Развитие методов расчета и промышленное использование вихревого эффекта

При решении задач обеспечения жизнедеятельности как человека, так и машин и механизмов, в первую очередь радиоэлектронного оборудования, основным является поддержание комфортного теплового режима. Более 70% отказов электронной аппаратуры связано с нарушением теплового режима, что приводит к огромным убыткам в народном хозяйстве. Для термостабилизации оборудования создано большое семейство разнообразных средств и методов охлаждения, среди которых абсорбционные, парокомпрессионные, газовые холодильные машины. Эти агрегаты, выполняя вспомогательные функции и фактически не участвуя создании новой продукции и услуг, требуют для поддержания своей работоспособности больших затрат на эксплуатацию и ремонт. Указанных принципиальных недостатков лишен холодильный аппарат без подвижных частей — ВИХРЕВАЯ ТРУБА — устройство для разделения потока сжатого газа, тангенциально вводимого в камеру, имеющую форму тела вращения, на два потока с разной энтальпией.

Вихревой эффект энергетического разделения газа открыт французским инженером Жоржем Жозефом Ранком, который 12 декабря 1931 г. в 14 часов 41 минуту подал во французское патентное ведомство заявку на изобретение и получил 24 марта 1932 г. патент № 743 111, а через год — дополнительный патент № 43 164 на варианты и усовершенствования. В дальнейшем Ж. Ранк получил патенты также в США — № 1 952 281 от 27.03.34 и в Великобритании — № 405 781 от 15.02.34.

В 1933 г. Ж. Ранк сделал на заседании французского физического общества доклад, в котором пытался обосновать центробежную теорию вихревого эффекта. Достигнутый в экспериментах эффект охлаждения в 8, раз превышал предсказываемый теорией, поэтому сообщение изобретателя было встречено с недоверием, опытные данные объявлены ошибкой эксперимента.

Позднее и независимо от Ж. Ранка исследования начал Р. Хилып в Эрлангенском университете во время второй мировой войны. В условиях оккупации Германии работами Р. Хильша заинтересовались американцы, что привело к широкой публикации его работ в США.

В 50-е годы исследования вихревого эффекта развернулись в США и СССР, что привело к образованию двух центров. В СССР наиболее продуктивно выступала лаборатория кафедры «Теплотехника» Куйбышевского авиационного института во главе с Александром Петровичем Меркуловым. И другие крупные ученые проявили интерес к вихревому эффекту — В. С. Мартыновский, В. П. Алексеев, М. Г. Дубинский, В. М. Бродянский, И. А. Чарный, Г. Л. Гродзовский, Ю. Е .Кузнецов, М. Е. Дейч, А. Д. Суслов, В. И. Епифанова, И. Л. Лейтес, М. А. Гольдштик,.

Л.А.Вулис, В. И. Метенин, Р. З. Алимов, Ш. А. Пиралишвили, В. А. Сафонов и др.

Среди зарубежных ученых свой вклад в изучение вихревого эффекта внесли С. Фултон, Р. Касснер, Г. Шепер, Ф. Шультц-Грюнов, Д. Вебстер, Е. Эккерт, Д. Хартнет, Д. Кейс, Д. Рейнольде, Б. Парулейкар, М. Сибулкин, К. Линдерстрем-Ланг и др. Если в 50 — 60-е годы за рубежом исследования проводились, в основном, в США и Европе, то позднее целый ряд работ выполнен японскими учеными: Х. Такахама, Х. Якахама, М. Огава, Н.Сода.

Большое значение имеют регулярно проводящиеся с 1972 г. конференции по вихревому эффекту, бессменным Председателем Оргкомитета которых является А. П. Меркулов. В опубликованных трудах шести проведенных конференций обобщен опыт исследования в стране и внедрения вихревого эффекта.

В последние годы исследования продолжаются за рубежом, в основном, в университетах, например, в университетах американских штатов Айдахо, Кентукки, Флорида, университета Конкордия (Канада), Институте технической термодинамики (Штутгард, ФРГ), в японских у ниверситетах.

К настоящему времени опубликовано около 2000 книг, статей, описаний изобретений по вихревому эффекту.

В связи с относительно низкой энергетической эффективностью экономически целесообразное применение вихревых труб осуществляется по результатам анализа энергетических потерь во всей теплотехнической системе. Центрами разработки и производства вихревых аппаратов руководят ученики А. П. Меркулова в Самаре, А. И. Азаров в Санкт-Петербургском техническом университете, лаборатория вихревой техники Одесского холодильного института под руководством Ю. М. Симоненко, американские фирмы Вортэк и Фултон Крайодженикс и др.

На научно-производственном предприятии «НАУКА» исследования и разработки вихревого эффекта начались под руководством Г. И. Воронина 30 лет назад и с тех пор ведутся непрерывно. Разработано более 25 типов вихревых труб с большим числом вариантов, которые выпускались и выпускаются как небольшими партиями по 10 — 100 экземпляров, так и сериями до 2000 в год на различных заводах.

Исследования, разработка и постановка на производство вихревых труб и систем с вихревыми трубами на предприятии проводилось под непосредственным руководством и при личном участии автора.

Для обеспечения выполнения требований технических заданий на производство вихревых труб и систем термостатирования осуществлен большой объем теоретических и экспериментальных исследований^ по результатам которых автором получено 105 авторских свидетельств на изобретения, 10 иностранных патентов, опубликовано 26 печатных трудов, разработан ГОСТ 26 616–75 «Вихревые трубы. Термины и определения», РТМ авиационной техники № 1602 'Трубы вихревые. Методика расчета". Результаты докладывались на девяти Всесоюзных научно-технических конференциях и 14-м Международном конгрессе по холоду.

Направления теоретических и экспериментальных исследований диссертанта определялись необходимостью обеспечить разработчиков надежными рекомендациями по расчету и конструированию вихревых труб и систем с вихревыми трубами, проверить новые идеи, связанные с повышением энергетической эффективности и расширением области применения вихревых аппаратов. В результате исследований создан новый тип стартовых и технологических систем термостатирования ракет и космических аппаратов — пневматические системы термостатированияимеющих по сравнению с парокомпрессионными системами на порядок более высокие динамические характеристики, что имеет принципиальное значение при проектировании автоматизированных ракетно-космических стартовых комплексов. Время подготовки комплекса к работе снижено с 240 до 26 минут при общем цикле работы 90 минут.

Разработан и исследован новый тип ректификационного аппаратавихревой ректификатор, имеющий по сравнению с применяемыми ректификационными колоннами сравнительной производительности на три порядка меньшую массу, на порядок меньшее время выхода на рабочий режим, возможность работы в условиях динамических перегрузок. Достигнуты следующие результаты: чистота кислорода — 98%, азота — 97%, степень извлечения кислорода — 41%. Вихревой ректификатор может быть использован как вместо колонны однократной ректификации, так и вместе с ней. В последнем случае повышается производительность колонны до 20% без реконструкции установки.

Разработана и доведена до серийного производства гамма малорасходных (Д= 4 — 8 мм, в = 5 — 20 кгчас) вихревых труб для индивидуального кондиционирования операторов, использующих защитное снаряжение, например, маляров, сварщиков, летчиков, одетых в высотные компенсирующие костюмы, и отвода тепла от точечных источников (С> < 50 Вт) тепловыделений. Произведено более 10- тысяч малорасходных вихревых труб.

При проектировании вихревых труб, работающих в новых условиях по температуре, давлению, степени расширения, составу рабочего тела основной является задача прогнозирования интегральных характеристик новых конструкций. При постоянном недостатке экспериментального материала, как собственного, так и воспринятого из литературы, прогноз может опираться на теорию вихревого эффекта, которая в силу ряда обстоятельств развита недостаточно. К этим обстоятельствам, помимо чрезвычайной сложности картины • турбулентных течений вязкого сжимаемого газа, относится почти полное отсутствие финансового обеспечения исследования процессов в вихревой трубе по сравнению, например, с исследованием течений в проточных частях турбомашин.

Более глубоко проработаны вопросы турбулентного течения вязкой несжимаемой жидкости применительно к закрученным потокам в центробежных форсунках, центрифугах, циклонных камерах. Исследователи вихревого эффекта постоянно обращаются к таким работам и переносят опыт, полученный в других условиях, на процессы в вихревой трубе. Так, Ш. А. Пиралишвили для замыкания системы уравнений движения, неразрывности, энергии применил опытные данные А. А. Халатова для несжимаемой жидкости.

Основной характеристикой закрученного потока, определяющей интенсивность тепломассообмена в рабочей камере, является интегральный параметр закрутки Ф = М К И, где М — осевая составляющая потока момента количества движения, — осевая составляющая потока количества движения, И. — радиус в начальном сечении. Для различных видов завихрителей найдены конструктивные параметры закрутки п, пропорциональные интегральному параметру закрутки, определяемые с учетом конструктивных соотношений и особенностей гидродинамики завихрителей. Для случая вихревой трубы конструктивный параметр закрутки сводится к величине, обратно пропорциональной относительной площади соплового ввода п = 1 .

Качественные особенности закрученных потоков различной интенсивности (рис. 2.6) в том, что в приосевой зоне сильнозакрученной струи наблюдается возвратное течение, как и в камере вихревой трубы. По этому признаку возможно распространение характеристик турбулентного переноса в сильнозакрученных потоках на процессы в вихревой трубе. В то же время конструктивный параметр закрутки в вихревой трубе по величине значительно больше, поэтому необходимы дополнительные исследования хотя бы на качественном уровне для определения правомерности использования характеристик закрученных потоков при анализе вихревого эффекта.

Исследование проведено методом теории размерностей. В качестве определяющих параметров, кроме потока момента количества движения, потока количества движения, диаметра вихревой трубы в сопловом сечении и расхода газа через вихревую трубу, приняты Л. гу — перепад энтальпий в потоках сжатого и расширенного газа, поиск которого является целью прогноза, и р' - плотность газа перед диафрагмой вихревой трубы. Последний параметр выбран как характеристика состояния газа внутри камеры энергетического разделения из ряда таких параметров как давление, температура, скорость охлажденного и нагретого потоков. Из выбранных шести параметров, описываемых тремя независимыми единицами измерений, составлено три комплекса, причем ГЧ = ^(X^TcJ. Комплекс представляет собой характеристику сжимаемости газа и при W = 0 на функциональное уравнение 1/. не влияет. Комплекс Г после преобразований сводится к 7Г= const fc.

В серии экспериментов показано, что при соблюдении условия f? = 0,327 с на воздухе, истекающем в атмосферу, температурная эффективность энергетического разделения не зависит от степени расширения в диапазоне <Е = 3 — 22. Значит, интенсивность турбулентного переноса энергии в радиальном направлении растет с увеличением степени расширения и вне диапазона интегрального параметра закрутки, характерного для сильнозакрученных потоков. Этот новый диапазон определяется JZ — комплексом, представляющим собой конструктивный параметр закрутки для случая сжимаемого газа.

Теория размерностей, давая^ хороший инструмент для прогнозирования эффектов охлаждения и нагрева в новых, не исследованных условиях работы вихревой трубы, не позволяет выявить механизмы столь больших радиальных градиентов, не характерных для других технических устройств.

Вполне очевидно, что в камере энергетического разделения одна часть газа совершает работу по отношению к другой его части и выводится из камеры в виде охлажденного потока. Все другие механизмы: теплопередача, так называемый «Дьявол Максвелла» и т. п. — не выдерживают критики при самом грубом рассмотрении. Выдвинуто более десяти, а с вариантами более пятидесяти гипотез, объясняющих вихревой эффект. Феноменологически их можно разнести по трем группам. Часть гипотез в узком диапазоне параметров имеет экспериментальное подтверждение, но диапазон этот настолько узок, что невозможно считать допущения оправданными, а основанные на них расчеты — относящимися к вихревому эффекту. Вторая часть гипотез имеет сослагательный характер: если соблюдены указанные условия, то могут состояться объявленные последствия (но могут и не состояться), т. е. авторы не мыслят в категориях причина-следствие. Остальные гипотезы — недоразумения, вызванные слабым знакомством их авторов с сущностью вихревого эффекта или, вообще с термогазодинамикой. Но именно эти гипотезы ввиду их сенсационности вызывают хотя и краткий, но всеобъемлющий интерес научной общественности.

С той же очевидностью можно утверждать, что решающая роль в переносе энергии в высокоинтенсивном трехмерном потоке вязкого теплопроводного сжимаемого газа принадлежит сдвиговым напряжениям напряжениям Рейнольдса), причем в данном случае коэффициенты турбулентного переноса количества движения, турбулентного переноса количества тепла и турбулентного переноса массы связаны между собой и являются величинами одного порядка. Все изменения характеристик турбулентности проводились в сечениях, отстоящих на несколько калибров от закручивающего устройства, тогда как вихревая труба, включая сопловой ввод, рабочую камеру, дроссельный вентиль и диафрагму, могут рассматриваться исключительно как особый вид закручивающего устройства или генератор турбулентных пульсаций. К сожалению, в практике физического эксперимента для таких случаев определимы только знак и порядок измеряемой величины.

В трехмерном скоростном закрученном потоке энергия подводится в виде начальной кинетической энергии струи, переходит в энергию турбулентности, переносится осредненным движением от движений самых больших масштабов к движениям меньших, а затем мельчайших масштабов, и диссипирует под действием сил вязкости. Источником энергии — движущей силой процесса является градиент давления.

Рассматривая общий случай спирального течения в рабочей камере, можно ввести следующие граничные условия, не противоречащие опыту так.

V = V (г, х) — V > 0- V = У (г)-У = УЛ+У>- в в в ^ & & & & тах — ,.

V = V (г, х) — V о 0- V =а-У=У+У. ч, а ' «» х с. Л а.

Вопрос о величине и направлении радиальной составляющей скорости в камере энергетического разделения является наименее изученным, что связано, в частности, с большими погрешностями определения ее величины, особенно в приосевой области, достигающими 80%. Непосредственное измерение пневматическими зондами невозможно. Кроме того, во многих исследованиях рассматривается не спиральный, а круговой поток. Величина в разных работах определяется от 0,005 до 0,25 Уа, т. е. различается на два порядка. Радиальные профили не определены.

Достоверной будем считать информацию! У | > 0- V «V — V = V (г, х) — о- 8 с. с.

Поток кинетической энергии в рабочей камере связан с работой напряжений сдвига. В свободной струе он компенсируется за счет преобразования энергии осредненного движения в турбулентную. Порожденная энергия турбулентности, с одной стороны, путем турбулентной диссипации преобразуется непосредственно в тепло. Но с другой стороны, напряжения сдвига приводят к искажению круговых траекторий слоев газа, на что затрачивается работа. Отсюда следует, что радиальный сток газа в направлении к оси связан с совершением этим потоком работы, во-первых, по преодолению центробежных сил, что что возможно при радиальном градиенте давления больше равновесного, и, во-вторых, работы, производимой сдвиговыми напряжениями, направленной на торможение кругового потока.

Величина совершаемой работы зависит от радиального распределения окружной и радиальной скорости. Как показал анализ, при некоторых комбинациях распределения скоростей поток энергии может быть направлен и к стенке камеры.

Возвратный осевой поток, формирующийся под действием осевого перепада давления, взаимодействует с прямым периферийным потоком. При этом возвратный поток закручивается, но в свою очередь воздействует на прямой поток, затормаживая его и поджимая к стенке. Работа, совершаемая возвратным осевым потоком, так же, как при радиальном стоке, приводит к охлаждению потока, вытекающего из диафрагмы. Этим объясняется меньшая эффективность прямоточных вихревых труб по сравнению с противоточными.

Экспериментальные исследования наиболее результативны при одновременном измерении параметров, выявляющих структуру потока в камере, и интегральных характеристик, либо при одновременном исследовании влияния на эффективность геометрических соотношений и начальных параметров газа. Спланирован и поставлен ряд комплексных экспериментов, результаты которых позволили глубже понять протекающий в камере процессы, определить оптимальные соотношения 4 размеров вихревой трубы в широком диапазоне параметров, создать базу для разработки методов расчета, найти новые возможности применения вихревой трубы. Серии экспериментов направлены на определение:

— оптимальных размеров соплового ввода при различных степенях понижения давления, формы улитки и проходного канала;

— эффективности работы вихревой трубы в зависимости от температуры и давления на стенке камеры при ее различных конфигурациях;

— величины радиального стока газа по длине камеры энергетического разделения;

— расхода сжатого газа при различных расходах охлажденного потока и при различных степенях понижения давления;

— сепарирующей способности вихревой трубы при различных начальных условиях на различных рабочих веществах.

Повторение экспериментов различными авторами: А. А. Поляков, А. П. Лепявко, А. В. Мурашкин. В. Е. Финько (без ссылки на первоисточник), С. В. Иванов, М. А. Жидков, Г. А. Комарова и др. позволило уточнить отдельные параметры и расширить зону экспериментов.

Отдельно необходимо обсудить информацию о компонентном разделении воздуха. Автором результаты получены на вихревых трубах диаметром 3,5 и 6 мм при охлаждении сжатого воздуха кипящим при нормальном давлении кислородом. В опытах С. В. Иванова на вихревой трубе Д = 16 мм и А. Т. Садецкого (охлаждение сжатого воздуха жидким азотом) не удалось повторить объявленные результаты. Это можно объяснить двумя причинами: не удалось поддерживать стабильную температуру сжатого на уровне 95 — 97 К и одновременно содержание жидкости в смеси 25 — 35%, а во-вторых, в камере большого диаметра, кроме процесса разделения, проявляется процесс смешения, который нуждается в дополнительном исследовании.

В результате теоретических и экспериментальных исследований и конструкторских работ расширена область применения вихревых холодильно-нагревательных аппаратов. Следующий этап развития вихревой техники связан с достижением термодинамической эффективности процесса разделения на уровне О, 4 — 0,5.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ.

1.На основе анализа характеристик закрутки потока в вихревой трубе выведен коэффициент, который может быть представлен как конструктивный параметр закрутки сжимаемого газа п k-1/fcs1/k. В геометрически подобных вихревых трубах для обеспечения равной температурной эффективности необходимо и достаточно при jii — idem, кidem, Т0 — idem поддерживать постоянной величину этого конструктивного параметра закрутки. При работе на воздухе в области сухого пара и газа п к= 0,327/fcs1/k.

2.Впервые показано, что эффект охлаждения в вихревой трубе на разных рабочих веществах зависит от потенциальной около 273 К, предложены схемы реализации процесса.

3.В результате комплексных исследований структуры i потока и интегральных характеристик вихревых труб в интервале температуры от состояния сухого пара до области парожидкостной смеси, степени понижения давления от 3 до 22, начальном давлении до 35 Мпа, расхода сжатого газа от 5 до 250Q кгч получены следующие, новые данные.

3.1. Температурная эффективность определяется соотношением конструктивных параметров и не зависит как от начальной температуры, так и от начального давления и степени понижения давления.

3.2. Расход сжатого газа при сверхкритическом перепаде давления в вихревой трубе зависит не только от площади соплового ввода и плотности газа, но и от относительного расхода охлажденного потока. Показано, что применение известных уравнений для расчета расхода газа через сопло вихревой трубы корректно только при критическом перепаде давлений на диафрагме. Предложено выражение для расчета расхода для докритических режимов истечения из диафрагмы.

3.3. При исследовании работы вихревой трубы на водо-воздушной смеси изучены процессы сепарации и смешения. Определены характеристики процесса увлажнения воздуха при температуре около 273 К, предложены схемы реализации процесса.

3.4.Исследовано явление компонентного разделения воздуха, определены оптимальные параметры процесса, разработаны его физическая модель, принципы расчета и проектирования вихревых ректификаторов.

4. Проведена комплексная оптимизация основных конструктивных элементов вихревой трубы, показаны преимущества сопловых вводов с двойной закруткой потока, определены оптимальные размеры диафрагмы конической вихревой трубы и размеры камеры энергетического разделения. Разработана методика расчета адиабатных вихревых труб в широком диапазоне параметров: расход, температура, давление, степень понижения давления,-позволяющая более надежно и с большей точностью проектировать вихревые аппараты.

5.Сконструировано, отработано и внедрено в серийное производство более 20 вихревых холодильных, нагревательных и эжекционный вихревых аппаратов. В результате их разработки и эксплуатации выявлены экономически обоснованные области использования различных вихревых аппаратов.