Однако, располагая водоструйным компрессором с давлением в несколько атмосфер, наш попаданец легко может построить простой и компактный вихревой холодильник, способный как охлаждать большие объемы воздуха, так и поддерживать почти криогенную температуру в небольшом замкнутом объеме. Относительно доступных альтернатив такое устройство обладает неоспоримыми преимуществами. Это достойный (по крайней мере, по сравнению с альтернативами) КПД и холодопроизводительность, относительная простота изготовления и дешевизна. Кроме того, такой холодильник, включая и компрессор, не имеет ни единой движущейся детали — там просто нечему ломаться и капризничать! Единственный минус — сильный шум. Но этот недостаток легко исправить, поместив холодильник в глубокий подвал и снабдив звукоизоляцией.

Cхема устройства также довольно проста — она содержит водоструйный компрессор, который одновременно служит источником вакуума и высокого давления, а также предварительным охладителем и осушителем воздуха перед подачей во второй каскад, две вихревых трубы, теплообменники и один клапан.
Как нетрудно догадаться, холодильник двухкаскадный.

На первом каскаде не важна сильная разница температур, а больше интересна максимальная холодопроизводительность. Поэтому здесь применена двойная вакуумируемая труба со стопроцентной долей холодного потока. Она присоединяется к всасывающему воздухозаборнику компрессора и питается через многосопловые вводы от атмосферы. Холодильные вихревые трубы довольно чувствительны к влажности рабочего воздуха (высокая влажность из-за выделяемого при фазовых превращениях воды тепла отнимает несколько процентов КПД). Вакуумируемые ВТ, в которых поток не сжат, а наоборот, особенно эффективны в качестве холодильника.

Предположим, что окружающий воздух имеет температуру  в 30-35°C, а вода в речке градусов 20°C. На вход первой трубы воздух можно подавать через противоточный водяной теплообменник, после которого он будет охлажден до 20-25°C. На выходе же с первого каскада весь воздух будет иметь либо слабую плюсовую, либо уже примерно нулевую температуру. Тепло горячего потока этой трубы поглощается охлаждающей водяной рубашкой. Используется поток воздуха с этого каскада в первом из двух воздушных противоточных теплообменников, для предварительного охлаждения сжатого потока, который подается из компрессора на второй каскад.

Нагревшийся в теплообменнике поток от первой трубы подается на вход компрессора, где он сжимается и осушается с одновременным поглощением тепла сжатия и конденсации водой. Сжатый поток охлаждается в этом самом теплообменнике от холодного потока первого каскада почти до 0°C, затем еще ниже во втором теплообменнике от отработанного потока из холодильной камеры, и подается на вход второй трубы.

На втором каскаде уже не получится применить охлаждаемую трубу — наружная вода будет теплее горячего потока.
Поэтому здесь применяется обычная адиабатная труба, работающая на избыточном давлении примерно в 3 атмосферы с выхода компрессора.

У этой трубы три режима работы.
Первый режим предназначен для максимально быстрого охлаждения холодильной камеры от исходной плюсовой температуры. Доля холодного потока в таком режиме составляет примерно 60%, температура -15…-20°C.
Второй режим предназначен для более глубокой заморозки. Доля холодного потока в нем составляет примерно 30%. Именно при таком соотношении на холодном конце получается самая низкая температура -30…-40°C.
Эти два режима выставляются заслонкой на горячем конце трубы.
И наконец, третий режим, предназначенный для термостатирования уже хорошо замороженных небольших объектов. В этом режиме к потребителю подается только в районе 3% от общего потока, которые отдельно выводятся из самого центра холодного и имеют очень низкую температуру — до -60°C. Этот режим переключается клапаном смешения центральной и боковой частей холодного потока.
Горячий поток с противоположного конца трубы подается в воздушный эжектор, где он дополнительно подсасывает холодный поток, проходящий через  холодильную камеру и теплообменник, ускоряя в них теплообмен.

Конечно, подобный холодильник может работать только на относительно небольшой объем — целый подвал или ледник им на жаре быстро не заморозить. Но вот поддерживать в таком подвале температуру, аналогичную современным бытовым холодильникам, при которой долго хранятся продукты — запросто.

А при более глубокой заморозке хорошо теплоизолированной камеры уже становится доступным изготовление того же мороженого и технологические шаги производства, требующие обработки холодом.

И еще один плюс такого холодильника — его не надо размораживать и чистить ото льда. В нем почти не будет наледи, потому что охлаждающий поток очень сухой.

В реальной истории этому уровню соответствует где-то начало-середина XIX века. Все, что появилось позже, для попаданца табу и «рояль».
Но оказывается, существуют малоизвестные широкой публике явления и технологии, которые были открыты или разработаны совсем недавно, уже в индустриальную эпоху, но отличаются простотой и вышеописанных ограничений не имеют. Такое «отложенное» открытие часто не случайно — несмотря на простоту, для своего открытия подобные вещи требуют в виде предпосылок либо существования продвинутых технологий, либо высокоразвитой науки, являясь, так сказать, «побочным продуктом» развития цивилизации. Возьмем вот водоструйный насос. Штука вроде бы простая до упора, но чтобы додуматься до принципа и получить эффективное устройство, нужно действовать целенаправленно, в соответствии с некой теоритической базой.
Именно это сочетание простоты и исчезающе малой вероятности, что для чего-то подобного додумаются аборигены, делает такие технологии для попаданца очень лакомым кусочком.

Вихревой эффект — как раз таки одно из таких недавно открытых и довольно-таки загадочных явлений. Теоретический аппарат, объясняющий это явление, так до конца и не разработан, но это не мешает с успехом его использовать. Причем именно уникальное сочетанием свойств — крайней простоты, дешевизны, технологичности, стопроцентной надежности и полного отсутствия требований к обслуживанию — часто обеспечивает выбор в пользу вихревых устройств даже при наличии гораздо более эффективной, но более дорогой и капризной альтернативы.

Суть явления одновременно очень проста и удивительна. При создании в открытой с двух сторон трубе с помощью тангенциального ввода потока сжатого газа 1 сильного кругового движения (вихря), происходит его разделение на два противоположных по направлению потока, один из которых(внутренний приосевой 2) относительно входного потока охлажден, а другой(внешний 3) нагрет. То есть такая труба начинает одновременно работать с одного конца холодильником, а с другого — нагревателем!

Вихревой эффект был открыт абсолютно случайно в 1931 году французским инженером Жозефом Ранком при опытах с промышленными циклонами. Он же разработал конструкцию вихревой трубы и взял первый патент. Несмотря на то, что труба реально работала, французские академики научное сообщение Ранка чуть ли не высмеяли. Очень уж эта штука напоминала пресловутую научную байку — так называемого «демона Максвелла», который обладает волшебным свойством разделять быстро и медленно двигающиеся молекулы.

Лишь после Второй Мировой, в 1946 году, Роберт Хилш опубликовал свои проведенные с немецкой педантичностью опыты, попутно предложив усовершенствования конструкции трубы, и явление получило известность по всему миру. Он же ввел классические критерии и величины, которые используются в рассчетах до сих пор. Часто вихревую трубу по имени своих создателей называют трубой Ранка, или Ранка-Хилша. Ученые в разных странах взялись за исследования и эксперименты. Одной из ведущих и самых плодовитых школ была советская, и как это ни странно, до сих пор все еще остается таковой российская. Честно говоря, я был удивлен обилием дельных российских патентов на эту тему и количеством производящих такие установки заводов, фирм и институтов.

На практике работа трубы выглядит примерно так:

Оригинальная труба Ранка представляла из себя обычный металлический цилиндр с простым тангенциальным односопловым вводом и диффузором или конфузором на конце для усиления соответствующего температурного эффекта.
За годы исследований и опытов были оптимизированы конструкция и режимы работы устройства. Близка к оптимальной схема, разработанная советским конструктором Владимиром Ивановичем Метениным.
Сжатый газ подается через тангенциальное сопло 1 в улитку 2, где устанавливается интенсивное круговое течение. При этом возникает неравномерное поле температур. Слои газа, находящиеся вблизи оси, оказываются на ΔT_х более холодными, чем входящий газ, а периферийные слои закрученного потока нагреваются на ΔT_г. Часть газа μ в виде холодного потока отводится через диафрагму 3, насадок 4 и щелевой диффузор 8, а другая часть (1-μ) нагретого газа отводится через насадок 5 и лопаточный диффузор 6 с сеткой 7. Работу вихревой трубы можно регулировать дроссельной заслонкой на теплом потоке.

При использовании в качестве холодильника еще одна важная характеристика трубы — холодильный КПД:

η_t = μΔT_х/ΔT_s,

где ΔT_х — реальная разница температур, μ — доля холодного потока, ΔT_s — максимально возможная разница температур в идеальном процессе раширения газа с отдачей работы.

В общем и целом вихревой эффект работает из-за того, что внешний поток отнимает энергию у внутреннего. На рисунке заметно, что камера смешения имеет выраженную конусность в 1-3°. Это улучшает условия теплообмена потоков по всей длине трубы, а значит, и разность выходных температур. Существуют и дальнейшие, иногда тоже совсем неочевидные усовершенствования. Например, выяснилось, что сложное турбулентное закручивание входного потока и возбуждение в нем поличастотных звуковых колебаний увеличивают температурный эффект. Поэтому и на входное сопло, и в выходной диффузор горячего потока часто устанавливают различные развихрители и турбулизаторы. Обратите внимание, что рабочий на фото в наушниках. Труба во время работы действительно здорово шумит.

Кроме того, ввод оказалось лучше делать многосопловым, строго по касательной к стенке. На поверхности камеры разделения или улитки можно предусмотреть продольные пазы, также увеличивающие температурный эффект в ту или иную сторону в зависимости от формы. Можно использовать энергию и давление горячего потока для подсасывания дополнительного воздуха в холодный или его ускоренного эжектирования через теплообменную камеру. Можно разделить приосевой поток на фракции, подавая к потребителю только самую холодную (при некоторых условиях аж до -130°С) его часть.

Можно подогревать или охлаждать входной поток отработанным выходным через теплообменник. Если высокое входное давление позволяет, трубы можно соединять каскадами, комбинируя в сложную схему с теплообменниками для оптимизации нужного эффекта.
Все это относится к неохлаждаемым, или адиабатным, трубам.

Но оказывается, что если камеру обмена охлаждать (лучше всего водой), то бишь дополнительно отнимать тепло у внешнего горячего потока, то это приведет к дополнительному охлаждению холодного. Причем, чем меньше доля холодного потока μ, тем сильнее увеличится ΔT_х. Соединив горячие выходы камер двух таких труб, получим трубу со стопроцентным холодным потоком и увеличенной холодопроизводительностью.

Как показывает опыт, такая труба почти не чувствительна к температуре охлаждающей воды (то есть отлично работает даже в тропиках) и не требует большой поверхности обмена — не нужен сложный радиатор.

Ровно такой же, но противоположный по знаку эффект имеет место при дополнительном нагреве трубы.

Подобные усовершенствования выводят КПД трубы на уровень 0.4 и даже выше — совсем неплохо для такого простого и дешевого аппарата!

В общем, разработка технологии активно продолжается, что обеспечивает вихревым устройствам все более широкие возможности для конкуренции.

ВТ сейчас широко используют для кондиционирования (все помнят такие маленькие поворотные сопла в самолетах или междугородных автобусах?), для подогрева или охлаждения лопастей турбин и вертолетов при работе, в небольших холодильниках для транспорта с бортовой пневмосетью, для начального подогрева пара с одновременным охлаждением конденсатора при пуске сверхмощных паровых турбин, для подогрева/охлаждения при понижении давления природного газа на газораспределительных станциях, для охлаждения процессоров (часто совместно с элементами Пельтье), и так далее. Да и в обычных промышленных холодильных установках ВТ по совокупности свойств часто оказываются оптимальными — вредных и капризных аммиака или фреонов они не используют и никогда не ломаются.

Кроме того, как и в обычном циклоне, при работе ВТ горячий поток всегда оказывается обогащен более тяжелыми частицами и молекулами(например, пылью, частицами конденсата, кислородом, водой или углекислотой), а холодный — более легкими (например, азотом). И чем выше скорость вихря, тем более выраженным становится эффект. На этом свойстве вихревых труб основано их применение для отделения газоконденсата от природного газа и разделения фаз, в том числе и в криогенной технике для разделения компонентов воздуха.

Еще одно важное применение ВТ основано на свойстве создавать сильно пониженное давление в центре приосевого холодного потока. Если вместо выходного диффузора на холодном конце сделать тонкий сопловой ввод, труба начнет активно отсасывать через него воздух — превратится в вакуумный насос! Возможно, кому-то знакомо название довольно распространенных советских аппаратов: ДКМ и «Вихрь».

С учетом всего этого для нашего попаданца вихревая техника — просто непаханное поле работы. Правда, необходимое уловие — наличие у него насоса, но это решаемо. В качестве материала ВТ отлично подходят керамика или стекло. И уж совершенно точно, например, что вихревой холодильник без проблем выдержит конкуренцию с винтажным паровым, а по простоте и доступности даст ему сто очков вперед.

Литература:

Меркулов А.П. «Вихревой эффект и его применение  в технике»
Суслов А.Д., Иванов С.В., Мурашкин А.В., Чижиков Ю.В. «Вихревые аппараты»
Патент РФ 2041432 — «Вихревая труба В.И.Метенина»
Азаров А. И. «Вихревые трубы нового поколения»