Демиург N 1 2005

Вихревые трубы в инновационном процессе:
пройденный путь и перспективы
(Рукотворный смерч-2005)

Предисловие. После двух публикаций А.И. Азарова («Демиург» № 2, 1998 г. и № 2, 2000 г.) продолжают поступать новые вопросы об устройстве, конструировании, производстве и применении вихревых труб, работающих на сжатом воздухе в промышленности, на транспорте и в сельскохозяйственном производстве. А в Интернете появились объявления от фирм, которые «начинают с нуля» и предлагают пользователям простейшие вихревые трубы, почти неотличимые по конструкции и технологическому исполнению от тех, что были осуществлены во времена первооткрывателей: Ранка, Хилша, Мартыновского, Алексеева и Фултона (см. раздел 4 статьи).
Чтобы «не прервалась связь времен», чтобы новые исследователи и разработчики начинали не «с чистого листа», а с точного представления об уже пройденном российской промышленностью пути, редакция предложила А.И. Азарову подготовить краткий обзор некоторых своих разработок для промышленности и показать, как в инновационном процессе меняется конструктивно-технологический облик вихревых труб - изделий для сотен заводов-пользователей.
Представляем вашему вниманию этот обзор.
Изобретатель пообещал также подготовить статью-продолжение о «точках роста» вихревой технологии - об экспериментальных исследованиях и поисковых разработках, ориентирующихся на прорыв в близкое (или далекое) будущее энергетики. В статье будут показаны:

элементы энергетического совершенствования вихревых труб (средства интенсификации процесса энергоразделения в вихре);

экспериментальный вихревой аппарат для получения «сверхвысокой» частоты вращения вихревого потока для целей осуществления глубоких физических исследований;

вихревые микродвигатели «обратного вращения»;

генераторы мощного акустического излучения;

электрогенераторы, сочетающие вихревой эффект Ранка и термоэлектрические эффекты Пельтье и/или Зеебека.

А для любителей работать руками и самодеятельно проводить исследования в разделе «Выставка» вскоре будет показана вся деталировка простой и эффективной вихревой трубы (см. верхний рис. 9 в статье), примененной, например, для охлаждения 17 микропроцессорных шкафов управления на крупной автоматической линии «Рено-2». Любой «начинающий вихревик» сможет изготовить ее – это подтолкнет к экспериментам, техническому творчеству, новым поискам и новым идеям.

Известно, что тепло в высокоскоростном вихревом потоке газа «самопроизвольно» переносится от ядра потока к периферии: вихревым эффектом называют температурное разделение турбулентного потока сжимаемой среды в поле центробежных сил на охлажденный и нагретый слои [1].

Компактная холодильная машина – вихревая труба (ВТ) не имеет подвижных изнашивающихся частей, безынерционна и безотказна в работе. Если рядом с охлаждаемым объектом имеется заводская или бортовая пневмосеть с избыточным ресурсом, найдется много применений, где компактному и недорогому вихревому генератору холода нет альтернативы.

Используя пневмосеть как источник сжатого воздуха, получают холодный поток с температурой от плюс 20^оС до минус 120^оС и попутно - горячий воздушный поток с температурой от 40^оС до 120^оС. В ВТ более сложной конструкции, если необходимо, поток воздуха, гелия, кислорода, природного газа, аммиака удается охладить до криогенных температур, либо нагреть на сотни градусов. Применив ВТ как источник холода (и/или тепла), можно решить много задач при наземных испытаниях аэрокосмической техники, климатических испытаниях электроники, в технологии машиностроения. ВТ (воздухоохладители) успешно прошли путь от лабораторных исследований до многоотраслевого промышленного применения.

В «Демиурге» №2, 1998г. и № 2, 2000г. были показаны области применения и некоторые конструкции ВТ, объемы их промышленного использования, распределение российских заводов-пользователей по отраслям и представлена простая методика обоснованного выбора лучшей ВТ в сопоставлении с традиционными средствами воздушного охлаждения ответственных объектов. (Методика учитывает совокупность технологических и эксплуатационных характеристик сопоставляемых конкурирующих технических решений).

Какие тенденции выявились в инновационном развитии ВТ при поэтапном переходе от узкоцелевого применения к производству и использованию ВТ во многих отраслях? Как может измениться конструктивно-технологический облик многих ВТ в ближайшие годы? Каковы шансы у новейших моделей ВТ на успешную коммерциализацию в России, вступающей в ВТО? Ответы на эти вопросы определят место ВТ среди новых технических решений, предоставляемых российской наукой производству.

Развитие ВТ проследим, сопоставляя цели, масштабы и результаты только четырех проектов разных лет - этапов продвижения вихревой технологии к широкому использованию. Общее у них то, что все они – инициатива одного изобретателя-разработчика и на разработку продукции не затрачивались средства государственного бюджета и инвесторов. Первый проект появился как отклик на запросы машиностроителей, готовивших (в конце 1960-х годов) новые тепловозы к экспорту в страны с жарким климатом: Египет, Сирию, Иран. Два других проекта – творческий ответ на потребность в «точечных» ВТ для многих машиностроительных отраслей, оснащавшихся электроникой в 1970-1990 годах. Четвертый проект – это качественно новый уровень технологии для начала ХХI века.

Будут рассмотрены те технические решения, которые:

с 1960-х годов на десятилетия инициировали появление в стране серийных производств ВТ - новой продукции, используемой на многих сотнях предприятий;
позволили за три с половиной десятилетия апробировать в производстве и применении разнообразную продукцию; выделить перспективные направления развития и предложить новый уровень технологии.

Покажем освоенные в производстве и применении оригинальные ВТ, работающие на сжатом воздухе: не адиабатные - с охлаждаемой оребренной камерой; адиабатные неохлаждаемые - с минимальным числом деталей и обогреваемой «не обмерзающей» диафрагмой; ВТ из металла и пластмасс и портативные вихревые холодильники для пневмообеспеченных транспортных объектов. Новейшая технология (исключающая проектные и минимизирующая производственные затраты) будет представлена модульными ВТ: в изделиях от 2 до 20 вихревых камер, взаимодействующих друг с другом, и от 1 до 5 многокамерных «вихревых модулей». Серийное производство их стартовало в 2001г., а широкая «промышленная экспансия» начинается сегодня.
Характеристики продукции, появившейся при осуществлении проектов, сведены в Таблицу: изделия разработаны автором с использованием группы изобретений, на много лет определивших облик серийных ВТ в России (СССР). Этот опыт предстоит обобщить с учетом конъюнктуры наукоемких видов продукции на внутреннем и внешнем рынке. Попытка обобщения представлена в статье. 1. Первый этап:
Вихревые холодильники для транспорта (Проект 1) Впервые в мире промышленные не адиабатные ВТ применены в первом поколении транспортных холодильников [5-7]: в опытно-промышленных масштабах - с 1969г. и в серийной продукции - с 1971-1972г. (рис. 1). При температуре в кабине от 20^оС до 50^оС температура в ТВХ-14 от 0^оС до плюс 7^оС. Как «дополнительный» потребитель сжатого воздуха из бортовой пневмосистемы холодильник увеличивает продолжительность работы (ПВ) «тормозного» компрессора тепловоза лишь на 0,5%, что в несколько раз меньше, чем разрешенный норматив утечек из пневмосистемы.

Во втором поколении холодильников (рис. 2-3) с 1979г. применена упрощенная адиабатная ВТ минимальных размеров. Количество деталей в ней уменьшено впятеро, соответственно сокращены производственные затраты. Выпускались три внешне одинаковые модификации (рис. 4), различающиеся только внутренним диаметром вихревой камеры и размерами спирального ввода (для холодильников разной емкости).
Холодильники выпускались более двух десятилетий – до времени распада СССР. Используются холодильники и сегодня, т.к. ВТ безотказны в работе [8, 9].

Рис. 1. Проект 1. Транспортный вихревой холодильник первого поколения ТВХ-14 (в производстве –1969-1978) в кабине машиниста экспортного тепловоза 2ТЭ114.

Рис. 2. Проект 1. Холодильники второго поколения ТВХ-50, ТВХ-15, ТВХ-5 (в производстве –1979-1991), снабженные унифицированным вихревым регенеративным хладоагрегатом.

Рис. 3. Проект 1. ТВХ-15 в вертикальном разрезе: в заднем простенке – хладоагрегат с противоточным пластинчатым теплообменником для предварительного охлаждения (до+5…+15оС) сжатого воздуха из пневмосистемы тепловоза перед входом в ВТ, установленную по оси теплообменника.

Рис. 4. Проект 1. Миниатюрная ВТ (в Таблице: № 2, 3, 4) с «не обмерзающей» диафрагмой, обогреваемой теплом камеры вихревого энергоразделения: 1 – критическое сечение соплового ввода, 2 – камера вихревого энергоразделения; 3 – отверстие диафрагмы, 4 – диффузор холодного потока, выполненный вместе с диафрагмой.

Результаты Первого этапа:

Впервые ВТ оригинальной конструкции (не адиабатные и адиабатные) поставлены на многолетнее серийное производство в СССР
Практикой подтверждено, что ВТ, питаемые неочищенным и неосушенным сжатым воздухом от бортовой пневмосети транспортного объекта, стабильно работают без износа более 30 лет.
Успешное применение ВТ на пневмообеспеченных транспортных объектах послужило импульсом к разработке новых Проектов.

2. Второй этап:
Вихревые воздухоохладители для испытательной техники (Проект 2) Климатическим камерам для эпизодического тестирования готовой продукции необходим надежный и безынерционный источник холодного воздуха с температурой от 220К до 280К. Многие заводы использовали дешевое в изготовлении и простое в эксплуатации решение: компактные адиабатные ВТ с одноступенчатым или двухступенчатым расширением сжатого воздуха (рис. 5), либо более экономичные не адиабатные ВТ большой холодопроизводительности (рис.6).

Рис. 5. Проект 2. Вихревая техника (в Таблице: № 5, 6) для испытательных цехов:
Вверху: Поперечный разрез ВТ в плоскости спирального ввода: 1 - патрубок подачи сжатого воздуха, 2 - критическое сечение, 3 - отверстие диафрагмы - вход холодного потока в глушитель 5; 4 - патрубки выпуска холодного потока, 6 - крепление.
Ниже: Рабочее место настройщика-испытателя радиоаппаратуры РМНР-20Т (Золотая медаль ВДНХ СССР) – Источник холодного и горячего потоков с регулируемыми расходом и температурой, снабженный ВТ D=20мм (см. выше).
Внизу: ВТ с максимальным понижением температуры 4 «результирующих» потоков при 2-х ступенчатом расширении в 5 адиабатных ВТ.

Чертежи на эти изделия поступили от изобретателя-разработчика к крупнейшим предприятиям четырех отраслей. Первые партии ВТ для испытательных цехов крупного пользователя - ЦНПО «Ленинец» были изготовлены (рис. 5) самим предприятием, а для его многочисленных климатических камер (рис. 6) - станкостроительным заводом «Свердлов».

Рис. 6. Проект 2. Вихревая техника (в Таблице: № 7, 8) для климатических камер
тестирования аппаратуры:
Вверху: Не адиабатная 4-камерная ВТ в сборе.
Ниже: То же без кожуха и вентиляторов для обдува «горячего» оребрения.
Внизу: Не адиабатная 2-камерная ВТ в продольном разрезе: 1 и 2 - кольцевые прокладки и пластины-ребра; 3 - участок камеры, очерченный по спирали; 4 - диффузор выпуска холодного потока; 5 – неоребренный конический начальный участок камеры вихревого энергоразделения.

Результаты Второго этапа:

Впервые в нескольких отраслях для тестирования готовой продукции применены адиабатные ВТ с одноступенчатым и двухступенчатым расширением сжатого воздуха, эффективно заменившие собой аммиачные парокомпрессионные холодильные установки зарубежного производства.
Впервые применены в промышленности многокамерные не адиабатные ВТ нового класса («пластинчатые вихревые трубы Азарова») – с камерой вихревого энергоразделения, снабженной внутренним и наружным оребрением в форме пакета пластин, чередующихся с кольцевыми прокладками.

3. Третий этап: Вихревые трубы многоцелевого применения однокамерные и многокамерные
(Проект 3) Какие ВТ предпочтительны, с точки зрения изготовителей и пользователей? Чтобы ответить на этот вопрос не умозрительно, следовало инициировать появление серийных производств, которые в условиях конкуренции осуществят «естественный отбор» самого перспективного технического решения, из тех, что предложены промышленности.

Рис. 7. Проект 3. «Пластинчатые ВТ Азарова» (в Таблице: № 13) – новый класс не адиабатных ВТ:
слева: дизайн-проект по промобразцу № 31749, справа: серийная ВТ в сборе По инициативе автора (в ответ на сотни поступающих запросов от «будущих пользователей» и «потенциальных поставщиков»), был осуществлен широкий научно-производственный эксперимент [10, 11]. Он начался с того, что шестидесяти заводам разработчик передал рабочие чертежи, стартовую маркетинговую информацию, два десятка опытно-промышленных образцов, описания изделий и инструкции к выпуску ВТ: металлических и пластмассовых, навешиваемых на охлаждаемый объект или встраиваемых в него, однокамерных и многокамерных (рис. 7-10).

Рис. 8. Проект 3. «Пластинчатые ВТ Азарова» (в Таблице: № 13) высшей экономичности с воздушным охлаждением оребренной вихревой камеры и долей холодного потока 100%: на участке сборки серийной продукции перед установкой электровентилятора на кожух, охватывающий «горячие» ребра. Заводам были предложены ВТ: для воздушных завес на рабочих местах в горячих производствах; для охлаждения раствора в гальванических ваннах; для «многоточечного» охлаждения шкафов у программных станков и мн. др. Эксперимент начался одновременно в электронной, станкостроительной и автомобилестроительной промышленности в 1983г. (а через 4 года - еще в нескольких отраслях): 12 моделей продукции были поставлены на «промышленную обкатку». Ожидалось, что заводами (для собственных нужд и для заводов-смежников) будут изготовлены и применены промышленные партии 12 моделей ВТ, а с течением времени в многолетнем серийном производстве появятся и останутся лучшие из этих 12 - те, что укажут направления совершенствования вихревой технологии для начала ХХI века.

Для ускорения и расширения работ по продвижению вихревой технологии в Ленинградский политехнический институт ввели Научно-исследовательскую лабораторию вихревой техники. Не выделялось ни помещение, ни госбюджетное финансирование, но требовалось показать, что вузовская наука – это реальная инновационная сила, способная быстро развернуть освоение научно-технического направления на значительном числе предприятий города и области при решении конкретных задач предприятий-заказчиков.
Статус Лаборатории – полностью хозрасчетное подразделение крупнейшего вуза; этот статус помог широкому взаимодействию десятков заводов страны с «источником» инновационного процесса – разработчиком Проекта 3.

В системе Минвуза СССР это была первая Авторская лаборатория, работавшая в таких условиях. Ее состав: заведующий лабораторией, продвигающий свои готовые разработки к изготовителям, и несколько сотрудников для обучения заводского персонала применению новейших ВТ и для участия в запуске в эксплуатацию головных образцов вихревой техники. В основе работы – ранее накопленный автором опыт разработки десятков изобретений и изделий для важнейших отраслей [15, 16], а также опыт экспериментальных исследований.

Производственные эксперименты при продвижении ВТ проводились в заводских цехах на охлаждаемых объектах, а тепло-газодинамические и акустические исследования – в лабораториях предприятий: на Балтийском и Ижорском заводе; на станкостроительном заводе «Свердлов»; на трех производствах и в Институте ЦНПО «Ленинец» и т.д.

При отсутствии системы коммерциализации изобретений в стране (и без затрат на рекламу Проекта 3) Лаборатория явилась для вихревой технологии мощным инновационным фактором; см. отчеты о НИР и ОКР рег. № 0184.0000967, 0184.0074490, 0187.0001607 и мн. др.:

уже через год-два на десятках заводов Ленинграда и области, Москвы и области были запущены в работу первые сотни ВТ при сопровождении Лаборатории;

в этот же период получившие рабочие чертежи заводы-пользователи Новосибирска, Киева, Выборга, Вильнюса, Улан-Удэ, Минска и еще десятков городов изготовили первые тысячи ВТ по Проекту 3 без непосредственного участия Лаборатории (см. Таблицу);

и вскоре проявился прогнозировавшийся результат «естественного отбора»: от 6 до 9 заводов на много лет стали поставщиками нескольких моделей серийной продукции (в Таблице: № 13, 15, 16, 18, 19, 20); при этом по одному заводу-изготовителю разместились в г. Кириши, Вильнюсе, Выборге, Минске, Санкт-Петербурге и др.; по два завода-изготовителя - в Ростове-на-Дону и Калуге и т.д.

Информацию о Проекте 3 активнее других распространяло Министерство электронной промышленности СССР, а более конкретно – Отраслевой отдел топливно-энергетических ресурсов этого министерства. Специалисты Отдела быстро поняли, что широкое применение ВТ в обоснованных случаях позволяет не только отказаться от закупок дорогой импортной холодильной техники для нужд отрасли, но и (иногда) дает существенную экономию энергии – при переходе от традиционного «общего» охлаждения ответственных микроэлектронных объектов к «точечному» (многоточечному) охлаждению посредством ВТ.

Этим Отделом:

распространялась отраслевая брошюра о вихревой технике;

для специалистов десятков заводов проведены семинары о применении ВТ;

до конца 1990г. учитывались заводы-пользователи и количество введенных в эксплуатацию серийных ВТ;

исчислялся экономический эффект и оценивался экологический результат от исключения потребности в парокомпрессионных хладоновых кондиционерах, взамен которых на важнейших объектах обоснованно применены ВТ.

По неполным данным только одной отрасли (Минэлектронпрома СССР) за 1990г., количество заводов-пользователей ВТ по Проекту 3 превысило 200. (К 2005г. оно выросло еще в несколько раз). Таким образом, ВТ стали «продукцией для любого завода». Леноблсовет ВОИР и Совет Ленинградского политехнического института в конце 1990г. выдвинули разработчика продукции А.И. Азарова на присвоение почетного звания Заслуженного изобретателя СССР.

После появления первых конкурирующих изготовителей серийных ВТ многоцелевого применения начался переход от продукции из металла (рис. 7-9) к пластмассовым ВТ, содержащим одну (рис. 9) или несколько (рис. 10) вихревых камер; следовательно, определились «предпочтения» промышленности. Переход привел к новому технологическому уровню производства с использованием высокопроизводительного оборудования (включая и автоматического): улучшились внешний вид и технические характеристики продукции; уменьшились материалоемкость и трудоемкость изготовления, использовались эффективные встроенные глушители и т.д. Впервые в серийных ВТ были применены встроенные интенсификаторы процесса вихревого температурного разделения [12].

Если при заданной холодопроизводительности однокамерную ВТ заменить блоком из нескольких вихревых камер, можно получать несколько холодных потоков с разной температурой (когда это необходимо). Упростится шумоглушение и трассировка воздушных потоков на объекте, а ВТ станет компактнее за счет сокращения габаритной длины. Сообразно очертаниям пространства, куда встраивается ВТ, можно в этом случае более свободно трансформировать вид изделия.

Это существенное преимущество, если переход к многокамерной ВТ не увеличит число деталей и трудоемкость изготовления и не усложнит сборку изделия появлением новых сопрягаемых и уплотняемых поверхностей.
Техническое решение, при использовании которого трудоемкость и число деталей в ВТ не зависят от количества вихревых камер, найдено при разработке «встраиваемых» охладителей (рис.10, внизу) мощной вычислительной техники.
Так среди первых серийных ВТ, примененных во многих отраслях, почти одновременно появились однокамерные (рис. 7-9) и многокамерные (рис. 10) изделия с минимальным числом деталей.
Завоевывая позиции в промышленности, они (и их заводы-изготовители) сразу же оказались в условиях конкуренции друг с другом. Многокамерные ВТ апробированы и в многолетнем серийном производстве, и при выпуске небольших партий продукции.

Рис. 9. Проект 3. Промышленные модификации однокамерных ВТ с D=20мм (сверху вниз):

Простейшая цельнометаллическая ВТ (в Таблице: № 14). Одна из первых промышленных партий ВТ в конце 1984г. изготовлена Заволжским моторным заводом и применена для охлаждения 17 микропроцессорных шкафов на крупной автоматической линии «Рено-2» - простои линии, обусловленные летними перегревами и тепловыми отказами электроники, полностью исключены. Прирост годовой производительности линии в 1985г. составил 12,7% при ничтожных затратах на изготовление партии ВТ (для собственных нужд и для заводов смежников).

Дизайн-проект к промобразцу № 31750.

Промышленные ВТ многоцелевого применения (в Таблице: № 16, 20, 17 и 15).

Рис. 10. Проект 3. ВТ без выступающих частей, встраиваемые в мощную вычислительную технику (сверху вниз):

2-корпусная 16-камерная ВТ (в Таблице: № 11) с фланцем для крепления на объекте, индивидуальной регулировкой температуры 16 холодных потоков и 16 гибкими трубчатыми воздуховодами.

Модель «микрофон» (в Таблице: № 9): барабан 6-камерный с D=5мм; подвод сжатого воздуха осевой; встроенные «холодный» и «горячий» глушители шума - на концах цилиндра.

Простейшая 2-камерная ВТ (в Таблице: № 18) с D=10мм, не оборудованная глушителями шума: «плоскостник» с минимальным числом деталей поставляется более 15 лет в неизменном конструктивном оформлении.

Например, двухкамерные ВТ (рис.10, внизу) изготавливаются уже более 15 лет при больших переменах в списке пользователей: растут потребности пищевой промышленности и пищевого машиностроения (в прошлые десятилетия это были ВПК, машиностроение, радиоэлектроника).

Несколько самых первых партий этой продукции применены Институтом физики высоких энергий (г. Протвино) для охлаждения блоков сверхбыстродействующей электроники в ответственных и малодоступных зонах крупных экспериментальных установок. Здесь при выборе ВТ были приняты во внимание не только компактность и отсутствие выступающих частей, но, прежде всего, форма двухкамерного воздухоохладителя – плоский брусок («книжка») толщиной 18 или 20 мм.

Конкурентоспособность многокамерных ВТ подтверждена: продукция на рынке «устойчива».

Результаты Третьего этапа:

Впервые в стране появились конкурирующие поставщики ВТ.
ВТ применили сотни предприятий.
Некоторые крупнейшие заводы-пользователи (ГАЗ, КамАЗ, др.) закупали партии ВТ многократно.
Впервые получен статистически значимый объем информации о потребителях продукции [13] и их распределении по отраслям («Демиург» № 2, 2000г.).
Выявленное распределение пользователей ВТ показало, что «точечное» охлаждение, не опирающееся обычную холодильную технику, востребовано в важнейших отраслях.
Следовательно, актуальна подготовка очередного перехода к новейшему уровню вихревой технологии (см. Проект 4) с учетом тех предпочтений промышленности, которые в многолетней практике уже определились при осуществлении Проекта 3.

4. Краткая характеристика
научно-изобретательского и производственно-технологического задела Много десятилетий назад экспериментальное изучение своих первых оригинальных вихревых труб (уже введенных тогда и в производство, и промышленную эксплуатацию, см. Проект 1) я начинал под научным руководством «самых первых» вихревиков страны: проф. Владимира Сергеевича Мартыновского и проф. Валентина Петровича Алексеева. Они и проф. Александр Петрович Меркулов – вихревики первого поколения – заложили научный фундамент для нас, исследователей второго поколения.

На этом фундаменте теория и практика вихревой техники развивались успешно: не случайно, что именно в этой области по числу зарегистрированных изобретений СССР, Россия и сегодня все еще остаются лидерами в мировом фонде. Если судить по количеству появившихся во второй половине ХХ века научных статей и диссертаций, изучение вихревого эффекта в России (СССР) шло интенсивно.

Например, уже к концу 1960-х годов в СССР:

появилась развернутая «гипотеза взаимодействия вихрей», удовлетворительно описывающая механизм энергоразделения турбулентного потока в поле центробежных сил и были предложены инженерные методики расчета ВТ как генератора холода и тепла [4];
впервые в мире были подготовлены к многолетнему серийному производству не адиабатные ВТ с вихревой камерой, интенсивно охлаждаемой при барботаже воздуха через жидкость (раздел 1);
начался многолетний рост «цепочки изобретений», более трех десятилетий затем определявших уровень промышленной продукции, - ВТ, представленных в Таблице (нумерация изобретений СССР, России: №№ 300726, 300727, 337621, 435419, 456118, 470684, 556285, 585376, 606044, 630964, 641245, 769233, 892146, 1255825; 2067266, 2177590 и др.; более полный перечень – в www.azvortex.com);
началась промышленная проверка приемов «пульсационной» интенсификации процесса вихревого энергоразделения (№№334449, 334450, 336473, 337620, 347435, 390337, 735877 и др.).
В последующие десятилетия исследования расширялись и (при по-прежнему отсутствующей системе коммерциализации новых научных результатов) ВТ были широко восприняты промышленностью. Серийно изготавливаемые ВТ различного конструктивно-технологического оформления были применены (разделы 1-3):
сначала только в двух отраслях (транспортного и сельскохозяйственного машиностроения, Проект 1) - на пневмообеспеченных самоходных объектах: в кабинах тепловозов 2ТЭ 114, пассажирских дизель-поездов ДР-1А, ДР-1П и др., автомобилей КамАЗ, автобусов, зерноуборочных комбайнов, тракторов;
затем в нескольких отраслях (химического и нефтегазового машиностроения, приборостроения, радиоэлектронной промышленности, топливной аппаратуры в автомобилестроении, Проект 2) - в климатических камерах тестирования готовой продукции;
и, наконец, во многих отраслях (Проект 3) - при решении разнообразных производственно-технологических задач сотен заводов-пользователей.

Российскому опыту промышленного применения ВТ уже несколько десятилетий; анализ этого опыта приводит к выводам, существенным для разработчиков новой продукции и для ее изготовителей:

известные попытки применить многокамерные ВТ в зарубежной авиации (где требования минимального веса и максимальной компактности – определяющие) затруднялись усложнением конструкций ВТ [18], повышением затрат, снижением надежности - по этой причине и сегодня пользователи за рубежом могут приобрести ВТ только в однокамерном исполнении;
названный «барьер» преодолен с появлением новых решений (раздел 3), позволивших в российской промышленности воспользоваться преимуществами многокамерных ВТ, не усложняя конструкцию и не повышая производственные и эксплуатационные затраты;
для большинства применений предпочтительны компактные ВТ из полимерных материалов с минимальным количеством деталей и числом вихревых камер не менее двух;
многоточечное охлаждение посредством нескольких миниатюрных ВТ (расположенных в соответствии с «топографией» тепловыделений на объекте) экономичнее, чем общее охлаждение объекта; соответственно, масштабное производство миниатюрных ВТ холодопроизводительностью менее 0,2-0,4кВт имеет лучшие экономические перспективы, чем выпуск ВТ с холодопроизводительностью, существенно превышающей 1 кВт;
переход к новейшей технологии для ближайшего десятилетия должен основываться на использовании серийных вихревых модулей, из которых (взамен разработки многих новых изделий) возможно было бы собирать ВТ разной конфигурации и назначения.

5. Четвертый этап: Модульные многокамерные вихревые трубы.
Переход к модульным изделиям как этап развития технологии Использующие вихревой или термоэлектрический эффект устройства для точечного «безмашинного» охлаждения энергонасыщенных объектов, появились несколько десятилетий назад практически одновременно. Технология термоэлектрического охлаждения развивалась быстрее: здесь уже давно применяют стандартные микромодули с относительно небольшим числом полупроводниковых термоэлементов [21, 22]. Это сокращает затраты времени и средств на разработку и освоение производства новых изделий разнообразного применения - термоэлектрических охладителей.

Этап перехода к модульным конструкциям для перспективных ВТ также уже начался (см. ниже). Заменив однокамерную ВТ на модуль с 2, 4 или 6 вихревыми камерами, удается уменьшить длину и материалоемкость изделия в 1,4; 2,0 или 2,5 раза, соответственно. Производство вихревых модулей может быть организовано на нескольких предприятиях с высокой культурой производства, определяющей стабильность качества продукции.

Сформулируем цели Проекта 4 и требования к модулю - базовому элементу перспективного ряда ВТ.

Цели Проекта 4 (Рис. 11-14):

Снизить производственные затраты, используя для сборки ВТ простейшие элементы – вихревые модули, у которых число деталей, трудоемкость, материалоемкость уменьшены в несколько раз в сопоставлении с ВТ прошлых лет.

Предложить ВТ, существенно различающиеся эксплуатационными свойствам и применением, холодопроизводительностью и числом модулей, но унифицированные между собой конструктивно и технологически: предоставить пользователям возможность выбора любой конфигурации многомодульной ВТ и исключить потребность в единичных новых проектах для многих новых технических задач.

Дать импульс расширению использования ВТ новых поколений.

Модуль должен быть:

прост в производстве как с использованием станков-автоматов или высокопроизводительных технологий (литье пластмасс в многоместные формы, лазерная гравировка поверхностей, очерченных по спирали и т.д.), так и в условиях малого «стартового» предприятия с двумя-тремя универсальными станками для механообработки поверхностей, либо станками с ЧПУ;

«пластичен», т.е. при замене только одной детали модуль должен позволять не использовать «лишние» вихревые камеры (когда в них нет необходимости);

сборка модуля и сборка нескольких модулей в готовое изделие должна быть «отверточной», т.е. доступной при конвейерном производстве ВТ;

пригоден к сопряжению с другими модулями, как посредством вспомогательных резьбовых штуцеров (патрубков), так и без них – при установке модулей в едином коллекторе; готов к установке различных насадок на выпуске охлажденного воздуха: для изменения направления холодного потока, эжектирования окружающего воздуха и т.д.; готов к установке средств интенсификации процесса вихревого температурного разделения при взаимодействии потоков соседних вихревых камер;

снабжен трассировкой горячего воздуха с существенным подавлением шума, чтобы (в большинстве применений ВТ) исключить использование глушителей, как дополнительных элементов конструкции.

Для диапазона холодопроизводительностей от десятков Вт до 4,5–7,5 кВт разработана группа модульных ВТ (рис. 11, 12).

Рис. 11. Проект 4. Схематическое изображение
изделий, собранных с использованием вихревых модулей «052» и «102/104» 2 – модель М104 с поворотной перфорированной головкой холодного потока;
3 – двухкорпусная модель М104.2 с изменяемым числом подвижных сопел холодного потока;
4 – пятикорпусная модель М104.5 с эжекторными насадками на соплах;
5 – модель М102 с подвижным соплом, характеризующаяся минимальным уровнем шума;
6 – «точечный» воздухоохладитель М052А с регулируемой скоростью истечения холодного потока;
7 – охладитель М052В с подвижным соплом;
8 – охладитель М052 подключаемый к объекту гибким холодным воздуховодом;
9 – охладитель М052Д с эжекторной насадкой для увеличения объемного расхода охлажденного воздуха;
10 – двухкорпусная модель М052.2 с двумя подвижными соплами.
Для сравнения:
1 – В201 - базовая модель в Проекте 3 (см. рис. 9).

Рис. 12. Проект 4. Группа модульных ВТ.
В их основе – два типа модулей: «052» (малый), габариты: D44х75мм, две вихревые камеры D=5мм; и «102/104» (большой), габариты: D44х75мм, две или четыре вихревые камеры D=10мм. В маркировке первые две цифры – диаметр вихревой камеры в мм, третья цифра – число вихревых камер в модуле, четвертая цифра – количество модулей в ВТ.
Для сравнения:
При большей холодопроизводительности у модульной ВТ марки М104 число деталей и трудоемкость, объем и материалоемкость, масса и шумность (звуковое давление) в 3-4 раза меньше, чем у работающего на сотнях заводов изделия В201 по Проекту 3

Рис. 13. Проект 4. Миниатюрные ВТ, использующие малый модуль «052» (в Таблице: № 22 и 24):
1 – модуль «052»; 2 – поворотное сопло холодного потока; 3 – регулятор температуры;
4 - опора; 5 – эжекторная насадка.

Рис. 14. Проект 4. Буклет на серийную продукцию –
модульные ВТ универсального применения. Изделия различаются количеством модулей, средствами интенсификации процесса встроенными в вихревые камеры [12] и насадками на стороне выпуска холодных потоков: соплами, эжекторами для увеличения объемного расхода воздуха, «вентилирующего» объект, поворотными головками. При минимальных стартовых затратах на освоение производства модулей (одного типа или обоих), пользователи получат группу унифицированных изделий. Число моделей продукции – от 10 до 14. Какие модели будут поставлены на многолетнее серийное производство, определится естественным путем (как и при осуществлении Проекта 3) – при конкуренции изготовителей. Освоение Проекта 4 успешно начато серийным производством модульных ВТ универсального применения (рис. 14), использующих «малый» и «большой» модули.

Перечень их применений будет расти; приведем предварительная систематизацию десяти групп областей применения (нумерация использована в Таблице):
1 – технология машиностроения, станкостроение, промышленная электроника: создание «холодных зон» на поверхности или в объеме инструмента и/или материала; 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;
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: безынерционное создание “холодных зон”;
7 - перевозка фруктов и овощей: автофруктовозы и фруктохранилища на малых судах;
8 - пищевые производства; транспорт; горная техника;
9 – испытательная техника: охладители-нагреватели воздушных потоков для климатических камер;
10 - холодильное машиностроение: хладоагрегаты портативных холодильников, охладители питьевой воды.

6. Россия и США: общее и различия
в путях продвижения ВТ в промышленное производство Упростив классическую ВТ 1930-х годов [2], Фултон (C. D. Fulton, [3]) учредил «стартовое производство». И вскоре в том же городе права на выпуск этой продукции получила более крупная фирма. С 1970-х годов ВТ Фултона стала общедоступным изделием для любого потребителя в США и Западной Европе. Почти без изменений простейшие ВТ Фултона (vortex coolers) удерживаются в серийном производстве десятилетиями – вдвое больше срока действия патентов изобретателя-разработчика. (Парадокс на фоне быстро сменяющихся поколений новейшей техники: компьютеров, ракет, лазеров и др.!).

Как показало время, роль Фултона в формировании нынешнего облика ВТ зарубежного производства оказалась определяющей в период с конца 1960-х годов до 2005г. – и сегодня в Цинциннати, Париже, Аризоне и др. выпускаются адиабатные ВТ (ценой в сотни USD) с одной цилиндрической вихревой камерой из металла, конструктивно почти неотличимые от тех, что предложил Фултон много десятилетий назад.

Начавшаяся в тот же период коммерциализация вихревой технологии в СССР, развивалась по более разнообразному сценарию (разделы 1-3):

в интересах сотен заводов-пользователей конкурирующие серийные производства ВТ появились после получения будущими изготовителями «стартового ноу-хау» от разработчика (чертежей продукции, образцов, маркетинговой информации и др.) – всеми заводами безвозмездно и почти одновременно;
на десятках заводов «вброс» этой стартовой информации послужил импульсом для начала многолетней промышленной апробации разнообразных по технологии и назначению металлических и пластмассовых ВТ: с одной или несколькими вихревыми камерами конической, коническо-цилиндрической или цилиндрической формы; с уменьшенными числом деталей, трудоемкостью, материалоемкостью; с охлаждаемой и неохлаждаемой вихревой камерой (всего этого мы не наблюдаем в зарубежной продукции);
заводы продемонстрировали в 1970-х – 1990-х годах минимальную продолжительность «инкубационного периода»: через 1-3 месяца после получения чертежей от разработчика, первые промышленные партии ВТ уже устанавливались на охлаждаемые объекты (в тот период, когда еще не определились поставщики серийных изделий);
естественный отбор сначала выделил лучшие в производстве и применении решения и вслед за этим дал ориентиры, определившие качественно новый конструктивно-технологический облик ВТ для начала ХХI века.

7. Каковы перспективы роста? Рост и модернизация производственного сектора российской экономики могли бы создать прочный фундамент для массированной промышленной экспансии модульных ВТ универсального применения – новейшие промышленные технологии нуждаются в безотказных точечных источниках холода.

Но в последние 15 лет имеется не модернизация, а деградация основных отраслей-потребителей ВТ: машиностроения, станкостроения, приборостроения, электроники и ВПК. В апреле-июне 2005г. на форумах-встречах высших чиновников страны с промышленниками было впервые изречено то, что фактически реализовывалось уже много лет: правительство «не финансировало машиностроение и подобные отрасли и не намерено делать это впредь; инвестирование в эти отрасли и развитие их – это забота только бизнеса – российского и иностранного».

При скором присоединении России к ВТО эксперты (Высшая школа «Экономикс», Копенгаген; Колорадский университет, США; сотрудник Всемирного банка – по заказу правительства РФ) прогнозируют [23] существенное сокращение объемов российского производства. В машиностроении оно составит 12% при сокращении численности рабочей силы на 13%. Рассчитывать на рост потребления ВТ в машиностроении при таких условиях нереально. Сохранялись надежды на такие быстро модернизируемые отрасли как пищевое машиностроение и пищевая промышленность; но в тех же прогнозах ожидаемое сокращение оценивается в 14% и 15%, соответственно.

Много лет обсуждалась стратегия развития машиностроения до 2010г., в которой решающую роль специалисты отводили отечественному станкостроению. Разрабатывались меры по развитию его экспортно-ориентированного потенциала. Обсуждались возможности роста поставок программных станков в Индию, страны Африки и другие регионы с жарким климатом. В этих условиях применения станков ужесточаются требования к эффективности системы вентиляционного охлаждения микропроцессорных шкафов, следовательно, появлялась новая «ниша» для безальтернативного использования ВТ при многоточечном охлаждении важнейших зон: это решение, дающее в необходимых случаях тепловую безотказность механообрабатывающему оборудованию при минимальных затратах. Делая работу станка (линии, участка) независимой от колебаний температуры окружающего воздуха, улучшая эксплуатационные свойства сложной технической системы, вихревые охладители, таким образом, расширяли бы возможность экспорта дорогостоящего оборудования, практически не удорожая его.

Вентиляционная система охлаждения, дополненная в теплонапряженных ответственных зонах процессорного шкафа одним или несколькими недорогими вихревыми микроохладителями (рис. 13), актуальна не только для продукции, поставляемой на экспорт. Все более жаркое лето характерно и для значительной части территории России (при отсутствии систем кондиционирования воздуха в большинстве производственных цехов).

Потребность в микроохладителях для станкостроения (в стране и на экспорт) при рассматриваемой стратегии развития, по самой минимальной оценке, около 10000-20000 изделий в год и к 2010г. она могла бы возрасти на порядок. На роль изготовителя может быть выбран крупный завод, например станкостроительный, либо поставщик микропроцессорных шкафов - предприятие с широкими производственными связями в своей отрасли и в смежных отраслях, а также с давно установившимися экспортными связями. Производство модульных изделий следует начать с одной – двух моделей микроохладителей (рис. 13, 14), например М052В и М052С. Первые партии изделий изготовитель применит в своих производственных цехах, а также поставит потребителям в своей отрасли и в смежных отраслях. По мере наработки опыта производства и применения, следующие партии будут применены на продукции завода-изготовителя, например в микропроцессорных шкафах, поставляемых потребителям в России, Белоруссии, Казахстане, Украине (все четыре страны имеют развитое станкостроение). И, наконец, в течение второго года производства будут освоены все модели микроохладителей для расширенного экспорта. Здесь изложены оценки 2-3-летней давности; за этот период выросли цена на нефть и размер Стабилизационного фонда.

А взамен обсуждавшейся стратегии развития машиностроения появилась изложенная выше формулировка, отстраняющая высших чиновников от любых забот о развитии производственного сектора экономики. О Проекте 4 было доложено на нескольких научно-технических конференциях. Будущим изготовителям предлагалось осваивать продукцию по Проекту 4 в рамках стандартной процедуры, устанавливаемой Патентным законом РФ, т.е. по двустороннему Лицензионному договору, регистрируемому в Москве, в «Роспатенте».

После российского дефолта 1998г. не нашлось предприятие (наподобие холдинга «Ленинец», где 15-20 лет назад успешно применены многие ВТ из тех, что показаны в статье), готовое осваивать новую продукцию, сбыт которой целиком зависит от описанного выше состояния отраслей-потребителей. Поступали предложения от энтузиастов мелкого бизнеса, располагающих «тремя станками в подвале» и готовых попробовать сделать несколько ВТ и «посмотреть что получится». Очевидно, это не тот путь, который ведет продукцию к экспорту, подразумевающему высокую культуру производства, затраты на рекламу продукции и использующему налаженные экспортные связи.

Так первым серийным изготовителем модульных ВТ универсального применения (рис. 14) стала зарубежная компания, а не российская. Перспектива появится в том только случае, если экономика России будет, наконец, переориентирована с расширенного вывоза сырья на эффективную коммерциализацию новейших технологий. Таков Рукотворный смерч-2005.

Примечания к Таблице:

Разрешенное избыточное давление сжатого воздуха на входе в ВТ Рс = (0,1-1,0) МПа;

рекомендуемое (рабочее) давление Рс = (0,2-0,7) МПа;

«экономичное» давление Рс = (0,2-0,5) МПа.

Источник сжатого воздуха - заводская или бортовая пневмосеть с избыточным ресурсом.

Температура холодного потока после ВТ от 290К до 250-230(220)К в зависимости от положения регулятора режима ВТ и давления сжатого воздуха.

*– при давлении сжатого воздуха на входе в двухступенчатую ВТ Рс = 2,5 МПа.

А – алюминий, АС – алюминиевый сплав, М – медь, К – капролон, Л – латунь, МП – масса прессовочная, Т – текстолит; Кн – усеченный конус (3о), К-Ц – усеченный конус-цилиндр, Цл – цилиндр.

8. Заключение 8.1. В этой статье ВТ представлена не как «лабораторное чудо» или устройство узкоотраслевого применения, а как продукция для многих заводов. Развитием ВТ от однокамерных к многокамерным и от них – к модульным не исчерпывается все их многообразие. В разные годы по единичным проектам в опытно-промышленных масштабах изготавливались вихревые трубы уникальных конструкций [6, 12, 15, 16, 19, 20]:

для использования в термостате (холодильной камере), гигрометре, оптическом квантовом генераторе, плазмотроне, горелке, системе осушки сжатого воздуха или газа, системе охлаждения турбинных лопаток;

в энергетике, металлургии, химической и газовой промышленности: для очистки доменных газов, в технологии производства аммиака, при переработке природного газа;

в аэрокосмической промышленности: для установок комплексного термоакустического воздействия на изделие в испытательной (реверберационной) камере; для автономного или шлангового кондиционера, вентилирующего защитный костюм пилота; для наземного терморегулирования и термостатирования ракетно-космической техники и др.

8.2. «Промышленная экспансия» серийно изготавливаемых ВТ при минимальных затратах времени и средств ведет к масштабным экономическим и экологическим результатам:

многоточечное вихревое охлаждение зон в теплонапряженных объектах в обоснованных случаях делает ненужным строительство на предприятии дорогой, громоздкой и энергоемкой центральной системы кондиционирования воздуха, использующей парниковые газы;

если объекту требуется интенсивное локальное охлаждение для работы без обслуживания при экстремально высоких температурах, вибрациях, запыленности, загазованности, применение ВТ оказывается безальтернативным, поскольку традиционная холодильная техника малопригодна для работы в таких условиях;

ограничивая выбросы в атмосферу парниковых газов от традиционной холодильной техники, необходимо взглянуть на ВТ как на устройство с большим и еще нераскрытым потенциалом развития.

8.3. Чтобы дать толкование новым экспериментально установленным фактам (см. продолжение этой статьи), необходимо более глубокое понимание физической природы вихревого эффекта. Его изучение будет продолжаться с привлечением все более дорогого экспериментального оборудования, что возможно только при планомерном осуществлении стратегии развития науки и экономики.
8.4. По совокупности технологических и эксплуатационных характеристик [14-16] модульные ВТ превосходят известную вихревую технику; в ближайшие годы они займут доминирующее положение, потеснив простейшую «классическую» однокамерную ВТ с цилиндрической вихревой камерой из металла.
8.5. Все показанные выше ВТ – «неавтономные» устройства. Их преимущества выявляются, только если рядом есть пневмосеть для разных потребителей. Ведется поиск независимых от сети – «автономных» решений, преимущественно для не адиабатных вихревых труб высшей экономичности. Как дать вихревой трубе рабочее тело нужных параметров, не используя хладоны и замкнутый парокомпрессионный холодильный цикл, но стремясь к максимальной энергетической эффективности? Решение этой задачи ускорит экспансию вихревой техники.
Список литературы
1. Ranque G.J. Experiences sur la d?tente girataire avec productions simultanees d,un echappement d,air chaud et d,air froid // Journ de Physique et la Radium, 1933, Vol.7, №4. P.112.
2. Ranque G.J. Method and apparatus for obtaining from fluid under pressure two currents of fluids at different temperatures. Patent USA № 1952281, 1934.
3. C.D. Fulton. Vortex tube. Patent USA № 3208229, Cl.62-5, 1965, Sept.28.
4. Меркулов А.П. Вихревой эффект и его применение в технике. - Самара: Оптима, 1997. 360с.
5. Alekseev V.P., Azaroff A.I. Development, investigation and application of non-adiabatic vortex tubes (B2.41) // 14th International Congress of Refrigeration.- Moscow, 1978, Vol. II. P. 997-1004.
6. Азаров А.И., Алексеев В.П., Быков А.В. и др. Холодильные машины. Справочник под ред. А.В.Быкова. - М.:Легкая и пищевая промышленность, 1982. С.188 – 199.
7. Азаров А.И. Слишком дешевый холодильник // Изобретатель и рационализатор, 1971, №7.
8. Бабакин Б.С., Выгодин В.А. Бытовые холодильники и морозильники. Справочник М.: Колос, 2000, С.455-456.
9. Азаров А.И. Бытовые вихревые холодильники для транспортных средств // Холо-дильная техника, 1986, №7.С.28-30.
10. Азаров А.И. Вихревые охладители для промышленной электроники // Межвузовский сборник научных трудов. Л.: ЛТИХП,1989. С.135-141.
11. Азаров А.И. Промышленное применение гаммы вихревых охладителей. – Вихревой эффект и его применение в технике. Материалы 6-й Всесоюзной конференции Самара: СГАИ, 1993, с.75 – 79.
12. Азаров А.И. Снижение удельных энергозатрат на получение холода в вихревых трубах // Проблемы экономии топливно-энергетических ресурсов на промпредприятиях и ТЭС. С.-Петербург: СПб ГТУРП, 2002. С.112-117.
13. Азаров А.И. Многоцелевые вихревые воздухоохладители: исследование масштабов промышленного использования // Вестник МГТУ им. Баумана. Серия Машиностроение. Специальный выпуск Криогеника, 2000, с.93-99.
14. Azarov A. Qualimetric method of comparison of refrigerating systems according to the totality of their technological and operational characteristics // International Conferense: Resources saving in food industry. - St.Petersburg, 1998. P.143-144.
15. Азаров А.И., Бирюков Г.П., Калюжный В.А. К методике выбора газорасширительных машин для систем термостатирования объектов // Ракетная и космическая техника. Серия III. Вып.4. / М.: ГОНТИ, 1986
16. Азаров А.И., Калюжный В.А. Сопоставление вихревых, термоэлектрических и комбинированных генераторов холода методом интегральной оценки качества // Вихревой эффект и его промышленное применение Материалы 3-й Всесоюзной конференции – Куйбышев: КуАИ, 1981, С.255-260.
17. Азаров А.И. Конструктивно-технологическое совершенствование вихревых воздухоохладителей // Технология машиностроения, 2004, №3. С.56-60
18. D. Green. Vortex tube. Patent USA № 2892316, Cl. 62-5, 1959
19. Суслов А.Д., Иванов С.В., А.В. Мурашкин и др. Вихревые аппараты. – М.: Машиностроение, 1985. 256с.
20. Пиралишвили Ш.А., Поляев В.М., Сергеев М.Н. Вихревой эффект. Под ред. А.И.Леонтьева. – М.: УНПЦ Энергомаш, 2000. – 412с.
21. Семенюк В.А. Термоэлектрическое охлаждение: проблемы и перспективы // Холодильная техника и технология, 1999, № 62. С.74-87.
22. Булат Л.П. Новое поколение твердотельных охладителей // Холодильная техника, 2004, № 8. С.2-7.
23. Кактурская М. Зачем нам в ВТО? // Аргументы и факты, Июнь 2005, № 25 (1286). С.6.