Что такое Вихревой Смеситель в бытовых печах?

Откуда «растут ноги» у вихревого смесителя

Демон Максвелла

Физик Максвелл предложил миру интересную идею. Он провел такой мысленный эксперимент. Пусть имеется два сосуда с комнатным воздухом, соединенных друг с другом. Как известно, в обоих сосудах есть быстрые («горячие») молекулы, а есть менее подвижные холодные молекулы - все, как и описано в уравнении Максвелла. Предположим, что в месте соединения сосудов есть плотная дверка, у которой стоит сторож-швейцар. Сторож-швейцар пропускает в один избранный сосуд только быстрые молекулы, а обратно выпускает только медленные. Немного поработав, этот швейцар добьется того, что из избранного сосуда сбегут все медленные – холодные - молекулы, а соберутся быстрые - горячие. Процесс приведет к нагреванию одного сосуда и охлаждению другого.
Этого сторожа-швейцара окрестили физики демоном Максвелла и доказали невозможность его существования на основе постулата второго закона термодинамики. Этот постулат гласит о том, что мера энтропии (хаоса) может только возрастать (быть больше нуля) в закрытой замкнутой системе.

Трубка Ранка-Хильша

Потом появился Ранк с очень странным приборчиком – небольшой трубочкой, с одной стороны, которой выходил холодный воздух, а с другой – горячий. Никаких подогревателей или охладителей у трубки Ранка не было. А роль демона Максвелла играл обычный воздух, который не стоял в дверях как швейцар, а подавался внутрь с некоторой скоростью в трубку по касательной. Ранк не понимал, как его трубка работает, а другие ученые, похоже и вовсе не приняли странного изобретателя, так как факт существования такой трубки разрушал устоявшееся в науке представление. Хильш смог как-то улучшить работу этого приспособления, который сегодня известен как трубка Ранка-Хильша.

Рис. Схема трубки Ранка-Хильша. Голубая стрелка – подача воздуха по касательной. Темно-синяя стрелка – выход холодного воздуха. Красная стрелка – выход горячего воздуха.

Разница температур на выходе между двумя концами трубки Ранка может достигать 80 градусов при комнатной температуре и зависит от скорости подачи воздуха, как и от геометрии трубки.
Очень скоро выяснился экспериментальный факт: внутри трубки Ранка воздух ведет себя не как квазитвердое тело, как это думали. В трубке Ранка поток разделяется на два слоя, вращающиеся в разном направлении. Слой снаружи вращается в ту сторону, куда направлен воздух первоисточник. Слой по центру вращается в противоположную сторону. Что за чудеса!

Почему?...
Попробуем порисовать...
Нарисуем опять разрез трубки Ранка. По направлению голубой стрелки подаем воздух. Тогда в том месте, где нарисован синий круг у нас появится зона пониженного давления. В сторону этой зоны будет отклоняться поток - появится завихрение.
Ну у меня это так получилось нарисовать для одного вихря, ...пусть и неказисто...
Если объединить вихри в полный цикл, то картина может выглядеть так, как на рисунке Шауберга (которая рисовалась немецким ученым не для случая трубки Ранка). Синей стрелкой я нарисовал подачу воздуха-источника. На рисунке видно, как вихрь, пробегающий по контуру трубки, усиливает вращение во внешнем слое и закручивает поток в центре в противоположном направлении.

Рисунок Шауберга с моими цветными дополнениями

Есть предположение, что аналогичная схема присутствует в природном явлении торнадо. Во всяком случае, в центре торнадо, отмечают пониженную температуру, подобно тому, как это мы видим в трубке Ранка и вращается шнур торнадо в противоположную сторону от вращения периферии. Если это так, то нам должен быть интересен факт заниженного давления в центре торнадо. Это разряжение затягивает в себя как в воронку перефирию смерча.

Ведерко Ньютона

Похожие картинки получили датчане во время экспериментов с ведерком Ньютона (цилиндр у которого вращается дно, а стенки неподвижны).

При достаточно большой скорости вращения донышка на поверхности воды возникали вихревые образования. Получали вихревые образования в виде вращающихся многоугольников (от треугольников до шестиугольников). Когда ученые заменили воду этиленгликолем, в результате вращения на поверхности жидкости стали образовываться деформации треугольной формы, а на углах многоугольников образовывались вихри. Отчего так происходит – не известно, объяснить результаты сами экспериментаторы пока не могут. Но можно только отметить, что среда расслоилась и по центру появилось устойчивое вихревое образование – воронка правильной, чаще всего, пятиугольной формы.

Теоретические и практические предпосылки

Теория горения и взрыва выявила некоторые интересные закономерности.

1.Академик Н.Н.Семенов в 1926-1927 гг. создал тепловую теорию самовоспламенения горючих газов. При температурах, лежащих ниже температуры самовоспламенения, в газе с небольшой скоростью идёт химическая реакция, а теплоотвод через стенку в наружную среду компенсирует теплоприход от реакции. С увеличением температуры скорость реакции растёт и создаются условия, когда теплоотвод не успевает компенсировать теплоприход и развивается тепловая лавина. [4]

2.«Опытные данные и теоретическое рассмотрение свидетельствуют о том, что при распространении пламени реакция идет в каждый момент времени в сравнительно (по сравнению с размерами камер сгорания) тонком слое — зоне реакции. В непосредственной близости от зоны реакции, также в тонком слое, происходит разогрев несгоревшей смеси. Поэтому в первом приближении распространение пламени можно представить себе так: имеются две области — несгоревшего газа и продуктов реакции, разделенные поверхностью горения, толщиной которой можно пренебрегать и рассматривать ее как геометрическую поверхность, движущуюся относительно газа с известной скоростью — нормальной скоростью распространения пламени». Зельдович Я.Б на примере реакции водорода с кислородом обнаружил три предела воспламенения , которые проиллюстрировал в виде диаграммы «давление — температура» [1]

Рис 1.0
«Пределы воспламенения стехиометрической смеси водорода с кислородом приведены на рис. 1.0. Если начальным давлению и температуре смеси отвечает точка, лежащая справа от кривой ABCD4 то происходит воспламенение; участок AB соответствует первому, ВС — второму и CD — третьему пределам воспламенения. Область между первым и вторым пределами называют полуостровом воспламенения.» [1]

3. «Достаточно быстрое сгорание, при котором скорость пламени достигает сотен м/сек, происходит при турбулизации газовой смеси и соответственно, при турбулизации фронта пламени. Турбулизация вызывает значительное разрастание фронта пламени, ускорение теплообмена между продуктами сгорания и исходной смесью и, соответственно, горения.» [3]

4. Академик М. А. Стырикович описал такие установи для сжигания угля [2]

«В топке одновременно идут три взаимосвязанных процесса: гидродинамический процесс подачи со значительными скоростями (часто в закрученном виде) потоков воздуха и угольной пыли, процесс воспламенения. Обычно горелки располагаются на двух противоположных стенах топочной камеры в несколько ярусов (см. рис. 1), так что приходится учитывать и взаимодействие отдельных горелок между собой. При таком их расположении очень трудно обеспечить равномерность температуры по всему громадному сечению топки, а любая неравномерность может привести к шлакованию ширм или конвективных поверхностей. Более равномерное распределение температуры достигается при размещении горелок тангенциально по углам топки — так, что они создают в ней общий закрученный вихрь (рис. 2). Здесь уже не только каждая отдельная горелка порождает вихревой поток, но и вся совокупность горелок образует единый вихрь. Очевидно, что такую сложную геометрию потока рассчитать и реализовать весьма непросто» [2]

5. широкое распространение на нефтепромыслах нашли вихревые излучатели (генераторы волн давления). Внешне генератор похож на трубку Ранка, но в отличие от трубки Ранка у него нет обратного выхода, а прямой выход открытый

"Генератор представляет собой корпус с цилиндрической камерой (камерой завихрения), с тангенциальным каналом (одним или несколькими) для подачи рабочей жидкости и соплом для выхода рабочей жидкости. Генератор работает следующим образом [11-17]. При подаче жидкости через тангенциальное отверстие 2 диаметром d (см. рис. 1.3) внутри камеры завихрения 3 и выходного сопла 4 генератора образуется система двух закрученных потоков. По периферии камеры движется так называемый первичный вихрь (I), имеющий в попе- речном сечении форму кольца с наружным радиусом R = D/2 и внутренним rm. Этот поток состоит из рабочей жидкости, подаваемой в генератор. Приосевую область вихревой камеры занимает вторичный вихрь (II), вращающийся как квазитвёрдое тело. Он образуется вследствие вовлечения в движение первичным потоком жидкости из окружающей среды, в которую происходит истечение жидкости из генератора. Опыт показывает, что в случае незатопленного истечения струи жидкости (например, при истечении её в газообразную среду) движение устойчиво и пульсации давления и скорости в потоке отсутствуют. Если же истечение закрученной струи затопленное, т.е. рабочая жидкость в вихревой камере и вещество окружающей среды имеют одну и ту же физическую природу, то в потоке генерируются регулярные пульсации давления, частота и амплитуда которых зависит от скорости истечения и геометрических параметров камеры завихрения, её конструкции и формы сопла. В окружающей среде пульсации давления фиксируются как звук дискретного тона и значительной интенсивности."
"Причиной звуковых колебаний является прецессионное вращательное движение вторичного вихря" [5]

Вихревой смеситель

Зародилась мысль использовать трубку Ранка, или ее аналог - Генератор Волн Давления в Вихревом Смесителе (ВС)
Зачем?
Вот причины:
1. смеситель перемешает пиролизные газы с кислородом воздуха, благодаря чему реакция горения должна пройти быстрее и при меньшем количестве воздуха (уменьшить коэффициент избытка воздуха альфа). Уменьшение выноса тепла с паразитным излишним воздухом сказывается на увеличении температуры газовой смеси. А по предпосылке (1) [4] : «С увеличением температуры скорость реакции растёт и создаются условия, когда теплоотвод не успевает компенсировать теплоприход и развивается тепловая лавина».
2. для создания локальных зон с разным давлением или волн давления , согласно работе [5] (по центру сильно заниженное, по краю переменчивое), что согласно предпосылке (2) [1] скачкообразно может привести к возгоранию даже при меньшей температуре
3. для турбулизации газовой смеси. Как мы помним, по предпосылке (3)[2], « турбулизация вызывает значительное разрастание фронта пламени, ускорение теплообмена между продуктами сгорания и исходной смесью и, соответственно, горения».
4. интересно разделить поток по температуре, отбросив горячий на стенку, а холодный собрать по центру.

Вихревой шнур

В печах с ВС небольшого размера и формы пятиугольника или окружности в плане можно наблюдать зарождение вихревого горящего шнура по центру, вращающегося, как и центральный поток в трубке Ранка в противоположную от направления подачи воздуха сторону. Но это бывает при большой скорости движения газов по трубе и при наличии не более одного-двух щелевых сопел, обеспечивающих большие скорости втекания в ВС . Несколько слов об этом.

Существенную роль в ВС играет степень турбулентности, которую можно оценить числом Рейнольдса.
Re=v*L/n
Где
Re – безразмерное число Рейнольдса,
v- скорость потока
L- характерный линейный размер
n - кинетическая вязкость
Когда Re > 2320 движение идет с образованием завихрений.
Если принять n= 0.0015м2\с для воздуха при Т=270К
L=0.23м, то получим скорость при которой начинается турбулентность
v=0.15м\с.
Если скорость подачи через вихревое сопло-щель > 0.15м\с при данных допущениях, то ламинарный поток начинает переходить в турбулентный. Этого, правда, еще недостаточно, чтоб активно проявился вихревой эффект. Для этого, поток должен обладать достаточной скоростью, чтобы образовался вихрь диаметром сравнимым с радиусом ВС (за радиус ВС принимаем наименьшее расстояние от центра ВС до внутренней поверхности стенки ВС).
Сделаем небольшие оценки.
Согласно шкале Фудзиты-Пирсона, минимально возможным вихрем в природе являются вихри с линейной скоростью v при вращении воздуха в воронке порядка 18 м\с. Давайте рассмотрим такую схему:

Рис. расположение ВС для появления вихревого шнура, рисунок в плане. 1 – топливник, 2 –вихревое сопло, 3 – ВС

Примем размеры топливника 250 х 500 х 600.
Вихревую щель в узком месте возьмем 10 мм, высотой 124 мм.
Пусть имеется у печи дымовая труба цилиндрической формы d= 120.
Оценим скорость в трубе обычным диапазоном 2-8м\с.
Тогда скорость в узком месте сопла из уравнения струи будет оценена в диапазоне :
Vmin= 2*3.14*sqw(60) / (124*10) = 18 м\с
Vmax = 72 м\с
Полученный диапазон 18-72 м\с соответствует категориям F0- F3 по шкале Фудзиты-Пирсона.
Реальные турбулентности и трение в сопле могут занизить линейную скорость, но тем не менее у нас есть все теоретические предпосылки наблюдать в ВС такой конструкции небольшое торнадо с горящим шнуром по центру с соответствующими звуковыми эффектами.

Задачи получить вихревой шнур в печи не стоит. И, естественно, торнадо в бытовой печи это уже излишне, хотя и зрелищно.

Нам интересен сам факт перемешивания, турбулентности и появления зон с другим давлением и температурой, что заставляет пройти реакцию горения максимально полно.

воплощение

Все эти размышления навели на мысль изначально сделать Вихревой Смеситель (ВС) пятиугольной формы.
ВС в этой конструкции использовалась в камере дожига (КД).

Но эта форма для ВС совсем не обязательна, здесь может быть и квадрат и прямоугольник, или окружность в плане.
На сегодняшний день опробован ВС в обычном топливнике прямоугольной формы с вихревыми щелями по краям.

ВС в составе КД может находится в центре топливника.

Рис. В этом экзотическом варианте предполагается наличие загрузочных дверок по сторонам , а ВС начинается ниже топливника (с подачей воздуха через одну вихревую щель

Также можно использовать ВС не только для КД, но и для топливника.

Рис. здесь топливо закладывается в ВС, загрузочная дверка предполагается сверху или сбоку.

Также легко ВС применяется в КС и для трубы.

Рис. Развязка перекресток для случая встречных четырех потоков. Вид в плане, труба в центре

Одно существенное замечание.

В ВС не все равно в какую сторону закручивается вихрь – это необходимо учитывать при проектировании вихревых щелей сопел. Правый винт и левый винт не равнозначны здесь и газовая смесь ведет себя совершенно по-разному. Это свойство присуще всем вихрям Бенара (или правильно назвать Бенарда, но в России почему-то Benard превратился в Бенара).

1 случай.
Если закручивать поток с внешней стороны (стороны стенки) вихревыми соплами правым винтом (смотреть если сверху, то движение против часовой стрелки), то тогда центральный поток, вращающийся по стрелке будет подниматься вверх, а на периферии опускаться вниз.

Рис. 1 случай


2 случай.
Если закручивать периферию левым винтом – по часовой стрелке, то подниматься будет внешний слой, а средний, вращаясь против часовой стрелки, будет опускаться.


Рис. 2 случай


Какая разница?
В нашей вселенной преобладает правый винт и это самая устойчивая в природе система – от структуры атома и молекулы ДНК, до вихря торнадо и скоплений звезд. Встречающиеся природные вихри Бенара, похоже, все правовинтовые.
По этой причине, когда я конструировал первые ВС, делал их с правой закруткой. Но к чему это приводит? Внутренний средний слой при таком способе начинает подниматься, а внешний – опускаться, иногда это даже приводило к тому, что дым мог отмахнуть через дверку - если ВС в топливнике. Чтоб этого не происходило, приходится идти на ухищрение и делать воздушный замок у проема- слева от дверки межфутеровочное пространство не заполняется и воздух подается на дверку.
Если реализовывать 2 способ в ВС, то преферийный слой поднимается, а центральный опускается и тогда нет никакой отмашки без всяких фокусов. И этот способ интересен еще одной особенностью - правовинтовой вихрь Бенара менее устойчив и он разрушается в зоне перехода в КС, отдавая свою энергию потоку.

---

ЛИТЕРАТУРА

1 Зельдович Я.Б. , Баренблатт Г.И., Либрович В.Б., Махвиладзе Г.М. Математическая теория горения и взрыва — М.: Наука, 1980
2. М.А.Стырикович. Проблемы сжигания твердого топлива в большой энергетике
3. В.И.Говоров, В.М.Плотников, Е.В.Каратай – г.Темиртау: КГИУ, 2007 г. Теоретические основы горения и взрыва (7.4. Факторы ускорения горения)
4. Н.Н. Семёнов. Цепные реакции. Л.: ОНТИ, 1934; 2-е изд. М.: Наука, 1986;
5.Неволин В.Г. Опыт применения звукового воздействия в практике нефтедобычи Пермского края. – Пермь, 2008.







Назад

Privacy