Другие области применения вихревых аппаратов

Вихревые карбюраторы. Существующие системы хо­лостого хода поршневых двигателей внутреннего сгора­ния имеют существенный недостаток. Непосредственно в смесеобразовании участвует только часть поступающего в двигатель воздуха (около 20% общего количества); эта часть проходит в( зоне калиброванных отверстий. За дроссельной заслонкой течет струя воздуха, насы­щенная топливом, которая плохо перемешивается с ос­тальным воздухом из-за малой скорости потока во вса­сывающем коллекторе. Следствия такой организации процесса — неравномерная работа двигателя, повышен­ный расход топлива, увеличение токсичности отработан­ных газов.

Для устранения указанного недостатка в КуАИ раз­работано несколько конструкций вихревых карбюрато­ров, предложены и реализованы оригинальные устройст­ва и системы [8, 16]. Эффективность смесеобразования повышена благодаря использованию вихревых труб. В закрученном воздушном потоке увеличиваются время и интенсивность взаимодействия капли и воздуха. Бла­годаря этому удается получать мелкодисперсную струк­туру смеси. В некоторых конструкциях предусмотрено повторное распыление части топлива, оседающего на стенках вихревой трубы, т. е. из смеси удаляются наи­более крупные капли. Последние образуют пленку жид­кости на стенках, которая стекает в каналы и под дейст­вием радиального градиента давления в вихревой тру­бе снова подается ^ приосевую часть вихря. Качество смеси улучшается при повышении температуры воздуха в периферийных слоях вихревой трубы. Возрастает до­ля испарившегося топлива, что косвенно подтверждают результаты испытаний) двигателя ВАЗ-2106. При стан­дартной системе холостого хода и температуре воздуха 297 К температура смеси составила 285 К. При исполь­зовании вихревой трубы испарилась большая часть топ­лива, и температура смеси снизилась до 277 К.

Испытания вихревых карбюраторов на ряде двига­телей показали, что их применение позволяет умень­шить расход топлива при работе на холостом ходе на 25—35%. Зафиксирована также более высокая равно­мерность работы. В работах [8,| 16] указана возмож­ность применения карбюратора при пуске, а также при
работе на дроссельних режимах, что позволит улуч­шить условия пуска двигателя при низких температурах и повысить экономичность двигателя на указанных ре­жимах.

Автомобили являются основным источником загряз­нения воздуха в городах, вследствие чего международ­ными и государственными стандартами установлены ог­раничения содержания в выхлопных газах окислов азо­та, угарного газа и углеводородов. Опыты, проведенные в КуАИ по изучению влияния вихревого эффекта на токсичность выхлопных) газов, показали преимущество вихревых карбюраторов.

На рис. 89 приведены токсические характеристики холостого хода двигателя ГАЗ-24Д со стандартными К-126Г и вихревым ВК1-4 карбюраторами приї опти­мальном регулировании. При вихревом смесеобразова­нии объемная концентрация СО в отработавших газах максимальна (1,05%)) при п = 710 об/мин. С( увеличе­нием частоты вращения содержание СО уменьшается, а начиная с п=1500 об/мин практически отсутствует. При использовании для смесеобразования стандартного карбюратора при п = 700 об/мин содержание СО состав­ляет 2,1 %, т. е. в 2 раза больше, чем при вихревом сме­сеобразовании; причина столь значительного уменьше­ния содержания СО в отра- с% ботавших газах состоит в ‘ ~ более равномерном распре­делении топлива по цилинд­рам двигателя, расширении пределов обеднения смеси и увеличении полноты сгора­ния топлива. Уменьшение содержания кислорода и Qqi Увеличение содержания уг­лекислоты в отработавших газах при вихревом смесе-

Образовании являются дополнительным подтверждением качества смесеобразования и полноты сгорания топли­ва при малой частоте вращения (на холостом ходу). Од­новременно уменьшается выброс несгоревших углеводо­родов на 50—70 % •

Требования к октановому числу топлива также связа­ны с равномерностью распределения его по цилиндрам. Склонность двигателя к детонации определяют по тому цилиндру, в котором создаются условия для ее появле­ния. Неодинаковыми могут быть не только общее коли­чество топлива, попадающего в тот или иной цилиндр, но и его фракционный состав или концентрация антиде­тонаторов.; Известно, что переход на топливо с пони­женным октановым числом связан с потерей мощности. При использовании вихревого карбюратора конструк­ции КуАИ эти потери в 2 раза меньше, чем при стан­дартном карбюраторе.

Если требуется получение максимальной мощности, то переход от обычного смесеобразования к вихревому позволит увеличить степень сжатия двигателя и, следо­вательно, повысить его мощность и| экономичность.

Примеры использования вихревых аппаратов в тех­Нологических процессах. В машиностроении широко применяют процессы обработки металлов в жидких средах (растворах, расплавах, кислотах, электролитах). В одних случаях эти процессы сопровождаются выделе­нием теплоты, что вызывает необходимость охлажде­ния жидкости. В других случаях снижение температуры повышает качество продукта или ускоряет его обра­ботку.

Например, глубокое анодирование алюминия при температуре 286—300 К позволяет получать защитную пленку из окисла алюминия толщиной 10—15 мкм. Уве­личение времени пребывания металла в ванне приводит к уравновешиванию процессов растворения и окисле­ния.

С понижением температуры электролита до 265— 270 К растворение окиси алюминия замедляется и тол­щина окисной пленки/ достигает 30—60 мкм. Электро­лит охлаждают методом барботажа воздуха температу­рой 250—260 К, охлаждаемого в вихревых трубах, ко­торые питаются от заводской пневмосети. На сплавах АЛ9, АК6, В95 образуется пленка толщиной 40—60 мкм, а на сплавах типа Діб— пленка толщиной 30—60 мкм.

Такие же успешные опыты проведены при закалке алю­миниевых сплавов и других металлов.

Вихревые аппараты применяют] при обработке ме­таллов резанием. Например, хорошие результаты полу­чены при обдуве режущего инструмента воздухом, ох­лажденным в установленной на резцедержателе вихре­вой трубе до 248—253 К.

При точении стали 45 резцом из быстрорежущей стали Р9 при глубине резания 1 мм, подаче 0,14 мм на оборот и скорости 76 м/мин стойкость резца увеличива­ется в 5 раз. Температура воздуха в-зоне резания 263 К. В процессе обработки деталей из отбеленного легиро­ванного чугуна резцами с пластинками твердого спла­ва ВК2 силовым резанием при глубине 1,2 мм, подаче 3 мм на оборот и скорости-15 м/мин охлаждение позво­лило повысить стойкость резцов в 2—2,5 раза. При этом улучшается видимость зоны резания, что дает возмож­ность работать без предварительной разметки. Вихре­вую трубу можно устанавливать и на других станках: так, в США фирма «Вортекс Корпорейшен Цинцинати» использует вихревую трубу для охлаждения сверл при обработке деталей из титана.

Применение вихревой трубы дает положительный эффект не только при резке металлов, но и при проход­ке скважин бурильным инструментом. Охлаждение ша­рошечного долота буровой установки повышает стой­кость инструмента на мягких породах с 460 м проход­ки до 700 м.

Вихревые гигрометры. Для измерения влажности ис­пользуют метод точки росы, основанный на фиксации момента начала конденсации влаги на поверхности чувствительного элемента. Наиболее сложный узел гиг­рометра точки росы — устройство для снижения темпе­ратуры поверхности чувствительного элемента. Слож­ность охлаждения определяет ограниченное распрост­ранение таких приборов. Оригинальный 1 гигрометр [Пат. 3152475 (США)] состоит из теплоизолированного корпуса 3 (рис. 90), в котором размещена вихревая тру­ба 5. Сжатый газ поступает в гигрометр через вентиль 7. Основная часть его направляется в змеевик 4 и по­дается через трубу 2 и вентиль 1 в вихревую трубу. Охлажденный поток вытекает в патрубок 10 и далее те­чет по внутреннему кожуху, омывая змеевик и стенки вихревой трубы. Благодаря регенерации холода удается

Рис. 90. Схема вихревого гигрометра

Обеспечить температуру в патрубке Щ до 190 К при # = 0,7 МПа. Остальная часть сжатого воздуха по труб­ке 8 поступает в капилляр 9, расположенный в холод­ном] патрубке. Расход газа через капилляр замеряют прибором 12. Для определения точки росы при фикси­рованном положении запорного органа 6 открывают вентиль 1 и замеряют термометром 11 температуру ох­лажденного потока вблизи капилляра (точке росы со­ответствует температура, при которой забивается капил­ляр и прекращается расход газа через прибор 12).

Способность вихревой трубы создавать в приосевой области вихревой зоны пониженное давление использу­ют для получения высоких эффектов охлаждения в так называемых самовакуумирующихся вихревых трубах. В них практически мгновенно возникает эффект охлажде­ния, сопровождающийся высоким коэффициентом тепло­обмена, что позволяет использовать самовакуумирую — щиеся вихревые трубы для охлаждения различных ци­линдрических тел до температуры 170 К при р = = 0,6 МПа.

Самовакуумирующаяся вихревая Труба Использована в гигрометре, разработанном А. П. Меркуловым (рис. 91). Сжатый газ через патрубок 4 подается в по­лость корпуса 2, где он омывает полированную пласти­ну 1, припаянную к торцу охлаждаемого элемента 9. При снижении температуры пластины до точки росы ис­пытуемого газа на ее поверхности осаждается влага. Световой луч лампочки 5 попадает на зеркальную по­верхность, отражается и попадает на фотоэлемент 3. Момент помутнения зеркальной поверхности от выпав­шей влаги регистрируется фотоэлементом 3 и электрон­ным устройством, а температура — термопарой, соеди­ненной с потенциометром. Отверстие! а предназначено ДЛЯ прокачки исследуемого газа через полость корпуса 2, патрубок 7—для стабилизации работы вихревой тру­бы.

РиС. 91. Вихревой гигрометр конструк­ций КуАИ

5

7-ф

Самовакуумирующаяся вихревая труба состоит из корпуса 8 и установленного за камерой энергетического разделения щелевого или лопаточного диффузора 6. Сжатый воздух подается через сопло 10, расширивший­ся воздух вытекает через диффузор в атмосферу. В ре­зультате такой организации процесса создается разре­жение и температура на оси камеры снижается. В само — вакуумирующихся трубах можно создать перепад меж­ду температурой газа перед соплом и температурой в приосевых слоях, более чем в 2 раза превышающий АТХ для обычных вихревых труб.

Самовакуумирующиеся вихревые трубы используют для охлаждения цилиндрических тел, располагаемых внутри камеры разделения. Например, в рассматривае­мом гигрометре приосевые слои омывают охлаждаемый элемент 9, изготовленный из меди или другого материа­ла с высоким коэффициентом теплопроводности. При питании сжатым воздухом от заводской сети описанный гигрометр позволяет определять точку росы вплоть до

180 К.

Наличие разрежения в осевой области вихревой зо­ны дает возможность определять влажность разрежен­ных газов с абсолютным давлением до 0,01 МПа, не применяя при этом специальных откачивающих уст­ройств. Газ прокачивается через регулируемое отвер­стие в корпусе 2,. соединенное трубой с патрубком 7. При испытании газов с повышенным по сравнению с ат­мосферным давлением отверстие а может сообщаться с атмосферой.

Охлаждение оптических квантовых генераторов. Ис­пользование самовакуумирующейся вихревой трубы для охлаждения активного элемента позволяет уменьшит; размеры и массу системы охлаждения по сравнению с применяемыми воздушными или фреоновыми система­ми. При воздушном охлаждении сжатый воздух проду­вают через кольцевой зазор между активным элемен­том и обечайкой; несмотря на значительные потери дав­ления в линии охлаждения не удается получать коэф­фициенты теплоотдачи более 80 Вт/(м2’К). При вихре­вом способе охлаждения, разработанном в отраслевой лаборатории КуАИ, коэффициент теплоотдачи составля­ет 300—500 Вт/(м2’К). Дополнительный эффект охлаж­дения получен за счет снижения температуры воздуха в приосевых слоях.

На рис. 92 приведена схема камеры оптического квантового генератора в сочетании с самовакуумирую­щейся вихревой трубой. Активный элемент 1 оптического квантового генератора размещен в оправках по оси вих­ревой трубы 2, цилиндрическая стенка которой изго­товлена иа кварцевого стекла. Тангенциальное сопло сообщается с камерой, образуемой стенкой вихревой трубы 2 и элементом 1. На нагретом конце вихревой ка­меры установлен щелевой диффузор, образованный дву-

Внхревой трубой

Мя дисками 3. Ось вихревой трубы совмещена с одной из фокальных осей эллиптического отражателя 4, вдоль другой оси расположена лампа накачки 5. Отработан­ный воздух из диффузора поступает внутрь отражателя 4, охлаждает лампу накачки и выпускается в атмосфе — РУ-

Площадь сечения сопла в трубе /4 = 0,1, длина тру­бы L = 2…5. Ширину диффузора выбирают в соответст­вии с заданной температурой кристалла. Эффект охлаж­дения максимален при зазоре между пластинами диф­фузора А = 0,05…0,07. Вихревая труба практически безы­нерционна, что позволяет быстро выводить оптический квантовый генератор на рабочий режим.

Вихревые эжекторы в последнее время находят все большее применение в промышленности. В Тольяттин- ском политехническом институте разработан пневмових — ревой мелкодисперсный распылитель жидкостей, в част­ности лакокрасочных материалов. В распылителе при — менені^ вихревой эжектор. Это повысило качество рас­пыления и обеспечило подачу краски на высоту до 5 м. Значительно упрощена конструкция распылителя, так как исключены сосуды и трубопроводы для подачи ла­кокрасочных материалов под повышенным давлением. Одновременно повысилась безопасность работы. Подачу и распыление жидкости обеспечивает создаваемое эжек­тором разрежение 0,05—0,06 МПа. Для нормальной ра­боты достаточно давление сжатого воздуха 0,20—■ 0,25 МПа.

Существенным преимуществом разработанного кра­скораспылителя является и то, что дозирующие каналы распылительной головки имеют большие проходные се­чения. Например, диаметр проходного сечения жиклера 3 мм, а диаметр выходного сопла 9 мм. Это исключает засорение распылительной головки.

В теплоэнергетике одним из резервов экономии теп­ловых ресурсов является утилизация низкопотенциаль­ных водяных паров. Для этой цели применяют прямо- струйные эжекторы. Однако во многих случаях их ис­пользование сдерживается из-за низких степеней сжа­тия. Крутая рабочая характеристика затрудняет приме­нение их на переменных режимах работы.

Созданный В. В. Ильиным вихревой эжектор для сжатия водяных паров от давления 0,1 до 0,3 МПа име­ет более пологую характеристику. В качестве эжекти-

243

Рующещ рабочего тела использован пар с давлением 1,5 МПа и температурой 573 К.

Передвижные кондиционеры. Еще одной из перспек­тивных областей применения вихревых труб является использование их в передвижных генераторах! холода

Во время монтажных и других работ в замкнутых и труднодоступных помещениях, особенно при проведении сварочных работ, значительно ухудшаются условия тру­да из-за повышения температуры среды и увеличения ее загрязненности. Возникает необходимость кондици­онирования этих объемов. Использование кондиционе­ров с парокомпрессионной холодильной машиной во многих случаях неудобно. К тому же серийно выпускае­мые кондиционеры имеют большие массу и размеры, достаточно сложны в эксплуатации.) Вихревой конди­ционер надежен в работе, не требует специальной под­готовки для эксплуатации, взрывобезопасен, прост в изготовлении. В данном случае вихревая труба явля­ется источником охлажденного свежего воздуха и вен­тилятором. Можно полезно использовать и энергию на­гретого потока. Для этого его направляют в эжектор, который отводит непосредственно от источников загряз­нения за пределы кондиционируемого объема загряз­ненный воздух. Вихревой кондиционер наиболее удобен в случаях,) когда кондиционируется не весь объем, а только его часть, т. е. когда благоприятные условия для пребывания людей можно создавать в ограниченной зо­не.

На Николаевском судостроительном заводе пред­ложен и разработан вихревой технологический конди­ционер. Он состоит из двух охлаждаемых вихревых труб, размещенных в общем корпусе. Охлажденный воз­дух смешивается в эжекторе с атмосферным. Регулиро­ванием режима работы эжектора поддерживают тем­пературу подаваемого воздуха в пределах санитарных норм. Для снижения уровня шума предусмотрены шу — мопоглощающая камера внутри кондиционера и глуши­тель шума, установленный на выходном фланце возду­хопровода. Удачно используется энергия нагретого пото­ка. Последний поступает в эжектор, который прокачи­вает удаляемый из судового помещения загрязненный воздух через рубашку вихревой трубы, т. е. одновре­менно с проветриванием помещения организован отвод теплоты от стенок камеры разделения.

На заводе разработано шесть типоразмеров вихревых кондиционеров. Для использования на строящемся суд­не был выбран технологический кондиционер ТК.-3. При давлении 0,5 МПа и расходе 300 м3/ч воздуха обеспе­чивались холодопроизводительность 2500 Вт и удаление 300 м3/ч загрязненного воздуха. Размеры концидионе — ра: ширина 530 мм, высота 350 мм, длина 610 мм; мас­са 9 кг. Уровень шума не превышал 80 дБ.