Ефект ранка, perpetuum mobile «вільна енергія» і вічні двигуни

Пристрої на ефекті Ранка

Ефект Ранка з самого початку привертав винахідників уявною простотою технічної реалізації - справді, найпростіша реалізація вихровий труби являє собою шматок труби самий звичайної, куди з одного боку всередину тангенциально подається вихідний потік, а на протилежного торці встановлена кільцева діафрагма, і з її внутрішнього отвору виходить охолоджена частина потоку, а з щілини між зовнішнім краєм діафрагми і внутрішньою поверхнею труби - його гаряча частина. Однак насправді не все так просто - домогтися ефективного розподілу вдається далеко не завжди, та й ККД таких установок зазвичай помітно поступається широко поширеним компресорним теплових насосів. Крім того, зазвичай параметри установки на ефекті Ранка розраховані для конкретної потужності, яка визначається швидкістю і витратою речовини вихідного потоку, і коли параметри вхідного потоку відхиляються від оптимальних значень, ККД вихровий труби істотно погіршується. Проте слід зауважити, що можливості деяких установок на ефекті Ранка викликають повагу - наприклад, рекордна охолодження, якого вдалося досягти на одному щаблі, становить понад 200 ° С!

Втім, з урахуванням нашого клімату, набагато більший інтерес представляє використання ефекту Ранка для обігріву, так при цьому ще хотілося б і не виходити за рамки «підручних засобів».

Суть ефекту Ранка

При русі потоку газу або рідини по плавно повертає поверхні труби у її зовнішньої стінки утворюється область підвищеного тиску і температури, а у внутрішній (або в центрі порожнини, якщо газ закручений по поверхні циліндричної посудини) - область зниженої температури і тиску. Це досить добре відоме явище називається ефектом Ранка на ім'я відкрив його в 1931 р французького інженера Жозефа Ранка (GJRanque, іноді пишуть «Ранке»), або ефектом Ранка-Хілша (німець Robert Hilsh продовжив дослідження цього ефекту в другій половині 1940-х років і поліпшив ефективність вихровий труби Ранка). Конструкції, що використовують ефект Ранка, є різновидом теплового насоса. енергія для функціонування якого береться від нагнітача, що створює потік робочого тіла на вході труби.

Парадоксальність ефекту Ранка полягає в тому, що відцентрові сили в обертовому потоці спрямовані назовні. Як відомо, тепліші шари газу або рідини мають меншу щільність і повинні підніматися вгору, а в разі цетробежних сил - прагнути до центру, більш холодні мають велику щільність і, відповідно, повинні прагнути до периферії. Тим часом при великій швидкості обертового потоку все відбувається з точністю до навпаки!

Ефект Ранка проявляється як для потоку газу, так і для потоку рідини, яка, як відомо, є практично нестисливої і тому фактор адіабатичного стиснення / розширення до неї непридатний. Проте, в разі рідини ефект Ранка зазвичай виражений значно слабше - можливо, саме з цієї причини, та й дуже мала довжина вільного пробігу частинок ускладнює його прояв. Але це вірно, якщо залишатися в рамках традиційної молекулярно-кінетичної теорії, а у ефекту можуть бути і зовсім інші причини.

На мій погляд, на даний момент найбільш повне і достовірне наукове опис ефекту Ранка представлено в статті А.Ф.Гуцола (в форматі pdf). Як не дивно, в своїй основі його висновки про суть явища збігаються з отриманими нами «на пальцях». На жаль, він залишає поза увагою перший фактор (адіабатичне стиснення газу у зовнішнього радіуса і розширення у внутрішнього), який, на мій погляд, дуже істотний при використанні стискаються газів, правда, діє він тільки всередині пристрою. А другий чинник А.Ф.Гуцол називає «поділом швидких і повільних мікрооб'ємів».

Сучасне пояснення ефекту Ранка

В даний час найбільш загальновизнаним поясненням ефекту Ранка є наступне.

Відомо, що якщо вимірювати температуру рухомого (скажімо, в трубі) потоку двома термометрами, то вони покажуть різну температуру, якщо один з них нерухомий щодо потоку (тобто переміщається разом з ним), а інший вмонтований в трубу. При цьому температура, виміряна вмонтованим в трубу термометром буде пов'язана з температурою, яка вимірюється термометром, що рухається разом з потоком, в такий спосіб:

де T0 - температура, виміряна вмонтованим в трубу термометром, «температура гальмування»; T - «власна» температура потоку, виміряна термометром, що рухається разом з ним, «статична температура»; v - швидкість руху потоку по трубі; cp - питома теплоємність речовини потоку.

Таким чином, ми бачимо, що температура гальмування, яка вимірюється нерухомим термометром, при одній і тій же власної статичної температурі цього потоку буде залежати від його швидкості. Якщо щодо такого термометра зупинити весь газ, то вся його температура підніметься до цього значення - кінетична енергія перетворюється в теплову. Саме це явище викликає нагрів передніх кромок крила у швидкісних літаків (перш за все надзвукових), а також згоряння в атмосфері метеоритів і відпрацювали свій термін космічних літальних апаратів.

Передбачається, що біля вихідного отвору діафрагми кутові швидкості і холодного і гарячого потоків рівні, тобто весь вихор обертається як єдине тверде тіло ( «квазітвёрдий» вихор). В таких умовах на різних радіусах вихровий труби газ має різну лінійну швидкість, відповідно він має і різну термодинамічну температуру. Завдяки ефективному турбулентному перемішуванню всередині вихровий трубки, ці температури прагнуть вирівнятися, через що і відбувається перерозподіл власних ( «термостатичних») температур різних частин потоку газу, яке стає явним, коли газ виходить з вихровий труби.

На жаль, це пояснення не можна визнати задовільним. По-перше, воно є «чисто математичним», і якщо намагатися наповнити його фізичної суттю, то ми приходимо до того ж «поділу швидких і повільних мікрооб'ємів». По-друге, не зовсім зрозуміло, з якого дива саме температура гальмування в усьому перетині вихровий труби апріорі приймається однаковою? А прийнявши в якості основної гіпотезу обміну енергією між різними частинами потоку, ми повинні прийти до зворотного розподілу температур. Справді, зовнішні шари мають найбільшу лінійну швидкість і, отже, найбільшу температуру гальмування. Отже, енергія від них повинна перетікати до повільно рухаються центральним верствам, підвищуючи їх власну температуру. Таким чином, з середини повинен виходити гарячий газ, а з периферійної щілини - холодний, що прямо суперечить піднаглядним фактам. Тому стверджується, що швидко рухається на периферії газ, потрапляючи в результаті турбулентного руху в центр, там гальмується і втрачає свою кінетичну енергію. Але знову ж таки, куди може подітися ця енергія? Тільки в тепло, а значить, знову-таки, в середині температура повинна зростати. Нарешті, є дані, що вихор всередині труби Ранка аж ніяк не квазітвёрдий, і більш того, його центральна частина може обертатися в протилежну сторону, а в такому випадку вся ця теорія взагалі не відповідає практиці. Загалом, перш ніж будувати теорії, необхідні практичні виміри хоча б швидкостей і напрямків обертання на різних радіусах і на різних відстанях від діафрагми.

Інші пояснення ефекту Ранка

Як не дивно, пояснити ефект Ранка можна і за допомогою більш простих механістичних підходів до ідеального газу, викладених при розгляді повороту потоку ідеального газу.

Якщо в таких механістичних поясненнях є зерно істини, то для оптимізації пристроїв на ефекті Ранка будуть ефективні такі поради.

Для найбільш ефективного поділу слід всіляко запобігати виникненню турбулентності, що перемішують уже розділені шари. Звідси випливають вимоги до гладкості внутрішніх поверхонь пристрою і необхідність ламінарності вхідного потоку.
Робочий потік не повинен робити занадто багато обертів: практично все поділ відбувається на перших витках, і подальший рух буде лише приводити до непотрібних втрат на тертя і збільшувати аеро / гідродинамічний опір, ускладнюючи роботу нагнітача. Однак, чим вище щільність потоку, тим важче буде йти поділ і тим більше оборотів треба буде зробити.
Найбільшою мірою ефект Ранка повинен проявлятися для розрідженого газу, властивості якого близькі до властивостей ідеального газу. При зростанні щільності газу і тим більше при використанні рідин скорочення вільного пробігу частинок і підвищення в'язкості середовища стає істотним фактором, поряд з турбулентністю погіршує температурний поділ вихідного потоку.
Оптимальна швидкість потоку повинна бути порівнянна зі швидкістю теплового руху його частинок (як відомо, в газах ця швидкість близька до швидкості звуку). Занадто висока швидкість призведе до того, що всі частинки будуть відкидатися до зовнішньої стінки, і у внутрішній стінці утворюється марна область вакууму, а надто низька погіршить поділ часток по їх швидкостей. Втім, в реальності енерговитрати на розгін потоку до швидкості звуку можуть виявитися менш вигідними, ніж для отримання того ж кількості тепла / холоду при меншій швидкості, але більшій витраті потоку.

Є й інші варіанти.

Ось ще одне варте уваги пояснення ефекту Ранка від Г.В.Трещалова. правда, воно побудовано на припущенні максвеллівський розподілу молекул за швидкостями в рамках молекулярно-кінетичної теорії газів.

Класичні схеми вихрових труб на ефекті Ранка

Класичними пристроями, що використовують ефект Ранка, є вихрові труби. які будують за двома основними схемами: прямоточною і противоточной.

Класичні схеми прямоточної (а) і противоточной (б) вихрових труб на ефекті Ранка. 1 - гладка циліндрична труба, 2 - вхід газу (завихритель тангеціального або равликового типу), 3 - дросель, 4 - вихід гарячого газу через кільцеву щілину, 5 - діафрагма для виходу холодного газу.
Джерело: А.Ф.Гуцол. «Ефект Ранка» (pdf).

Слід зазначити, що в більшості випадків конструктори вихрових труб не приділяють великої уваги ламінарності потоків як на вході, так і всередині установки, а деякі з них, в силу відсутності общепризнаной теорії цього явища, навпаки, впевнені, що збільшення турбулентності буде сприяти підвищенню ефективності процесу . Проте, я вважаю, що приділивши серйозну увагу підвищенню ламінарності потоку робочого тіла, можна знизити рівень шуму і підвищити ефективність роботи. Якщо вірні припущення Ю.Оганесяна. то вхідний потік також повинен бути якомога більш ламінарним.

Вихрові обігрівальні установки

Безумовно, спроби використовувати ефект Ранка не тільки для охолодження, а й для обігріву препрінімалісь неодноразово. Більш того, деякі зразки виробляються серійно, в тому числі і в нашій країні.

Як не дивно, найбільш широко поширені рідинні конструкції на ефекті Ранка. Очевидно, це пояснюється більшою енергоємністю теплоносія і меншою гучністю їх роботи в порівнянні з газовими, зумовленої меншими швидкостями робочого тіла. Найбільш відомою установкою цього класу є ЮСМАР. На жаль, слід зазначити, що практично всі вони призначені для промислового або напівпромислового застосування, про що свідчить хоча б споживана потужність, яка зазвичай становить кілька кіловат у «молодших» моделей і досягає десятків кіловат у «старших». Заявлений виробником ККД (тобто співвідношення отриманого тепла до витраченої електроенергії) для різних типів установок становить від 1.2 до 2.4, причому як саме він вимірювався - в більшості випадків невідомо. Слід зауважити, що для компресорних теплових насосів (скажімо, холодильників і кондиціонерів) зазвичай характерно співвідношення перекачаного тепла до витраченої електричної енергії в діапазоні від 2 до 3.

У той же час в Інтернеті існує і багато негативних відгуків і повідомлень про випробування, де говориться, що ККД вихрових установок менше 100% і вихід тепла не перевищує витраченої електроенергії. Слід зазначити, що тут принципово важливий сам підхід до таких установок. Якщо розглядати їх як різновид «вічного двигуна» зі Сверх'едінічним ККД, то таку установку слід поставити цілком в одне приміщення і міряти температуру всієї системи в цілому - вона повинна давати тепла більше, ніж було витрачено електрики. Якщо ж розглядати їх як тепловий насос. то необхідно розділяти зони відбору та віддачі тепла і оцінювати саме ефективність його перекачування - адже якщо намагатися оцінити ефективність, скажімо, звичайного холодильника, міряючи температуру в кухні, де він стоїть, то це буде очевидною дурістю.

Нарешті, дозволю собі зауважити, що можливо, деякі подібні конструкції, зовні сприймаються як вихрові, насправді використовують зовсім інші принципи, а обертання або вихровий рух в них є важливими, але допоміжними засобами. Яскравим прикладом такого пристрою, на моє переконання, є двигун Клема. ♦