ВСТУПЛЕНИЕ

Вихревой эффект Ранка – Хилша хорошо известен и практически давно используется для технологических целей нагрева и охлаждения. На самом эффекте останавливаться не будем, он и так достаточно широко представлен, за исключением одного из его парадоксов.

Парадоксальность эффекта Ранка известна и заключается в том, что горячий вихревой поток располагается в вихревой коаксиальной противопоточной структуре  снаружи, при этом холодный вихревой поток  концентрируется внутри.

При этом, как известно, более тёплый поток газа имеет меньшую плотность и центробежными силами должен стремиться к центру, а более холодный поток газа имеет большую плотность и, соответственно, должен стремиться к периферии. В реальности всё происходит в точности наоборот. Внешний  поток имеет большую температуру, чем внутренний.

СВЕРХВЫСОКИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ И ПРОБЛЕМА С ВЫБОРОМ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

Рассматривая классическое применение эффекта Ранка – Хилша для целей получения и применения в промышленности сверхвысоких температур уровня 3000 градусов и сверхзвуковых скоростей наружного вихревого потока — сталкиваемся с проблемой выбора конструкционных материалов. Тангенциальные сверхзвуковые скорости при таких температурах приводят к ”вымыванию” со временем любого существующего конструкционного материала.

Вот если бы сверх высокотемпературный вихревой поток находился как в матрёшке снаружи относительно более холодного вихревого потока, тогда проблема с выбором конструкционных материалов не была бы актуальной.

Оказывается такое возможно с учётом обратного вихревого эффекта.

ОБРАТНЫЙ ВИХРЕВОЙ ЭФФЕКТ

В ходе экспериментальных работ с распространением сверхзвуковых аксиально-радиальных волн детонационного горения в вихревых трубках обнаружен весьма любопытный, можно назвать — обратный вихревой эффект классике Ранка – Хилша. 

Эффект заключается в строго противоположном нагреве внутреннего потока и охлаждении наружного потока. Обеспечивается за счёт формирования двух высокоскоростных высокотемпературных вихревых противопотоков путём распространении периодически следующих друг за другом  волн детонационного горения и сжатия.

В прямоточную вихревой трубу классического исполнения тангенциально вводятся периодически  следующие друг за другом волны детонационного горения, от одного или нескольких источников.

В вихревой трубе формируются два авто волновых высокоскоростных высокотемпературных вихревых противопотока следующих друг за другом  волн детонационного горения и сжатия.

Фронт каждой волны детонационного горения имеет температуру 1500-2000 градусов, сверхвысокое давление и скорость распространения порядка 2000 м/сек.   Наружный вихревой поток имеет температуру уровня 1000 градусов и скорость уровня сверхзвука. Внутренний вихревой поток имеет температуру уровня 3000 градусов и скорость уровня сверхзвука.

Таким образом обеспечивается локализация одного высокотемпературного вихревого потока внутри второго относительно холодного внешнего вихревого потока. В этом случае решается задача с выбором конструкционных материалов.

КАК ЭТО РАБОТАЕТ

Первоначально предполагалось, что проявление эффекта обеспечивается за счёт аксиально-тангенциального высокоскоростного распространения периодически следующих друг за другом  волн детонационного горения и сжатия, которые формируют два соосных  вихревых противопотока.  

На основании многочисленных экспериментов по вихревому температурному разделению, заявленных на сайте https://vihrihaosa.wordpress.com можно заявить, что  при формировании на начальной стадии двух коаксиальных вихревых противопотоков  в вихревой трубе температурного разделения нет!!!.

Формирующиеся два вихревых противопотока температурно нейтральны!!!.

Какому потоку быть холодным, а какому горячим определяется тем, какая  первичная  температура  теплообмена  подводится  к внешнему вихревому потоку по отношению к температуре самого потока. 

Рассмотрим два варианта формирования вихревых противопотоков:

1. Тангенциальный ввод газа под давлением с его расширением (классика).

При классическом истечении  сжатого воздуха в вихревую трубу  его температура уменьшается.  При этом  стенки вихревой трубы имеют большую температуру. Теплообмен от стенок  вихревой трубы  повышает температуру  внешнего вихревого потока совсем не значительно.  Этого вполне достаточно для  начала полноценного проявления  вихревого терморазделительного процесса в вихревой трубе. 

Происходит лавинообразное  увеличение  температуры внешнего вихревого потока с одновременным понижением температуры внутреннего вихревого противопотока.  Степень  изменения температур двух потоков зависит от конструктивных особенностей исполнения самой вихревой трубы и энергетике первичного потока.

• Тангенциальный ввод высокоскоростного высокотемпературного газового потока (обратный вихревой эффект)

В вихревую трубу  подаётся уже сформированный скоростной высокотемпературный поток. В этом случае  относительно холодная стенка вихревой трубы первоначально придаёт импульс охлаждению внешнему вихревому потоку.  Тем самым происходит лавинообразное  уменьшение  температуры внешнего вихревого потока с одновременным нагревом  внутреннего вихревого потока. Степень  изменения температур двух потоков также зависит от конструктивных особенностей исполнения самой вихревой трубы и энергетике первичного потока.

Рис. № 6.1. Вихревое распространение волны детонационного горения.

Рассмотрим заявленное подробно.

Парадоксальность эффекта Ранка известна и заключается в том, что горячие слои располагаются в вихревой коаксиальной противопоточной структуре  снаружи, а холодные концентрируются аксиально по центру вихревой структуры. При этом, как известно, более тёплый поток газа имеет меньшую плотность и центробежными силами должен стремиться к центру, а более холодный поток газа имеет большую плотность и, соответственно, должен стремиться к периферии. В реальности всё происходит в точности наоборот.

На основании многочисленных экспериментов по вихревому температурному разделению, заявленные на сайте https://vihrihaosa.wordpress.com можно заявить, что  при формировании на начальной стадии двух коаксиальных вихревых противопотоков  в вихревой трубе температурного разделения нет.

Изначально два противопотока температурно нейтральны,  Направление начала  терморазделения  зависит от  того, какая  первичная  температура  теплообмена  подводится  к внешнему вихревому потоку. 

При классическом истечении  сжатого воздуха в вихревую трубу  его температура уменьшается.  При этом  стенки вихревой трубы имеют большую температуру. Теплообмен от стенок  вихревой трубы  повышает температуру  внешнего вихревого потока совсем не значительно.  Этого вполне достаточно для  начала полноценного проявления  вихревого терморазделительного процесса в вихревой трубе.  Происходит лавинообразное  увеличение  температуры внешнего вихревого потока с одновременным понижением температуры внутреннего вихревого противопотока.  В этом случае степень  изменения температур двух потоков зависит от конструктивных особенностей исполнения самой вихревой трубы и  энергетических характеристик первичного потока.

Исходя из выше изложенного при начальных противоположных условиях происходит следующее.

В вихревую трубу  подаётся уже сформированный скоростной высокотемпературный поток. В этом случае  относительно холодная стенка вихревой трубы первоначально придаёт импульс охлаждению внешнему вихревому потоку.  Тем самым происходит лавинообразное  уменьшение  температуры внешнего вихревого потока с одновременным нагревом  за счёт трения внутреннего вихревого потока.

Данное заключение основано на том, что изначально в ходе экспериментальных работ с распространением сверхзвуковых аксиально-радиальных волн детонационного горения в трубах, в том числе и в классическом понимании — вихревых трубах Ранка-Хилша обнаружен весьма любопытный, и можно назвать – обратный вихревой эффект температурного разделения вихревых потоков.

Эффект заключается в строго противоположном нагреве внутреннего вихревого потока и охлаждении наружного вихревого потока.

Известно, что:

1.  Вихревые течения в классической вихревой трубе  отличаются интенсивной  турбулентностью с присутствием   радиальных пульсации скоростей  распространений.

2.  Практические работы по изучению турбулентной структуры потоков в вихревых трубах затруднены. Это связано  в первую очередь с их относительно  малыми габаритами.

3. Термодинамическая эффективность процесса терморазделения в вихревых трубах  зависит в первую очередь от степени  расширения первичного вихре образующего потока, т.е.:

π=P1/P0.

Где:

Р1 – давление в потоке на входе в вихревую трубу (Т потока=↑).

Р1 – давление среды, в которую происходит истечение(Т потока=↓).

А теперь немного о детонационном горении.

Известно:

1. Детонация в атмосферу от одного источника детонационного горения представляет собой взрыв, в котором взрывная волна распространяется со скоростью 2000-3000 м/с, температура горения достигает 3000-3500 °С.
2. Последовательное следование волн детонационного горения  формирует авто волновой высокоскоростной высокотемпературный поток следующих друг за другом  волн детонационного горения и сжатия
3. В соответствующих разделах сайта https://vihrihaosa.wordpress.com представлены различные типы детонационных источников энергии с частотами следования от 1 гц до 1 кГц и выше.

С учётом выше изложенного были проведены практические работы с вихревыми течениями волн детонационного горения. 

ЭКСПЕРИМЕНТ

1. Были сделаны корпуса для двух типов вихревых труб (прямоточная и противоточная) диаметром 100 мм, см. рис. № 6.2. У противоточной вихревой трубы  установлена осевая полно проходная диафрагма диаметром 28 мм.  Тангенциально приварен входной патрубок диаметром 32 мм.

Рис. № 6.2. Внешний вид корпусов двух типов вихревых труб — прямоточного и противоточного исполнения без дросселирующего конуса.

• В качестве источника  волн детонационного горения в  экспериментах использовалась самая простая конструкция детонационной бесклапанной горелки трубчатой формы с непосредственной инжекцией воздуха газом (пропаном), см. рис. № 6.3. Частота следования волн детонационного горения 1 гц.

Рис. № 6.3. Источник волны детонационного горения – трубчатая импульсная детонационная горелка.

• В первую очередь проверялась возможность формирования в трубе вихревого потока на скоростях входного линейного потока  2000 м/с. Было сомнение, что на таких скоростях  вместо вихревого потока  в трубе будет идентифицироваться сильно турбулентный аксиальный поток. Эксперименты подтвердили, что это не так.

На рис. № 6.4.  показана визуализация огненного закрученного потока волны детонационного горения  с температурой по свечению 1600 градусов.

Рис. № 6.4. Огненный закрученный поток волны детонационного горения.

• Завещающий этап   — детонационное горение в вихревой прямоточной трубе Ранка-Хилша и достижимые температуры.   В вихревой трубе использовались три съёмных конуса с углом раскрытия в 45 градусов и диаметрами проходных сечений: 60, 50 и 40 мм, см. рис. № 6.5. Температуры выходных потоков планировалось измерять по цвету свечения.

Рис. № 6.5. Внешний вид прямоточной вихревой трубы в сборе.

Результат эксперимента подтвердили ошибочность постоянства направления температурного разделения.  Что приосевой выходной поток всегда имеет более низкую температуру, чем периферийный.

 Визуализация  и цвет (температура) двух потоков детонационно-вихревого горения  на выходе из прямоточной трубки Ранка-Хилша представлена на рис. № 6.6.

Рис. № 3.5. Визуализация  двух потоков (холодного и горячего) детонационно-вихревого горения  с температурными разделениями по цветовым оттенкам.

На фото видно, что приосевой выходной поток детонационно-вихревого горения имеет более высокую температуру, чем выходной периферийный поток детонационно-вихревого горения. Результат эксперимента подтвердил ошибочность утверждения постоянства направления температурного разделения,  что приосевой выходной поток всегда имеет более низкую температуру, чем периферийный.

 Приблизительно оценить температуры выходных двух вихревых потоков можно по цвету пламени.
            Центральный “белый” внутренний вихревой поток имеет температуру уровня 1500 градусов. Периферийный внешний вихревой поток имеет температуру намного ниже центрального.

ВЫВОД:
 

1. За счёт особенностей вихревого эффекта можно практически формировать области сверх высоких температур для технологических целей.

2. Предлагается конструктивная локализация сверх высокотемпературной области вихревого нагрева уровня 3000 градусов внутри относительно более холодной области вихревого охлаждения  с температурами уровня 1000 градусов.  С такими температурами  легко справятся  существующие конструкционные материалы.

3. Температурную локализацию может обеспечить заявленный обратный вихревой эффект за счёт первичного высокоскоростного высокотемпературного потока следующих друг за другом  волн детонационного горения и сжатия с частотами следования от 1 Гц до 1 кГц и выше в классической вихревой трубе.