Скидка на подшипники из наличия!
Новое поступление товара в 2026 году!
Вихревая труба Ранка–Хильша — простое устройство без движущихся деталей, разделяющее поток сжатого газа на холодную и горячую фракции. На входе подаётся сжатый воздух; в камере энергоразделения он закручивается тангенциальным соплом и формирует интенсивный вихрь. На периферии вихря газ нагревается и выходит через дроссель на «горячем» конце, а в центре — охлаждается и выходит через диафрагму на «холодном» конце. Источник энергии — потенциальная энергия сжатого газа; внешнего электропитания, хладагента и компрессионного цикла труба не требует. Эффект открыт Жоржем Жозефом Ранком в начале 1930-х годов и подробно исследован Рудольфом Хильшем в 1947 году; так работает вихревая труба Ранка–Хильша — компактный пневматический генератор холода для точечного охлаждения.
Если сжатый газ ввести через узкое тангенциальное сопло в цилиндрическую камеру, в ней формируется сильно закрученный поток с окружной скоростью, сравнимой со скоростью звука. Этот вихрь распадается на два соосных потока с разной температурой: внешний (периферийный) слой нагревается и движется к одному концу трубы, центральное ядро охлаждается и выходит из противоположного. Сжатый воздух при температуре окружающей среды, подаваемый на вход, на выходах разделяется на «холодный» и «горячий» потоки с заметным перепадом температур по отношению ко входу.
Закон сохранения энергии при этом не нарушается: суммарная энтальпия выходящих потоков равна энтальпии входящего сжатого газа за вычетом небольших потерь в стенки. Перепад температур достигается за счёт перераспределения энергии между внешними и внутренними слоями вращающегося газа. Источник «холода» — расширение сжатого газа и работа против сил вязкости в струе.
Вихревая труба ничего не «охлаждает энергетически»: она перераспределяет энергию вращающегося потока сжатого воздуха между периферией и осью, выпуская холодный газ из одного конца и горячий — из другого.
Эффект температурного разделения сжатого газа в закрученном потоке открыл французский инженер и физик Жорж Жозеф Ранк в начале 1930-х годов при работе с циклонным сепаратором. Он подал заявку на патент во Франции в 1932 году и получил патент США в 1934 году. Первоначальное сообщество отнеслось к открытию скептически; устройство имело низкую эффективность и казалось противоречащим интуиции.
В 1947 году немецкий физик Рудольф Хильш опубликовал в «Review of Scientific Instruments» подробное экспериментальное исследование эффекта; он ввёл термин Wirbelrohr («вихревая труба»), оптимизировал геометрию сопла и диафрагмы и показал, что при разумном выборе доли холодного потока и нескольких атмосфер давления на входе можно получить устойчивые холодный и горячий потоки в технически интересном диапазоне температур. С тех пор устройство называется «вихревая труба Ранка–Хильша» (Ranque–Hilsch vortex tube).
Несмотря на конструктивную простоту, точные размеры и пропорции элементов критично влияют на эффективность температурного разделения. Базовая компоновка включает:
Корпус выполняется из нержавеющей или конструкционной стали, для специальных применений — из алюминиевых сплавов с тефлоновыми вставками. Внутренние поверхности обрабатываются с малой шероховатостью; точность изготовления критично влияет на стабильность вихря и температурный эффект.
Поток сжатого газа поступает в камеру завихрения через тангенциальное сопло. В камере он образует свободный вихрь с очень высокой окружной скоростью у стенки; угловая скорость закрученного газа в верхней по потоку зоне может приближаться к мегараундам в минуту по периферии трубы.
В трубе одновременно существуют два соосных вихревых потока:
Внутренний поток образуется из той части газа, который не «протиснулся» через дроссель на горячем конце: он разворачивается у дросселя и движется обратно по центру трубы к выходу через диафрагму.
Подробный механизм разделения остаётся предметом исследований. В рецензируемой литературе обсуждаются несколько согласованных между собой эффектов, действующих одновременно:
В сумме эти процессы создают радиальный профиль полной температуры: на периферии она выше температуры входа, на оси — ниже. Регулируя долю газа, уходящего через дроссель в горячий выход, изменяют соотношение между расходами и температурными перепадами в каждом из потоков.
Закон сохранения энергии не нарушается: сумма энтальпийных потоков на холодном и горячем выходах за вычетом потерь через стенки равна энтальпийному потоку на входе. «Холод» оплачивается работой, затраченной компрессором при сжатии входного воздуха.
Ключевой регулируемый параметр работы вихревой трубы — доля холодного потока (cold mass fraction) μх, определяемая как отношение массового расхода холодного потока к массовому расходу газа на входе.
μх
Доля холодного потока: μх = Gх / G0, где Gх — массовый расход холодного потока, кг/с; G0 — массовый расход газа на входе, кг/с.
μх = Gх / G0
Gх
G0
Эффект охлаждения: ΔTх = T0 − Tх, эффект нагрева: ΔTг = Tг − T0, где T0 — температура газа на входе, Tх, Tг — температуры холодного и горячего потоков на выходе.
ΔTх = T0 − Tх
ΔTг = Tг − T0
T0
Tх
Tг
Баланс энергии (при пренебрежении потерями через стенки): G0 · cp · T0 = Gх · cp · Tх + Gг · cp · Tг, что позволяет связать ΔTх и ΔTг через долю μх.
G0 · cp · T0 = Gх · cp · Tх + Gг · cp · Tг
ΔTх
ΔTг
При малой доле холодного потока через диафрагму выходит небольшая часть входного газа с большим перепадом температуры (глубокое охлаждение, но малая холодопроизводительность). При большой доле через диафрагму выходит почти весь газ с малым перепадом температуры. Максимальная холодопроизводительность достигается в промежуточной зоне; конкретный оптимум зависит от геометрии трубы, давления и температуры на входе.
Вихревая труба — устройство с принципиально низким термодинамическим КПД по сравнению с компрессионными и абсорбционными холодильными машинами. Это «плата» за конструктивную простоту и отсутствие движущихся деталей.
Холодильный коэффициент (COP, cooling efficiency): COP = Qх / Wсж, где Qх = Gх · cp · ΔTх — холодопроизводительность, Вт; Wсж — мощность компрессора, затрачиваемая на подготовку сжатого воздуха для входа в трубу, Вт.
COP = Qх / Wсж
Qх = Gх · cp · ΔTх
Wсж
Для парокомпрессионных бытовых холодильников и кондиционеров COP составляет единицы; для вихревой трубы COP заметно ниже единицы, поскольку для производства того же количества холода требуется существенно больший расход сжатого газа.
Сравнительная неэффективность вихревой трубы означает: применять её в качестве основного источника холода для крупных тепловых нагрузок невыгодно — гораздо экономичнее парокомпрессионный или абсорбционный цикл. Зато для точечного охлаждения малой мощности в условиях, где сжатый воздух уже подведён, а движущиеся части холодильной машины нежелательны или невозможны, вихревая труба остаётся востребованным решением.
Сильные стороны вихревой трубы — компактность, отсутствие движущихся частей, малый вес, мгновенный пуск, отсутствие хладагентов и электропитания, устойчивость к запылённой и взрывоопасной среде. Из этих свойств следует область применения.
Во всех этих применениях вихревая труба не конкурирует с парокомпрессионным холодильным циклом по экономичности, а закрывает нишу там, где простота, надёжность и компактность важнее эффективности.
На вход подаётся сжатый воздух. В камере он закручивается тангенциальным соплом и движется по спирали вдоль внутренней стенки трубы — это «горячий» поток. У дальнего (горячего) конца стоит дроссель, через который часть газа выходит наружу; оставшаяся часть разворачивается и движется обратно к ближнему концу уже по оси трубы — это «холодный» поток, выходящий через осевую диафрагму. Внешний поток оказывается горячее входного воздуха, внутренний — холоднее. Никакого электропитания и хладагента не требуется.
Нет. Источник «холода» — энергия, затраченная компрессором на сжатие воздуха. Внутри трубы суммарная энтальпия выходящих потоков равна энтальпии входящего сжатого газа за вычетом потерь через стенки. Газ в центре трубы расширяется и охлаждается, а энергия из центральной части передаётся периферийной за счёт градиента окружной скорости, вязких сил и турбулентного переноса. В результате полная температура на оси оказывается ниже, чем на входе, а на периферии — выше. Второй закон термодинамики не нарушается: энтропия системы растёт за счёт необратимых процессов вязкого диссипативного нагрева.
Вихревая труба работает при подаче сжатого воздуха в нескольких атмосферах. Чем выше давление на входе, тем больше перепад температур на выходах. Конкретное рабочее давление и расход для каждой модели указаны в технической документации. Сжатый воздух перед входом в трубу обязательно осушают и очищают: влага, масло и пыль ухудшают эффект и сокращают ресурс.
Доля холодного потока μх — это отношение массового расхода газа, выходящего через холодный выход, к расходу газа на входе. Регулируется дросселем (винтом) на горячем конце трубы: чем больше открыт дроссель, тем больше газа уходит в горячий выход, тем меньше доля холодного потока. При малой доле получаем глубокое охлаждение малого расхода; при большой — слабое охлаждение большого расхода. Оптимум по холодопроизводительности — в промежуточной зоне.
Энергию для производства «холода» поставляет компрессор, сжимая воздух до нескольких атмосфер. На пути от компрессора до выхода холодного потока часть подведённой энергии уходит в тепло периферийного потока, часть — на необратимые потери (трение, вязкая диссипация). Полезная холодопроизводительность составляет относительно небольшую долю работы компрессора. Это плата за конструктивную простоту: машина без движущихся частей, готовая работать «из коробки» в любых условиях.
Точечное охлаждение режущей кромки при сухой обработке; охлаждение электронных шкафов в горячих цехах; локальное охлаждение узлов измерительных приборов; обдув и подсушка в пищевой и фармацевтической промышленности; жилеты и шлемы для работы в литейных и металлургических цехах; охлаждение литьевых форм в зоне горячего канала. Везде, где есть подведённый сжатый воздух, нужны компактность, мгновенный пуск и устойчивость к жёстким условиям, а тепловая нагрузка относительно невелика.
Компрессионный холодильный цикл переносит тепло из холодного резервуара в горячий с помощью хладагента, который последовательно испаряется, сжимается, конденсируется и расширяется. Это эффективно (COP больше единицы), но требует компрессора, конденсатора, испарителя, дроссельного органа, хладагента и электропитания. Вихревая труба не имеет движущихся частей и хладагента; она просто разделяет уже сжатый поток газа на горячую и холодную фракции. Эффективность ниже, зато простота и надёжность выше.
Нет, для отопительной или климатической нагрузки помещения вихревая труба не подходит экономически. Получить требуемую холодопроизводительность можно только за счёт очень большого расхода сжатого воздуха, что приводит к нереальным затратам на компрессорное хозяйство. Её ниша — точечное охлаждение малой мощности, локальное снижение температуры в зоне трения, обдув электронных компонентов, личные охлаждающие системы. Для климатизации помещения применяют парокомпрессионные машины.
Принцип работы не зависит от рода газа — эффект Ранка–Хильша наблюдается на любом сжатом газе, который ведёт себя как реальный газ при рабочих параметрах. Промышленные исполнения почти всегда работают на сжатом воздухе, поскольку он доступен, безопасен и подведён к большинству производственных площадок. В лабораторных и специальных установках применяют азот, аргон и другие технические газы; выбор зависит от среды на охлаждаемом объекте и требований к чистоте.
Вы можете задать любой вопрос на тему нашей продукции или работы нашего сайта.