Тулубаев Ф.Х., Болат Е.Б.

Костанайский государственный университет им. А. Байтурсынова

Особенности применения вихревого эффекта в промышленности

Одним из наиболее важных направлений в области экологии и сбережения энергии является разработка и внедрение вихревых установок, позволяющих осуществить использование обычного сжатого воздуха. Это тем более важно, что истощение запасов топливо энергетических ресурсов и возрастание тепловых выбросов в окружающую среду делают задачу экономии энергии за счет совершенствования энергосберегающей технологии и оптимизации методов и устройств утилизации вторичных энергетических ресурсов (ВЭР) весьма актуальной. Очевидно, что использование вихревых установок целесообразно в системах децентрализованного теплоснабжения и в энерготехнологических комплексах с утилизацией тепловых ВЭР. Обычно эти системы характеризуются высокими удельными расходами топлива, капитальными вложениями и трудовыми затратами. В этой связи их усовершенствование за счет использования нетрадиционных методов может дать в некоторых случаях существенный вклад в экономию энергоресурсов и, что также важно, в области охраны окружающей среды.

Возможно применение вихревого движения воздуха в вихревых трубах Ранке вместо фреоновых и аммиачных кондиционеров в кабинах мобильных машин, рефрижераторов грузовых машин и жилых помещениях. Известна вихревая труба Ранке (рисунок), которая состоит из цилиндрической или конической трубы (камеры энергетического разделения), улитки для подвода сжатого воздуха, диафрагмы для отвода холодного потока, конуса – рассекателя для торможения потока.

Конструктивные особенности этих труб были в основном направлены на использование их в области хладопроизводства и в стационарных холодильных установках. Целесообразность использования вихревого эффекта в различных случаях определяется в первую очередь его особенностями по сравнению с другими методами нагревания, охлаждения и вакуумирования. Особенности вихревого эффекта, которые могут обеспечить положительный результат его использования, заключается в следующем:

1. Чрезвычайная простота и надежность той части установки, в которой происходит расширение газа. Поскольку в большинстве других устройств аналогичного назначения именно расширительная часть (особенно низкотемпературная) наименее надежна, вихревая установка в этом отношении имеет несомненные преимущества.

2. Возможность одновременного осуществления нескольких процессов – охлаждения и нагревания, охлаждения и вакуумирования, сепарации фаз и охлаждения и т.д. – без существенного усложнения установки.

3. Простота и плавность регулирования параметров потоков, получаемых вне (и внутри) трубы в широком интервале.

4. Быстрота и простота включения, выключения и содержания в резерве, обеспечивающие постоянную готовность к работе.

5. Возможность использования для работы любых газообразных рабочих тел и самых различных перепадов давления (от десятков МПа до десятков кПа).

6. Небольшие габариты и масса вихревых устройств, позволяющие органически включать их в конструкцию той системы, в которой они используются.

7. Широкий диапазон расходов газа, перерабатываемого в вихревых трубах (от сотен тысяч до долей м³/ч).

В промышленности применяют прием энергосбережения - точечное «охлаждение». При отсутствии дорогой и энергоемкой центральной системы кондиционирования воздуха в производственном помещении ВТ являются альтернативой локальному применению парокомпрессионных кондиционеров там, где их размещение и обслуживание затруднено или невозможно. При этом весь получаемый холод полезно используется в ответственных теплонапряженных зонах охлаждаемого объекта (что недостижимо при центральном кондиционировании большого производственного помещения). В технологической и/или рабочей зоне цеха ВТ поддерживает необходимую температуру локально («точечно») – при работе рядом с открытым пламенем, сильных вибрациях на охлаждаемом объекте, запыленности, загазованности воздуха, отсутствии места для хладонового кондиционера или невозможности его обслуживания. Распределив миниатюрные ВТ в соответствии с расположением теплонапряженных зон, уменьшают общие затраты на генерацию холода. Его получают в минимальном и достаточном количестве непосредственно в зонах использования, а не в избыточных количествах, как в традиционной холодильной технике (при значительных потерях холода при транспортировке охлаждающей среды к объекту).

Многочисленные примеры показывают эффективность использования вихревого движения в промышленности. Для использования вихревой трубы в наших целях необходимы дополнительные исследования вихревого движения воздуха, чтобы получить такие конструктивные параметры трубы, которые обеспечивали бы требуемую тепло- и хладопроизводительность как у существующих кондиционеров, с такими же энергозатратами, но без использования фреонов.

С экологической точки зрения использование фреонов исключено, потому что согласно Венской конвенции от 1985 г. и Монреальского протокола от 1987 г., подписанных СССР (а Россия, Казахстан и др. страны СНГ унаследовали это членство и все ранее принятые обязательства) в России в конце 2000г. было полностью запрещено производство сильнодействующих озоноразрушающих веществ – фреонов), представляющих сложные химические соединения ядовитых фторуглеродов. Согласно этих же международных обязательств к 1 января 2006 г. вся без исключения фреоносодержащая техника, должна быть выведена из эксплуатации. На смену ей должна прийти новая техника, использующая безопасные хладагенты. По предположению некоторых экспертов, такими хладагентами должны стать так называемые «хладоны». Однако эти хладоны сами являются такими же опасными фторуглеродами, но более сложного состава. Пройдет несколько лет и развернется новая борьба за замену и этих озоноразрушающих веществ. Просто сейчас из-за отсутствия достойной альтернативы сделана искусственная пауза.

В качестве такого хладагента нами предлагается технология замены (хотя бы частично, в отдельных производственных технологиях) традиционных озоноразрушающих хладагентов на обычный атмосферный воздух. Технология основана на использовании, в качестве хладообразующих устройств вихревых труб.

Вышеперечисленные примеры показывают, что вихревой эффект Ранка, обладает множеством преимуществ перед известными холодильными процессами. Более того, последние наши исследования показывают, что в этой области имеется большой резерв по усовершенствованию вихревых труб и повышению их эффективности, что, в конечном итоге, позволит в значительной степени расширить их применение.

Литература

1. Мартынов А.В. Вихревая труба. Что это такое? М., Энергоатомиздат. 1976 г.

2. Вихревой эффект и его применение в технике. Куйбышев. Материалы V всесоюзной научно-технической конференции 1988. 248 с.