Труба ранка

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.  
Источник: А.Ф.Гуцол. «Эффект Ранка» (pdf).

Основное назначение таких вихревых труб — производство холода, и обычно более эффективной  для этих целей считается противоточная схема. Кстати, размеры их совсем невелики — например, А.Ф.Гуцол в качестве оптимальных приводит следующие значения:

внутренний  диаметр трубы (калибр) D = 94 мм,

длина трубы L = 520 мм,

отверстие диафрагмы для  выхода хол. воздуха d = 35 мм,

вход  воздуха через  два сопла, каждое из которых имеет  диаметр 25 мм.

Однако оптимальная  скорость воздушного потока на входе  совсем не маленькая — 0.4 .. 0.5 М (т.е. 40–50% скорости звука). По этой причине из-за практически неизбежных при таких скоростях мощных турбулентностей устройство оказывается очень шумным, да и о «подручных средствах» (вроде бытового вентилятора в качестве источника потока воздуха) можно забыть. Характерно, что как при сильном уменьшении скорости входного потока, так и при её приближении к скорости звука, эффективность вихревой трубы стремится к нулю. Уменьшение геометрических размеров относительно оптимальных (особенно при D < 33 мм) также заметно снижает КПД, а вот их увеличение на КПД практически не сказывается. Очевидно, это связано с физическими характеристиками воздуха — слишком малые размеры не могут предотвратить интенсивное перемешивание разделённых было слоёв воздуха и, вероятно, делают слишком заметным влияние эффектов, возникающих на границе между стремительно движущимся воздухом и неподвижными стенками

 ИР 2(662) за 2005 г.  
ЗАПИСКИ ЭКСПЕРТА

КОМФОРТ ИЗ ТРУБКИ

Автомобиль с кондиционером пока могут позволить себе только весьма состоятельные люди. Большинство же маются в жару в этих проклятых пробках, истекая потом и проклиная климат и, естественно, ГИБДД. Что поделаешь, отечественных автомобильных кондиционеров на рынке практически нет, а дорогущие зарубежные, как правило, работают на фреоне. Мало того что он вреден для окружающей среды, приходится за рубежом за бешеные деньги закупать еще и оборудование для его заправки и регенерации.  
Изобретатели из московского ООО "Инвент-Эко", руководимого А.Фроловым, вспомнили о весьма эффективном способе получения холода с помощью вихревой трубы. Известно, что сжатый воздух, поступая в специальную трубку по касательной, образует там вихрь с температурным расслоением. В ядре холодный воздух, а на периферии — горячий (эффект Ранке). Эти потоки отводятся в разные стороны, причем холодный охлаждает помещения. Этот эффект сегодня довольно широко используется в холодильной технике, в частности в турбодетендерах. Но работают такие устройства обычно в авиации, а также для охлаждения больших помещений, складов и т.п. В автомобильных климатических системах их практически не применяли, т.к. пытались в трубку загонять сжатый до 0,2—0,6 МПа воздух с помощью компрессора. А поскольку в компрессоре воздух нагревается, его приходится охлаждать до температуры окружающей среды. Получается замкнутый круг, необходимо слишком громоздкое и неэффективное оборудование.  
Фролов и его коллеги, однако, от заманчивого бесфреонового кондиционирования отказываться не хотели и все кумекали, как бы обойтись без нагнетающего компрессора. И придумали-таки. А почему бы не использовать автомобильный компрессор, направляющий сжатый воздух в мотор? Тем более что в дизельных машинах он имеется, а в бензиновые можно и установить. Но только чтобы он не сжимал воздух для вихревой трубки, а откачивал его из нее, создавая там разрежение. Тогда атмосферный воздух сам будет засасываться трубкой, создавая в ней мини-смерч. Т.е. следует подсоединить к компрессору не вход, а выход трубки, дабы он, продолжая исполнять свои изначальные обязанности по обеспечению двигателя сжатым воздухом, одновременно помогал бы создавать комфортные условия в салоне. 
Разработанная система кондиционирования (заявка 2003134813) выглядит так (см. рис.). После включения компрессора 10 и ДВС 11 на входе 2 вихревой трубки 1 создается вакуум, и воздух из атмосферы начинает поступать в тангенциальный сопловый ввод трубки, образуя внутри нее вихрь. Он, как и положено, разделяется на горячий и холодный потоки. В зависимости от времени года на вход установленного здесь дополнительного трубчатого теплообменника 4 подается либо горячий, либо холодный воздух. Зимой он, проходя по трубкам теплообменника через трехходовые краны 6 и 7, нагревает теплообменник, летом охлаждает, а затем вентилятором 5 кондиционированный воздух направляется в салон автомобиля. Обводные трубопроводы 8 и 9 отводят горячий или холодный поток в обход теплообменника непосредственно в компрессор, причем расход горячего потока регулируется дросселем 3. Подача воздуха под давлением в карбюраторный ДВС, как и в дизельный, позволяет дополнительно увеличить его мощность и снизить выброс вредных веществ в атмосферу. 
Сейчас изготовлен опытный образец этой системы, проводятся испытания. Они показали, что такое кондиционирование позволяет изменить температуру в салоне как минимум на 10—20°С по сравнению с окружающей средой. А стоимость ее раз в 5—6 меньше зарубежной фреоновой, не более 200 долл. с установкой. Не так дорого за комфорт. 
Тел./факс 462-83-85. Фролов Александр Михайлович.

О.СЕРДЮКОВ