Техническая характеристика:

Холодильничек размером со спичку для охлаждения всего лишь одного, но самого важного транзистора в электронной схеме или же холодильник, способный засыпать снегом целый город, могут быть построены на одном и том же принципе — вихревой трубы.

Каждый, наверное, видел, как вихрь собирает столбом дорожную пыль. Это явление использовано в циклонных сепараторах — устройствах для очищения газов от пыли. Их, например, применяют для очищения от золы и сажи дымовых газов заводских печей (кстати, пылесосы с этим эффектом в последнее время рекламируются по телевидению).

Французский инженер Жорж Ранк, долго занимавшийся такими аппаратами, случайно обнаружил, что температура в центральной части вихря значительно ниже температуры исходного газа. Это явление он и использовал в холодильном устройстве под названием «вихревая труба», на которое в 1931 году получил патент. Подаваемый в трубу воздух с температурой 20 градусов выходил разделенным на два потока. Один имел температуру 100 градусов, другой — минус 20.

В 1933 году Ж.Ранк сделал доклад во французском физическом обществе, но специалисты отнеслись к нему с недоверием, заявив, что при измерении температуры была допущена ошибка. О Ранке надолго забыли.

Позже, в 1937 году, ничего не зная о работах Ранка, советский ученый К.Страхович теоретически доказал возможность охлаждения вращающегося потока, поведав об этом в учебнике. Но и это осталось без внимания.

Только когда в 1946 году немецкий физик Р.Хильш опубликовал исследования по работе вихревой трубы, ученый мир отнесся к ней с интересом и назвал трубой Ранка — Хильша. Вот как она устроена (рис. 1.).

Сжатый газ от внешнего источника поступает во входное сопло, создающее в трубе вращающийся поток. Он движется к концу трубы и встречает стенку с отверстием регулировочного вентиля. Часть газа уходит наружу через это отверстие. Другая часть потока, отражаясь от стенки, поворачивает обратно. Таким образом, поток в трубе становится двухслойным. Внешний его слой движется от сопла к стенке, а внутренний — от стенки к соплу. Кроме того, эти слои еще и вращаются в одном и том же направлении.

Газ, находящийся во внутреннем слое, отдает часть своей кинетической энергии внешнему слою. За счет этого внешний слой потока разогревается, а внутренний охлаждается. Его выводят наружу через отверстие в передней стенке трубы.

Таким образом, мы имеем два потока: холодный и горячий.

Горячий поток отводит за пределы вихревой трубы тепло, отнятое у холодного потока. Вместе с ним теряется до 70 % сжатого газа. Но если вихревую трубу охлаждать снаружи, например, при помощи «рубашки», по которой протекает вода, то с обеих ее сторон будет вытекать холодный газ. Тогда расход сжатого газа уменьшается более чем вдвое.

Следует отметить, что затраты энергии для получения холода с помощью трубы Ранка примерно в 20 раз выше, чем у обычного холодильника. Но, несмотря на это, в ряде случаев она незаменима.

На рисунке 2 изображен защитный костюм сталевара, оснащенный ранцевым вихревым холодильником.

Вес холодильника 1–2 кг, он получает сжатый воздух по шлангу от заводской сети. Выходящий из вихревой трубы охлажденный поток направляется в костюм и защитную маску для дыхания. Создающееся небольшое избыточное давление надежно защищает человека от попадания под маску вредных примесей, содержащихся в атмосфере цеха. Поэтому костюмы такого типа используются и на химических производствах, где температура порою превышает 60–70 градусов, а воздух содержит влагу и ядовитые примеси. Вспоминая жаркое лето, кто-нибудь невольно подумает о подобном костюме.

Несмотря на низкий КПД, были созданы вихревые холодильники для хранения пищевых продуктов. Правда, ставятся они не в жилых домах, а в кабинах локомотивов. Здесь обычный бытовой холодильник быстро выходит из строя из-за вибраций. Для вихревой трубы они не помеха. Воздуха для ее работы в изобилии, его берут от тормозной системы локомотива. Правда, вихревая труба сильно шумит. Но услышит ли машинист шипение струйки воздуха, когда за спиной у него работает дизель на 5–6 тысяч киловатт?

Вихревые холодильники широко применяются для охлаждения кабин комбайнов, автобусов, морских судов и самолетов, словом, везде, где достаточно сжатого воздуха.

И даже там, где его немного. Мы не случайно упомянули электронику. Предел чувствительности некоторых электронных схем бывает обусловлен собственными тепловыми шумами первого каскада усилителя. Чтобы их снизить, транзисторы приходится охлаждать до температуры минус 70° и ниже. Здесь тоже используют вихревую трубу. Размер ее в таких случаях невелик: длина 10 мм при внутреннем диаметре 1 мм.

На рисунке 3 изображена схема демонстрационной вихревой трубы, которая могла бы показать снижение температуры на 2–3 градуса.