Размещено на http://allbest.ru

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

КАФЕДРА ЭЭ

Реферат по дисциплине:

«Холодоснабжение»

На тему: «Газовые холодильные машины»

Выполнил: ст. гр. ЭОм-1-12

Сираев Р.Р.

Проверил: Мутрисков А.Я.

Казань 201



СОДЕРЖАНИЕ

Введение

Газовые холодильные машины

Теоретический цикл нерегенеративной ГХМ с детандером

Теоретические циклы регенеративных ГХМ с детандером

Общие сведения о работе каскадных холодильных машин

Газовые холодильные машины с вихревыми трубами

Список использованной литературы



ВВЕДЕНИЕ

К холодильной технике относятся технические устройства, предназначенные для создания и поддержания температур ниже температуры окружающей среды. До температуры окружающей среды (атмосферный воздух, вода естественных водоемов, грунт) любое тело можно охладить естественным путем.

Искусственный холод получают двумя способами. Первый основан на аккумулировании естественного холода и относится к области ледяного и льдосоляного охлаждения и в данном курсе не рассматривается.

Второй способ составляет основу машинного охлаждения. Согласно второму закону термодинамики для получения холода необходимо затратить внешнюю работу или теплоту. При этом от охлаждаемого тела отводится теплота и подводится к источнику окружающей среды. Охлаждаемое тело называют источником теплоты низкой температуры.

Диапазон температур, достигаемых с помощью холодильных машин, достаточно широк: от положительных значений температур, близких к температуре источника окружающей среды, до температуры предела искусственного охлаждения - абсолютного нуля (0 К, или -273,15 ?С).

В данном курсе рассматриваются способы получения температур и циклы различных типов холодильных машин, работающих в области умеренных температур охлаждения (-160 ?С < t < t_ОС ).

Промышленные холодильные машины, работающие в области умеренного холода, можно разделить на три основные группы: компрессорные, теплоиспользующие и термоэлектрические. Компрессорные холодильные машины используют для работы энергию предварительно сжатого в компрессоре газа, теплоиспользующие (пароэжекторные и абсорбционные) - теплоту греющего источника, термоэлектрические - непосредственно электрическую энергию.

В компрессорных и теплоиспользующих холодильных машинах протекают сложные термодинамические и газодинамические процессы, а в термоэлектрических - термоэлектрические, связанные с переносом теплоты при воздействии потока электронов на атомы. Поэтому основной теоретической базой для изучения основ холодильной техники являются такие дисциплины, как «Термодинамика», «Теплопередача», «Механика жидкости и газа», «Физика», «Электротехника».



ГАЗОВЫЕ ХОЛОДИЛЬНЫЕ МАШИНЫ

Холодильные машины, весь термодинамический цикл которых совершается в области сильно перегретого пара - газа, называются газовыми холодильными машинами (ГХМ).

По принципу получения низких температур ГХМ делятся на два типа:

1) ГХМ, в которых эффект охлаждения получается вследствие расширения газа в специальных расширительных машинах - детандерах с отдачей внешней полезной работы;

2) ГХМ, в которых эффект охлаждения получается в вихревых трубах без отдачи полезной работы.

Независимо от того, в каком устройстве достигается эффект охлаждения, ГХМ могут работать по нерегенеративному или регенеративному циклу. ГХМ, рабочим веществом которых является воздух, называют воздушными холодильными машинами (ВХМ). Воздух невзрывоопасен, гигиеничен, может подаваться прямо в охлаждаемое помещение; только на воздухе можно практически осуществлять циклы с тепломассообменом, что позволяет обойтись без водяного теплообменника, снизить металлоемкость машины и сделать ее более простой в эксплуатации, а при необходимости и транспортабельной.

При умеренно низких температурах газа работа, получаемая при его расширении в детандере, может составлять значительную часть его работы, затрачиваемой в компрессоре. Поэтому в ГХМ первого типа работа детандера передается компрессору и используется для сжатия газа, что позволяет уменьшить работу, необходимую для привода ГХМ, и повысить ее энергетическую эффективность.

В ГХМ второго типа кинетическая энергия, получаемая при расширении газа, в сложном газодинамическом процессе, проходящем в вихревой трубе, переходит в теплоту и затрачивается на нагрев той части газа, которая отводится в виде теплого потока. Кроме того, в вихревой трубе до низкой температуры охлаждается обычно не более 50-70 % от полного массового расхода газа, поэтому эффективность ГХМ с вихревыми трубами значительно ниже, чем ГХМ с детандерами. Охлаждение с помощью вихревого эффекта энергетически невыгодно. Тем не менее ГХМ второго типа компактны, просты в изготовлении, надежны в эксплуатации и относительно дешевы, поэтому их применение оправданно только в машинах специального назначения или в тех случаях, когда они работают периодически в течение коротких промежутков времени.

Теоретическими циклами ГХМ принято считать циклы, все процессы которых внутренне обратимы, а разность температур между источником и газом при выходе из теплообменных аппаратов равна нулю. Это означает, что движение газа в элементах машин происходит без необратимых потерь на трение и вихреобразование. Следовательно, процессы сжатия и расширения являются изоэнтропными, а процессы охлаждения в аппаратах изобарными.

Теоретический цикл нерегенеративной ГХМ с детандером. ГХМ состоит из следующих элементов (рис. 3.1, а): компрессора А, промежуточного холодильника Б, детандера В, теплообменного аппарата Г и двигателя Д. Цикл этой ГХМ совершается в такой последовательности (рис. 3.1, б). Газ поступает в компрессор с температурой Т₁ давлением р₁ и сжимается в процессе 1-2 до давления р₂. При этом его температура повышается до Т₂. Затем газ поступает в промежуточный холодильник, где от него отводится теплота, и он охлаждается до температуры Т₃. Далее газ направляется в детандер, где в процессе расширения 3-4 его температура снижается до Т₄, а давление до р₄ (в теоретическом цикле р₃ = р₂ и р₄ = р₁). После этого холодный газ поступает в теплообменный аппарат, где к нему подводится теплота от источника низкой температуры в процессе 4-1. Температура газа повышается до Т₁, и он снова направляется на всасывание компрессора.

Площадь под процессом 4-1 эквивалентна удельной холодопроизводительности цикла:

q₀ = h₁ - h₄ = c_p(T₁ - T₄), (3.1)

а площадь под процессом 2-3 эквивалентна количеству теплоты, отводимой от газа в промежуточном холодильнике:

q = h₂ - h₃ = c_p(T₂ - T₃). (3.2)

Рис. 3.1. Схема (а) и цикл (б) газовой холодильной машины

Работа, затрачиваемая в цикле, определяется из теплового баланса и представляет собой разность работ компрессора и детандера:

l = q - q₀ = (h₂ - h₁) - (h₃ - h₄) = l_k - l_Д, (3.3)

где l_к - работа компрессора, l_к = h₂ - h₁; l_Д - работа детандера, l_д = h₃ - h₄.

Работа компрессора всегда больше работы детандера, поэтому недостающая работа подводится к ГХМ извне от приводного двигателя.

Массовый расход газа, циркулирующего в ГХМ, определяют из заданной холодопроизводительности:

(3.4)

Холодильный коэффициент цикла определяют следующим образом:

(3.5)

Теплоемкость газа с_р в первом приближении можно считать постоянной, тогда

Для изоэнтропных процессов 1-2 и 3-4, проходящих между одними и теми же давлениями р₁ и р₂, справедливы соотношения:

Т₂/Т₁ = Т₃/Т₄; Т₂/Т₃ = Т₁/Т₄; Т₂/Т₃ - 1 = Т₁/Т₄ - 1; (Т₂ - Т₃)/Т₃ = (Т₁ - Т₄)/Т₄,

с учетом которых холодильный коэффициент цикла можно записать в следующем виде:

(3.6)



Коэффициент обратимости определяют как отношение холодильного коэффициента цикла к холодильному коэффициенту обратимого цикла:

. (3.7)

Коэффициент обратимости будет зависеть от характера изменения температур источников низкой и высокой температуры, с которыми ГХМ обменивается теплотой в процессе работы. Рассматриваются три возможных случая.

В первом случае теплоту необходимо отводить от источника с постоянной температурой Т_инт = const в окружающую среду с Т_o.с = const. Обратимым циклом будет цикл 1'-2'-3-4', а работа обратимого цикла будет эквивалентна его площади. Из рис. 3.1, б видно, что площадь 1-2-3-2'-1'-4'-4-1 будет эквивалентна той дополнительной работе, которую приходится затрачивать в ГХМ при ее работе на источники с постоянной температурой. Коэффициент обратимости цикла ГХМ будет значительно меньше единицы. Ясно, что применять ГХМ для таких условий охлаждения энергетически невыгодно.

Во втором случае источник низкой температуры имеет переменную температуру, изменяющуюся от Т₁ до Т₄, водяные эквиваленты газа Gс_p, выходящего из детандера и теплоносителя, одинаковы, а обмен теплотой осуществляется в противотоке. Источником высокой температуры по-прежнему является окружающая среда, т.е. Т_o.с = const. В этом случае обратимым будет цикл 1-2"-3-4, так как процесс теплообмена 4-1 будет проходить при бесконечно малой разности температур между газом и теплоносителем. Дополнительная работа будет эквивалентна площади 2"-2-3 и значительно меньше, чем в первом случае, а коэффициент обратимости возрастет, но по-прежнему будет меньше единицы.

В третьем случае источник высокой температуры имеет переменную температуру, изменяющуюся от Т₃ до Т₂, водяные эквиваленты газа и теплоносителя одинаковы, обмен теплотой происходит в противотоке. Источник низкой температуры остается таким же, как и во втором случае. Обратимый цикл при работе ГХМ на такие источники совпадет с циклом 1-2-3-4, а коэффициент обратимости будет равен единице.

Проведенное сопоставление показывает, что заключение о целесообразности применения ГХМ в том или ином случае может быть сделано только на основании тщательного анализа ее показателей при работе на конкретные источники с известными тепловыми характеристиками.

Теоретические циклы регенеративных ГХМ с детандером. Замкнутый цикл. Регенеративная ГХМ отличается от нерегенеративной наличием регенератора Е (рис. 3.2, а), в котором «прямой» поток газа, выходящий из промежуточного холодильника Б, дополнительно охлаждается перед входом в детандер в процессе 3-4. Отвод теплоты от «прямого» потока происходит в регенераторе за счет подогрева в процессе 6-1 «обратного» потока (рис. 3.2, б), выходящего из теплообменного аппарата Г.

Рис. 3.2. Схема (а) и цикл (б) регенеративной газовой холодильной машины

Как видно из рис. 3.2, б, подобрав соответствующим образом глубину регенерации, можно получить низкие температуры Т₅ и Т₆, не увеличивая отношения давлений в компрессоре.

Работа регенеративного цикла

l = q - q₀ = (h₂ - h₃) - (h₆ - h₅) = l_k - l_д = (h₂ - h₁) - (h₄ - h₅). (3.8)

Необходимо заметить, что для цикла, совершаемого в реальном газе, у которого линии h = const не совпадают с изотермами, h₁ ? h₃ и h₄ ? h₆, хотя выражение (3.8) остается справедливым.

Холодильный коэффициент регенеративного цикла

(3.9)

Если рабочее вещество - идеальный газ, у которого с_р = сonst, то

(3.10)

Холодильный коэффициент теоретического регенеративного цикла 1-2-3-4-5-6 численно равен холодильному коэффициенту теоретического нерегенеративного цикла 6-2'-3'-5, изображенного на рис. 3.2 штриховой линией. Видно, что для получения тех же температур Т₅ и Т₆ отношение давлений в компрессоре ГХМ, работающей по нерегенеративному циклу, должно быть намного выше. Это вызывает увеличение массы и размеров нерегенеративной ГХМ.

Учет влияния потерь, возникающих в детандере и компрессоре, показывает, что регенеративная ГХМ является энергетически более выгодной. холод температура регенеративный

При одинаковых значениях изоэнтропного КПД процесс расширения газа в детандере регенеративной ГХМ завершится в точке 5', а нерегенеративной - в точке 4' (рис. 3.2, б), поэтому удельная холодопроизводительность регенеративной ГХМ будет выше:

Разомкнутые циклы. Если рабочим веществом ГХМ является воздух, то отвод теплоты в окружающую среду можно осуществлять путем тепло- и массообмена. При этом отпадает необходимость в промежуточном холодильнике.

Разомкнутый цикл с тепломассобменом предложен Н.Н. Кошкиным. В схеме такой ГХМ отсутствует промежуточный холодильник (рис. 3.3, а). Воздух поступает в компрессор А непосредственно из атмосферы, сжимается в процессе 1-2 (рис. 3.3, б) и, пройдя через клапанную коробку Ж₁, сразу попадает в регенератор Е₁, в котором охлаждается в процессе 2-3, отдавая теплоту насадке регенератора, сначала до температуры Т_о.с, а затем до Т₃.

Из регенератора, пройдя клапанную коробку Ж₂, воздух попадает в детандер В, где расширяется, совершая внешнюю полезную работу, и охлаждается до температуры Т₄.

После этого воздух направляется в теплообменный аппарат Г, где отводит теплоту от охлаждаемого источника, нагреваясь при этом до температуры Т₅, затем поток воздуха через клапанную коробку Ж₂ попадает в регенератор Е₂, где охлаждает насадку, отнимая от нее теплоту, а сам нагревается до температуры Т₆ = Т₂ > Т_о.с. После регенератора воздух проходит клапанную коробку Ж₁ и выбрасывается в атмосферу, где, смешиваясь с окружающим воздухом, охлаждается в процессе тепломассообмена до температуры Т_о.с.

Особенностью работы ГХМ с тепломассообменом является непрерывное всасывание в компрессор атмосферного воздуха, который всегда содержит влагу. При охлаждении в регенераторе влага сначала выпадает в виде жидкости, а затем при t < 0 ?С в виде кристаллов льда, которые оседают на поверхности регенератора. Поэтому в таких ГХМ всегда применяется пара (или другое четное число) регенеративных теплообменников, содержащих теплоемкую насадку, выполняемую обычно из гофрированной алюминиевой ленты. Регенераторы работают попеременно.

Рис. 3.3. Схема (а) и цикл (б) регенеративной газовой холодильной машины с тепломассообменом (по Н.Н. Кошкину)

Сначала «прямой» поток воздуха, выходящего из компрессора, охлаждается в регенераторе Е₁, на поверхности насадки которого выпадают жидкость и кристаллы льда. В этом время «обратный» поток воздуха при более низком давлении р₁ нагревается в регенераторе Е₂. Известно, что чем меньше давление влажного воздуха, тем больше его влагосодержание при одной и той же температуре и относительной влажности. Вследствие этого «обратный» поток воздуха выносит всю влагу из регенератора Е₂ и полностью его осушает. Через определенный период, обычно не превышающий 1-2 мин, заслонки в обеих клапанных коробках автоматически поворачиваются на 90° и устанавливаются в положение, указанное на рис. 3.3, а штриховой линией. После этого «прямой» поток воздуха из компрессора пойдет через охлажденный и осушенный регенератор Е₂, а «обратный» - через регенератор Е₁, и весь цикл повторится.

Разомкнутый вакуумный цикл с тепломассообменом, предложенный В.С. Мартыновским и М.Г. Дубинским, отличается от цикла Н.Н. Кошкина последовательностью работы элементов схемы. Здесь компрессор А является последним элементом схемы (рис. 3.4, а), его назначение - создавать разрежение за детандером В, а давление на выходе из компрессора равно атмосферному (в теоретическом цикле). Атмосферный воздух проходит клапанную коробку Ж₁ и поступает сразу в регенератор Е₁, где охлаждается в процессе 1-2 сразу до низшей температуры цикла Т₂. После этого холодный воздух направляется в теплообменный аппарат Г, где он отводит теплоту от охлаждаемого источника, нагреваясь до температуры Т₃, а далее - в детандер В. Так как компрессор непрерывно поддерживает при выходе из детандера пониженное давление р₄ < р₃ = р_атм, то воздух, расширясь в детандере, совершает внешнюю работу, а сам при этом охлаждается до температуры Т₄. Затем, пройдя клапанную коробку Ж₂, этот «обратный» поток холодного воздуха проходит регенератор Е₂, где отводит теплоту от насадки и выносит влагу, находящуюся на ее поверхности. Температура «обратного» потока воздуха повышается до Т₅; пройдя клапанную коробку Ж₁, воздух поступает в компрессор А, где сжимается до атмосферного давления р₆ = р_атм и выбрасывается в атмосферу. Так как давление «обратного» потока воздуха ниже атмосферного, такой цикл называют вакуумным.



Рис. 3.4. Схема (а) и цикл (б) регенеративной газовой холодильной машины с тепломассообменом (по В.С. Мартыновскому и М.Г. Дубинскому)

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О РАБОТЕ КАСКАДНЫХ ХОЛОДИЛЬНЫХ МАШИН

Для получения температур ниже ?50?С обычно применяют каскадные холодильные машины. В каскадных холодильных машинах используется два рабочих вещества. Одно из них -- рабочее вещество высокого давления (низкотемпературное рабочее вещество). Это связано с тем, что теоретический объём компрессора, работающего при низком давлении, значительно больше, чем у компрессора, работающего при более высоком давлении. Это ведет к росту капитальных затрат, повышает мощность трения компрессора. Кроме того, при понижении давления всасывания газодинамические потери в клапанах становятся соизмеримы с работой сжатия компрессора. Это также ухудшает энергетическую эффективность холодильной машины. Одним из методов снижения объёма компрессоров низкой ступени, снижения мощности привода компрессоров является использование рабочих веществ высокого давления, таких, как хладон R23, этан и др. Однако при высокой температуре окружающей среды давление конденсации у таких рабочих веществ чрезмерно высоко и использование их в циклах двухступенчатых или трехступенчатых холодильных машин затруднительно, поэтому такие рабочие вещества применяют только в каскадных холодильных машинах.

Машина состоит из двух одноступенчатых машин, называемых нижней и верхней ветвью каскада. В нижней ветви каскада используется рабочее вещество высокого давления, которое, получая теплоту в испарителе VII от источника низкой температуры, кипит (процесс 4--1), пар сжимается в компрессоре 1 (процесс 1--2), охлаждается и конденсируется в конденсаторе-испарителе V (процесс 2--3), а затем дросселируется в дроссельном вентиле VI (процесс 3--4). Теплота конденсации рабочего вещества нижней ветви каскада отбирается рабочим веществом холодильной машины верхней ветви каскада -- как правило, это рабочее вещество среднего давления, которое кипит в конденсаторе-испарителе. Пар рабочего вещества верхней ветви каскада сжимается компрессором II (процесс 5--6), затем рабочее вещество верхней ветви каскада направляется в конденсатор III (процесс 6--7), дросселируется в дроссельном вентиле IV (процесс 7--8) и поступает в конденсатор-испаритель. Таким образом, рабочее вещество в машине нижней ветви каскада совершает цикл 1--2--3--4, а в машине верхней ветви каскада -- цикл 5--6--7--8, и эти машины объединяются конденсатором-испарителем.

Как правило, рабочим веществом нижней ветви каскада является R23, поэтому во время стоянки машины, когда температура всех её частей сравняется с температурой окружающей среды, значительно повышается давление во всех элементах машины. Для предотвращения от чрезмерного повышения давления в холодильной машине нижней ветви каскада к системе подключают расширительный сосуд VIII, рассчитанный так, чтобы при остановке машины давление во всех элементах машины не превышало расчетного предельного значения.

В действительных циклах каскадные машины, чаще всего выгоднее двухступенчатых (иногда и трехступенчатых). Это объясняется следующими преимуществами работы с рабочими веществами высокого давления:

теоретический объём компрессора каскадной машины меньше, чем двухступенчатой из-за меньших удельных объёмов всасываемого пара;

при больших значениях давления всасывания относительные потери мощности в клапанах значительно меньше;

так как теоретический объём компрессора нижней ветви каскада меньше, чем компрессора нижней ступени, то мощность трения компрессоров каскадной машины меньше, чем двухступенчатой;

отношение давлений для одинаковых диапазонов температур у рабочих веществ каскадных машин меньше, так как абсолютные значения давлений у каскадных машин больше, а отношение давлений меньше, то энергетические и объемные коэффициенты компрессора нижней ветви каскада каскадной холодильной машины выше, чем компрессора нижней ступени двухступенчатой холодильной машины.

При использовании рабочих веществ высокого давления в каскадной холодильной машине можно получать более низкие температуры, чем в двухступенчатой схеме.

Общие сведения о влажном воздухе и его свойствах

В климатической камере воздух подвергается различным видам обработки, при которых существенно меняются его тепловые и влажностные состояния.

Атмосферный воздух состоит из сухой части (азота, кислорода, инертных газов) и водяных паров. Причем, если содержание газов в сухой части воздуха относительно стабильно, то количество водяных паров изменяется в широких пределах и зависит от времени года и местных климатических условий.

При обработке в климатических камерах влажного воздуха изменяется количество водяных паров, содержащихся в воздухе, содержание же сухого воздуха остается постоянным. Поэтому при расчетах процессов, связанных с увлажнением и осушкой воздуха, пользуются единицей измерения влажности, которая выражает отношение переменного количества водяных паров к неизменной массе сухого воздуха. Такой единицей измерения является влагосодержание d (кг/кг), показывающее количество водяных паров в 1 кг сухого воздуха.

Численные значения d обычно являются малой величиной, поэтому в практических расчетах удобнее пользоваться влагосодержанием в г влаги на 1 кг сухой части влажного воздуха. Степень насыщения воздуха водяными парами показывает физическая величина, называемая относительной влажностью Относительная влажность W(ц)(в %). С достаточной точностью относительная влажность воздуха может быть вычислена как отношение влагосодержания при данном состоянии (d) к влагосодержанию при полном насыщении (dt) при тех же значениях температуры и давления:

\varphi = \frac{100 d}{d_t},%.

В расчетах тепловлажностного состояния влажного воздуха существует ещё одно важное понятие, связанное с его физическим состоянием, -- это теплосодержание, так называемая энтальпия I (кДж/кг или в ккал/кг при ведении графоаналитических расчетов).

Энтальпия влажного воздуха представляет собой количество теплоты, необходимое для нагревания от 0 °C до данной температуры такого количества влажного воздуха, сухая часть которого имеет массу 1 кг.

Энтальпия влажного воздуха складывается из энтальпий сухой его части и энтальпии водяных паров.

В результате конвективного теплообмена сухой части воздуха передается (или от него отводится) теплота, температура воздуха повышается или понижается и, соответственно, увеличивается или уменьшается его энтальпия.

При поступлении водяного пара от внешних источников в воздух передается теплота парообразования и энтальпия воздуха возрастает. Изменение энтальпии водяного пара в этом случае происходит за счет увеличения его массы. Температура воздуха при этом остается неизменной.

ГАЗОВЫЕ ХОЛОДИЛЬНЫЕ МАШИНЫ С ВИХРЕВЫМИ ТРУБАМИ

Вихревой эффект (эффект Ранка-Хильша). Вихревой эффект наблюдается в вихревых трубах (рис. 1.4).

Рис. 1.4. Принципиальная схема вихревой трубы:

1 - дроссельный вентиль; 2 - холодный конец; 3 - сопло; 4 - диафрагма; 5 - теплый конец

Воздух с массовым расходом G_вх при температуре окружающей среды и давлении 0,3-0,8 МПа поступает в цилиндрическую трубу через тангенциальное сопло по касательной к внутренней поверхности. Поступивший в трубу воздух совершает вращательное движение в пространстве, которое с одной стороны ограничено диафрагмой с центральным отверстием, а с другой - дроссельным вентилем.

С термодинамической точки зрения процессы, происходящие в вихревой трубе, сводятся к тому, что воздух, находящийся вблизи оси трубы и имеющий меньшую линейную скорость, отдает кинетическую энергию остальной массе воздуха и поэтому охлаждается. Другая часть воздуха, находящаяся на периферии вблизи стенок трубы, воспринимает эту энергию и нагревается. Холодный воздух в количестве G_х выходит через центральное отверстие в диафрагме, а с другой стороны трубы через дроссельный вентиль выходит теплый воздух в количестве G_т = G_вх - G_х.

Количество воздуха в теплом и холодном потоках можно регулировать дроссельным вентилем. При этом изменяются не только доли теплого и холодного потоков воздуха, но и их температуры. Температуру холодного воздуха можно получить на 30-80 градусов ниже начальной температуры. Наиболее низкие температуры холодного потока наблюдаются при доле холодного воздуха около 30 %.

Большие необратимые потери при расширении в вихревой трубе предопределяют большие энергетические затраты, которые значительно превышают затраты при изоэнтропном расширении с совершением внешней работы. Простота конструкции вихревой трубы обусловила ее практическое применение в ряде случаев, когда энергетическая сторона вопроса не столь существенна, например, при периодической потребности в охлаждении. Данный способ получения низких температур применяется в вихревых холодильных машинах.

Французский инженер-металлург Ж. Ранк не поверил и "поинтересовался". Оказалось, что в турбулентном смерче самопроизвольно возникает мощный переток тепла от оси к периферии: ядро потока всегда холоднее периферии. Запатентованная Ранком первая вихревая труба - тот же циклон, но реконструированный для получения максимального количества холода в осевой части вихревого потока и, соответственно, тепла - в периферийной.

Разность температур между самыми горячими и самыми холодными слоями в вихревой трубе может быть существенно больше 100'С. И поразительно - эти слои в поле центробежных сил сосуществуют совсем рядом - на расстоянии нескольких миллиметров друг от друга! Температурное разделение смерча ("вихревой эффект") - самое "дешевое" открытие уходящего века, не потребовавшее тысячных коллективов и миллиардных вложений. Дешевое и, как оказалось, многообразное в конструктивных воплощениях и неисчерпаемое в промышленных приложениях.

Первое из воплощений - экологически чистая холодильная машина без подвижных изнашивающихся частей, не использующая парниковые и озоноразрушающие газы (фреоны). Ныне в мировом фонде - первые сотни изобретений, причем больше половины сделаны в России и бывшем СССР.

Открывающееся научно-техническое направление "экспансивно" - сужу по моей практике исследователя, разработчика новых видов продукции. У меня 160 изобретений холодильная техника традиционная и новая - экологически чистая; транспортное машиностроение; техническая акустика и испытательная техника; микронагнетатели с минимальным числом подвижных частей, либо без подвижных частей для работы в невесомости и др. И уже больше половины изобретений и проектов относятся именно к многоцелевой вихревой холодильной технике - абсолютно безынерционным и безотказным в работе, дешевым в производстве, необслуживаемым в эксплуатации воздухоохладителям - для всех отраслей машиностроения, пищевой промышленности и сельского хозяйства, транспорта и испытательной техники.

Промышленные достижения последних лет в этой же области - вопреки состоянию российской экономики. Область так молода, что многие "не успевают" - все еще считают вихревую трубу лишь лабораторным чудом.

А это не только холодильная машина массового промышленного применения. При исследовании попутно "обнаружено" - вихревую трубу можно так реконструировать, что она станет:

· элементарным вакуумирующим устройством (до 0,01 атм.) для цветной металлургии;

· компонентным разделителем для газовой промышленности и производства аммиака;

· каплеотделителем и осушителем для магистралей сжатого воздуха;

· источником мощного (до 162 децибел) акустического излучения для испытательной техники и интенсификации технологических процессов;

· источником труднообъяснимого свечения ядра вихря,

· а также, кажется, источником рентгеновского излучения, гравитационных аномалий и многого другого - на радость физикам, занимающимся фундаментальными исследованиями.

Торнадо в атмосфере, рукотворный смерч в трубе - это многофакторное чудо, как видим, поставившее перед исследователями сотни вопросов на годы вперед. Но мы его уже "запрягли".

Выделим в нем сначала только "температурную" составляющую - эффект Ранка: даже простейшая вихревая труба, питаемая сжатым воздухом от заводской пневмосети (как дополнительный потребитель, ради которого не нужно приобретать и устанавливать воздушный компрессор!), позволяет получить холодный воздушный поток с температурой от +15 С до -50 С и горячий - с температурой от +50 С до +110 С.

Естественно, множество заводских технологических задач могут быть успешно решены посредством различных вариантов устройства. Потребовалось "немногое" - доказать это на практике. Перейти от обоснованных ожиданий к реальным промышленно значимым результатам. Нужен был импульс, чтобы начался самоорганизующийся процесс экспансии вихревой техники. Техники "для любого завода", а не только для аэрокосмической промышленности, первой оценившей достоинства вихревых труб.

Чтобы создать импульс, лет 10...12 назад шестидесяти (!) заводам безвозмездно переданы рабочие чертежи на оригинальные охладители-нагреватели воздуха. И первые партии аппаратов для нужд самих заводов-изготовителей были выпущены в г. Заволжье, Ленинграде (ЦНПО "Ленинец"", ЛМЗ и мн.др.), Вильнюсе, Минске, Улан-Удэ, Новосибирске и др.

Параллельно этому несколько предприятий наладили серийный выпуск многоцелевых "Микрокондиционеров Азарова": в г. Кириши - с 1986 г., Калуге - с 1988 г., Ростове-на-Дону (два завода) - с 1990 г. и т.д.

Одно из первых "громких" применений произошло на Заволжском заводе "Автодвигатель". Здесь на грандиозной автоматической линии "Рено-2" (210 единиц оборудования, связанного в безлюдную технологическую цепочку) на все 17 микропроцессорных шкафов управления линией установили мои охладители. И производство головок цилиндра стало действительно безлюдным: несмотря на летнюю жару в цехе, исчезли перегревы электроники, ложные команды ее и брак продукции, простои и ремонты линии. При ничтожных затратах на вихревые охладители годовая производительность линии возросла на 12,67%, что равнозначно дополнительной работе линии в течение 1,5 месяцев в год (при отсутствии указанных выше потерь).

Ныне число заводов-пользователей на территории бывшего СССР более 500 в 160 городах; в России - более 263 заводов. Процесс только начинается, пользователи распределены неравномерно: Санкт-Петербург - 44 завода; Москва - 48; Волгоград -16; Нижний Новгород -18; Воронеж - 7; Луганск - 6; Запорожье - 8; Киев -8; Ростов-на-Дону -18; Самара -5; Саратов -б; Екатеринбург - 5; Ташкент - 4; Челябинск - 5 ...Латвия - 3; Литва - 3; Эстония - 3... и т.д.

Из числа российских пользователей 42% заводов приходится на радиоэлектронную промышленность, приборостроение, энергомашиностроение и нефтехимическое машиностроение; 10% - на полиграфию и переработку пластмасс; 10% - на хлебокомбинаты, молочные заводы, кондитерские фабрики, агрофирмы и т.д.

Восемь лет назад большинство приходилось на все отрасли машиностроения. Ныне вновь появляющиеся пользователи - пищевые и подобные производства: например, в Петербурге АО "Нева", в Нижнем Новгороде хлебозаводы ј5 и ј11, в Волгограде - Бисквитная фабрика и т.д.

Иными словами, идет "приземление" научно-изобретательского задела, ранее накопленного нами в аэрокосмической промышленности. Остается сожалеть, что широкая "наземная" апробация вихревого эффекта совпала со временем, когда множество российских предприятий работают в полсилы.

Вихревые воздухоохладители незаменимы там, где громоздкий, дорогой и требующий квалифицированного обслуживания фреоновый кондиционер поставить немыслимо:

· в покрасочных камерах и на гальванических участках;

· в горячих цехах металлургической и цементной промышленности;

· в хлебопекарной зоне и мн. др.

Появление новых технологий с мощными "точечными" тепловыделениями требует "точечных" необслуживаемых генераторов холода, и миниатюрные вихревые трубы - вне конкуренции при экстремальных условиях эксплуатации. Нетрудно предвидеть тот день, когда вихревое холодильное машиностроение станет привычной и важной частью холодильной отрасли - той ее частью, что не зависит от парниковых и озоноразрушающих газов.



Список использованной литературы

1. Холодильные машины: учебник / Под ред. Л.С. Тимофеевского. - СПб.: Политехника, 1997. - 992 с.

2. Холодильные машины: учебник / Под ред. И.А. Сакуна. - Л: Машиностроение, 1985. - 510 с.

3. Теплофизические основы получения искусственного холода: справочник / Под ред. А.В. Быкова. - М.: Пищевая промышленность, 1980. - 232 с.

4. Сильман М.А., Щумелишский М.Г. Пароводяные эжекторные холодильные машины. - М.: Легкая и пищевая промышленность, 1984. - 271 с.

Размещено на Allbest.ru

...