CC BY
154
Типоразмерный ряд ДКА на ш-образных базах
Шифр базы Ш2.5-3 Ш5.0-3 Ш5.0-6 Ш10-3 Ш10-6
Номинальная поршневая сила , кН 2,5 5,0 5,0 10,0 10,0
Число рядов 3 3 6 3 6
Ход поршня, мм 55 65 65 75 75
Номинальная частота вращения, об/мин 1500 1500 1500 1500 1500
Средняя скорость поршня, м/с 2,75 3,25 3,25 3,75 3,75
Расход воздуха, кг/с 0,007 0,018 0,035 0,038 0,076
Диаметр цилиндра компрессора, мм 65 95 95 130 130
Диаметр цилиндра детандера, мм 30 45 45 64 64
Потребляемая мощность, кВт 4,2 5,9 11,9 14,0 27,9
Холодопроиз- водительность, кВТ 0,824 2,22 4,44 4,79 9,58
2. Мамонтов М..А. Основы термодинамики тела переменной массы. - Тула: Приокское книжное издательство. 1970. 87 с.
3. Петриченко P.M., Оносовский В В. Рабочие процессы поршневых машин. - Л.: Машиностр., 1972.
4. Поршневые компрессоры. Под ред. B.C. Фотина.-Л.: Машиностроение, 1987.
5. Прилуцкий И.К. Разработка, исследование и создание компрессоров и детандеров для криогенной техники. Автореф. дисс. д.т.н. Л., 1991.
6. Прилуцкий А.И. Совершенствование систем газораспределения компрессорных и расширительных машин. Автореф. дисс. к. т. н. С-П., 1992.
7. Калекин B.C., Прилуцкий И.К., Фотин Б.С. К вопросу расчета многоступенчатых поршневых компрессоров методом математического моделирования // Холодильные и компрессорные машины. Новосибирск. 1978. С 115-121.
22.03.99 г.
ВАНЯШОВ Александр Дмитриевич - аспирант кафедры «Компрессорные машины и пневмоагрегаты» Омского государственного технического университета.
КАЛЕКИН B.C. - доцент кафедры «Компрессорные машины и пневмоагрегаты» Омского государственного технического университета.
КАБАКОВ Анатолий Никитович - доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Компрессорные машины и пневмоагрегаты» Омского государственного технического университета.
Литература
1. Лорентцен Г. Холод, энергия и окружающая среда. // Холодильная техника, N9 5, 1991.
УДК 533.601
ЗАКРУЧЕННЫЕ ПОТОКИ В ПРОМЫШЛЕННОСТИ
А. Б. Яковлев
Статья посвящена промышленному применению закрученных потоков жидкости или газа. Рассмотрены основные типы вихревых устройств.
Закрученные потоки и вихревые движения широко распространены. Они наблюдаются во многих явлениях природы и часто используются в технике. В настоящее время промышленное применение закрученных потоков обусловлено их очевидными свойствами: возможностью создания поля центробежных сил, существенно превосходящего гравитационные силы; увеличением за счет вращения потока длины траекторий движущихся в нем частиц по сравнению с поступательным движением. Кроме того, отличительными особенностями закрученных потоков являются эффект энергетического разделения потока газа (вихревой эффект Ранка) и зона возвратного течения (пониженного давления) в центре вращающейся струи.
Устройства, в которых реализуются вихревые движения жидкости или газа, в общем случае называются вихревыми аппаратами. Это прежде всего различные центробежные, циклонные и вихревые камеры, вихревые трубы, вакуум-насосы и т.п. Общим для них является радиальное перемещение вращающегося потока, вследствие чего тангенциальная скорость с приближением к оси вращения возрастает, достигает максимума и падает до нулевого значения на оси [1].
Благодаря своим особенностям вихревые аппараты находят практическое применение в самых различных областях: в машиностроении, авиации, ракетной и холодильной технике, нефтехимической и горнодобывающей промышленности, сельском хозяйстве, медицине. Они предельно просты; имеют небольшие размеры и
массу; отсутствие движущихся частей делает их высоконадежными и простыми в обслуживании; имеют малую инерционность, нечувствительны к гравитационным силам, вибрациям и механическим перегрузкам; кроме того, в них возможно осуществить одновременно несколько процессов (охлаждение, нагревание, осушка, очистка и т.д.); рабочим телом вихревых аппаратов может быть практически любой газ или смесь газов; кроме всего прочего, они имеют широкий диапазон регулирования по входным и выходным параметрам.
Однако серьезным недостатком вихревых устройств является относительно низкая эффективность, связанная с большой затратой энергии на сжатие рабочего тела. Необходимо также отметить, что вихревые аппараты еще не доведены до оптимальных показателей и их энергетические характеристики в дальнейшем могут быть улучшены [2].
Рассмотрим некоторые из возможных способов использования закрученных потоков в технологических процессах.
Вихревая труба является простейшим вихревым аппаратом, предназначенным для получения нагретого и(или) охлажденного потока газа. При подаче в сопло газа высокого давления в вихревой трубе формируется интенсивный закрученный поток, приосевые слои которого охлаждаются, а периферийные - нагреваются. Температура горячего потока газа может увеличиваться на 60-80°С, а холодного - на 40-60°С по сравнению с температурой потока на входе в трубу [3]. Основным
недостатком вихревых энергоразделителей при использовании их в качестве холодильных машин является невысокая эффективность. По удельной хладопроизводи-тельности вихревые трубы уступают турбинным и паро-компрессорным машинам. Однако использование ступенчатого и каскадного включения вихревых труб, многосоплового ввода, подача дополнительного потока позволяет повысить энергетическую эффективность и степень охлаждения потока газа.
В центральной области закрученного потока возможно возникновение зоны пониженного давления. Это свойство используют в аппаратах, называемых вихревыми вакуум-насосами и эжекторами. Эти устройства применяются в тех же процессах, что и струйные эжекторы и в некоторых случаях оказываются предпочтительнее. Так, например, вихревые вакуум-насосы эффективны при прокачке сыпучих материалов, поскольку в этом случае исключается попадание пыли в компрессор, а вихревые краскораспылители имеют дозирующие каналы большего проходного сечения, что исключает засорение распылительной головки. Кроме этого, вихревые эжекторы значительно компактнее прямоструй-ных за счет сокращения длины камеры смешения и диффузора вследствие того, что газовые потоки проходят спиральный путь с небольшим шагом [4].
Эффект охлаждения газового потока в центральной области вихревой камеры позволяет создавать аппараты для очистки и разделения газов. Наиболее широкое распространение получили вихревые устройства для компонентного разделения газоконденсатных смесей, в частности, для очистки природного и нефтяного газа от конденсирующихся компонентов. Добываемый природный и попутный (нефтяной) газ в большинстве случаев содержит большое количество воды и тяжелых углеводородов, которые при определенных соотношениях давления и температуры газа могут конденсироваться, образовывать твердые гидраты и жидкие эмульсии. Это создает трудности при транспортировании газа и при работе различных узлов оборудования газопровода. В то же время выделяющийся конденсат представляет собой высококачественное сырье для получения ценных продуктов. Углеводородный газ можно очищать его охлаждением и отделением конденсата с помощью вихревой трубы. При подаче в нее углеводородной смеси газов с существенно различающимися температурами на внутренней поверхности камеры разделения образуется пленка жидкости высококипящих компонентов, а в при-осевой области - двухфазная смесь, содержащая низко-кипящие компоненты. Использование вихревых труб для компонентного разделения смесей вместо обычного дросселирования повышает выход конденсата на 2030% [4].
Задачу разделения воздуха, являющегося смесью компонентов с близкими теплофизическими свойствами, удалось решить с помощью вихревого аппарата. При этом возможно получение обогащенного кислородом или азотом воздуха с объемной концентрацией до 98% Ог или 97% N2. Разделение воздуха на азот и кислород в вихревом ректификаторе происходит при вводе в аппарат сжатого и частично сжиженного воздуха. Внутри камеры разделения образуется закрученный двухфазный поток, состоящий из текущей по стенке камеры пленки жидкости и газового ядра. Осевое перемещение жидкости к диффузору сопровождается увеличением в ней концентрации высококипящего компонента (кислорода), в то время как приосевой газовый поток, текущий в противоположном направлении, обогащается низкоки-пящим компонентом (азотом). Идеальное осуществле-
ние этого процесса сопряжено с выполнением взаимоисключающих требований. Необходимо насыщение газового вихря мелкодисперсной жидкостью по всей длине камеры, но на выходе из нее газовый поток должен быть полностью очищен от жидкой фазы. Необходимы встречное радиальное движение фаз, эффективная передача избыточной энергии от приосевых слоев к периферийным и к пленке жидкости за счет сил вязкости; вместе с тем требуется полное исключение вязкостного сопротивления относительному сдвигу частиц в газовом вихре. Естественно, что обеспечение удовлетворительных характеристик процесса ректификации связано с тщательным поиском такого сочетания параметров, при котором достигается рациональная степень удовлетворения противоречивым требованиям [4].
Большое распространение на практике получило использование вихревых труб для осушки воздуха и газов. Наличие влаги в сжатом воздухе и других газах затрудняет их транспортирование и использование в технологических целях. Для того, чтобы избежать негативного влияния влаги на транспортирование сжатого газа и различные технологические процессы, необходимо исключить возможность образования жидкой и твердой фаз воды. Этого можно достигнуть охлаждением и последующим удалением образовавшегося конденсата в водомаслоотделителях. Вихревые аппараты можно использовать при этом как источники холода в системах осушки. Системы осушки сжатого воздуха с применением вихревой трубы позволяют использовать ее с более высоким КПД, чем для отдельных труб [4,5].
Большие центробежные силы и радиальный градиент статического давления во вращающемся потоке используются для разбрызгивания жидкостей и образования однородных смесей с газами. Применение вихревых устройств в карбюраторах двигателей внутреннего сгорания и форсунках авиационных двигателей позволяет повысить эффективность смесеобразования. В закрученном воздушном потоке увеличиваются время и интенсивность взаимодействия капли топлива и воздуха, благодаря чему удается получить мелкодисперсную структуру смеси. Испытания показали, что применение вихревых карбюраторов позволяет уменьшить расход топлива при работе на холостом ходе на 25-35%. Кроме того, значительно снижается токсичность выхлопных газов [б].
Интенсивное размешивание и гомогенизация, высокая интенсивность массо- и теплообмена между газообразными и жидкими потоками позволяет использовать закрученные потоки для термического обезвреживания промышленных отходов и при разработке химических реакторов для окислительно-восстановительных процессов.
Очистка газов от дисперсных включений (сепарация) используется в технологических процессах. Это особенно актуально для металлургии и химической промышленности, где большой экологический вред наносят выбросы дисперсных частиц с отходящими газами. Газовые смеси, компоненты которых различаются по молекулярной и атомной массам, можно разделить на составляющие в поле центробежных сил при поступательно-вращательном движении потока в циклонных аппаратах. При истечении газовой смеси из тангенциальных сопловых вводов в камере циклона создается интенсивное вихревое движение. Под действием центробежных сил компоненты смеси с большими молекулярными массами перемещаются к стенке камеры, обогащая периферийный поток, который движется в осевом направлении. Приосевой поток, обогащаясь компонентами с
меньшими молекулярными массами, движется в противоположном направлении. Эффект сепарации можно повысить, если в разделяемую смесь добавить инертный газ с более низкой молекулярной массой (например, гелий или азот). Содержание данного газа должно превышать 60% общего объема смеси [4].
Для очистки жидкостей от дисперсных включений широко используются гидроциклоны, аналогичные по конструкции циклонам. Они широко применяются в угольной и рудной промышленности для обогащения угольной и антрацитовой мелочи, в нефтехимии, в целлюлозно-бумажной промышленности. Использование циклонов в области водного и сельского хозяйства при создании новых конструкций водозаборных и пульпо-подъемных установок значительно повышает уровень механизации и автоматизации систем водоснабжения, трудоемких процессов очистки мелиоративных сооружений. Замена отстойников на локальных сооружениях очистки производственных сточных вод на напорные гидроциклоны позволяет уменьшать площади и снижать капитальные затраты на строительство и монтаж очистных сооружений в несколько десятков раз [5]. Применение гидроциклонных аппаратов в нефтяной промышленности для очистки нефти от примесей, отмывки песка от нефти и пластовых вод от песка, отделения нефти от воды и т.п. дает существенный экономический эффект. Известно использование гидроциклонов при тонкой очистке смазочно-охлаждающих жидкостей, разделении нефтепромысловых и других производственных вод. Для тонкой очистки жидкостей широко используются центробежные фильтры. Такие устройства при невысокой стоимости имеют ресурс, значительно больший, чем у других типов фильтров. К тому же, возможно их использование как самостоятельных фильтрующих единиц, так и в комбинации с другими фильтрами. Жидкостные вихревые камеры применяются в биологической и пищевой промышленности для выращивания микроорганизмов, а также в системах биологической очистки стоков [5]. На сегодняшний день гидроциклонные установки являются достаточно перспективными устройствами, в том числе и с точки зрения рационального природопользования, в частности, как связанные с проблемами очистки промышленных сточных вод от механических примесей.
Область распространения технологий, основанных на вихревых движениях, с каждым годом расширяется. Их внедрение позволяет повысить единичную производительность аппаратов, уменьшить габариты установок, ускорить протекающие в них процессы. Преимущества и эффективность вихревых аппаратов отмечаются практически всеми исследователями. Однако существуют факторы, ограничивающие их широкое внедрение. Это не только большие энергетические затраты на реализацию закрученного движения потока, связанные с повышенным гидравлическим сопротивлением, но и неустойчивая работа, т.е. существенное изменение режимов при малых изменениях входных условий. Имеется много
единичных высокоэффективных вихревых установок, но их широкое распространение сдерживается отсутствием четких рекомендаций для перехода на другую производительность и смены режимов работы. Желание интенсифицировать процессы в вихревых камерах приводит к необходимости увеличения закрутки потока, что, в свою очередь, приводит к потере устойчивости и распаду вихря [6].
Кроме того, возникает ряд проблем, связанных с реализуемостью процессов, масштабным переходом и появлением новых эффектов, которые требуют проведения фундаментальных исследований, выходящих иногда за рамки термогазодинамики. Эксперименты являются важнейшей частью фундаментальных исследований, однако их постановка обходится довольно дорого. В связи с этим, предварительный расчет конструкции, поля течения с помощью математических моделей и численных методов в значительной мере способствовал бы удешевлению разработок и снижению эксплуатационных расходов. Комбинируя экспериментальные и теоретические исследования аэродинамики вихревых устройств, применяя и совершенствуя соответствующие физические и математические модели, можно значительно уменьшить продолжительность и стоимость разработок.
В настоящее время в Омском государственном техническом университете научный коллектив под руководством профессора В.И.Кузнецова проводит исследования в области вихревых движений жидкости и газа. Предполагается использовать вихревые аппараты в качестве холодильно-подогревательных устройств [3], для повышения эффективности выхлопных устройств двигателей внутреннего сгорания и авиационных турбоваль-ных двигателей [2], для ожижения природного газа, для очистки промышленных сточных вод.
Литература
1. Смульский И.И. Аэродинамика и процессы в вихревых камерах. - Новосибирск: ВО Наука, 1992. - 301 с.
2. Кузнецов В.И., Яковлев А.Б. Вихревые устройства для снижения потерь в выхлопных каналах. - Омск, 1997. -139 с. - Деп. в ВИНИТИ 27.03.97, № 998-В97.
3. Кузнецов В.И. Теория и расчет эффекта Ранка. -Омск: Изд. ОмГТУ, 1994. - 217 с.
4. Вихревые аппараты // А.Д.Суслов и др. - М.: Машиностроение, 1985, - 256 с.
5. Алексеенко C.B., Окулов В.Л. Закрученные потоки в технических приложениях (обзор) // Теплофизика и аэромеханика. -1996. - Т. 3, № 2. - С. 101-138.
6. Гупта А., Лилли Д., Сайред Н. Закрученные потоки. - М.: Мир, 1987.-588 с.
16.11.98 г.
ЯКОВЛЕВ Алексей Борисович - кандидат технических наук, доцент кафедры «Двигатели летательных аппаратов» Омского государственного технического университета.
