СУЩНОСТЬ
Считается, что в вихревой трубе направление температурного разделения постоянно и не может меняться. Приосевой выходной поток всегда имеет более низкую температуру, чем периферийный.
Заявленный эффект заключается в том, что направление температурного разделения двух вихревых потоков в вихревой трубе не постоянно. Зависит от направления и перепада температур между входным вихре формирующим потоком и температурой наружного корпуса вихревой трубы.
ОПИСАНИЕ
Парадоксальность эффекта Ранка известна и заключается в том, что горячие слои располагаются в вихревой коаксиальной противоточной 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 вихревой трубе всё происходит в точности наоборот.
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 противотока. Степень изменения температур двух потоков зависит от конструктивных особенностей исполнения самой вихревой трубы и энергетических характеристик первичного потока.
После проведения многочисленных практических работ в области вихревых технологий обнаружено, что на начальной стадии формирования двух коаксиальных вихревых противотоков в вихревой трубе температурного разделения нет!
Изначально два сформированных вихревых противотока имеют одинаковую температуру. Потоки температурно нейтральны.
Направление начала терморазделения зависит от того, и зависит от направления и перепада температур между входным вихре формирующим потоком и температурой наружного корпуса вихревой трубы.
В случае детонационного горения/формирования вихревого потока — в вихревую трубу подаётся уже сформированный высоко скоростной высоко температурный поток. Холодная стенка вихревой трубы первоначально охлаждает внешний вихревой поток. Тем самым происходит лавинообразное уменьшение температуры внешнего вихревого потока с одновременным нагревом за счёт трения внутреннего вихревого потока.
Эксперименты с распространением сверхзвуковых аксиально-радиальных волн детонационного горения в трубах, в том числе и в вихревой трубе Ранка-Хилша обнаружили 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.
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 противотоков.
После анализа результатов экспериментальных работ подтверждается тот факт, что на начальной стадии формирования два противотока температурно нейтральны. Направление начала терморазделения зависит исключительно от того, какая первичная температура теплообмена подводится к внешнему вихревому потоку, но обо всём по порядку.
Рассмотрим заявленное подробно.
Классическая терморазделительная трубка Ранка-Хилша известна, достаточно широко представлена и практически используется в технике и технологиях. При этом “физика” работы самого процесса терморазделения по настоящее время не однозначна.
В данной публикации вопросы работы классической вихревой трубы затронуты не будут, они и так хорошо известны, за исключением акцентирования внимания на 3-х следующих особенностях, которые непосредственно относятся к заявленному:
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.
- Термодинамическая эффективность процесса терморазделения в вихревых трубах зависит в первую очередь от степени расширения первичного вихре образующего потока.
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:
- 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.
- Последовательное следование волн детонационного горения формирует авто волновой высокоскоростной высокотемпературный поток следующих друг за другом волн детонационного горения и сжатия
- 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 в вихревой трубе.
ЭКСПЕРИМЕНТ
- Был сделан корпус вихревой трубы диаметром 100 мм. с осевым полно проходным затвором диаметром 28 мм, Который мог закрываться. Тангенциально приварен входной патрубок диаметром 32 мм. См. рис. № 8.13.1.
Рис. № 8.13.1. Корпуса вихревых прямых и обратных вихревых труб.
2. 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. № 8.13.2. Частота следования волн детонационного горения 1 гц.
Рис. № 8.13.2. Источник волн детонационного горения.
3. 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. № 8.13.3 визуализируется огненный вихрь продуктов детонационного горения с температурой по свечению 1600 градусов.
Рис. № 8.13.3. Визуализация огненного вихря
4. 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. Температуры выходных потоков планировалось измерять по цвету свечения.
Рис. № 8.13.4. Конструктивное исполнение вихревой трубы для экспериментов по детонационному горению.
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. № 8.13.5.
Рис. № 8.13.5. Визуализация и цвет (температура) двух потоков детонационно-вихревого горения на выходе из прямоточной трубки Ранка-Хилша.
На рис. № 8.13.5 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:
ВИХРЕВОГО ПАРАДОКСА НЕТ!
Два противотока на начальной стадии формирования — температурно нейтральны!
Направление начала терморазделения зависит от того, какая первичная температура теплообмена подводится к внешнему вихревому потоку для лавинообразного изменения температур двух потоков. В этом случае степень изменения температур двух потоков зависит от конструктивных особенностей исполнения самой вихревой трубы и энергетических характеристик первичного потока.
ПРИМЕНЕНИЕ
Заявленный эффект является перспективным для проведений высокоскоростного высокотемпературного пиролиза или синтеза элементов.
- Детонационно-вихревой сверх высокотемпературный пиролиз любых отходов промышленного производства. Ссылка: Детонационно-вихревой скоростной сверх высокотемпературный пиролиз (ССВП)
- Многостадийный детонационно-вихревой способ получения сверх высоких температур для сверх высокотемпературного пиролиза. Ссылка: Многостадийный детонационно-вихревой способ освоения сверхвысоких температур
- Детонационно-вихревой дожиг любых дымовых газов промышленного производства. Ссылка: Детонационно-вихревой дожиг любых дымовых газов