Расширение в вихревой трубе (эффект Ранка-Хильша)

Французский инженер-металлург Ж. Ранке в конце 20-х годов XX века обнаружил необычное явление: в центре струи газ, выходящий из циклона, имел более низкую температуру, чем исходный. Уже в конце 1931 г. Ранке получает первый патент на устройство, названное им "вихревой трубой" (ВТ), в котором осуществляется разделение потока сжатого воздуха на два потока - холодный и горячий.

Рис. 1. Вихревая труба Ранке.

ВТ могут работать с любыми газообразными рабочими телами (например, с водяным паром) и при самых разных перепадах давлений (от долей атмосферы до сотен атмосфер). Весьма широк и диапазон расходов газа в ВТ (от долей м³/час до сотен тысяч м³/час), а значит и диапазон их мощностей. При этом с увеличением диаметра ВТ (то есть с увеличением ее мощности) повышается и эффективность ВТ. Когда ВТ используют для получения холодного и горячего потоков газа одновременно, трубу делают неохлаждаемой. Такие ВТ называют адиабатными. А при использовании только холодного потока, для повышения холодопроизводительности необходимо охлаждать горячую часть трубы.
Воздух вблизи оси трубы охлаждается, а находящаяся на периферии нагревается. Количество воздуха в теплом и холодном потоках можно регулировать дроссельным вентилем. При этом изменяются не только доли теплого и холодного потоков воздуха, но и их температуры. Температуру холодного воздуха можно получить на 30-80 градусов ниже начальной температуры. Наиболее низкие температуры холодного потока наблюдаются при доле холодного воздуха около 30 %.

Большие необратимые потери при расширении в вихревой трубе приводят к высоким энергетическим затратам, но благодаря простоте конструкции данный метод применяется на практике в тех случаях, когда энергетическая сторона вопроса не столь существенна, например, при периодической потребности в охлаждении. Данный способ получения низких температур применяется в вихревых холодильных машинах.

5) расширение с совершением полезной работы.

Рабочее вещество может совершать полезную работу, если его расширять от давления P₁ до давления P₂ в специальной расширительной машине, которая называется детандером. Для расширения газов используют поршневые, центростремительные и осевые детандеры. Расширение газа с совершением полезной работы более эффективно, чем дросселирование.

6) Термоэлектрический эффект (эффект Пельтье).

При протекании постоянного тока через цепь, состоящую из двух разнородных материалов в местах контакта материалов (места спаев), поглощается либо выделяется (в зависимости от направления тока) некоторое количество теплоты Q_П (теплота Пельтье), пропорциональное силе тока Q_П = П ∙ I, где П - коэффициент Пельтье, зависящий от физических свойств материалов и температуры контакта. Наибольший эффект наблюдается при применении полупроводниковых материалов с разным характером проводимости.

Энергетическая эффективность термоэлектрических холодильных машин значительно ниже эффективности других типов машин, однако простота, надежность и отсутствие шума в ряде случаев определяют их применение на практике.

7) Электрокалорический эффект охлаждения (ЭК).

Рабочей средой в ЭК- системе является класс диэлектриков со значительной зависимостью дипольного электрического момента Р от напряженности Е электрического поля, называемых сегнетоэлектриками.

Процесс охлаждения в такой системе осуществляют изотерми­ческой поляризацией сегнетоэлектрика путем наложения поля напряженностью E с отводом теплоты. В итоге энтропия снижается, и последующее изоэнтропное уменьшение Е определяет падение температуры DT. Преимуществом метода является то, что созда­ние электрического поля технически легко выполнимо; эффект может быть реализован в широком интервале температур от 0 до 300 К. Максимум эффекта находится вблизи точки Кюри; так, для КН₂Р0₄ Т_кюри = 122 К. Однако, DТ мало и не превы­шает 0,5—1 К при изменении Е в интервале 0—4 МВ/м. Предпо­лагают, что в ряде случаев такие системы могут быть эффективны.

8) термомагнитное охлаждение.

Основано на эффекте Эттингсхаузена (1886г.) и реализуется следующим образом. Вдоль полю­сов магнита помещают полупроводниковый стержень (брусок), к торцам которого подводят электрический ток. Взаимодействие электрического и магнитного полей приводит к возникновению в стержне раз­ности температур вдоль вертикальной оси, перпендикулярной к направлению тока и магнитного поля. Эффект охлаждения DT составляет 10 К и более.