Эффект вихревого температурного расширения сжатого газа открыт Ранком в 1931 г. С тех пор исследованию этого эффекта посвящено много работ.

Практической реализацией идеи вихревого эффекта явилось создание вихревых холодильников, применяемых как при прове­дении научно-исследовательских работ, так и в промышленности.

Вихревой эффект может быть использован при создании ми­ниатюрных устройств для охлаждения небольших объектов с мас­сой порядка нескольких грамм до температуры порядка —50° С. Вихревой холодильник, отличаясь исключительной простотой конструкции и надежностью в работе, может быть изготовлен до­статочно компактным и легким при сравнительно небольшом рас­ходе воздуха и давлении газа в несколько атмосфер.

Принцип действия

.

Известно, что эффективное охлаждение газа может быть осу­ществлено в процессе расширения с отдачей внешней работы — в процессе детандирования газа.

Идеальным процессом расширения газа с совершением внешней работы является изоэнтропный процесс, изменение температуры идеального газа в котором определяется уравнением адиабаты

где Т и Р — температура и давление на входе и выходе;

k — показатель адиабаты.

В процессе расширения путем простого дросселирования кине­тическую энергию вытекающей струи охлажденного газа исполь­зовать не удается: она полностью превращается в тепло, поэтому процесс протекает при постоянной энтальпии, а для идеального газа — и при постоянной температуре.

Вихревая труба представляет собой устройство, в котором процесс дросселирования сопровождается частичным преобразованием энергии газа в механическую работу, в результате чего часть газа охлаждается, а другая часть — нагревается. Рассмо­трим схему вихревой трубы, представленную на рис. 1. Сжатый газ поступает в цилиндрическую трубу / через отверстие, распо­ложенное по касательной к ее внутренней окружности. Труба с одной стороны ограничена диафрагмой 2 с небольшим отверстием в центре, с другой стороны — вентилем 3. Благодаря тангенциаль­ному расположению отверстия, струе газа, охладившегося при расширении, сообщается вихревое движение. Поле угловых ско­ростей w вихря в сечении /—/, проходящем через плоскость вход­ного отверстия, является неравномерным — наибольшими угловыми скоростями обладают слои, расположенные ближе к гео­метрической оси трубы; по мере удаления от центра угловая ско­рость вихря падает.

Рис. 1. Принципиальная схема вихревой трубы: р1, Тc—давле­ние и температура газа; Тх, Tг — температура холодного и горячего потоков

В этой неравномерности распределения угловых скоростей и кроется возможность температурного разделения слоев газа в вих­ревом холодильнике. Действительно, при вращательно-поступательном движении вдоль трубы центральные слои, вращающиеся с большими скоростями, испытывают сопротивление со стороны слоев, вращающихся с меньшими скоростями. Наличие трения между слоями газа приводит к тому, что в некотором сечении II—II распределение угловых скоростей становится близким к равномерному. С энергетической точки зрения это означает, что центральные слои отдали часть своей энергии на производство механической работы против сил сцепления с внешними слоями и благодаря этому сохранили ту пониженную температуру, кото­рую они получили при расширении на входе в трубу.