Журнал «Юный техник» - Юный техник, 2001 № 12
Длина… ок. 15 000 мм
Ширина… ок. 2500 мм
Высота (с токосъемником) около… 4000 мм
Кол-во пассажиров… 56
ПОЛИГОН
Вихревая труба
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.
Для ее изготовления можно использовать оргстекло с просверленными каналами или медную трубку от старого холодильника диаметром 2 мм. Регулировка потока горячего воздуха осуществляется при помощи заточенного на конус винта. А работать такая вихревая труба может от автомобильного электрического компрессора.
Во время демонстрации (рис. 4) используются два термистора, соединенных по схеме моста, в диагонали которого установлен гальванометр. Один термистор должен обдуваться холодным воздухом, другой — теплым.
Демонстрацию начинают с балансировки моста при полностью вывернутом вентиле. Ввертывая вентиль, можно заметить отклонение стрелки нуль-индикатора, которое покажет, что на горячем конце вихревой трубы температура повышается. а на холодном снижается.
В заключение отметим, что вихревая труба Ранка-Хильша, несмотря на свой почтенный возраст, все еще открывает множество неожиданных свойств. Как недавно выяснилось, она может разделять газы по химическому и даже изотопному составу. В ней прекрасно горит любое топливо, в том числе и твердое. Вихревая труба может работать не только на газах, но и на жидкостях.
Потому стоит поэкспериментировать с вихревой трубой. Самая лучшая книга о ней была написана в 1976 году А.Мартыновым и В.Бродянским. Называется она «Что такое вихревая труба?» (Москва, издательство «Энергия»).
А. ИЛЬИН
Рисунки автора
МОЗАИКА ИНТЕРНЕТА
РЫБЫ СВЕТЯТСЯ ОТ ЯДА
Эти крохи — их длина всего 2 сантиметра — с недавних пор чутко реагируют на появление в воде вредных веществ, мигом меняя свою окраску. Этому их научили ученые из университета Цинциннати (США), внедрившие рыбам ген светлячка. Так что теперь рыбы мерцают тревожным светом, если в воде обнаруживают вредные вещества, например, тяжелые металлы или канцерогены, вызывающие заболевания раком.
— Этих «улучшенных» рыбок можно будет использовать для проверки воды в реках, озерах и колодцах, — отмечает Дэниел Неберт, творец этих «трансгенных» существ. — На здоровье же самих рыб подсадка гена никак не сказывается…
К сказанному остается добавить, что новый метод диагностики воды более быстр и дешев, чем традиционный химический анализ.
Адрес в «Интернете»: [email protected]
ВЫШЕЛ РОБОТ НА ПОЛЯ
Израильский агроном Охад Хессель создал при Хайфском университете ферму, на которой всеми делами вершат роботы. Поддоны с растениями располагались в отдельных металлических контейнерах. Роботы вовремя включают свет, поливают растения и подкармливают их. Даже посев и сбор урожая происходят автоматически.
«Таким образом с одного контейнера длиной 12 и шириной 2,5 метра можно собирать каждый день до пятисот головок салата — в 1000 раз больше, чем на обычном поле!»— сообщает Хессель.
По словам изобретателя, его роботы приживутся в регионах с суровым климатом, в высокогорных районах и даже на орбитальных станциях. «Нужно лишь запрограммировать время, и тогда урожай будет собран вовремя и полностью», — отмечает ученый.
Адрес в «Интернете»: www.orgsni-tech.com
ЗАОЧНАЯ ШКОЛА РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ
Выше добротность — лучше прием
Принципиальная схема несложной приставки прямого усиления, повышающей чувствительность радиоприемников, приведена на рисунке 1.
Работает приставка в средневолновом диапазоне. Ночью, напомним, на средних волнах можно поймать весьма удаленные станции. На схеме: элементы WA, Ск, Lк — магнитная антенна с контурной катушкой и секция блока конденсаторов переменной емкости, уже имеющиеся в конструкции приемника; Lс — штатная катушка связи входного контура со смесителем преобразователя или с каскадом усиления радиочастоты. Вновь вводимый узел содержит микросхему DA1, несколько навесных деталей и катушку обратной связи L1, надеваемую на стержень магнитной антенны рядом с катушкой Lк. Первый каскад DA1 включен по схеме эмиттерного повторителя, благодаря чему имеет высокое входное сопротивление; будучи присоединен выводом 6 к цепи катушки Lc, он практически не создает дополнительной нагрузки на входной контур Lк, Ск. С выхода эмиттерного повторителя сигнал поступает на второй, также «спрятанный» в микросхеме, каскад усиления; с его коллекторной нагрузки R2 снимается значительно усиленный сигнал, поступающий в катушку обратной связи L1. При правильном положении последней ее магнитный поток усиливает поток от катушки Lк, что равносильно снижению потерь в контуре. Благодаря увеличению добротности контура, принятый сигнал воспроизводится громче, снижаются или пропадают вовсе помехи от сигналов радиостанций, работающих на близких частотах. Но если обратная связь излишне велика, приемник самовозбуждается.
