Применение вихревого эффекта энергетического разделения газов

методология проектирования новых технических устройств на уровне изобретений

Бирюк В.В., Васильев В.К., Угланов Д.А., Горшкалёв A.A., Шиманов A.A.

применение вихревого эффекта энергетического разделения газов

Вихревой эффект, или эффект Ранка-Хилша, проявляется в закрученном потоке вязкого сжимаемого газа и реализуется в простом устройстве - вихревой трубе (ВТ). Его физическая сущность состоит в том, что подаваемый через спиральный сопловой ввод сжатый газ закручивается в осесимметричном канале и в нем происходит энергетическое разделение газа по температуре и давлению. Приосевой поток (вынужденный вихрь) имеет энтальпию меньшую исходного, а периферийный (квазипотенциальный) энтальпию выше исходного. Основные виды вихревых энергопреобразователей хорошо изучены экспериментально и теоретически. К ним относятся: делящая ВТ, охлаждаемая ВТ, самовакуумирую-щаяся ВТ, двухконтурная ВТ, вихревой вакуум-насос-эжектор. ВТ по надежности, ресурсу, простоте обслуживания, массогабаритным характеристикам превосходит другие типы энергопреобразователей. работы по использованию вихревого эффекта успешно проводились. Это прежде всего индивидуальные кондиционеры для технического персонала, системы термостатирования электронного оборудования, вихревые эжекторы для вентиляции помещений, транспортировки воды для первоначальной запитки центробежных насосов - откачки жидкости, моющих устройств с локализацией зоны мойки, полного сбора продуктов мойки и возможность их локализации. работы по применению свойств вихревого эффекта представляют значительный интерес.

Одним из перспективных видов нетрадиционной энергетики является вихревая энергетика, которая представляет собой технологии использования кинетической энергии закрученных потоков сплошной среды: газа и жидкости для преобразования её в градиент температуры и давления.

Интерес к исследованию вихревых течений поддерживается в мире длительное время - вихревые структуры систематически выявляются во многих исследуемых физических процессах.

Вихревые (закрученные) потоки сплошной среды представляют собой один из важнейших и исключительно трудных разделов механики жидкостей и газов.

Они характеризуются специфическими, принципиально отличающими их от осевого движения свойствами, такими как возникновение вторичных течений, активное и консервативное воздействие на структуру среды, трёхмерный характер осредненных пульсационных параметров, анизотропия характеристик переноса импульса, высокие градиенты скорости, давления и т.д.

Наиболее полно эти свойства проявляются в «вихревых трубах» - устройствах, реализующих эффект энергетического разделения закрученных потоков, известный как «эффект Ранка» или «вихревой эффект».

Закрученные потоки жидкости и газов широко распространены в различных явлениях природы: они имеют место при формировании циклонов, смерчей и торнадо в атмосфере, при течении рек и опорожнении крупных водоёмов, при возникновении масштабных струйных течений в морях и океанах, в гидробиологии, в зоологии и т. д.

Использование закрученных потоков в последние годы получает всё большее распространение: в авиакосмической технике, в технологических тепломассооб-менных процессах и аппаратах химической, пищевой и медицинской промышленности, в технологиях агропромышленного и коммунального комплекса.

Отличительной особенностью вихревых аппаратов является их простота, отсутствие движущихся деталей, безинерционность, малый вес и надежность конструкций. Вихревые технологии - это, пожалуй, единственный случай, когда энергия турбулентности используется для совершения полезной работы.

Вихревой эффект, или эффект Ранка-Хилша, проявляется в закрученном потоке вязкого сжимаемого газа и реализуется в простом устройстве - вихревой трубе (ВТ). Его физическая сущность состоит в том, что подаваемый через спиральный сопловой ввод сжатый газ закручивается в осесимметричном канале и в нем происходит энергетическое разделение газа по температуре и давлению. Приосевой поток (вынужденный вихрь) имеет энтальпию меньшую исходного, а периферийный (квазипотенциальный) энтальпию выше исходного.

Рисунок 1 - Схема вихревой трубы 1 - гладкая труба, 2 - тангенциальное сопло, 3 - входная улитка, 4 - диафрагма, 5 - дроссель

Таким образом в ВТ происходит разделение подаваемого тангенциально к внутренней поверхности трубы потока газа на два потока, один из которых -

issn 2313-1160

периферийный - имеет температуру выше температуры исходного газа, а второй - центральный - соответственно ниже. Холодный и горячий потоки выводятся из торцов трубы через отверстие в диафрагме и дроссель соответственно (Рис. 1).

До настоящего времени ведётся интенсивное экспериментальное и теоретическое исследование вихревого эффекта энергоразделения. Установлено, что течение в ВТ отличается интенсивным турбулентным режимом, наиболее вероятны пульсации скорости в радиальном направлении (Рис. 2). Периферийный (потенциальный) вихрь вращается по закону, близкому к циркуляционному с распределением окружной скорости V9 по радиусу r: V9 х rn= const, где n ~ 1,0. Приосевой (вынужденный) вихрь вращается по закону, близкому к закону вращения твердого тела: V9/rn = const, где n~1,0 [1]. Термодинамическая эффективность процесса энергоразделения в ВТ определяется степенью расширения в ней п=Р1/Рат, где Р1 - давление сжатого газа на входе в сопло, Па; Рат - давление среды, в которую происходит истечение, Па.; долей холодного потока p=Gx/Gвх, где Gx - массовый расход холодного потока, Gbx - массовый расход сжатого газа, подаваемого в ВТ.

Гвг. Ptt Fe -—д—н~

г*

4 Рг

Рисунок 2 - Распределение скоростей в ВТ

Наиболее убедительно отражает сущность физических явлений и позволяет полно математически описывать характеристики закрученных потоков гипотеза взаимодействия вихрей, выдвинутая А.П. Меркуловым и получившая развитие в работах его учеников и последователей. Она обобщила весь имеющийся в настоящее время теоретический и экспериментальный материал. На основании этой гипотезы появилась возможность рассчитать предельные характеристики вихревого эффекта в предположении, что в сопловом сечении полностью завершен теплообмен между свободным и вынужденным вихрями. Суть этой гипотезы сводится к следующему: после истечения из тангенциальных сопел поток газа образует свободный вихрь, который распространяется до определённого радиуса и смещается вдоль оси трубы к дросселю. свободный вихрь является устойчивым к силам внутреннего трения и не разрушается ими. Вихрь может начать разрушаться только на своих радиальных границах за счёт трения о стенку и взаимодействия с приосевыми элементами. Интенсивность его закрутки при этом падает из-за снижения окружных скоростей при движении вихря вдоль трубы к дросселю, умень-

шается радиальный градиент статического давления в вихревом потоке и вихрь все ближе распространяется к оси. Уменьшение радиального градиента, в свою очередь, вызывает осевой градиент статического давления, который вынуждает попавший в приосевую область газ изменять своё первоначальное направление осевого движения на противоположное и двигаться к сопловому сечению. В процессе перехода в приосевую область элементы газа интенсивно турбулизируются. Высокая турбулентная вязкость вынуждает приосевой поток вращаться по закону твёрдого тела. Обратный приосевой поток по мере продвижения к сопловому сечению закручивается все более интенсивным свободным вихрем. Кроме передачи кинетической энергии вращения от свободного к вынужденному вихрю между ними происходит интенсивный турбулентный теплообмен при высоком градиенте статического давления, нормального к средней скорости движения потока.

Эта гипотеза позволяет оценивать предельные возможности вихревого эффекта в предположении, что в сопловом сечении полностью завершился энергообмен между вихрями.

Использовав законы распределения скоростей по радиусу для свободного и вынужденного вихрей, условия механического равновесия газа, изоэнтропно-го распределения статической температуры по радиусу вынужденного вихря, механической и тепловой сопряженности вихрей, можно получить выражения для распределения параметров по радиусу соплового сечения, а при заданной геометрии - определить среднеинтегральную температуру холодного и горячего потоков ВТ как функцию от основных параметров ВТ. Для относительной температуры холодного и горячего потоков ВТ эти зависимости таковы [1]: 0х = 0 (л,|^с ^д ); 0г = 0' (л^с 4д ).

Они дают качественное соответствие с экспериментальными характеристиками ВТ, а также описывают явление реверса ВТ (0х>1 при ц^-0) и указывают на возможность получения охлаждения при р=1 в охлаждаемых ВТ или при р>1 в двухконтурных ВТ. Однако действительные характеристики ВТ отличаются от предельных в силу неизотропности процесса (турбулентное трение между вихрями) и геометрических особенностей различных конструкций.

Для уточнения характеристик ВТ необходимо учесть потери полного давления газа при его истечении через сопловой ввод (газодинамический расчёт), а также регенерацию тепла при противоточном движении охлажденного и подогретого периферийного потоков газа в камере энергетического разделения (термодинамический анализ).

Аналитическое решение задачи движения интенсивно закрученных потоков может быть получено лишь при принятии существенных упрощающих предпосылок, что приводит к потере важных для анализа и практического использования результатов.

Таким образом, единственной возможностью создания методик расчета вихревых энергоразделителей на этапе проектирования и разработки новых перспективных устройств является развитие физико-математических моделей, достоверность которых определяется по оценкам в процессе сравнения с резуль-

татами натурных экспериментов.

В настоящее время сравнительно низкая термодинамическая эффективность ВТ является причиной их узкоспециального хотя и широкого использования, когда их простота конструкции и надёжность, особенности технологического процесса позволяют использовать вихревые устройства для охлаждения и кондиционирования. ВТ находят применение и тогда, когда для технологического процесса используются как холодный, так и горячий потоки. Обычно это периодическое и регулярное охлаждение и нагревание различных объектов.

Основные виды вихревых энергопреобразователей хорошо изучены экспериментально и теоретически. К ним относятся: делящая ВТ (Рис. 3), охлаждаемая ВТ (Рис. 4), самовакуумирующаяся ВТ (Рис. 5), двухконтурная ВТ, вихревой вакуум-насос-эжектор (Рис. 6).

Рисунок 3 - Делящая ВТ

0.8 W 12 в, T/J-

Рисунок 4 - Охлаждаемая ВТ

Рисунок 5 - Самовакуумирующаяся ВТ

Рисунок 6 - Вихревой вакуум-насос-эжектор

Наиболее широко ВТ используются в индивидуальных кондиционерах или при местном термостатировании отсеков с аппаратурой. При проектировании вихревых кондиционеров необходимо учитывать опыт экспериментальных исследований [2].

Такие параметры, как диаметр и длина вихревой зоны, диаметр диафрагмы холодного потока, длина лопастей крестовины тормоза, должны рассчитываться, а положение крестовины по оси вихревой камеры и величина открытия дросселя горячего потока должны подбираться при регулировке ВТ по оптимальной температуре холодного потока или холодопроизводительности. По результатам опытов оптимальной является длина лопастей, которую можно задавать как 1-2 диаметра ВТ. При большой длине лопастей наблюдается появление вибраций, что свидетельствует о наличии резонанса при совпадении частот колебаний вихревых потоков и вихревой камеры. Данный режим работы ВТ отличается наибольшей эффективностью процессов теплопереноса в вихревых однофазных потоках. Существенное влияние на работу ВТ оказывает влажность воздуха, как подаваемого в ВТ, так и в помещении. Этот вывод подтверждается тем, что при работе на влажном воздухе происходит образование льда на диафрагме, что изменяет условия работы ВТ и эффективность теплопереноса в вихревых потоках.

Попытки применения ВТ для кондиционирования воздуха сдерживались существенными затратами энергии на ее работу. Повысить эффективность использования ВТ в кондиционерах воздуха возможно за счёт совместной работы двух вихревых устройств ВТ и вихревого диспергатора-распылителя жидкости. Нагретый поток воздуха из ВТ направляется в диспергатор-распылитель, где производит диспергирование и распыление воды. Частицы распылённой воды размером 5...20 мкм направляются в теплообменник, где, испаряясь, охлаждают воздух. Сочетание охлаждённого воздуха, подаваемого из вихревого энергоразделителя, с увлажненным и охлажденным воздухом из вихревого диспергатора-рас-пылителя жидкости позволяет регулировать температуру и влажность воздуха в кондиционируемом помещении. При этом полезно используется весь сжатый воздух, подаваемый для питания вихревого энергоразделителя, что значительно повышает эффективность работы кондиционера (рис. 7).

Рисунок 7 - Вихревой кондиционер

Охлаждаемая ВТ имеет довольно высокий адиабатный КПД по сравнению с детандером (пад = 0,42). При этом температура газа может быть ниже, чем температура потока охлаждающего корпус вихревой трубы.

Самовакуумирующаяся ВТ позволяет получать очень низкие температуры на стержне-тепловоде, расположенном на оси ВТ. Перепад температур входящего воздуха и стержня достигает 100К (рис. 9).

Рисунок 8 - Самовакуумирующаяся ВТ

Двухконтурная ВТ является эффективным теплообменным аппаратом и может работать при |>1 достигая при этом пад = 0,5, на её базе созданы эффективные вихревые горелки.

Вихревой насос-эжектор применялся для эффективного проветривания загазованных помещений и повышения уровня жидкости для первоначальной заливки входных каналов корабельных центробежных насосов.

На базе вихревых устройств разработан принципиально новый «вихревой»

способ очистки и мойки плоских и слабо искривлённых поверхностей. Основным принципом работы вихревой моющей установки является создание кругового движения воздуха над участком поверхности, покрытой вихревой моющей головкой, имеющей быстровращающуюся щетку-активатор. За счет создаваемого в магистрали вакуума, вместе с продуктами мойки интенсивно удаляются и летучие составляющие, обеспечивая чистоту атмосферы на участке мойки. Вакуум обеспечивает также необходимое прижатие моющей головки к обрабатываемой поверхности: для обработки любой поверхности необходимо только перемещать моющую головку по обрабатываемой поверхности, что значительно упрощает процесс очистки.

Основным рабочим органом вихревой моющей установки является вихревая моющая головка (рис. 9), имеющая опрокинутый тарельчатый корпус, снабженный по периферии щеточным венцом и тангенциальными соплами. Внутренняя часть головки через центральный патрубок соединена гибким шлангом с системой ва-куумирования, внутри шланга пропущена трубка подачи моющей жидкости. Во внутренней полости моющей головки имеется вращающаяся щетка-активатор.

рисунок 9 - Вихревая моющая установка и моющая головка

На базе технологий вихревых моющих установок разработан отечественный вихревой моющий пылесос, функционально не уступающий лучшим зарубежным образцам моющих пылесосов типа «КАШВАЬЬ».

Технические характеристики моющего пылесоса: - мощность электрического привода 0,8- 1,2 кВт;

- создаваемый вакуум 1000- 1500 мм водн. ст.;

- секундный расход воздуха 30-30 л/с;

- производительность мойки 2-4 кв.м/мин;

- объём моющей жидкости 8-25 л;

- расход моющей жидкости 0,01 -0,2 л/кв.м;

- масса установки 15 — 30 кг:

- диаметр вихревой моющей головки 130-165 мм;

- габарит 600 х 400 х 500 мм.

Вихревые мойки особенно удобны для мойки в замкнутых объемах техники, уборки производственных помещений с повышенным жировым загрязнением, где для уборки необходимо использовать специальные моющие средства. Вихревые дезактивирующие установки успешно использовались при ликвидации последствий аварий на чернобыльской АЭС для удаления радиоактивного загрязнения с плоских поверхностей (пол, стены, перекрытия).

Вихревой гидравлический теплогенератор - это одно из направлений в решении задачи обеспечения потребностей промышленности тепловой энергией. ВГТ - устройство, вырабатывающее тепло посредством изменения физико-механических параметров жидкостной среды при её течении под комплексным воздействием ускоренного и заторможенного движения. Ускорение потока достигается путем создания вихря в системах закрутки потока вихревого теплогенератора с одновременным сужением потока в конфузоре, а торможение - последующим его расширением в кавитационной трубе теплогенератора и развихрением потока на выходе из кавитационной трубы. Коэффициент преобразования энергии в ВТГ составляет 0,6.. .0,96.

Система теплоснабжения на базе ВГТ (Рис. 10) содержит систему закрутки потока 1, кавитационную трубу 2, развихритель 3, теплопередающие устройства (теплообменник, батареи, калориферы и т. п.) 4, гидронасос 5, с электродвигателем 6 и пульт управления работой теплогенератора 7.

Особенности вихревых гидравлических теплогенераторов:

- устройство экологически чистое, отсутствует необходимость сжигания углеводородных топлив (уголь, нефть, газ ...);

- отсутствуют нагревательные элементы;

- электроэнергия используется только для питания привода гидронасоса;

- отсутствует необходимость в водоподготовке;

- могут нагревать жидкость любого происхождения (вода, нефть, газовый конденсат...);

- обеспечивают автоматическое поддержание температуры теплоносителя в заданном диапазоне температур;

- экономичны в эксплуатации и обслуживании.

Рисунок 10 - Схема децентрализованной системы теплоснабжения на базе ВГТ

Для применения определенного вида вихревого устройства необходима тщательная техническая и экономическая проработка системы.

литература

1. Меркулов А.П., Вихревой эффект и его применение в технике. - М.: Машиностроение, 1969 г., 182 с.

2. Серебряков Р. А., Бирюк В.В., Практическое применение вихревого эффекта, ж. Конверсия, №10,1994 г., с.19-20.