Сделать своими руками вихревую трубу. Все подробности про изготовление вихревых теплогенераторов своими руками. Производить тепловую энергию

Эффект Ранка-Хилша и его применение.Часть1.

Вихревой эффект (эффект Ранка –Хилша) – эффект разделения газа или жидкости на две фракции при закручивании в цилиндрической или конической камере. На периферии образуется закрученный поток с большой температурой, а в центре – охлаждённый поток, закрученныё в противоположную сторону.

Впервые данный эффект был открыт при исследовании работы циклонов французским инженером Жозефом Ранком в конце двадцатых годов прошлого столетия, который и запатентовал изделие на основе этого эффекта - “Трубку Ранка” (Вихревую трубку Ранка).

На рисунке схема работы, а на фото - наиболее типичный вид серийно выпускаемых вихревых трубок

В сороковых годах дополнительными исследованиями эффекта и доработкой Трубки Ранка занимался немецкий физик Роберт Хилш. В честь этих выдающихся исследователей интересующий нас эффект и стали называть эффектом Ранка-Хилша.

Дальнейшие исследования проводились во многих странах, в том числе и в СССР. Однако исследования эти носили случайный характер. Причина-отсутствие теории достоверно объясняющей этот парадоксальный, чрезвычайно впечатляющий эффект.

А как всегда получается, - что не можем объяснить, откладываем подальше, до лучших времён.

Тем не менее, исследования пусть недостаточно, но проводились, и в СССР были выпущены две книги (две известных автору статьи, а так может и больше), целиком посвященные этому эффекту и возможности его практического применения.

Один известный в то время рационализатор пытался внедрить изготовленную им трубку для охлаждения токарных резцов непосредственно в процессе резания.

Работа предложенного к испытаниям изделия впечатлила. При подключении трубки к заводской воздушной сети из ”холодного ” конца практически пошёл снег. Эффект охлаждения был достигнут.

Однако побочный эффект, возникший при испытаниях этой, довольно большой по габаритам, трубки сразу перечеркнул возможность её использования, по крайней мере в таком виде, для охлаждения инструмента при точении. Поток воздуха был настолько силён, что мгновенно раздул металлическую стружку со станка во все стороны, в том числе и на соседние станки, на работающих на них людей. Испытания ведь проводились на станке с открытой рабочей зоной, да и других станков в то время практически и не было. Кроме того, очень сильный шум при работе этой большой трубки тоже не способствовал её дальнейшему внедрению.

Однако, вернёмся в наше время. Серийно выпускаемые вихревые трубки, специально предназначенные для охлаждения зоны резания, оснащаются эффективными глушителями шума, имеют различные приспособления для крепления к станку (механические, магнитные), имеют удобную регулировку температуры выходящего воздуха, оснащаются гибкими патрубками для подвода потока холодного воздуха непосредственно в нужное место. Выпускаются трубки различной мощности, что позволяет подобрать трубку в соответствии с поставленной задачей. Все трубки оснащаются фильтрам масло и водо –отделителями.

Кстати, как мы уже отмечали, поток воздуха разделяется в Трубке Ранка на два – холодный и горячий. Так вот, выпускаются специальные трубки, предназначенные для нагрева. Они имеют некоторые конструктивные особенности. Преимущества таких нагревателей - абсолютная безопасность, так как для их работы не используются электрические нагревательные элементы и открытое пламя.

Интересно то, что, как мы уже отмечали, в мире выпускается громадное количество вихревых трубок Ранка различных типоразмеров и видов. Вместе с тем, в открытой прессе практически не встречается информация о их практическом применении при обработке того или иного материала, режимах резания, режущих пластинах. Нам попадали статьи о применении охлаждающих трубок Ранка при обработке чугуна, но тут и так всё понятно, а для остальных обрабатываемых материалов только общая информация. Вместе с тем, теоретический эффект от внедрения этих интереснейших изделий может быть громадным. Представьте только – обработка без применения СОЖ… Не в этом то смысл практического закрытия информации? В общем – вихревая трубка Ранка, это просто “золотая жила” для различных “внедренцев” и исследователей, работающих в области обработки различных материалов. Можно предположить, что ещё много диссертаций будет защищено по этой теме. Ну и хорошо. Была бы польза.

Назначение вихревого теплогенератора Потапова (ВТГ), сделанного своими руками, состоит в том, чтобы получить тепло только при помощи электродвигателя и насоса. В основном это устройство используют как экономичный нагреватель.

Схема устройства вихревой теплосистемы.

Так как нет исследований по определению параметров изделия в зависимости от мощности насоса, то будут освещены примерные размеры.

Проще всего делать вихревой теплогенератор из стандартных деталей. Для этого подойдет любой электродвигатель. Чем он будет мощней, тем больший объем воды нагреет до заданной температуры.

Главное это двигатель

Выбирать двигатель нужно в зависимости от того, какое напряжение имеется. Есть много схем, при помощи которых можно подключить к сети 220 Вольт двигатель на 380 Вольт и наоборот. Но это другая тема.

Начинают сборку теплового генератора с электродвигателя. Его надо будет закрепить на станине. Конструкция этого устройства представляет собой металлический каркас, который проще всего сделать из угольника. Размеры надо будет подбирать на месте для тех устройств, которые будут в наличии.

Чертеж вихревого теплогенератора.

Список инструментов и материалов:

• угловая шлифовальная машинка;
• сварочный аппарат;
• электродрель;
• набор сверл;
• рожковые или накидные ключи на 12 и на 13;
• болты, гайки, шайбы;
• металлический уголок;
• грунтовка, краска, кисть малярная.

1. Нарежьте при помощи угловой шлифовальной машинки угольники. Используя сварочный аппарат, соберите прямоугольную конструкцию. Как вариант — сборку можете сделать при помощи болтов и гаек. На конечном варианте конструкции это не скажется. Длину и ширину подберите так, чтобы все детали оптимально разместились.
2. Вырежьте еще один кусок угольника. Прикрепите его как поперечину с таким расчетом, чтобы можно было закрепить двигатель.
3. Сделайте покраску рамы.
4. Просверлите отверстия в каркасе под болты и установите двигатель.

Установка насоса

Теперь надо будет подобрать водяной насос. Сейчас в специализированных магазинах можно приобрести агрегат любой модификации и мощности. На что надо обратить внимание?

1. Насос должен быть центробежным.
2. Ваш двигатель сможет его раскрутить.

Установите на раме насос, если надо будет сделать еще поперечины, то изготовьте их либо из уголка, либо из полосового железа такой же толщины, как и уголок. Соединительную муфту вряд ли возможно сделать без токарного станка. Поэтому придется ее где-то заказывать.

Схема гидровихревого теплогенератора.

Вихревой теплогенератор Потапова состоит из корпуса, сделанного в виде закрытого цилиндра. На его концах должны быть сквозные отверстия и патрубки для присоединения к системе отопления. Секрет конструкции находится внутри цилиндра. За входным отверстием должен располагаться жиклер. Его отверстие подбирается для данного устройства индивидуально, но желательно, чтобы оно было в два раза меньше четвертой части диаметра корпуса трубы. Если делать меньше, то насос не сможет пропускать воду через это отверстие и начнет сам нагреваться. Кроме того, начнут интенсивно за счет явления кавитации разрушаться внутренние детали.

Инструменты: угловая шлифовальная машинка или ножовка по металлу, сварочный аппарат, электродрель, разводной ключ.

Материалы: толстая металлическая труба, электроды, сверла, 2 патрубка с резьбой, соединительные муфты.

1. Отрежьте кусок толстой трубы диаметром 100 мм и длиной 500-600 мм. Сделайте на ней внешнюю проточку примерно 20-25 мм и в половину толщины трубы. Нарежьте резьбу.
2. Сделайте из такого же диаметра трубы два кольца длиной 50 мм. Нарежьте внутреннюю резьбу с одной стороны каждого полукольца.
3. Из такой же толщины плоского металла, что и труба, сделайте крышки и приварите их с той стороны колец, где нет резьбы.
4. Сделайте в крышках центральное отверстие: у одной по диаметру жиклера, а у другой по диаметру патрубка. С внутренней стороны крышки, где стоит жиклер, сверлом большего диаметра сделайте фаску. В результате должна получиться форсунка.
5. Подключите теплогенератор к системе. Патрубок, где стоит форсунка, присоедините к насосу в отверстие, из которого вода подается под давлением. Ко второму патрубку подсоедините вход системы отопления. Выход из системы соедините с входом насоса.

Вода под давлением, которое создаст насос, будет проходить через форсунку вихревого теплогенератора, который вы делаете своими руками. В камере она начнет нагреваться за счет интенсивного перемешивания. Потом ее подадите в систему для обогрева. Чтобы регулировать температуру, поставьте за патрубком шаровое запирающее устройство. Прикройте его, и вихревой теплогенератор будет дольше гонять воду внутри корпуса, а значит, температура в нем начнет подниматься. Примерно так работает этот нагреватель.

Пути повышения производительности

Схема теплового насоса.

В насосе происходят потери тепла. Так что вихревой теплогенератор Потапова в таком варианте имеет существенный недостаток. Поэтому логично погруженный насос окружить водяной рубашкой, чтобы его тепло тоже шло на полезное нагревание.

Внешний корпус всего устройства сделайте чуть больше диаметра имеющегося в наличии насоса. Это может быть либо готовая труба, что желательно, либо сделанный из листового материала параллелепипед. Его размеры должны быть такими, чтобы внутрь входил насос, соединительная муфта и сам генератор. Толщина стенок должна выдерживать давление в системе.

Для того чтобы потери тепла снизились, сделайте вокруг корпуса устройства теплоизоляцию. Защитить ее можно кожухом, сделанным из жести. В качестве изолятора используйте любой теплоизоляционный материал, выдерживающий температуру кипения жидкости.

1. Соберите компактное устройство, состоящее из погружного насоса, соединительного патрубка и теплогенератора, который вы собрали своими руками.
2. Определитесь в его габаритах и подберите трубу такого диаметра, внутри которой все эти механизмы легко бы разместились.
3. Сделайте крышки с одной и другой стороны.
4. Обеспечьте жесткость крепления внутренних механизмов и возможность насосу качать через себя воду из полученного резервуара.
5. Сделайте входное отверстие и закрепите на нем патрубок. Насос должен своим забором воды располагаться внутри как можно ближе к этому отверстию.

На противоположном конце трубы приварите фланец. С его помощью будет крепиться через резиновую прокладку крышка. Чтобы проще монтировать внутренности, сделайте несложный легкий каркас или скелет. Внутри него соберите устройство. Проверьте подгонку и герметичность всех узлов. Вставьте в корпус и закройте крышкой.

Подключите к потребителям и проверьте все на герметичность. Если протечек нет, включите насос. Открывая и закрывая кран, который находится на выходе из генератора, отрегулируйте температуру.

Утепление генератора

Схема подключения теплогенератора к системе отопления.

Сначала надо сделать кожух утеплителя. Возьмите для этого лист оцинкованной жести или тонкого алюминия. Вырежьте из него два прямоугольника, если будете делать кожух из двух половинок. Или один прямоугольник, но с таким расчетом, что в нем после изготовления полностью поместится вихревой теплогенератор Потапова, который собрали своими руками.

Гнуть лист лучше всего на трубе большого диаметра или использовать поперечину. Положите на нее вырезанный лист и прижмите сверху рукой деревянный брусок. Второй рукой нажмите на лист жести так, чтобы образовался по всей длине небольшой изгиб. Продвиньте немного заготовку и снова повторите операцию. Делайте так до тех пор, пока не получится цилиндр.

1. Соедините его при помощи замка, который используют жестянщики для водосточных труб.
2. Сделайте крышки для кожуха, предусмотрев в них отверстия для подключения генератора.
3. Обмотайте теплоизоляционным материалом устройство. При помощи проволоки или тонких полосок жести зафиксируйте изоляцию.
4. Поместите устройство в кожух, закройте крышками.

Есть еще один способ увеличить производство тепла: для этого надо разобраться, как работает вихревой генератор Потапова, коэффициент полезного действия которого может приближаться к 100% и выше (нет единого мнения, почему так происходит).

Во время прохождения воды через сопло или жиклер на выходе создается мощный поток, который ударяется в противоположный конец устройства. Он закручивается, и за счет трения молекул происходит нагревание. Значит, поместив вовнутрь этого потока дополнительную преграду, можно увеличить перемешивание жидкости в устройстве.

Зная, как это работает, можно начать конструировать дополнительное усовершенствование. Это будет гаситель вихрей, сделанный из продольных пластин, расположенных внутри двух колец в виде стабилизатора авиационной бомбы.

Схема стационарного теплогенератора.

Инструменты: сварочный аппарат, угловая шлифовальная машинка.

Материалы: листовой металл или полосовое железо, толстостенная труба.

Сделайте из трубы меньшего диаметра, чем вихревой теплогенератор Потапова, два кольца шириной 4-5 см. Из полосового металла нарежьте одинаковые полоски. Длина их должна равняться четвертой части длины корпуса самого теплового генератора. Ширину подберите с таким расчетом, чтобы после сборки внутри оставалось свободное отверстие.

1. Закрепите пластину в тисках. Повесьте на нее с одной и другой стороны кольца. Приварите к ним пластину.
2. Выньте из зажима заготовку и переверните ее на 180 градусов. Поместите внутрь колец пластину и закрепите в зажиме так, чтобы пластины находились друг напротив друга. Закрепите таким образом на равном расстоянии 6 пластин.
3. Соберите вихревой теплогенератор, вставив описанное устройство напротив сопла.

Наверное, можно и дальше усовершенствовать это изделие. Например, вместо параллельных пластин использовать стальную проволоку, смотав ее в воздушный клубок. Или на пластинах сделать отверстия разного диаметра. Об этом усовершенствовании нигде ничего не сказано, но это не значит, что делать этого не стоит.

Схема устройства тепловой пушки.

1. Обязательно защитите при помощи окрашивания всех поверхностей вихревой теплогенератор Потапова.
2. Внутренние его части во время работы будут находиться в очень агрессивной среде, вызванной процессами кавитации. Поэтому и корпус, и все, что в нем находится, постарайтесь сделать из толстого материала. Не экономьте на железе.
3. Сделайте несколько вариантов крышек с разными входными отверстиями. Потом проще будет подбирать их диаметр, чтобы получить высокую производительность.
4. Это же относится и к гасителю колебаний. Его также можно видоизменять.

Соберите небольшой лабораторный стенд, где будете обкатывать все характеристики. Для этого не подключайте потребители, а закольцуйте трубопровод на генератор. Это упростит его испытание и подбор необходимых параметров. Так как сложные приборы по определению коэффициента полезной деятельности в домашних условиях вряд ли можно найти, то предлагается следующий тест.

Включите вихревой теплогенератор и засеките время, когда он разогреет воду до определенной температуры. Градусник лучше иметь электронный, он точнее. Затем внесите изменения в конструкцию и снова проведите опыт, следя за повышением температуры. Чем сильнее вода будет нагреваться за одно и то же время, тем больше предпочтений надо будет отдавать окончательному варианту установленного усовершенствования в конструкции.

В основе работы вихревой трубы лежит т.н. эффект Ранка-Хилша (1933 г). Вихревая труба представляет собой газодинамическое устройство с тангенциальным входом газа, рис. 2.3.1.

Рис. 2.3.1. Схема вихревой трубы.

Как известно, в закрученных потоках вязкого газа при наличии поперечного градиента скорости поверхности тока взаимодействуют между собой из-за наличия касательных сил вязкости. Работа, затраченная на преодоление этих сил преобразуется в тепло. При этом разные струйки могут обладать разными запасами полной энергии

.

Наличие в потоке градиента температур предопределяет теплообмен между слоями газа. Однако, большой вклад в перераспределение полной энергии принадлежит турбулентному механизму переноса.

Вихревая труба состоит из корпуса, выполненного в виде цилиндрической или диффузорной трубы с диаметром начального сечения и длиной , тангенциально расположенных по отношению к корпусу вводных сопел с площадью проходного сечения , диафрагмы с диаметром отверстия , расположенной вблизи соплового входа, и конического регулировочного вентиля на противоположном от диафрагмы конце корпуса.

Интенсивность энергетического разделения газов в вихревой трубе обычно оценивают по зависимости величин избыточных температур газа и от доли охлажденного потока . При этом

,

где - температура торможения на входе в вихревую трубу, на выходе из нее охлажденного и горячего потоков соответственно;

и - массовые расходы исходного и охлажденного потоков газа соответственно.

Рис. 2.3.2. Температура газа на выходе из ВТ.

Типичные экспериментальные зависимости величин и от относительного расхода холодного потока приведены на рисунке 2.3.2.(195).

Обычно каждой паре кривых соответствуют определенные условия проведения экспериментов: отношение давлений газа на входе в вихревую трубу и выходе охлажденного потока из диафрагмы , температура газа на входе в вихревую трубу , безразмерная площадь вводных сопел и др.

Эффект энергетического разделения газа неразрывно связан с перестройкой затухающего вихревого турбулентного движения и происходит в довольно протяженной области течения, простирающейся от соплового входа на расстояние от одного до нескольких десятков диаметров вихревой трубы. При большой длине области происходящие в ней явления не будут определяться детальной структурой потока на входе в вихревую трубу и должны зависеть от переменных, характеризующих течение в целом. т.е. от интегральных величин, таких как массовый расход поступающего в трубу газа , поток импульса в направлении оси трубы , поток энергии и массовый расход отбираемого через отверстие диафрагмы холодного газа . К этим интегральным характеристикам, необходимо, добавить характерный размер - диаметр трубы .

Следует отметить, что поток газа в вихревой трубе является развитым турбулентным потоком. Можно предположить, что турбулентность, возбуждаемая струями, истекающими из вводных сопел вихревой трубы, имеет высокий уровень, превышающий во всей области энергетического разделения уровень турбулентности, порождаемый в пограничном слое на стенках трубы.

Рабочая величина давления на входе в вихревую трубу может меняться в широких пределах; по имеющимся данным вихревая труба устойчиво работает при полном давлении на входе 0,5-0,7 МПа, известны эксперименты с пропусканием через ВТ газа с давлением до 25 МПа. Температура теплого и холодного потоков зависит от начальной температуры газа на входе; рисунок дает представление о перепаде температур в потоках; этот перепад, как правило, сохраняется. Потери энергии в ВТ связаны с трением высокоскоростного газового потока о стенки.

Таким образом, вихревая труба является весьма удобным инструментом для получения высокотемпературных (+60, +800С) и низкотемпературного (-20, -400С) газовых потоков, которые можно использовать для отопительных целей и холодильной техники.

В настоящее время вихревая техника широко внедрена в промышленность: вихревые управляющие клапаны в системах управления тягой ракетных двигателей, вихревые холодильники, вихревые системы очистки, осушки газа в газовой промышленности, вихревые системы газоподготовки для нужд пневмо-газоавтоматики.

Заметили, что цена отопления и горячего водоснабжения выросла и не знаете, что с этим делать? Решение проблемы дорогих энергоресурсов - это вихревой теплогенератор. Я расскажу о том, как устроен вихревой теплогенератор и каков принцип его работы. Также вы узнаете, можно ли собрать такой прибор своими руками и как это сделать в условиях домашней мастерской.

Немного истории

Вихревой тепловой генератор считается перспективной и инновационной разработкой. А между тем, технология не нова, так как уже почти 100 лет назад ученые думали над тем, как применить явление кавитации.

Первая действующая опытная установка, так-называемая «вихревая труба», была изготовлена и запатентована французским инженером Джозефом Ранком в 1934 году.

Ранк первым заметил, что температура воздуха на входе в циклон (воздухоочиститель) отличается от температуры той же воздушной струи на выходе. Впрочем, на начальных этапах стендовых испытаний, вихревую трубу проверяли не на эффективность нагрева, а наоборот, на эффективность охлаждения воздушной струи.

Технология получила новое развитие в 60- х годах двадцатого века, когда советские ученые догадались усовершенствовать трубу Ранка, запустив в нее вместо воздушной струи жидкость.

За счет большей, в сравнении воздухом, плотности жидкой среды, температура жидкости, при прохождении через вихревую трубу, менялась более интенсивно. В итоге, опытным путем было установлено, что жидкая среда, проходя через усовершенствованную трубу Ранка, аномально быстро разогревалась с коэффициентом преобразования энергии в 100%!

К сожалению, необходимости в дешёвых источниках тепловой энергии на тот момент не было, и технология не нашла практического применения. Первые действующие кавитационные установки, предназначенные для нагрева жидкой среды, появились только в середине 90-х годов двадцатого века.

Череда энергетических кризисов и, как следствие, увеличивающийся интерес к альтернативным источникам энергии послужили причиной для возобновления работ над эффективными преобразователями энергии движения водяной струи в тепло. В результате, сегодня можно купить установку необходимой мощности и использовать ее в большинстве отопительных систем.

Принцип действия

Кавитация позволяет не давать воде тепло, а извлекать тепло из движущейся воды, при этом нагревая ее до значительных температур.

Устройство действующих образцов вихревых теплогенераторов внешне несложное. Мы можем видеть массивный двигатель, к которому подключена цилиндрическое приспособление «улитка».

«Улитка» - это доработанная версия трубы Ранка. Благодаря характерной форме, интенсивность кавитационных процессов в полости «улитки» значительно выше в сравнении с вихревой трубой.

В полости «улитки» располагается дисковый активатор - диск с особой перфорацией. При вращении диска, жидкая среда в «улитке» приводится в действие, за счет чего происходят кавитационные процессы:

• Электродвигатель крутит дисковый активатор . Дисковый активатор - это самый важный элемент в конструкции теплогенератора, и он, посредством прямого вала или посредством ременной передачи, подсоединён к электродвигателю. При включении устройства в рабочий режим, двигатель передает крутящий момент на активатор;
• Активатор раскручивает жидкую среду . Активатор устроен таким образом, что жидкая среда, попадая в полость диска, закручивается и приобретает кинетическую энергию;
• Преобразование механической энергии в тепловую . Выходя из активатора, жидкая среда теряет ускорение и, в результате резкого торможения, возникает эффект кавитации. В результате, кинетическая энергия нагревает жидкую среду до + 95 °С, и механическая энергия становится тепловой.

Сфера применения

Иллюстрация	Описание сферы применения
	Отопление . Оборудование, преобразующее механическую энергию движения воды в тепло, с успехом применяется при обогреве различных зданий, начиная с небольших частных построек и заканчивая крупными промышленными объектами. Кстати, на территории России уже сегодня можно насчитать не менее десяти населённых пунктов, где централизованное отопление обеспечивается не традиционными котельными, а гравитационными генераторами.
	Нагрев проточной воды для бытового использования . Теплогенератор, при включении в сеть, очень быстро нагревает воду. Поэтому такое оборудование можно использовать для разогрева воды в автономном водопроводе, в бассейнах, банях, прачечных и т.п.
	Смешивание несмешиваемых жидкостей . В лабораторных условиях, кавитационные установки могут использоваться для высококачественного перемешивания жидких сред с разной плотностью, до получения однородной консистенции.

Интеграция в отопительную систему частного дома

Для того, чтобы применить теплогенератор в отопительной системе, его в нее надо внедрить. Как это правильно сделать? На самом деле, в этом нет ничего сложного.

Перед генератором (на рисунке отмечен цифрой 2) устанавливается центробежный насос (на рисунке - 1), которой будет поддавать воду с давлением до 6 атмосфер. После генератора устанавливается расширительный бак (на рисунке - 6) и запорная арматура.

Преимущества применения кавитационных теплогенераторов

Достоинства вихревого источника альтернативной энергии
	Экономичность . Благодаря эффективному расходованию электричества и высокому КПД, теплогенератор экономичнее в сравнении с другими видами отопительного оборудования.
	Малые габариты в сравнении с обычным отопительным оборудованием сходной мощности . Стационарный генератор, подходящий для отопления небольшого дома, вдвое компактнее современного газового котла. Если установить теплогенератор в обычную котельную вместо твёрдотопливного котла, останется много свободного места.
	Небольшая масса установки . За счет небольшого веса, даже крупные установки высокой мощности можно запросто расположить на полу котельной, не строя специальный фундамент. С расположением компактных модификаций проблем вообще нет. Единственно, на что нужно обратить внимание при монтаже прибора в отопительной системе, так это на высокий уровень шума. Поэтому монтаж генератора возможен только в нежилом помещении - в котельной, подвале и т.п
	Простая конструкция . Теплогенератор кавитационного типа настолько прост, что в нем нечему ломаться. В устройстве небольшое количество механически подвижных элементов, а сложная электроника отсутствует в принципе. Поэтому вероятность поломки прибора, в сравнении с газовыми или даже твердотопливными котлами, минимальна.
	Нет необходимости в дополнительных доработках . Теплогенератор можно интегрировать в уже существующую отопительную систему. То есть, не потребуется менять диаметр труб или их расположение.
	Нет необходимости в водоподготовке . Если для нормальной работы газового котла нужен фильтр проточной воды, то устанавливая кавитационный нагреватель, можно не бояться засоров. За счет специфических процессов в рабочей камере генератора, засоры и накипь на стенках не появляются.
	Работа оборудования не требует постоянного контроля . Если за твёрдотопливными котлами нужно присматривать, то кавитационный обогреватель работает в автономном режиме. Инструкция эксплуатации устройства проста - достаточно включить двигатель в сеть и, при необходимости, выключить.
	Экологичность . Кавитационные установки никак не влияют на экосистему, ведь единственный энергопотребляющий компонент - это электродвигатель.

Схемы изготовления теплогенератора кавитационного типа

Для того чтобы сделать действующий прибор своими руками, рассмотрим чертежи и схемы действующих устройств, эффективность которых установлена и документально зарегистрирована в патентных бюро.

Иллюстрации	Общее описание конструкций кавитационных теплогенераторов
	Общий вид агрегата . На рисунке 1 показана наиболее распространенная схема устройства кавитационного теплогенератора. Цифрой 1 обозначена вихревая форсунка, на которой смонтирована камера закрутки. С боку камеры закрутки можно видеть входной патрубок (3), который присоединён к центробежному насосу (4). Цифрой 6 на схеме обозначены впускные патрубки для создания встречного возмущающего потока. Особо важный элемент на схеме - это резонатор (7) выполненный в виде полой камеры, объем которой изменяется посредством поршня (9). Цифрой 12 и 11 обозначены дроссели, которые обеспечивают контроль интенсивности подачи водных потоков.
	Прибор с двумя последовательными резонаторами . На рис 2 показан теплогенератор, в котором резонаторы (15 и 16) установлены последовательно. Один из резонаторов (15) выполнен в виде полой камеры, окружающей сопло, обозначенное цифрой 5. Второй резонатор (16) также выполнен в виде полой камеры и расположен с обратного торца устройства в непосредственной близости от входных патрубков (10) подающих возмущающие потоки. Дроссели, помеченные цифрами 17 и 18, отвечают за интенсивность подачи жидкой среды и за режим работы всего устройства.
	Теплогенератор с встречными резонаторами . На рис. 3 показана малораспространённая, но очень эффективная схема прибора, в котором два резонатора (19, 20) расположены друг напротив друга. В этой схеме вихревая форсунка (1) соплом (5) огибает выходное отверстие резонатора (21). Напротив, резонатора, отмеченного цифрой 19, вы можете видеть входное отверстие (22) резонатора под номером 20. Обратите внимание на то, что выходные отверстия двух резонаторов расположены соосно.

Иллюстрации	Описание камеры закрутки (Улитки) в конструкции кавитационного теплогенератора
	«Улитка» кавитационного теплогенератора в поперечном разрезе . На этой схеме можно видеть следующие детали: 1 - корпус, который выполнен полым, и в котором располагаются все принципиально важные элементы; 2 - вал, на котором закреплен роторный диск; 3 - роторное кольцо; 4 - статор; 5 - технологические отверстия проделанная в статоре; 6 - излучатели в виде стержней. Основные трудности при изготовлении перечисленных элементов могут возникнуть при производстве полого корпуса, так как лучше всего его сделать литым. Так как оборудования для литья металла в домашней мастерской нет, такую конструкцию, пусть и с ущербом для прочности, придётся делать сварной.
	Схема совмещения роторного кольца (3) и статора (4) . На схеме показано роторное кольцо и статор в момент совмещения при прокручивании роторного диска. То есть, при каждом совмещении этих элементов мы видим образование эффекта, аналогичного действию трубы Ранка. Такой эффект будет возможен при условии, что в агрегате, собранном по предложенной схеме, все детали будут идеально подогнаны друг к другу
	Поворотное смещение роторного кольца и статора . На этой схеме показано то положение конструктивных элементов «улитки», при котором происходит гидравлический удар (схлопывание пузырьков), и жидкая среда нагревается. То есть, за счёт скорости вращения роторного диска, можно задать параметры интенсивности возникновения гидравлических ударов, провоцирующих выброс энергии. Проще говоря, чем быстрее будет раскручиваться диск, тем температура водной среды на выходе будет выше.

Подведем итоги

Теперь вы знаете, что собой представляет популярный и востребованный источник альтернативной энергии. А значит, вам будет просто решить: подходит такое оборудование или нет. Также рекомендую к просмотру видео в этой статье.

С самого начала привлекал изобретателей кажущейся простотой технической реализации - в самом деле, простейшая реализация вихревой трубы представляет собой кусок трубы самый обычной, куда с одной стороны внутрь тангенциально подаётся исходный поток, а на противополжном торце установлена кольцевая диафрагма, и из её внутреннего отверстия выходит охлаждённая часть потока, а из щели между внешним краем диафрагмы и внутренней поверхностью трубы - его горячая часть. Однако на самом деле не всё так просто - добиться эффективного разделения удаётся далеко не всегда, да и КПД таких установок обычно заметно уступает широко распространённым компрессорным тепловым насосам . Кроме того, обычно параметры установки на эффекте Ранка рассчитаны для конкретной мощности, определяемой скоростью и расходом вещества исходного потока, и когда параметры входного потока отклоняются от оптимальных значений, КПД вихревой трубы существенно ухудшается. Тем не менее следует заметить, что возможности некоторых установок на эффекте Ранка внушают уважение - например, рекордное охлаждение, которого удалось достигнуть на одной ступени, составляет более 200°С!

Впрочем, с учётом нашего климата, гораздо больший интерес представляет использование эффекта Ранка для обогрева, да при этом ещё хотелось бы и не выходить за рамки «подручных средств».

Суть эффекта Ранка

При движении потока газа или жидкости по плавно поворачивающей поверхности трубы у её внешней стенки образуется область повышенного давления и температуры, а у внутренней (либо в центре полости, если газ закручен по поверхности цилиндрического сосуда) - область пониженной температуры и давления. Это достаточно хорошо известное явление называется эффектом Ранка по имени открывшего его в 1931 г. французского инженера Жозефа Ранка (G.J.Ranque, иногда пишут «Ранке»), или эффектом Ранка-Хилша (немец Robert Hilsh продолжил исследование этого эффекта во второй половине 1940-х годов и улучшил эффективность вихревой трубы Ранка). Конструкции, использующие эффект Ранка, представляют собой разновидность теплового насоса , энергия для функционирования которого берётся от нагнетателя, создающего поток рабочего тела на входе трубы.

Парадоксальность эффекта Ранка заключается в том, что центробежные силы во вращающемся потоке направлены наружу. Как известно, более тёплые слои газа или жидкости имеют меньшую плотность и должны подниматься вверх, а в случае цетробежных сил - стремиться к центру, более холодные имеют большую плотность и, соответственно, должны стремиться к периферии. Между тем при большой скорости вращающегося потока всё происходит с точностью до наоборот!

Эффект Ранка проявляется как для потока газа, так и для потока жидкости, которая, как известно, является практически несжимаемой и потому фактор адиабатического сжатия / расширения к ней неприменим. Тем не менее, в случае жидкости эффект Ранка обычно выражен значительно слабее - возможно, именно по этой причине, да и очень малая длина свободного пробега частиц затрудняет его проявление. Но это верно, если оставаться в рамках традиционной молекулярно-кинетической теории, а у эффекта могут быть и совсем другие причины.

На мой взгляд, на данный момент наиболее полное и достоверное научное описание эффекта Ранка представлено в статье А.Ф.Гуцола (в формате pdf). Как ни удивительно, в своей основе его выводы о сути явления совпадают с полученными нами «на пальцах». К сожалению, он оставляет без внимания первый фактор (адиабатическое сжатие газа у внешнего радиуса и расширение у внутреннего), который, на мой взгляд, весьма существенен при использовании сжимаемых газов, правда, действует он только внутри устройства. А второй фактор А.Ф.Гуцол называет «разделением быстрых и медленных микрообъёмов».

Современное объяснение эффекта Ранка

В настоящее время наиболее общепризнанным объяснением эффекта Ранка является следующее.

Известно, что если измерять температуру движущегося (скажем, в трубе) потока двумя термометрами, то они покажут разную температуру, если один из них неподвижен относительно потока (т.е. перемещается вместе с ним), а другой вмонтирован в трубу. При этом температура, измеренная вмонтированным в трубу термометром будет связана с температурой, измеренной термометром, движущимся вместе с потоком, следующим образом:

T 0 = T + v 2 / (2 · c p) (1),

где T 0 - температура, измеренная вмонтированным в трубу термометром, «температура торможения»; T - «собственная» температура потока, измеренная термометром, движущимся вместе с ним, «статическая температура»; v - скорость движения потока по трубе; c p - удельная теплоёмкость вещества потока.

Таким образом, мы видим, что температура торможения, измеряемая неподвижным термометром, при одной и той же собственной статической температуре этого потока будет зависеть от его скорости. Если относительно такого термометра остановить весь газ, то вся его температура поднимется до этого значения - кинетическая энергия преобразуется в тепловую. Именно это явление вызывает нагрев передних кромок крыла у скоростных самолётов (прежде всего сверхзвуковых), а также сгорание в атмосфере метеоритов и отработавших свой срок космических летательных аппаратов.

Предполагается, что возле выходного отверстия диафрагмы угловые скорости и холодного и горячего потоков равны, то есть весь вихрь вращается как единое твёрдое тело («квазитвёрдый» вихрь). В таких условиях на разных радиусах вихревой трубы газ имеет различную линейную скорость, соответственно он имеет и различную термодинамическую температуру. Благодаря эффективному турбулентному перемешиванию внутри вихревой трубки, эти температуры стремятся выровняться, из-за чего и происходит перераспределение собственных («термостатических») температур различных частей потока газа, которое становится явным, когда газ выходит из вихревой трубы.

К сожалению, это объяснение нельзя признать удовлетворительным. Во-первых, оно является «чисто математическим», и если пытаться наполнить его физической сутью, то мы приходим к тому же «разделению быстрых и медленных микрообъёмов». Во-вторых, не совсем понятно, с какой стати именно температура торможения во всём сечении вихревой трубы априори принимается одинаковой? А приняв в качестве основной гипотезу обмена энергией между различными частями потока, мы должны придти к обратному распределению температур. В самом деле, внешние слои имеют наибольшую линейную скорость и, следовательно, наибольшую температуру торможения. Следовательно, энергия от них должна перетекать к медленно движущимся центральным слоям, повышая их собственную температуру. Таким образом, из середины должен выходить горячий газ, а из периферийной щели - холодный, что прямо противоречит наблюдаемым фактам. Поэтому утверждается, что быстро движущийся на периферии газ, попадая в результате турбулентного движения в центр, там тормозится и теряет свою кинетическую энергию. Но опять же, куда может деться эта энергия? Только в тепло, а значит, опять-таки, в середине температура должна расти. Наконец, есть данные, что вихрь внутри трубы Ранка отнюдь не квазитвёрдый, и более того, его центральная часть может вращаться в противоположную сторону, а в таком случае вся эта теория вообще не соответствует практике. В общем, прежде чем строить теории, необходимы практические измерения хотя бы скоростей и направлений вращения на разных радиусах и на разных расстояниях от диафрагмы.

Другие объяснения эффекта Ранка

Как ни странно, объяснить эффект Ранка можно и с помощью более простых механистических подходов к идеальному газу, изложенных при рассмотрении поворота потока идеального газа .

Если в таких механистических объяснениях есть зерно истины, то для оптимизации устройств на эффекте Ранка будут эффективны следующие советы.

1. Для наиболее эффективного разделения следует всячески предотвращать возникновение турбулентностей, перемешивающих уже разделённые слои. Отсюда следуют требования к гладкости внутренних поверхностей устройства и необходимость ламинарности входного потока.
2. Рабочий поток не должен делать слишком много оборотов: практически всё разделение происходит на первых витках, и дальнейшее движение будет лишь приводить к ненужным потерям на трение и увеличивать аэро/гидродинамическое сопротивление, затрудняя работу нагнетателя. Однако, чем выше плотность потока, тем труднее будет идти разделение и тем больше оборотов надо будет сделать.
3. В наибольшей степени эффект Ранка должен проявляться для разреженного газа, свойства которого близки к свойствам идеального газа. При возрастании плотности газа и тем более при использовании жидкостей сокращение свободного пробега частиц и повышение вязкости среды становится существенным фактором, наряду с турбулентностью ухудшающим температурное разделение исходного потока.
4. Оптимальная скорость потока должна быть соизмерима со скоростью теплового движения его частиц (как известно, в газах эта скорость близка к скорости звука). Слишком высокая скорость приведёт к тому, что все частицы будут отбрасываться к внешней стенке, и у внутренней стенки образуется бесполезная область вакуума, а слишком низкая ухудшит разделение частиц по их скоростям. Впрочем, в реальности энергозатраты на разгон потока до скорости звука могут оказаться менее выгодными, чем для получения того же количества тепла/холода при меньшей скорости, но большем расходе потока.

Есть и другие варианты.

Вот ещё одно заслуживающее внимание объяснение эффекта Ранка от Г.В.Трещалова , правда, оно построено на предположении максвелловского распределения молекул по скоростям в рамках молекулярно-кинетической теории газов.

А вот , в которой, среди прочего, рассмотрена и работа вихревой трубы. Она основывается на взаимодействии слоёв среды. Существование подобных слоёв маловероятно в рамках молекулярно-кинетической теории, зато неизбежно в теории глобулярной организации вещества.

Классические схемы вихревых труб на эффекте Ранка

Классическими устройствами, использующими эффект Ранка, являются вихревые трубы , которые строят по двум основным схемам: прямоточной и противоточной.

Классические схемы прямоточной (а ) и противоточной (б ) вихревых труб на эффекте Ранка. 1 - гладкая цилиндрическая труба, 2 - вход газа (завихритель тангециального или улиточного типа), 3 - дроссель, 4 - выход горячего газа через кольцевую щель, 5 - диафрагма для выхода холодного газа.