опубликовал свои проведенные с немецкой педантичностью опыты, попутно предложив усовершенствования конструкции трубы, и явление получило известность по всему миру. Он же ввел классические критерии и величины, которые используются в рассчетах до сих пор. Часто вихревую трубу по имени своих создателей называют трубой Ранка, или Ранка-Хилша. Ученые в разных странах взялись за исследования и эксперименты. Одной из ведущих и самых плодовитых школ была советская, и как это ни странно, до сих пор все еще остается таковой российская. Честно говоря, я был удивлен обилием дельных российских патентов на эту тему и количеством производящих такие установки заводов, фирм и институтов.

На практике работа трубы выглядит примерно так:









Оригинальная труба Ранка представляла из себя обычный металлический цилиндр с простым тангенциальным односопловым вводом и диффузором или конфузором на конце для усиления соответствующего температурного эффекта.

За годы исследований и опытов были оптимизированы конструкция и режимы работы устройства. Близка к оптимальной схема, разработанная советским конструктором Владимиром Ивановичем Метениным.



Сжатый газ подается через тангенциальное сопло 1 в улитку 2, где устанавливается интенсивное круговое течение. При этом возникает неравномерное поле температур. Слои газа, находящиеся вблизи оси, оказываются на T_х более холодными, чем входящий газ, а периферийные слои закрученного потока нагреваются на T_г. Часть газа  в виде холодного потока отводится через диафрагму 3, насадок 4 и щелевой диффузор 8, а другая часть (1-) нагретого газа отводится через насадок 5 и лопаточный диффузор 6 с сеткой 7. Работу вихревой трубы можно регулировать дроссельной заслонкой на теплом потоке.

При использовании в качестве холодильника еще одна важная характеристика трубы — холодильный КПД:

_t = T_х/T_s,

где T_х — реальная разница температур,  - доля холодного потока, T_s — максимально возможная разница температур в идеальном процессе раширения газа с отдачей работы.

В общем и целом вихревой эффект работает из-за того, что внешний поток отнимает энергию у внутреннего. На рисунке заметно, что камера смешения имеет выраженную конусность в 1-3°. Это улучшает условия теплообмена потоков по всей длине трубы, а значит, и разность выходных температур. Существуют и дальнейшие, иногда тоже совсем неочевидные усовершенствования. Например, выяснилось, что сложное турбулентное закручивание входного потока и возбуждение в нем поличастотных звуковых колебаний увеличивают температурный эффект. Поэтому и на входное сопло, и в выходной диффузор горячего потока часто устанавливают различные развихрители и турбулизаторы. Обратите внимание, что рабочий на фото в наушниках. Труба во время работы действительно здорово шумит.

Кроме того, ввод оказалось лучше делать многосопловым, строго по касательной к стенке. На поверхности камеры разделения или улитки можно предусмотреть продольные пазы, также увеличивающие температурный эффект в ту или иную сторону в зависимости от формы. Можно использовать энергию и давление горячего потока для подсасывания дополнительного воздуха в холодный или его ускоренного эжектирования через теплообменную камеру. Можно разделить приосевой поток на фракции, подавая к потребителю только самую холодную (при некоторых условиях аж до -130°С) его часть.

Можно подогревать или охлаждать входной поток отработанным выходным через теплообменник. Если высокое входное давление позволяет, трубы можно соединять каскадами, комбинируя в сложную схему с теплообменниками для оптимизации нужного эффекта.



Все это относится к неохлаждаемым, или адиабатным, трубам.

Но оказывается, что если камеру обмена охлаждать (лучше всего водой), то бишь дополнительно отнимать тепло у внешнего горячего потока, то это приведет к дополнительному охлаждению холодного. Причем, чем меньше доля холодного потока , тем сильнее увеличится T_х. Соединив горячие выходы камер двух таких труб, получим трубу со стопроцентным холодным потоком и увеличенной холодопроизводительностью.

Как показывает опыт, такая труба почти не чувствительна к температуре охлаждающей воды (то есть отлично работает даже в тропиках) и не требует большой поверхности обмена — не нужен сложный радиатор.

Ровно такой же, но противоположный по знаку эффект имеет место при дополнительном нагреве трубы.

Подобные усовершенствования выводят КПД трубы на уровень 0.4 и даже выше — совсем неплохо для такого простого и дешевого аппарата!

В общем, разработка технологии активно продолжается, что обеспечивает вихревым устройствам все более широкие возможности для конкуренции.

ВТ сейчас широко используют для кондиционирования (все помнят такие маленькие поворотные сопла в самолетах или междугородных автобусах?), для подогрева или охлаждения лопастей турбин и вертолетов при работе, в небольших холодильниках для транспорта с бортовой пневмосетью, для начального подогрева пара с одновременным охлаждением конденсатора при пуске сверхмощных паровых турбин, для подогрева/охлаждения при понижении давления природного газа на газораспределительных станциях, для охлаждения процессоров (часто совместно с элементами Пельтье), и так далее. Да и в обычных промышленных холодильных установках ВТ по совокупности свойств часто оказываются оптимальными — вредных и капризных аммиака или фреонов они не используют и никогда не ломаются.

Кроме того, как и в обычном циклоне, при работе ВТ горячий поток всегда оказывается обогащен более тяжелыми частицами и молекулами(например, пылью, частицами конденсата, кислородом, водой или углекислотой), а холодный — более легкими (например, азотом). И чем выше скорость вихря, тем более выраженным становится эффект. На этом свойстве вихревых труб основано их применение для отделения газоконденсата от природного газа и разделения фаз, в том числе и в криогенной технике для разделения компонентов воздуха.

Еще одно важное применение ВТ основано на свойстве создавать сильно пониженное давление в центре приосевого холодного потока. Если вместо выходного диффузора на холодном конце сделать тонкий сопловой ввод, труба начнет активно отсасывать через него воздух — превратится в вакуумный насос! Возможно, кому-то знакомо название довольно распространенных советских аппаратов: ДКМ и «Вихрь».

С учетом всего этого для нашего попаданца вихревая техника — просто непаханное поле работы. Правда, необходимое уловие — наличие у него насоса, но это
решаемо
. В качестве материала ВТ отлично подходят керамика или стекло. И уж совершенно точно, например, что вихревой холодильник без проблем выдержит конкуренцию с винтажным паровым, а по простоте и доступности даст ему сто очков вперед.

Литература:

Меркулов А.П. «Вихревой эффект и его применение  в технике»

Суслов А.Д., Иванов С.В., Мурашкин А.В., Чижиков Ю.В. «Вихревые аппараты»

Патент РФ 2041432 — «Вихревая труба В.И.Метенина»

Азаров А. И. «Вихревые трубы нового поколения»