kray_zemli (kray_zemli) wrote,
kray_zemli
kray_zemli

Categories:

Эффект Ранка

Эффект Ранка -- разделение газа на холодный и горячий, возникающее, когда в трубку специальной конфигурации под высоким давлением подаётся сжатый газ.



Поскольку я наукой давно не занимаюсь -- вряд ли я напишу какую научную статью на эту тему. А между тем, я нигде не видел нормального объяснения, как же она работает (может, плохо искал), и в своё время потратил много нервных клеток, прежде чем догадался.

А оказывается, в основе лежит весьма простое явление теплопроводности.

Для начала нужно рассказать про рекуператор тепла. Представьте себе два сосуда, между которыми по кругу циркулирует жидкость через две трубы, связанные по всей длине теплообменником. В чём здесь особенность? Особенность здесь в том, что, если теплообменник работает хорошо, а теплопроводность вдоль каждой трубы пренебрежимо мала, то выравнивание температур этих двух сосудов будет происходить пренебрежимо медленно, несмотря на интенсивный массообмен. В обеих трубах установится плавный градиент температуры, а тепло будет циркулировать по кругу в пределах теплообменника. Этот эффект используется много где, если надо перекачивать вещество между холодным и горячим объямом, а тепло оставлять на месте.

Если же расход жидкости через эти две трубы разный, то поток тепла уже не будет замкнутым -- труба с бОльшим расходом будет переносить больше тепла.

Это, так сказать, был первый важный для понимания факт.

Второй важный факт -- это сохранение полной энтальпии газа в установившемся (стационарном) течении, следующий почти напрямую из закона сохранения энергии. Если по-простому, то газ охлаждается при ускорении (тепловая энергия переходит в кинетическую) и нагревается при торможении.

Итак, что происходит в вихревой трубе? Подаваемый на вход сжатый газ расширяется и охлаждается, его энергия переходит большей частью во вращательное движение, компонента скорости вдоль трубы, наоборот, сравнительно невелика. Этот газ перемещается в сторону "горячего" стока, по дороге набирая тепло от того газа, который течёт обратно (см. факт номер один). У горячего конца часть подогретого газа истекает наружу с избытком полной энтальпии. Оставшийся газ движется в сторону оси и затем обратно к холодному концу трубки.

Можно было бы ожидать, что, из-за закона сохранения момента импульса, газ ещё сильнее раскрутится и охладится, двигаясь центростремительно к оси у горячего конца. Однако, этому препятствует вязкость. Третий -- уже второстепенный -- факт в том, что эффекты вязкости и теплопроводности в газе имеют интенсивность примерно одного порядка, поэтому, если есть интенсивный теплообмен между центром потока и периферией, то будет и интенсивное превращение энергии вращения в тепло, поэтому у оси трубы газ вращаться почти не будет. И вообще, ближе к горячему концу вращение будет уже медленнее, чем у входа в трубу. Хотя, вроде бы, у вихревой трубы может быть режим, когда горячий и холодный потоки меняются местами -- видимо, это происходит именно при недостаточном проявлении вязкости.

Итак, движущийся к холодному концу газ в центре трубы имеет намного меньшую скорость, чем движущийся к горячему концу, который ещё и вращается. Следовательно, его полная энтальпия меньше, в то время, как температура этих потоков совпадает. Собственно, холод "вырабатывается" ещё у самого входа в трубу, где тепло превращается во вращение, а сам вихревой эффект лишь препятствует обратному превращению вращения в тепло у холодного конца -- до него доходит уже потерявший энергию вращения газ, имея такую же низкую температуру, что и только что расширившийся, но пока ещё бешено вращающийся газ на периферии.

Спрашивается, почему нет эффекта, если с горячего конца газ не отбирать? А потому, что весь газ пойдёт сразу к холодному концу, движения к горячему концу и обратно совсем не будет. Благодаря опять-же вращению, создающему центробежную силу (из-за которой давление на периферии выше давления у оси), газу легче добраться до горячего стока, чем до оси. Но для этого нужен перепад давления вдоль трубы, за счёт которого газ преодолевает вязкостные силы. Без отбора газа с горячего конца, никакого перепада вдоль трубы не будет. А значит, не будет и продольного движения -- только вращение. Да и то -- вряд ли оно вообще при этом распространится на хоть сколько-то приличное расстояние в направлении тупика.

Вот так всё просто. Способен понять даже школьник.
Subscribe

  • Post a new comment

    Error

    default userpic

    Your reply will be screened

    Your IP address will be recorded 

    When you submit the form an invisible reCAPTCHA check will be performed.
    You must follow the Privacy Policy and Google Terms of use.
  • 2 comments