CC BY
249
The results of the research products of degradation temperature in the range of temperature control motor oil Mobil Super 2000 10W-40 SJ / CL / CF to oxidation using the photometric method of control. The criterion of thermal oxidative stability, expressed as coefficient of resistance to oxidation, which takes into account the amount of heat absorbed by the products of oxidation and evaporation, preincubatedoils.
Key words: temperature control, oxidation processes, the absorption coefficient of the luminous flux ratio volatility, potential resource, coefficient of resistance to oxidation.
Kowalski Boleslav Ivanovich, doctor of technical sciences, professor, Labsmamail. ru, Russia, Krasnoyarsk, Siberian Federal University, Institute of Oil and Gas,
Sokolnikov Alexander Nikolayevich, candidate of technical sciences, docent, asokol-nikov@bk.ru, Russia, Krasnoyarsk, Siberian Federal University, Institute of Oil and Gas,
Petrov Oleg Nicolaevich, candidate of technical sciences, docent, Pe-trov oleqa mail.ru, Russia, Krasnoyarsk, Siberian Federal University, Institute of Oil and Gas,
Shram Vyacheslav Gennadevich, candidate of technical sciences, docent, Shram 1 8rusamail. ru, Russia, Krasnoyarsk, Siberian Federal University, Institute of Oil and Gas,
Galiakhmetov Ravil Nurgayanovich, candidate of philosophy sciences, docent, Ro-via28@mail.ru, Russia, Krasnoyarsk, Siberian Federal University, Institute of Oil and Gas
УДК 621.573
ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТЕЙ ПОВЫШЕНИЯ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ ВИХРЕВОЙ ТРУБЫ РАНКА - ХИЛША
А.М. Белоусов, И.Х. Исрафилов, С.И. Харчук
Рассмотрены преимущества и недостатки применения вихревых труб в качестве хладогенератора. Описаны основные типы их конструкций. Обсуждены некоторые гипотезы эффекта температурного разделения. Представлен краткий обзор результатов экспериментальных исследований и численного моделирования, приведенных в предыдущих работах.
Ключевые слова: вихревая труба, труба Ранка - Хилша, температурное разделение, турбулентное течение, численное моделирование, модель турбулентности.
Как в быту, так и в производстве ежедневно возникает необходимость получения низких температур. В настоящее время существуют различные способы охлаждения, но наиболее распространенным является применение парокомпрессионных машин [1]. К недостаткам устройств такого типа можно отнести необходимость использования хладагентов (фре-
112
он, аммиак), вредных как для здоровья человека, так и для окружающей среды, а также дороговизна у покупки и обслуживания оборудования и недостаточно высокую для некоторых случаев скорость выхода на требуемый температурный режим.
В качестве альтернативы вышеуказанному способу холодопроиз-водства является применение установок на основе вихревой трубы Ранка -Хилша. Последняя представляет собой механическое устройство, работающее как холодильная машина без подвижных частей, разделяя поток сжатого газа на две фракции (рисунок) [2]. На периферии образуется закрученный поток с большей температурой, а в центре - закрученный охлажденный поток, причем вращение в центре происходит в другую сторону.
Можно выделить следующие достоинства вихревых труб по сравнению с парокомпрессионными машинами:
- отсутствие необходимости в хладагентах и теплоносителях;
- простота конструкции, компактность;
- дешевизна изготовления, простота обслуживания и ремонта;
- отсутствие подвижных узлов и, как следствие, высокая надежность;
- высокая скорость выхода на рабочий режим;
- возможность осуществления нескольких процессов одновременно (охлаждение, нагрев, фазоотделение).
К недостаткам указанного способа получения холода можно отнести:
- относительно низкую энергетическую эффективность;
- необходимость использования мощного компрессора для получения низких температур.
Перечисленные положительные свойства вихревых труб позволяют придать технологическим системам такие качества, как безопасность, эко-логичность, технологичность, быстродействие, простота в изготовлении и эксплуатации. Указанные достоинства уже позволяют конкурировать с парокомпрессионными установками.
Впервые вихревая труба была создана Ранком, металлургом и физиком, получившим французский патент в 1932 году и патент США в 1934 году. Первой реакцией научного и инженерного сообщества на его изобретение были недоверие и безразличие. Поскольку вихревая труба термодинамически была малоэффективна, она была заброшена на несколько лет. Интерес к устройству был возрожден усилиями немецкого инженера Хилша. Он сделал доклад о своих обстоятельных экспериментальных и теоретических исследованиях, направленных на повышение эффективности вихревой трубы. Хилш систематически исследовал влияние входного давления и геометрических параметров устройства на его производительность
и представил возможное объяснение процесса энергоразделения. После Второй мировой войны его конструкции и документы были обнародованы, что привело к их широкому исследованию. Примером раннего интереса к вихревым трубам является всесторонний обзор Уэстли, включавший более 100 ссылок [3]. Другие литературные обзоры [4, 5] обеспечили широкий анализ применения и улучшений вихревой трубы. В связи со сжимаемостью и сложностью потока в вихревой трубе моделирование и решение турбулентных вихревых потоков является сложной и вызывающей интерес задачей. Вихревые трубы использовались на практике для низкотемпературных приложений, таких, как охлаждение деталей машин, припоев, осушения газа, охлаждения электрических и электронных контрольных шкафов, для холодильных камер, охлаждения пищи и тестирования термодатчиков. Другие практические приложения включают быстрый запуск паровых генераторов энергии, ожижение природного газа, охлаждение оборудования в лабораториях, работающих с взрывоопасными химикатами, температурный контроль воздушных систем аквалангов, отделение частиц в отработавших газах, охлаждение ядерных реакторов и охлаждение костюмов пожарных, для закрутки потока газа, подаваемого в плазмотрон [6], и т.д.
Схема вихревой трубы: 1 - камера энергоразделения; 2 -развихритель горячего потока; 3 - сопловой ввод; 4 - диффузор холодного потока; 5 - сопловой сужающийся канал
В результате изучения вихревого эффекта и попыток повышения эффективности вихревых труб были созданы различные конструкции, которые можно выделить в следующие группы:
1) разделительные цилиндрические;
2) прямоточные;
3) разделительные конические;
4) охлаждаемые;
5) двухконтурные;
6) с искривленной геометрией.
Особенностью прямоточной вихревой трубы является организация отвода холодного и горячего потоков с одной стороны камеры энергоразделения. Температуры истекающего холодного и горячего потоков для данных труб могут отличаться на 140...230 °С. При этом на практике, как правило, используются температуры до -40 °С. Данная конструкция оказалась малоэффективной по сравнению с другими и на практике используются редко.
Стремление сократить длину вихревой трубы привело к созданию конструкции с конической формой камеры энергоразделения. Угол раскрытия конической части обычно составляет 3.6° при длине 5.9 калибров. Исследования вихревых труб данной конструкции показали, что создаваемый ими эффект охлаждения выше, чем у цилиндрической при одинаковых условиях.
С целью увеличения эффективности вихревой трубы путем отбора части тепла периферийного вихря была создана конструкция охлаждаемой трубы. Принцип ее работы основан на том, что энергия отводится не только потоком горячего газа, но и дополнительным охлаждающим веществом. Отбор тепла можно осуществлять путем использования рубашки охлаждения или дополнительного внешнего оребрения.
А.П. Меркулов и Ш.А. Пиралишвили [7] предложили для повышения изоэнтропного КПД вводить в приосевую зону камеры энергоразделения со стороны дросселя дополнительный поток газа. Двухконтурные вихревые трубы позволяют сократить потребную мощность на получение заданной холодопроизводительности за счет увеличения расхода холодного воздуха при сохранении температуры.
Вихревая труба с искривленной геометрией - пока достаточно редкая конструкция. Она может быть использована в тех случаях, когда в силу своих габаритов не могут быть применены трубы стандартной конфигурации. Искривленные вихревые трубы уступают обычным по получаемой разнице температур, но позволяют достичь большей холодопроизводи-тельности [8].
Таким образом, на сегодняшний день существует множество различных типов конструкций вихревой трубы. Но несмотря на широкое использование эффекта энергоразделения, на данный момент среди ученых
115
нет единого мнения о природе его возникновения. Сложность изучения данного явления связана со сложностью движения потока в вихревой трубе, а также с наличием значительных турбулентных пульсаций. Существующие на сегодняшний день гипотезы, объясняющие природу вихревого эффекта, подразделяются на четыре группы:
1) центробежные гипотезы;
2) гипотезы, использующие «Демон Максвелла»;
3) гипотеза радиальных потоков Хилша - Фултона;
4) гипотеза взаимодействия вихрей.
Последние две гипотезы являются наиболее распространенными на данный момент.
Представители группы гипотез Хилша - Фултона за основу эффекта принимали наличие в камере энергетического разделения вихревой трубы двух основных потоков энергии: потока кинетической энергии, направленного от центра к периферии, и потока тепла, направленного в противоположную сторону [7]. В основе гипотезы приняты положения, данные Ран-ком и Хилшем. Газовый поток, выходя из соплового ввода с высокой скоростью и пониженной термодинамической температурой, образует свободный вихрь, в центральной области которого имеются большие угловые скорости, а в периферийной области - малые. По мере движения вдоль трубы поток за счет сил трения перестраивается в вынужденный вихрь. В результате внутреннего трения происходят уменьшение угловых скоростей внутренних слоев и увеличение угловых скоростей внешних слоев. Это создает возможность перехода механической энергии от центра к периферии и выравнивает угловые скорости по всему сечению. В то же время за счет более высоких значений термодинамической температуры у периферии вихря по сравнению с центральной областью возникает поток тепла, имеющий направление, противоположное потоку механической энергии. Тепловой поток по своей величине не в состоянии компенсировать потери кинетической энергии у слоев центральной области.
По мнению авторов работы [7], наиболее достоверной можно считать гипотезу взаимодействия вихрей. Ее выдвинул А.П. Меркулов [9] на основе работ Хинце и Ван Деемтера. Процесс энергоразделения рассматривается с позиции взаимодействия двух перемещающихся в противоположных направлениях вихрей: периферийного, вращающегося по закону потенциального вихря, и приосевого, вращающегося как квазитвердое тело. Энергия турбулентности газа в вихревой трубе используется для осуществления работы охлаждения вынужденного вихря, так как за счет радиальной составляющей турбулентной пульсационной скорости элементарные турбулентные моли перемещаются по радиусу в поле высокого радиального градиента статического давления, адиабатно сжимаются и расширяются, передавая тепло от зоны низкого в зону высокого статического давления. Высокая степень анизотропной турбулентности, интенсивность
которой в радиальном направлении значительно превосходит интенсивность турбулентности вдоль оси, обеспечивает энергомассоперенос, в процессе которого турбулентные моли, перемещаясь с одной радиальной позиции на другую, совершают микрохолодильные циклы. В целом, А.П. Меркулов выделяет три тепловых потока [9], оказывающих влияние на энергоразделение в вихревой трубе.
В настоящее время основными методами изучения процессов, происходящих в вихревой трубе, являются экспериментальные исследования и численное моделирование.
Рассматривая проведенные экспериментальные исследования, можно выделить две основные группы: исследования влияния геометрии вихревой трубы и параметров входного потока на ее эффективность и изучение макроструктуры потока. В табл. 1 приведены некоторые результаты опытных изысканий разных лет, начиная с обнаружения вихревого эффекта в 1933 году [10 - 15].
Таблица 1
Сводная таблица экспериментальных исследований вихревых труб
Год Исследователь Диаметр вихревой камеры D, мм Входное давление Pi , атм Температура торможения, °С Доля массового расхода холодного воздуха тс
Th-Ti To-Ti
1 2 3 4 5 6 7
1933 Ranque 12 7 38 -32 -
1947 Hilsch 4,6 11 140 -53 0,23
1950 Webster 8,7 - - - -
1951 Scheper 38,1 2 3,9 -11,7 0,26
19561957 Hartnett, Eckert 76,2 2,4 3,5 -40 -
1956 Мартыновский, Алексеев 4,4/28 12 - -65 -
1957 Scheller, Brown 25,4 6,1 15,6 -23 0,506
1958 Otten 20 8 40 -50 0,43
1959 Lay 50,8 1,68 9,4 -15,5 0
1960 Suzuki 16 5 54 -30 1
1960 Takahama, Kawashima 52,8 - - - -
1962 Sibulkin 44,5 - - - -
1962 Reynolds 76,2 - - - -
1962 Blatt, Trusch 38,1 4 - -99 0
Окончание табл. 1
1 2 3 4 5 6 7
1965 Takahama 28/78 - - - -
1966 Takahama, Soga 28/78 - - - -
1968 Vennos 41,3 5,76 -1 -13 0,35
1969 Bruun 94 2 6 -20 0,23
1973 Soni 6,4/32 1,5/3 - - -
1982 Schlenz 50,8 3,36 - - -
1983 Stephan и др. 17,6 6 78 -38 0,3
1983 Amitani и др. 800 3,06 15 -19 0,4
1988 Negm и др. 11/20 6 30 -42 0,38
1994 Ahlborn и др. 18 4 40 -30 -
1996 Ahlborn и др. 25,4 2,7 30 -27 0,4
2001 Guillaume, Jolly III 9,5 6 - -17,37 0,4
2003 Saidi, Valipour 9 3 - -43 0,6
2004 Promvonge, Eiamsa-ard 16 3,5 - 33 0,33
2005 Promvonge, Eiamsa-ard 16 3,5 25 30 0,38
2005 Aljuwaihel и др. 19 3 1,2 -11 0,1
2007 Dincer [10] 9 3 Th-To=56 0,9
2010 Valipour, Niazi [8] 19,05 3 26 -21 0,3
2011 Dincer[11] 6x9 4 Th-To=67,6 0,9
2012 Xue и др. [12] 60 2,6 1,4 -7,2 -
С развитием методов численного решения задач гидрогазодинамики некоторые исследователи перешли к изучению вихревого эффекта путем математического моделирования на основе уравнений Навье - Стокса и законов сохранения. Особенно активное развитие это направление исследований получило с конца 90-х гг. с появлением вычислительной техники достаточной производительности. Первые модели имели большое количество допущений и показывали только качественную сходимость. С развитием компьютерной техники стали применяться более точные модели, обеспечившие более достоверные результаты численных экспериментов (табл. 2).
Таблица 2
Сводная таблица экспериментов по численному моделированию
Исследователи Модель потока Модель вязкости Сходимость с натурными экспериментами
Linderstrom-Lang (1971) Несжимаемый Алгебр аическая модель вязкости Сходимость низкая, но улавливается тенденция к сходимости
Schlenz (1982) 2Б, сжимаемый Алгебр аическая модель вязкости Низкая, но качественная сходимость
Amitani и др. (1983) 2Б, сжимаемый Алгебр аическая модель вязкости Достаточная, но предположения сомнительны
Борисов и др.(1993) Несжимаемый Алгебр аическая модель вязкости Качественная сходимость
Guston, Bakken (1999) 2Б, сжимаемый k-e модель Достаточно высокая
Frohlingsdorf, Unger (1999) 2Б, сжимаемый k-e модель Достаточно высокая
Promvonge (1999) 2Б, сжимаемый ASM и k-e модели Высокая
Behera и др. (2005) 3Б, сжимаемый k-e и RNG k-e модели Достаточно высокая
Aljuwaihel и др. (2005) 2Б, сжимаемый k-e и RNG k-e модели Достаточно высокая
Skyeи др.(2006) 2Б, сжимаемый k-e и RNG k-e модели Достаточно высокая
Eiamsa-ard, Promvonge (2006) 2Б, сжимаемый ASM и k-e модели Высокая
Secchiroli, Ricci, Montelpare, D'Alessandro (2009)[13] 2Б, 3Б, сжимаемый RNG k-e, RSM (для 2D), LES (для 3D) модели Достаточно высокая
Baghdad, Ouadha, Imine, Addad (2011) [14] 3Б, сжимаемый k-e, k-w SST k-w, RSM модели Достаточно высокая (к-е, к-ю, SST к-ю) Высокая ^М)
Bovand, Valipour, Dincer, Tamayol (2013) [15] 3Б, сжимаемый RNG k-e модель Достаточно высокая
Таким образом, вихревые трубы известны уже более 80 лет. Однако теоретические, экспериментальные и численные исследования эффектов, происходящих внутри трубы Ранка - Хилша, продолжаются и сейчас. Четкое понимание процессов, вызывающих эффект энергоразделения, позволит создать более производительные конструкции вихревых хладогенера-торов, что сделает их способными конкурировать с традиционными холодильными установками.
Список литературы
1. Пархимович А.Ю. Имитационное моделирование температурной стратификации закрученных потоков в вихревых хладогенераторах: дис. ... канд. техн. наук. Уфа, 2008. 124 с.
2. Хаит А.В. Исследование эффекта энергоразделения с целью улучшения характеристик вихревой трубы: дис. ... канд. техн. наук. Екатеринбург, 2012. 199 с.
3. Westley R. A bibliography and survey of the vortex tube. College of Aeronautics. Cranfield note. UK, 1954. 324 p.
4. Curley W., R. McGree Jr. Bibliography of vortex tubes // Refrig. Eng. 1951. Vol.59. № 2. P. 191-193.
5. Dobratz B.M. Vortex tubes: a bibliography. Lawrence Radiation Laboratory. UCRL-7829. 1964. 68 p.
6. Пат. 1679946 СССР. Электродуговая установка / И.Х. Исрафилов, Ф.И. Латыпов. Опубл. 1992. Бюл. № 10.
7. Пиралишвили Ш.А., Поляев М.Н., В.М. Сергеев. Вихревой эффект. Эксперимент, теория, технические решения. М.: УНПЦ «Энерго-маш», 2000. 414 с.
8. Valipour M.S., Niazi N. Experimental modeling of a curved Ranque-Hilsch vortex tube refrigerator // Int. J. Refrig. 2011. Vol. 34. № 4. P. 11091116.
9. Меркулов А.П. Вихревой эффект и его применение в технике. М.: Машиностроение, 1969. 184 с.
10. Dincer K., Baskaya S., Uysal B.Z. Experimental investigation of the effects of length to diameter ratio and nozzle number on the performance of counter flow Ranque-Hilsch vortex tube // Heat Mass Transf. 2008. № 44. P. 367 - 373.
11. Dincer K. Experimental investigation of the effects of threefold type Ranque-Hilsch vortex tube and six cascade type Ranque-Hilsch vortex tube on the performance of counter flow Ranque-Hilsch vortex tubes // International journal of refrigeration. 2011. №34. P. 1366 - 1371.
12. Xue Y., Arjomandi M., Kelso R. Experimental study of the flow structure in a counter flow Ranque - Hilsch vortex tube // International Journal of Heat and Mass Transfer. 2012. Vol.55. P. 5853-5860.
13. Numerical simulation of turbulent flow in a Ranque-Hilsch vortex tube / A. Secchiaroli, R. Ricci, S. Montelpare, V. D'Alessandro // International Journal of Heat and Mass Transfer. 2009. № 52. P. 5496-5511.
14. Numerical study of energy separation in a vortex tube with different RANS models / M. Baghdad, A. Ouadha, O. Imine, Y. Addad // International Journal of Thermal Sciences. 2011. № 50. P. 2377 2385.
15. Numerical analysis for curved vortex tube optimization / M. Bovand, M.S. Valipour, S. Eiamsa-ard, A. Tamayol // International Communications in Heat and Mass Transfer. 2014. № 50. P. 98-107.
Белоусов Алексей Михайлович, асп., belousoff.alexey@yandex.ru, Россия, Набережные Челны, Набережночелнинский институт Казанского федерального университета,
Исрафилов Ирек Хуснемарданович, д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой, irma-ris@yandex.ru, Россия, Набережные Челны, Набережночелнинский институт Казанского федерального университета,
Харчук Сергей Иванович, канд. физ.-мат. наук, доц., зав. кафедрой, kharc-hyk@,mail.ru, Россия, Казань, Казанский государственный энергетический университет
INVESTIGA TION OF POSSIBLE WAYS TO INCREASE EFFICIENCY OF RANQUE-HILSCH VORTEX TUBE
A.M. Belousov, I.K. Israphilov, S.I. Kharchuk
Advantages and disadvantages of vortex tubes as cold generators are shown. The basic types of constructions of the vortex tubes are described. Some theories of temperature separation effect are discussed. The experimental investigations and numerical simulations presented in previous studies on temperature separation inside the vortex tubes are reviewed.
Key words: vortex tube, Ranque-Hilsch tube, temperature separation, turbulent flow, numerical simulation, turbulence model.
Belousov Aleksej Mihajlovich., postgraduate, belousoff.alexey@yandex.ru, Russia, Naberezhnye Chelny, Naberezhnye Chelny Institute (branch) of Kazan Federal University,
Israphilov Irek Husnemardanovich, doctor of technical sciences, professor, manager of department, irmaris@yandex. ru, Russia, Naberezhnye Chelny, Naberezhnye Chelny Institute (branch) of Kazan Federal University,
Kharchuk Sergej Ivanovich, candidate of technical sciences, docent, manager of department, kharchyk@,mail. ru, Russia, Kazan, Kazan State Power Engineering University
