Технические науки/4. Транспорт

К.т.н. Рылякин Е.Г.

Пензенский государственный университет архитектуры и строительства

Применение вихревых процессов на транспорте

Благодаря своим особенностям вихревой эффект находит практическое применение в самых различных областях техники и производства.

Вихревой эффект, или эффект Ранка, проявляется в закрученном потоке вязкой сжимаемой жидкости и реализуется в очень простом устройстве, называемом вихревой трубой (трубой Ранка-Хилша, вихревым энергоразделителем, вихревым холодильником), схематичная конструкция которого изображена на рисунке 1.

Рисунок 1 – Схема вихревой трубы

Вихревая труба представляет собой гладкую цилиндрическую трубу 1, снабженную тангенциальным соплом 2, улиткой 3, диафрагмой 4 с осевым отверстием и дросселем 5.

При втекании газа через сопло образуется интенсивный круговой поток, приосевые слои которого заметно охлаждаются и отводятся через отверстие диафрагмы в виде холодного потока, а периферийные слои подогреваются и вытекают через дроссель в виде горячего потока.

По мере прикрытия дросселя общий уровень давления в вихревой трубе повышается и расход холодного потока через отверстие диафрагмы увеличивается при соответствующем уменьшении расхода горячего потока. При этом температуры холодного и горячего потоков также изменяются.

В результате многочисленных экспериментальных исследований создано несколько конструктивных вариантов вихревых труб. Основным их различием является конструктивное выполнение тангенциального соплового входа сжатого газа и длина цилиндрической части (вихревой зоны) трубы в калибрах.

В последнее время вихревые аппараты вес чаще применяют в наземном транспорте. На железнодорожном транспорте, автобусах, троллейбусах, грузовых автомобилях устанавливают тормозные пневмосистемы. Расход воздуха в этих системах недостаточен для кондиционирования, а основные потребители настолько важны для транспортных средств, что компрессоры непрерывно работают независимо от наполнения расходных баллонов. Расход воздуха, бесполезно сбрасываемого в атмосферу, достаточен для питания вихревого аппарата.

Вихревые аппараты в первую очередь могут использоваться в качестве генераторов холода для систем кондиционирования и холодильников автомобилей для перевозки пищевых продуктов, а также в качестве источника тепла для подогрева рабочих жидкостей ДВС, трансмиссии, гидравлики или воздуха кабин автомобилей в условиях зимней эксплуатации.

Интересным случаем применения самовакуумирующейся вихревой трубы является использование ее в качестве карбюратора и топливных форсунок тепловых машин.

Возможность такого использования объясняется все теми же специфичными свойствами ее, а именно: способностью создавать большие разрежения в ядре вихря при наличии сравнительно небольших перепадов давления, высокой турбулентностью ядра, наличием зон пониженной и повышенной температуры в вихре. Кроме этого, в вихревой зоне возникают интенсивные звуковые и ультразвуковые колебании и ионизация.

Несмотря на многолетние исследования карбюраторов, до настоящего времени они в основном выполняют роль дозаторов и приготавливаемая ими топливовоздушная смесь содержит большое количество капель неиспарившегося топлива. Это приводит к неравномерному составу смеси по цилиндрам, смыванию смазки со стенок цилиндра, разжижению смазки, большому содержанию угарного газа в выхлопных газах и к перерасходу топлива.

Для снижения этих недостатков необходимо, чтобы процесс испарении топлива заканчивался в карбюраторе. Этому требованию в значительной степени удовлетворяют вихревые карбюраторы.

При многих достоинствах, основным и очень серьезным недостатком вихревой трубы является низкая экономичность происходящего в ней процесса энергетического разделения.

Полученные при исследованиях наивысшие значения адиабатного КПД вихревых труб не превышают 0,3. Этот недостаток органически присущ вихревому эффекту энергетического разделения газов, основанному на турбулентном взаимодействии отдельных элементов закрученного потока, приводящем к существенным потерям.

Поэтому при использовании вихревой трубы в качестве основы холодильно-нагревательных установок для повышения эффективности их следует стремиться к максимальной утилизации энергии вытекающих из вихревой трубы потоков, а также к созданию наиболее благоприятных условий для приближения процесса энергетического взаимодействии вихрей к идеальному.

Литература:

1. Меркулов, А.П. Вихревой эффект и его применение в технике [Текст] / А.П. Меркулов. – М.: Машиностроение, 1969. – 183 с.

2. Суслов, А.Д. Вихревые аппараты [Текст] / А.Д. Суслов, С.В. Иванов, А.В. Мурашкин и др. – М.: Машиностроение, 1985. – 256 с.

3. Пиралишвили, Ш.А. Вихревой эффект. Эксперимент, теория, технические решения [Текст] / Ш.А. Пиралишвили, В.М. Поляев, М.Н. Сергеев; под. ред. А.И. Леонтьева. – М.: УНПЦ «Энергомаш», 2000. – 412 с.

4. Хоробрых, М.А. Вихревой эффект Ранка-Хилша. Вихревая труба [Текст] / М.А. Хоробрых, В.А. Клементьев // Молодой ученый. – 2012. – №6(41). – С.54-55.