Промышленные вихревые трубы многоцелевого применения: производство, эффективность, направления энергетического совершенствования

1. Принцип действия и преимущества вихревых генераторов холода

Интенсивное охлаждение блоков электронного управления (микропроцессоров) – важное условие безотказной и экономичной работы энергетических и теплотехнологических установок. Многие современные производственные процессы осуществимы только при использовании воздушного охлаждения технологической и/или рабочей зоны.
Например, в пищевых производствах – при изготовлении карамели, нанесении шоколадной глазури и др.; автомобилестроении – в камерах докраски крупногабаритных деталей перед сушилом; в металлургии – в кабине крановщика; в мебельной промышленности и ковочных цехах – на фиксированных рабочих местах; в судостроении – при работе сварщика или маляра в стесненном отсеке при достройке судна и т.д.
При экстремальных условиях эксплуатации (близости открытого пламени и высокой температуре, вибрациях на объекте, запыленности и загазованности среды, отсутствии обслуживания и т.д.) применение традиционных парокомпрессионных холодильных машин для охлаждения воздуха нежелательно или невозможно из-за габаритных, стоимостных, экологических ограничений, а также из-за недолговечности машин в этих условиях.
Чтобы исключить все перечисленные недостатки и увеличить до 100% (т.е. иногда - в десятки раз!) полноту полезного использования холодопроизводительности, подходит альтернативный путь: минимальное количество холода получать непосредственно в месте его использования - прямо в охлаждаемой зоне.
Эта энергосберегающая альтернатива доступна в тех случаях, когда есть возможность применить «точечные» вихревые воздухоохладители, размещенные в охлаждаемом объекте в соответствии с топографией тепловыделений в нем.
Температурное разделение высокоскоростного турбулентного потока воздуха (газа) в поле центробежных сил – вихревой эффект Ранка – все более широко применяется в промышленности.
Вихревым эффектом называют "самопроизвольное" температурное разделение воздушного вихря на холодный и горячий потоки (до минус 20...100оС и плюс 80...110оС, соответственно). Технологические и эксплуатационные достоинства вихревых труб - это компактность и простота изготовления (рис.1), широкий диапазон температур охлаждаемого воздушного потока и возможность питания сжатым воздухом в качестве дополнительного потребителя от любой заводской (или бортовой) пневмосети, а также безынерционность и абсолютная безотказность в работе.

Рис. 1.

На рис.1 показаны элементы вихревых генераторов холода на примеревихревой камеры в сопловом сечении (табл.1, N5). Здесь:1 – впускной патрубок, 2 – криволинейный сопловой ввод, 3 – критическое сечение, 4 – камера вихревого энергоразделения.

2. Производство вихревых труб в США

Близкие к классической вихревой трубе Ранка вихревые охладители изобретателя Фултона выпускаются в США с 1964г. для любого завода, оборудованного пневмосетью и имеющего проблемы с поддержанием температур при металлообработке, производстве полимерных пленок, эксплуатации электронных блоков управления в горячих цехах и т.д.
Вихревая труба Фултона имеет цилиндрическую вихревую камеру, многосопловой тангенциальный ввод и изготавливается из металла. Эта продукция много лет сохраняет первоначальный конструктивный облик и продается сегодня несколькими компаниями в Англии, Франции, Бразилии, Ю.Корее, Израиле и др., причем число компаний-изготовителей и компаний-дилеров увеличивается.

3. Первые отечественные "специализированные" серийные аппараты.

Теория температурного разделения в вихре – все еще в стадии разработки; однако проведены широкие экспериментальные исследования и автором созданы эффективные конструкции с новыми технологическими и эксплуатационными свойствами - новые виды серийной промышленной продукции. Некоторые из них представлены в настоящей статье.
По результатам упомянутых исследований: · впервые предложены и изучены приемы внешнего воздействия на вихревой поток, интенсифицирующие температурное разделение за счет отвода энергии из вихря; · впервые разработаны и успешно апробированы вихревые трубы с "внутренней" интенсификацией процесса, осуществляемой за счет перераспределения потоков энергии в вихре; · впервые разработаны и широко применены аппараты, в которых не одна камера, как у "классической" вихревой трубы, а много камер, взаимодействующих друг с другом [1].
Совокупность этих решений - путь к качественно новому уровню вихревых труб. Впервые доклад о подготовке нового технологического прорыва сделан на ХIY Международном Конгрессе по холоду в Москве [2] и вслед за этим представлены несколько диссертаций по результатам изучения нового класса - так называемых "пластинчатых (неадиабатных) вихревых труб Азарова" (рис. 2, 3, 4, 5).

Рис.2 Вихревая микротруба Д=2,5мм с перфорированной камерой 2, «внешним» охлаждением рециркулирующего горячего потока в змеевике 3 и долей холодного потока 100%. Здесь: 1 – впуск сжатого воздуха, 4 – рубашка, 5 – выпуск холодного воздуха;


Рис.3 Одна из первых промышленных моделей
"ребристых вихревых труб Азарова"
На рис. 3 – двухкамерная неадиабатная вихревая труба с камерой в виде пакета ребер 2, чередующихся с кольцевыми прокладками 1 (более совершенная однокамерная серийная модель см. табл.1, N4): 3 – «неоребренный» начальный участок камеры, 4 – очерченная по спирали поверхность камеры, 5 – диффузор холодного потока.
Развитие новой вихревой техники отражено в десятках используемых изобретений, проектов и научных публикаций. Но главный результат - в накопленном уникальном опыте создания вихревых труб для промышленности.
В конструкциях обобщен научный, изобретательский, производственный опыт нескольких крупных предшествующих специализированных проектов автора для конкретных отраслей.
В единичных количествах первые вихревые трубы применялись в основном в аэрокосмической промышленности. Затем появилась первая отечественная серийная продукция «наземного» применения: по заказу МПС были созданы не имевшие аналогов портативные холодильники емкостью 5, 14, 15 и 50х2 дм3 для кабин пассажирских дизельпоездов ДР-1, ДР-1М, ДР-1П и экспортных тепловозов 2ТЭ114.
Рис.4 Установка с двухступенчатым расширением воздуха:
1 – впуск сжатого воздуха, 2 – «ребристая» неадиабатная вихревая труба первой ступени, 3 – адиабатная вихревая труба второй ступени, 4 – активное сопло эжектора, отсасывающего отработавший воздух;


Рис.5 Воздухоохладитель с трехступенчатым расшире-нием воздуха в камерах 1,2,3 и охлаждением наружного оребрения 6 «ребристых» вихревых труб 5 отработавшим «холодным» потоком после охлаждаемого помещения 4.
В холодильниках в качестве генератора холода использованы миниатюрные вихревые трубы: · неадиабатные с диаметром в сопловом сечении D=5мм (рис.6) – в холодильниках ТВХ-14 в 1972-1978г.; · адиабатные D=4мм (рис.7) – в холодильниках ТВХ-15 в 1979-1990г.
Многолетняя эксплуатация холодильников подтвердила абсолютную безотказность их в работе, а более конкретно – отсутствие рекламаций по вихревому хладоагрегату. Более десяти лет в испытательных цехах пpибоpостpоительных заводов используются вихpевые климатические установки РМНР-20Ш, РМНР-20Т [3], а в гоpячих пpоизводствах - одноступенчатые (ВВ-0,5/1,5-4), двухступенчатые (ВВ-0,5/1,5-25) воздухоохладители для теплозащитных костюмов [4] и т.д.

4. "Многоцелевые" вихревые воздухоохладители - первое поколение

Осуществленные проекты продемонстрировали нескольким отраслям пригодность вихревых труб для решения задач, недоступных для «традиционной» холодильной техники. Однако, чтобы производство вихревых труб стало частью отрасли холодильного машиностроения, потребовалось создать многоцелевые аппараты – для разнообразных применений на тысячах заводов.

Рис.6 Серийный холодильник ТВХ-14 первого поколения для кабины:
1- впуск сжатого воздуха из бортовой (тормозной) пневмосети локомотива, 2 – змеевик-теплообменник для предварительного охлаждения сжатого воздуха перед вихревой трубой, 3 – неадиабатная коническая вихревая труба, 4 – выпуск холодного воздуха, 5 – «горячая» поверхность вихревой камеры, 6 – отсос воздуха.


Рис.7 Серийный холодильник ТВХ-15 второго поколения с пластинчатым разборным теплообменником (нумерация позиций по рис.6, впуск, отсос воздуха и "горячая" поверхность вихревой камеры не показаны)
Импульсом к началу самоорганизующегося процесса экспансии многоцелевой вихревой техники послужило предоставление шестидесяти заинтересованным предприятиям чертежей аппаратов (табл.1, №1-11) автором-разработчиком – так вихревые генераторы холода стали доступны заводам многих отраслей.
Первые партии охладителей вначале выпускались заводами только для собственных нужд: в Ленинграде (Металлический завод, "Ленинец", "Сигнал" и мн. др.), Вильнюсе, Минске, Новосибирске и др. [5], а в 1984-1993г. пять предприятий в г.Кириши, Калуге, Санкт-Петербурге, Ростове-на-Дону, др. стали серийными изготовителями качественно новой продукции – вихревых воздухоохладителей «первого поколения» (табл. 1, №1-11).
Воздухоохладители первого поколения - это аппараты: · металлические (№1-6) и пластмассовые (№7-11), снабженные одноканальным спиральным вводом ; · одно- и многокамерные с конической, цилиндрической или комбинированной камерой, имеющей средства интенсификации процесса; · адиабатные и неадиабатные (с внутренним и наружным оребрением вихревой камеры и рециркуляцией «горячего» потока; табл. 1, №4).
Более 87% объема поставок аппаратов первого поколения приходилось на изделия из полимерных материалов. Подтверждены преимущества многокамерных вихревых воздухоохладителей: компактность и меньшая материалоемкость, простое шумоглушение, возможность "многоточечного" распределения холодного потока на объекте.
Наиболее удачными оказались конструктивные решения, использованные в моделях В201, В102, РВТК-16/1. Впервые выявлена потребность в новых аппаратах с улучшенными эксплуатационными свойствами, в частности, в микроохладителях холодопроизводительностью менее 0,1-0,2 кВт для кабин самоходных объектов, кранов, для пищевых производств и др

5. Основные области использования

Для вихревых воздухоохладителей условно выделим восемь групп – областей применения (см. табл. 1):
1 - промышленная электроника (охлаждение блоков управления программных станков, автоматических линий, роботизированных участков, безлюдных производств);
2 - горячие и вредные производства (воздушные завесы в рабочих зонах покрасочных камер, кузнечных цехов, гальванических и металлургических производств), глубокие шахты (вентиляция тупиковых забоев);
3 - литейное производство (охлаждение песка в установках с быстро твердеющими смесями), хранение сельхозпродукции (охлаждение зерна и дисперсных продуктов во временных хранилищах);
4 - мебельная промышленность (вдув холодного воздуха в зону фрезерования при изготовлении облицовочных плит и в зону налива лака в лаконаливных машинах), металлообработка (вдув холодного потока в зону резания);
5 - самоходная техника для жаркого климата (охлаждение рабочих зон в кабинах кранов, в вагончиках бурильщиков и т.д.);
6 - производство листовых материалов (раздув холодным потоком полиэтиленовой пленки, охлаждение листовой резины), производство стекла (безынерцион-ное создание "холодных зон");
7 - перевозка фруктов и овощей (охлаждение фруктохранилищ на малых судах и автофруктовозов);
8 - пищевые производства; транспорт, горная техника ... 9,10 и т.д.

6. Исследование секторов российского рынка.

Годовой выпуск разработанных автором вихревых воздухоохладителей первого поколения к 1993-1994г. был сопоставим с объемами производства в США «классических» вихревых труб Фултона.
На территории бывшего СССР имеется более 600 заводов-пользователей в 160 городах (Москва - 48; Санкт-Петербург - 44; Нижний Новгород - 18; Волгоград - 16; Воронеж - 7; Киев - 8; Запорожье - 8; Ташкент - 4; Латвия, Литва, Эстония - 9 и т.д).
Из общего числа российских заводов, применяющих воздухоохладители «первого поколения» (1985-1999г.), нами рассмотрены 263 пользователя. Примем этот объем выборки за 100% и определим те отрасли, которые являются главными потребителями названного нового вида промышленной продукции.
Потребители распределились следующим образом:

Таким образом, впервые получено представление о весомости секторов российского рынка вихревых труб. Промышленная апробация вихревых охладителей первого поколения позволила: Отрасль химического и нефтегазового машиностроения - это почти 1/5 от общей емкости российского рынка вихревых воздухоохладителей. Другие емкие отрасли: энергомашиностроение, компрессоростроение, металлургия, переработка пластмасс.
По мере энергетического совершенствования вихревых труб перечень отраслей-пользователей будет быстро расширяться [8],[9].
Таблица 1

Один из примеров энергосбережения Крупная автоматическая линия «Рено-2» на южном предприятии (ЗМЗ) – 210 единиц производственного оборудования в безлюдной технологической цепочке, управляемой 17 микропроцессорными шкафами.
В летние месяцы в цехe выше 40оС и линия в дневные часы простаивает из-за перегревов блоков электроники, либо дает брак из-за выдачи ею ложных команд.
После того, как в каждый шкаф был установлен вихревой воздухоохладитель (табл. 1, №5), перегревы, простои, брак исключены. Годовая производительность линии возросла на 12,6%, что равнозначно дополнительной работе ее в течение 1,5 месяцев в год.
Центральная система кондиционирования воздуха в цехе оказалась бы в сотни раз более энергоемкой и дорогой

Рис. 8. Применение вихревых воздухоохладителей второго поколения:

7. К производству охладителей второго поколения

Требования отраслей учтены при разработке новых более совершенных конструкций: с 2000г. начинается поэтапное промышленное освоение охладителей «второго поколения» с улучшенными технико-экономическими характеристиками, расширенным диапазоном холодопроизводительностей, диапазоном температур холодного воздуха от 245К до 285К.
Аппараты предусматривают единую технологию изготовления на одном предприятии [10] и имеют (табл.1, №12-20, рис.8 а,б,в,г,д, е):

8. Рентабельность производства аппаратов второго поколения.

Чтобы оценить экономические перспективы в условиях 2000-2005г., рассмотрены четыре варианта Программы освоения второго поколения с объемами продаж этой продукции за 6 лет от 21,9 до 107,8 млн. USD - от Программы-минимум до Программы-максимум.
Обоснованы диапазоны значений минимальных и максимальных цен на продукцию и выделены доступные секторы мирового рынка. Для наиболее вероятного варианта – Реалистической Программы в таблице 2 показаны:

Рентабельность исчислена при 50%-м налоге на прибыль, т.е. для самых неблагоприятных условий промышленного освоения новой продукции
Таблица 2


9. Сопоставление генераторов холода по совокупности их технологических и эксплуатационных характеристик

При выборе предпочтительного вида генератора холода для конкретных условий использования следует учитывать всю совокупность технологических и эксплуатационных характеристик (существенных для изготовителя и потребителя), а не ограничиваться учетом только удельных энергозатрат на единицу холодопроизводительности, либо учетом только степени приближения к эффективности идеального термодинамического аналога - изоэнтропного детандера.
Такую возможность объективного выбора дает т. наз. квалиметрический метод, определение К – это отношение всего полученного результата R ко всем затратам S за год или за весь срок службы системы.
Для системы охлаждения (кондиционирования) воздуха величина R – это полезно использованная часть ее эксергетической холодопроизводительности, а S – величина приведенных затрат на изготовление и эксплуатацию системы.
Этот подход позволяет вскрыть влияние на R иS основных технологических и эксплуатационных факторов, т.е. выявить зависимость от них величины интегрального показателя качества К:
K=R/S=[(atQ)Ab(1-n/m)]:[Uj(t)+(WAb)c],       кВт.ч/руб. или  (кВт.ч/USD);
где   j(t) = [E(1+E)t-1] :[ (1+E)t -1], здесь
j(t)  -функция  приведения затрат к единому моменту времени;
E – нормативный коэффициент эффективности капитальных вложений (Е » 0,1-0,2);
t – срок службы, лет;
A – годовой фонд времени (A= 86400 часов);
b – коэффициент рабочего времени;
t - температурно-динамический коэффициент , т.е. доля рабочего времени без времени выхода системы охлаждения на рабочую температуру;
a – эффективная (действительная) доля холодопроизводительности, используемая для отвода тепла от продукта, охлаждаемого объекта;
Q – эксергетическая холодопроизводительность генератора холода, системы охлаждения, системы кондиционирования, кВт;
U – затраты на промышленное производство системы охлаждения, руб., (USD);
c – цена электроэнергии, руб/кВт.ч;
W – часовые энергозатраты, кВт.ч/час;
m – средняя наработка на отказ, час;
n – средне-статистическая потеря рабочего времени системы кондиционирования на один ремонт, час;
p – условный коэффициент увеличения затрат U из-за ремонтов. Для задаваемых условий предпочтителен генератор холода (система охлаждения) с наибольшим К.

При выборе предпочтительной системы, таким образом, используют совокупность характеристик, а не единичные характеристики конкурирующих технических решений (например, степень термодинамического совершенства процесса получения холода и т.п.). В эту совокупность включены все существенные характеристики – эксплуатационные (a, b, m, n, t, t, Q, W…) и технологические (U, p …).
Методика разработана и впервые апробирована автором при обосновании, разработке и промышленном освоении первых отечественных серийных вихревых холодильников и миниатюрных вихревых труб для них (рис. 6,7).
Пример выбора методом квалиметрической оценки: В системе отвода тепла из микропроцессорного шкафа заменим парокомпрессионный воздушный кондиционер на вихревой воздухоохладитель. При температуре окружающего воздуха 350С и 420С такая замена приводит к увеличению интегрального показателя качества системы охлаждения в 1,2 раза и в 2,9 раза. Следовательно, такая замена имеет смысл.

10. Резервы энергетического совершенствования и перспективы развития

Вихревые трубы сравнивают между собой по показателю энергетической эффективности - так называемому адиабатному к.п.д., отражающему степень приближения действительной холодопроизводительности воздухорасширительной холодильной машины к холодопроизводительности изоэнтропного детандера. У "классической" вихревой трубы Ранка он не превышает 12%, у вихревых труб производства США - 20%, у модели ВВП-20А (табл.1, №8) - 30%, у "пластинчатой вихревой трубы" РВТК-16/1 (табл.1. №4) – 42% (62%). А у перспективных "комбинированных" аппаратов, находящихся в разработке, превысит 70...80%.
Масштабный рост производства станет возможным после указанного радикального повышения энергетической эффективности: повышение, достигнутое в лабораторных условиях, предстоит реализовать в промышленных масштабах. А более конкретно – потребуется последовательно наладить выпуск:

Динамизм промышленному освоению новых моделей вихревых труб придадут постоянные деловые контакты с компаниями, продвигающими в промышленность новые технологии, а также с многоотраслевыми производственными компаниями, имеющими сбытовую сеть в основных регионах мира.
В ближайшие годы многоцелевым вихревым генераторам холода предстоит пройти следующие стадии развития:
Список литературы
  1. Азаров А.И., Алексеев В.П., Быков А.В. и др. Холодильные машины. Справочник//М.: Легкая и пищевая промышленность, 1982. С.188-199.
  2. Alekseev V.P., Azaroff A.I. Development, investigation and application of non-adiabatic vortex tubes (B2.41)//14 Int.Congr. of Refrig.- Moscow, 1978,Vol. II. P. 997-1004.
  3. Азаров А.И., Клещунов Е.И., Муратов С.С. Вихревые трубы для испытательной техники// Совершенствование процессов, машин и аппаратов холодильной техники Л.:ЛТИХП,1988. С.121-125.
  4. Алексеев В.П., Азаров А.И., Дроздов А.Ф. и др. Новая вихревая техника для средств охраны труда//Вихревой эффект и его применение в технике. Куйбышев: КуАИ, 1984. С.104-111.
  5. Азаров А.И. Промышленное применение гаммы вихревых охладителей// Вихревой эффект и его применение в технике. Самара: СГАИ, 1993. С.75-79.
  6. Azarov A. Qualimetric method of comparison of refrigerating systems according to the totality of their technological and operational haracteristics//Int.Conf. Resources saving in food industry. - St.Petersburg,1998. P.143-144.
  7. Азаров А. И. Вихревые охладители для промышленной электроники//Меж-вуз. сб. науч. тр. Л.: ЛТИХП,1989. С.135-141.
  8. Азаров А.И. Рукотворный смерч//Вестник Академии технического творчества. - СПб:изд. СПбГТУ,1998,
  9. Azarov A. Multi-Purpose Vortex Air Coolers: Market Sektors and
  10. Prospects of Development//Third International Workshop Russian Technologies for Industrial Applications. Book of abstracts: St.Petersburg State Technical University Publishers, 1999. P.57.
  11. Азаров А.И. Промышленное применение многоцелевых вихревых воздухоохладителей//Химическое и нефтегазовое машиностроение. М.1999. N7. С.29-31.