ПРИМЕРЫ ПРАКТИЧЕСКОГО ПРИМЕНЕНИЯ ГАЗОВОЙ ХОЛОДИЛЬНОЙ МАШИНЫ, РЕАЛИЗОВАННОЙ НА ОСНОВЕ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОЙ ВИХРЕВОЙ ТРУБЫ РАНКА

1. Предыстория

Существует удивительный эффект – вихревой эффект Ранка (другое название – вихревой эффект Ранка-Хильша) и устройство на его основе – классическая вихревая труба Ранка (ВТР), в которой этот эффект реализуется.

Под классической ВТР подразумевается вихревая труба, в состав которой входят следующие основные элементы:

– сопловой ввод Меркулова;

– диафрагма с конической поверхностью и диффузорным газоотводом (выполненных из фторопласта, материала, не обмерзающего при t_х << 0С°);

– цилиндрическая, коническая или цилиндроконическая камера энергетического разделения длиной от 3-х до 10,5 калибров;

– один из двух взаимоисключающих элементов – крестовина Меркулова или щелевой диффузор с газосборной улиткой или без нее;

– дроссель (регулировочный кран), если он необходим для рассматриваемой схемы внешних подключений ВТР.

Главное свойство (достоинство) классической ВТР: она «делит» подаваемый в нее поток газа на два потока, один с температурой выше, а второй ниже температуры газа исходного потока. Слово «делит» в кавычках т.к. никакого деления вводимого внутрь ВТР потока по температуре нет, а имеется нагрев одной части газа и охлаждение другой части газа внутри ВТР при их взаимодействии.

Классическая вихревая труба Ранка обладает еще следующими полезными свойствами:

–  высочайшей (близкой к 100%) надежностью;

–  имеет относительно простую конструкцию;

–  имеет большой ресурс благодаря отсутствию подвижных частей;

– имеет существенно меньшую стоимость производства по сравнению, например, с турбодетандером той же производительности;

– имеет относительно небольшие размеры и массу (последнее наряду с надежностью очень важно для транспортного, в первую очередь, авиационного применения);

– газовые холодильные машины на основе ВТР просты в эксплуатации, не требуют обслуживающего персонала с высоким уровнем специальной подготовки;

–  ГХМ на основе ВТР, в том числе большой производительности не требуют больших по объему монтажных и пуско-наладочных работ;

– имеет постоянную готовность к работе и очень малое (практически нулевое) время выхода на режим;

– может работать в жестких условиях. Например, с температурой рабочего тела существенно ниже нуля, а также с очень высокой температурой рабочего тела (многие сотни градусов выше нуля), при наличии вибрации, ударных нагрузок и т.д.;

– изменение пространственного положения ВТР во время работы не влияет на ее работоспособность;

– ГХМ, реализованная на основе ВТР с полностью закрытым контуром рабочего тела, имеет приемлемый уровень шума;

– расход обрабатываемого газа в зависимости от масштаба ВТР может быть в очень широком диапазоне;

– ГХМ на основе ВТР может быть одновременно использована как источник тепла и холода, впрочем, данное свойство присуще холодильным машинам всех типов;

– ГХМ на основе ВТР имеет высокую живучесть и ремонтопригодность, в том числе в полевых условиях, что очень важно при оперативном восстановлении функционирования после получения повреждений в процессе экстремальной эксплуатации;

– в ГХМ на основе ВТР в качестве рабочего тела может использоваться воздух, который является доступным, практически бесплатным, если не считать затраты на осушку и очистку, нетоксичным и экологичным газом.

На этом основные положительные свойства классической ВТР, к большому сожалению, заканчиваются. «Жирный крест» на широком применении классической вихревой трубы Ранка как источника холода ставит ее низкая энергоэффективность.

Каков уровень энергоэффективности классической вихревой трубы Ранка сегодня? Энергоэффективность любой холодильной машины, в том числе одной из ее разновидностей, а именно вихревой трубы Ранка может характеризовать безразмерный коэффициент энергоэффективности

EER_ВТР = N₁ / N₂,

где:

N₁ – холодопроизводительность вихревой трубы Ранка, кВт;

N₂ – мощность, затрачиваемая на привод компрессора сжимающего газ подаваемый в вихревую трубу Ранка (в т.ч. мощность затрачиваемая на привод вентилятора охлаждения если он используется в составе компрессора), кВт.

В настоящее время у лучших кондиционеров, реализованных на основе холодильной машины парокомпрессионного типа, на один киловатт энергозатрат приходится не менее четырех киловатт холодопроизводительности (например, таковыми являются кондиционеры фирмы DAIKIN), соответственно их коэффициент энергоэффективности EER составляет не менее четырех единиц. Одновременно с этим у классической вихревой трубы Ранка на один киловатт энергозатрат в соответствии с источником [1] приходится в 6÷8 раз меньше холодопроизводительности, т.е. примерно 0,5 кВт и соответственно ее коэффициент энергоэффективности EER_{классич.ВТР} в этом случае равен примерно величине 0,5.  Это значение коэффициента EER_{классич.ВТР} является своеобразной «точкой отсчета» уровня энергоэффективности классической ВТР на сегодня.

Сочетание относительной простоты конструкции классической ВТР и большого перечня положительных свойств ей присущих при наличии «всего-то одной небольшой проблемы», а именно низкой энергоэффективности сделало вихревой эффект очень привлекательным для большого числа ученых, профессиональных конструкторов и просто любопытствующих. Об остальных отрицательных свойствах классической ВТР, которых существенно больше двух десятков основной массе специалистов было неведомо.

Привожу небольшой исторический обзор, иллюстрирующий, насколько массированным был научно-технический «штурм» и также динамику изменения интереса к вихревой теме. Для начала обзора, напомню дату регистрации вихревой трубы Ранка как изобретения – 1931 год. Во второй половине ХХ века объем исследований вихревого эффекта и аппаратов на его базе рос лавинообразно. По данным источника [2], только по теории и практике применения аппаратов вихревого типа за период 1960 – 1990 годов в мировой научно-технической литературе появилось более 3800 научных публикаций. За 20 лет (1970 – 1990 гг.) в промышленно развитых странах мира зарегистрировано свыше 2600 патентов на изобретения различных устройств вихревого типа и способы их применения. К авторам упомянутых научных публикаций, патентов и диссертаций следует еще добавить значительное неучтенное количество специалистов, которые также занимались вихревым эффектом Ранка, но публично никак не отметились.

Информационный поиск [2], проведенный в Российской государственной библиотеке показал, что всего в фондах отдела диссертаций находится приблизительно 300 работ, посвященных вихревому эффекту. Причем большинство работ выполнено в период 70-х ÷ 80-х годов. Совсем другая ситуация наблюдается с изучением вихревого эффекта Ранка начиная с 90-х годов прошлого столетия. Количество работ по вихревому эффекту очень невелико даже с учетом того, что с 1990 года на хранение в Российскую государственную библиотеку стали поступать диссертации с грифом ДСП, ранее хранившиеся по месту защиты. Информационный поиск показал, что за 1990 ÷ 1999 годы количество диссертационных работ по вихревой тематике не превышает десяти!

Почему произошел такой обвальный спад интереса к вихревой теме? Всё просто. Все желающие кто хотел публично высказаться по проблеме повышения энергоэффективности вихревой трубы Ранка, которая казалась такой легко решаемой, это сделал. Тому подтверждение количество опубликованных научных статей, диссертаций и выданных патентов. При этом среди озвученной миру информации не оказалось информации, решающей проблему повышения энергоэффективности классической ВТР. Здравомыслящие специалисты, ранее долго (десятки лет) занимавшиеся проблемой повышения энергоэффективности классической вихревой трубы Ранка, учитывая отсутствие какого-либо прогресса, перешли на более перспективные темы. И наступила «общемировая тишина» в области развития теории (и практики) вихревого эффекта Ранка. В интернете «встречал» интересное высказывание, очень жаль, что не зафиксировал кто его автор: «Одна из сложнейших проблем существующая в настоящее время в термодинамике – это проблема создания теории вихревого эффекта Ранка. Прежде чем мне возразить вспомните, что проблеме более 90 лет и над ней работали десятки тысяч квалифицированных специалистов во всем мире, а решение проблемы отсутствует».

Но все это последствия, а в чем, же причины столь плачевного состояния дел в развитии теории классической вихревой трубы Ранка?

Таких основных причин три:

– во-первых, отсутствовала законченная теория вихревого эффекта классической ВТР. Формулировка гипотезы взаимодействия потоков в ВТР созданная доктором технических наук, профессором Ш.А. Пиралишвили в оригинале [1] звучит так: «Положив в основу энергоразделения реализацию микрохолодильных циклов за счет транспорта массы газа вторичными структурами вдоль радиуса в присутствии радиального градиента давления…». В предложенной формулировке профессора Ш.А. Пиралишвили радиальный транспорт масс газа внутри трубы взаимодействия потоков (ТВП) в условиях наличия радиального градиента давления предлагается осуществлять за счет использования так называемых вторичных структур, расшифровка физического содержания которых, в формулировке отсутствует. Поэтому данная фатальная недоговоренность стала для многих специалистов, занимающихся вихревым эффектом непреодолимым препятствием в вопросе понимания теории вихревого эффекта со всеми вытекающими из этого негативными последствиями;

– во-вторых, должным образом не акцентировалось внимание на том, что уровень энергоэффективности классической ВТР определяет не только производительность и совершенство радиальных микрохолодильных циклов, идущих внутри нее, а также количество и производительность диссипативных процессов присутствующих внутри классической ВТР, перечень которых до сих пор отсутствует в общественном научно-техническом обсуждении проблемы. Соответственно если внимание на проблеме не акцентировалось, то проблема и не решалась;

– в-третьих, недостаточно внимания уделялось поиску мер, позволяющих уменьшить величину мощности, затрачиваемой на привод автономного компрессора, сжимающего рабочее тело (газ) газовой холодильной машины. Исходя из формулы определения коэффициента энергоэффективности газовой холодильной машины EER_ГХМ, энергоэффективность автономного компрессора и ВТР любого типа влияют на энергоэффективность ГХМ в равной степени. Пренебрежение энергоэффективностью кондиционера одной из основных составных частей ГХМ приводит к совершенно неудовлетворительному результату, достаточно вспомнить, чему равен коэффициент энергоэффективности классической ВТР, EER_{классич.ВТР} ≈ 0,5. Допустим чисто умозрительную ситуацию – конструкторам ГХМ удалось создать компрессор, входящий в состав ГХМ с уровнем потребляемой мощности, например, пониженным в три раза (при сохранении расхода и давления газа на выходе компрессора). Энергоэффективность ГХМ при этом повысится также в три раза, притом, что холодопроизводительность ГХМ останется на прежнем уровне. Следует уточнить, что энергоэффективность компрессора можно повысить тремя способами, во-первых, изменяя его конструкцию, во-вторых, подбирая наиболее оптимальное его местоположение в круговом цикле ГХМ, и, в-третьих, используя два первых способа одновременно.

В конечном итоге в результате длительной и упорной работы удалось решить существующие проблемы и противоречия вихревого эффекта Ранка, разобраться с физической сутью вторичных структур, обеспечивающих радиальный транспорт массы газа, а также разобраться с количеством и производительностью диссипативных процессов, присутствующих внутри ТВП ВТР. Как результат, разработана конструкция ВТР нового поколения, именуемая в дальнейшем «Энергоэффективная вихревая труба Ранка». На данный момент наиболее совершенной является «Энергоэффективная вихревая труба Ранка» модификация вторая (сокращенно ЭЭВТР-М2) и ее разновидности:

– облегченная версия исполнения ЭЭВТР–М2 (сокращенно ЭЭВТР-М2-ОВИ);

– узкоспециализированная версия ЭЭВТР-М2, обеспечивающая минимизацию энергозатрат для привода компрессора ее обслуживающую (сокращенно ЭЭВТР-М2-УСВ).

Теперь можно создавать газовые холодильные машины на основе ЭЭВТР-М2 с коэффициентом энергоэффективности EER_ЭЭВТР в пределах 6 ÷ 8 единиц в зависимости от количества использованных нововведений и реализованного варианта внешних подключений к ней.

Далее приводятся несколько примеров наиболее оптимального применения ГХМ реализованной на основе Энергоэффективной вихревой трубы Ранка второй модификации.

2.  Примеры применения Газовой холодильной машины на основе ЭЭВТР-М2 с коэффициентом энергоэффективности EER_ЭЭВТР в пределах 6 ÷ 8 единиц

Энергоэффективность ЭЭВТР-М2 (EER_{ЭЭВТР-М2} ≤ 8 ед.) превышает энергоэффективность классической ВТР (EER_{классич.ВТР} ≈ 0,5 ед.) не менее, чем в шестнадцать раз, энергоэффективность парокомпрессионной холодильной машины (EER_{парокопрес.ХМ} ≥ 4 ед.) не менее, чем в восемь раз. Дальнейшие рассуждения имеют смысл только при условии, что нам удалось многократно понизить цену «холода».

ГХМ_{ЭЭВТР-М2} может быть использована для создания:

– установок получения сжиженного природного газа (СПГ) с пониженной себестоимостью. Принципиальная схема установки сжижения природного газа (типа Газпром ВНИИГАЗ) на основе
ЭЭВТР-М2 для «холодных» регионов представлена на рисунке 1 (для «теплых» регионов добавляется по одной дополнительной ступени в каждую ГХМ);

–  установок обеспечивающих одновременно нагрев и охлаждение в технологических процессах, например на нефтехимических предприятиях;

– систем кондиционирования воздуха (типа чиллер-фанкойл) для центров обработки данных (ЦОД). ГХМ типа чиллер-фанкойл, реализованная на основе ЭЭВТР–М2, предназначенная для охлаждения воздуха, например в ЦОД, представлена на рисунке 2;

– систем кондиционирования воздуха (СКВ) авиационного назначения. По совокупности таких параметров как энергоэффективность, относительные масса и габариты, ресурс и надежность ГХМ не имеет аналогов. Схема газовой холодильной машины на основе ЭЭВТР-М2-ОВИ для использования в составе системы кондиционирования воздуха летательных аппаратов представлена на рисунке 3;

– интегрированных систем охлаждения питающего воздуха для   мобильных газотурбинных установок (ГТУ), а именно – судовых морских и речных (в первую очередь судов на подводных крыльях), карьерных самосвалов, локомотивов и энергопоездов, а также интегрированных систем охлаждения питающего воздуха для ГТУ стационарного назначения. Вариант интеграции турбовального двигателя (ТВаД) и ЭЭВТР-М2-УСВ представлен на рисунке 4;

– интегрированных систем охлаждения питающего воздуха для турбовинтовых двигателей малой авиации (для получения двигателей с экономичностью как у дизельного двигателя). Реализация идеи не простая. Но перспективность идеи просто зашкаливает. Владельцу разработки (патента) гарантирована полная монополия на оснащение малой (местной) авиации на 25 лет, увеличение номинальной мощности существующего ТВД примерно в 1,3÷1,5 раза при сохранении существующего расхода топлива, т.е. при увеличении относительной экономичности также примерно в 1,3÷1,5 раза. Вариант интеграции турбовинтового двигателя (ТВД) и ЭЭВТР-М2-УСВ представлен на рисунке 5;

– портативных переносных систем кондиционирования и технологических систем охлаждения;

–  систем охлаждения пресс-форм линий автоматического литья;

– систем охлаждения для кондитерского производства, например для быстрого охлаждения шоколада;

– систем охлаждения режущего инструмента в металлообработке;

– установок, обеспечивающих быстрое замораживание выловленного улова непосредственно на судах, находящихся в море;

– установок обеспечивающих криогенную переработку списанных автопокрышек в резиновую крошку.

Естественно, приведенные примеры применения ЭЭВТР-М2 не являются исчерпывающими.

Работа по созданию ЭЭВТР и ее модификаций носит коммерческую направленность. Поэтому, при наличии достойного предложения от организации будет рассмотрен вопрос продажи информации (монографии, 180 стр.), которая позволит реализовать энергоэффективную вихревую трубу Ранка.

Рисунок 1. Принципиальная схема установки сжижения природного газа (типа Газпром ВНИИГАЗ) на основе ЭЭВТР-М2 для «холодных» регионов (для «теплых» регионов добавляется по одной дополнительной ступени в каждую ГХМ)

 

Рисунок 2. Газовая холодильная машина типа чиллер-фанкойл  реализованная на основе ЭЭВТР–М2 для охлаждения воздуха, например в ЦОД

 

Рисунок 3. Схема газовой холодильной машины на основе ЭЭВТР-М2-ОВИ для использования в составе системы кондиционирования воздуха в ЛА

 

Рисунок 4. Интеграция ТВаД и ЭЭВТР-М2-УСВ

 

Рисунок 5. Интеграция ТВД и ЭЭВТР-М2-УСВ