Вихревой эффект, или эффект Ранка, проявляется в закрученном потоке вязкой сжимаемой жидкости и реализуется в очень простом устройстве, называемом вихревой трубой (трубой Ранка—Хилша, вихревым энергоразделителем, вихревым холодильником), схематичная конструкция которой изображена на рисунке:

Вихревая труба представляет собой гладкую цилиндрическую трубу 1, снабженную тангенциальным соплом 2, улиткой 3, диафрагмой 4 с осевым отверстием и дросселем 5.

При втекании газа через сопло образуется интенсивный круговой поток, приосевые слои которого заметно охлаждаются и отводятся через отверстие диафрагмы в виде холодного потока, а периферийные слои подогреваются и вытекают через дроссель в виде горячего потока.

По мере прикрытия дросселя общий уровень давления в вихревой трубе повышается и расход холодного потока через отверстие диафрагмы увеличивается при соответствующем уменьшении расхода горячего потока. При этом температуры холодного и горячего потоков также изменяются.

где:

 μ- массовая доля холодного потока;

 – кривая эффективности (т.е. доля холода от адиабатического расширения)

При дросселировании воздуха от 6 ата (300 К) до 1 ата температура падает примерно на 1°С, при адиабатном расширении на 115 °С,

в вихревой трубе – до 60°С, но при доле холодного потока всего 0,2 – и того 12% холода от адиабаты. При доле 0,6 - 40 °С, т.е. более 20%.

Предложения по использованию вихревых труб:

· Вместо детандера в установке СПГ на ГРС

· Вместо ПКХМ (Чилеров) для морозильных камер. Пока проигрывают в экономичности.

Газовые ХМ периодического действия.

Холодопроизводительность таких машин меньше, чем непрерывного действия ≈ до 100 кВт. Это на первый взгляд сложно, но начинается промышленное использование

Цикл Стирлинга

Левая часть поддерживается при Тос, а холод в правой части t=Тх.

Поршни двигаются прерывисто (в идеале): один движется, второй – стоит.

В реальных машинах они движутся по синусоидам со смещением фаз относительно друг друга.

1-2 – левый поршень начинает сжимать газ с отводом тепла к окружающей среде, поэтому процесс приближается к изотермическому;

2-3 – оба поршня синхронно двигаются вправо, v=const, давление уменьшается за счет охлаждения от Тос до Тнижн, теплообменник отдает тепло насадке.

3-4 – правый поршень двигается вправо → расширение – объем газа увеличивается, одновременно подводится тепло от охлаждаемого объекта → Т=const.

4-1 – оба поршня синхронно перемещаются влево, объем остается постоянным, а давление повышается за счет нагрева газа, проходящего через регенератор.

Особенности:

- высокий КПД: до 45% от цикла Карно;

- Температуры до -200°С, но тогда рабочим телом должен быть газ с низкой температурой конденсации (неон, гелий, водород).

Оптимальные параметры такой холодильной машины (с максимальным КПД – до 50% от КПД обратного цикла Карно) получаются при температуре около 100 К (см. рисунок ниже).

Такие машины хорошо работают для сжижения воздуха. На холодной стороне цилиндра делают оребренную поверхность и воздух на ней сжижается, а теплую охлаждают водой. Периодически после нескольких часов работы машину останавливают для удаления льда с ребер холодидьника.