Федеральное учебно-методическое объединение в системе высшего образования «Техносферная безопасность и природообустройство» (председатель)
Москва, г. Москва и Московская область, Россия
Вихревые трубы, основанные на эффекте Ранка-Хилша, широко используются в технологиях разделения и сепарации газов, очистке вредных газовых выбросов при защите атмосферы, улавливании нефтяного попутнго газа, системах охлаждения в химической, нефтехимической и других отраслях промышленности. Однако да настоящего времени при их проектировании расчетные методы дают значительные погрешности и требуют экспериментальной доработки. До сих пор существующие теории вихревого эффекта дают адекватного ответа на наблюдаемые в экспериментах явления. В статье на основе аналитического и критического анализа большого количества исследований различных авторов приведены примеры нарушения энтальпийного баланса при эксплуатации трехпоточных вихревых труб на углеводородных газах, а также двухпоточных вихревых труб на воздухе. Предложена ударно-волновая и пульсационная гипотеза для описания вихревого эффекта и основных его проявлений. Показано, что предложенная гипотеза может дополнять существующие теории вихревого эффекта и ее учет позволяет объяснить процессы. Приведены термодинамические характеристики стендовой двухпоточной вихревой трубы в лабораторном эксперименте. Выполнены измерения амплитудно-частотных характеристик вибраций, совершающих внешнюю (механическую) работу под воздействием газодинамических пульсаций в вихревых трубах. Показано, что вибрация приводит к диссипации кинетической энергии газа в окружающую среду, вследствие чего имеет место энтальпийный дисбаланс на вихревой трубе. Выполнен анализ дополнительной холодопроизводительности, а также нагрева смешанного потока вихревой трубы по сравнению с эффектом дросселирования. Качественно объяснен механизм ударно-волновых и пульсационных процессов на основе анализа большого количества работ различных авторов и собственных экспериментальных исследований. Подчеркивается, что предложенный качественный механизм требует дальнейшего развития и математического описания на основе разработанной физической модели.
вихревая труба, вихревой эффект, энтальпийный дисбаланс, пульсация, вибрация, диссипация, ударно-волновой механизм, стратификация газов
1. Пиралишвили Ш.А. Вихревой эффект. Т.1. (Физическое явление, эксперимент, теоретическое моделирование). М.: Научтехлитиздат, 2013. 337 с.
2. Hilsch R.. Die Expansion von Gasen im Zentrifugalfeld als Kälteprocess // Zeitschrift fur Naturforschung. 1946. Jan. S. 203.
3. Бирюк В.В., Веретенников С.В., Гурьянов А.И., Пиралишвили Ш.А. Вихревой эффект. Том 2: Технические приложения. М.: Научтехлитиздат, 2014. 491 с.
4. Девисилов В.А., Жидков Д.А., Спиридонов В.С., Кирикова О.В. Эксплуатация регулируе-мых вихревых труб Ранка-Хилша в экологически значимых промышленных установках очистки газов (аналитический обзор) // Экология и промышленность России. 2013. № 12. С. 14.
5. Ranque G.I. Experiences sur la Detente Girataire avec Productions Simultahees d` un Echappement d` Air chand at d` Air froid // Journal de Physique at le Radium. 1933. № 7. Р. 112.
6. Erdelyi J. Wirkung des Zentrifugalkraffeldes auf des Warmerustand dtr Gase, Erklarung der Ranque-Enscheinung-Forchund // Ingenierwesens. 1962. Bd. 28. № 6. S. 181.
7. Алексеев Т.С. О природе эффекта Ранка // Инженерно-физический журнал. 1964. Т. 7. № 4. С. 1121.
8. Калашник М.В., Вишератин К.Н. Циклострофическое приспособление в закрученных газовых потоках и вихревой эффект Ранка // ЖЭТФ. 2008. Т. 133. вып. 4. С. 935.
9. Гуцол А.Ф. Эффект Ранка // Успехи физических наук. 1997. Т. 167. № 6. С. 665.
10. Меркулов А.П. Вихревой эффект и его применение в технике. М.: Машиностроение, 1969. 183 с.
11. Борисенко А.И., Костиков О.Н., Чумаченко В.И. О влиянии вращения на турбулентные пульсации // Некоторые вопросы исследования вихревого эффекта и его промышленного применения. Труды первой научно-технической конференции. Куйбышев: КуАИ им. С.П. Королёва, 1974. С. 268.
12. Халатов А.А. Теплообмен и гидродинамика в полях массовых сил: обзор работ, выполненных в ИТТФ НАН Украины // Промышленная теплотехника. 2011. Т. 33. № 6. С. 11.
13. Eiamsa-ard S., Promvonge P. Review of Ranyue-Hilsch effects in vortex tubes // Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2008. № 12. P. 1822.
14. Khait A.V., Noskov A.S., Lovtsov A.V., Alekhin V.N. Semi-empirical turbulence model for numerical simulation of swrled compressible flows observed in Ranque-Hilsch vortex tube // International journal of refrigeration. 2014. № 48. P. 132.
15. Жидков М.А., Девисилов В.А., Жидков Д.А, Кирикова О.В., Спиридонов В.С. Термодинамика эффекта Ранка-Хилша в трехпоточных вихревых трубах // Химическая технология. 2014. № 1. С. 25.
16. Жидков М.А., Девисилов В.А., Жидков Д.А., Гусев А.П., Рябов А.П. Трехпоточные вихревые трубы - экологическая значимая альтернатива сжиганию попутного нефтяного газа на факелах // Безопасность в техносфере. 2013, № 3, с. 19.
17. Жидков Д.А., Иванов М.В., Девисилов В.А., Жидков М.А. Ударно-волновые (пульсационные) проявления процесса стратификации газовой среды в вихревых трубах Ранка-Хилша // Химическая технология. 2015. № 8. с. 501.
18. Sprenger H. Beobachtung an Wirbelrohren // Zeitschrift fuer Mathematik und Physik. 1951. Т. 2. № 4. S. 293.
19. Финько В.Е. Особенности охлаждения и сжижения газа в вихревом потоке // Журнал технической физики. 1983. Т. 53. № 9. С. 1770.
20. Чижиков Ю.В. Развитие методов расчета и промышленное использование вихревого эффекта // Дис. … докт. техн. наук. М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1999. 291 с.
21. Мухутдинов Р.Х. и др. Эффективность внедрения вихревых аппаратов (применительно к нефтехимическим производствам) Уфа. Реактив. 2001. 342 с.
22. Гурин С.В. Разработка технологии квазиизотермического редуцирования давления для объектов системы транспортировки и распределения природного газа // Дис. … канд. техн. наук. Уфа: УГАТУ. 2008. 111 с.
23. Жидков М., Гусев А., Бетлинский В., Солдатов П., Овчинников В., Рябов А. Трехпоточная вихревая труба успешно эксплуатируется на Капитоновском месторождении // OIL&GAS JOURNAL RUSSIA. 2008. № 1-2. С. 42.
24. Sprenger H.S. Uber thermische Effekte in Resonanzrohren // Mitteilungen aus dem Institut fur Aerodynamik. E.T.H. Zurich. 1954. № 21 S. 18.
25. Ахмедов Р.Б., Балагула Т.Б., Рашидов Ф.К., Сакаев А.Ю. Аэродинамика закрученной струи // М: Энергия. 1977. 238 с.
26. Токарев Г.П. Влияние осевых скоростей на величину энергетического разделения // Вихревой эффект и его применение в технике: Материалы VI Всесоюзной научно-технической конференции. Самара: СГАУ им. С.П. Королёва, 1993. С. 51.
27. Кныш Ю.А. Физическая модель явления энергопереноса в вихревой трубе // Материалы III Всесоюзной научно-технической конференции. Куйбышев: КуАИ им. С.П. Королёва, 1981. С. 29.
28. Beliavsky Y. Experimental investigation of a temperature separation effect inside a short vortex chamber // Proceedings of the 9-th International Conference on Heat Transfer. Fluid Mechanics and Thermodynamics. Malta: 2012. Р. 1482.
29. Дыскин Л.М. Обоснование, разработка и повышение эффективности систем осушки и кондиционирования воздуха // Автореф. Дис. … докт. техн. наук. Ленинград: Ленинградский технологический институт холодильной промышленности, 1990. 34 с.
30. Дыскин Л.М. Экспериментальные характеристики вихревых микротруб // Материалы IV Всесоюзной научно-технической конференции «Вихревой эффект и его применение в технике». Куйбышев: КуАИ им. С.П. Королёва, 1984. С. 66.
31. Кузнецов В.И. Теория и расчет эффекта Ранка Омск: ОмГТУ, 1995. 217 с.
32. Литвинов И.В., Шторк С.И., Алексеенко С.В. Экспериментальное исследование сильно-закрученного течения в тангенциальном завихрителе // Вестник КузГТУ. Теплофизика. Кузбасс: КузГТУ, 2012. № 3. с. 129.
33. Пиралишвили Ш.А. Вихревой эффект. Состояние и перспективы // Сборник докладов. Международная конференция «Теплообмен и гидродинамика в закрученных потоках». Казань: Научтехлитиздат, 2015. С. 135.
34. Beliavsky Y. The Pressure Gradient Elastic Wave: Energy transfer process for compressible fluids with pressure gradient // Journal of Mechanics Engineering and Automation. V. 3. № 1. 2013. Р. 53.
35. Parulekar B.B. Shoкt vortex tube // J. of Refrigeration. 1961. V. 4. №. 4. Р. 74.
36. Мартынов А.В., Бродянский В.М. Что такое вихревая труба? М.: Энергия, 1976. 153 с.
37. Борисенко А.И., Высочин В.А., Сафонов В.А. О связи внешних характеристик вихревой трубы с видами воздействия на поток в ее горячем участке // Материалы II Всесоюзной научно-технической конференции «Вихревой эффект и его применение в технике». Куйбышев: КуАИ, 1976. С. 62.
38. ГОСТ 30457-97 Акустика. Определение уровней звуковой мощности источников шума на основе интенсивности звука. М.: 1997. 16 с.
39. Кныш Ю.А., Лукачев С.В. Экспериментальное исследование вихревого генератора звука // Акустический журнал. 1977. Том XXIII. Вып. 5. С. 776.
40. Бондаренко В.Л. Создание и исследование волновых криогенераторов и их применение в технологии получения неона высокой чистоты. Дис. … докт. тех. наук. М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2003. 293 с.
41. Hartmann J. The Hartmann acoustic generators // Engineering. 1936/ V. 142. P. 491.
42. Мунин А.Г., Черемухин Г.А., Шипов Р.А. Акустические характеристики сверхзвуковых пассажирских самолетов // Римский-Корсаков А.В. Аэроакустика. М.: Наука, 1980. 144 с.
43. Хмелев В.Н., Сливин А.Н., Барсуков Р.В., Цыганок С.Н., Шалунов А.В. Применение ультразвука высокой интенсивности в промышленности. Бийск.: АлтГТУ, 2010. 176 с.
44. Штым А.Н. Аэродинамика циклонно-вихревых камер. Владивосток.: Дальневосточный университет, 1985. 199 с.
45. Лукачев С.В., Матвеев С.Г. Некоторые результаты экспериментального исследования регулярных колебания давления, возникающих при работе вихревой трубы Ранка // Материалы III Всесоюзной научно-технической конференции «Вихревой эффект и его промышленное применение». Куйбышев: КуАИ, 1981. С. 109.
46. Лукачев С.В. Образование вихревых когерентных структур в вихревой трубе Ранка // Материалы IV Всесоюзной научно-технической конференции «Вихревой эффект и его применение в технике». Куйбышев: КуАИ, 1984. С. 38.
47. Фролов К.В. Защита от вибрации и ударов (справочник в 6 томах). Т.6. М.: Машиностроение, 1881. 456 с.
48. Сизов М.А. Пульсирующие газовые потоки и их взаимодействие с поверхностями // Автореф. дис. … канд. физ.-мат. наук. С-П.: БГТУ «Военмех», 2005. 84 с.
49. Волов В.Т. Термодинамика и теплообмен сильно закрученных сверхзвуковых потоков газа в энергетических устройствах и аппаратах. Самара. Изд-во СНЦ РАН, 2006. 321 с.
50. Ахметов Ю.А., Зангиров Э.И., Свистунов А.В. Возможный механизм течения закрученных потоков // Труды МФТИ, 2014. т. 6. № 2. С. 99.
51. Артамонов Н.А. Интенсификация тепломассообменных процессов в аппаратах с закрученным течением фаз // Автореф. дис … докт. техн наук. М.: МИХМ, 1988. 32 с.
52. Бобров Д.М. и др. Применение аппаратов пульсационного охлаждения газа в газовой промышленности // Обзорная информация. ВНИИЭгазпром, М.: 1985. вып. 7. 58 с.
53. Меркулов А.П. От редактора // Материалы V Всесоюзной научно-технической конференции «Вихревой эффект и его применение в технике». Куйбышев.: КуАИ, 1988. С. 3.
54. Visheratin K.N., Vasiljev V.I., Kolomiets S.M., Zarenkov A.A. Increasing Ranque vortex tube cold production efficiencyby twisted air flow disturbance // International Heat Powered Cycles Conference Cyprus. ISBN 01874418353, CD-ROM, pdf, 2004. October. Р. 1203.
55. Кирпиченко В.Е. Исследование рабочего процесса крупномасштабной вихревой трубы // Автореф. дис. … канд. тех. наук. Харьков.: Харьковский политехнический институт, 1992. 19 с.
56. Соколов А.И., Иванов И.Э. Исследование пульсационных режимов течения в дисковом генераторе Гартмана // Электронный журнал. Труды МАИ, 2006.
57. Соколов А.И. Расчетное исследование газодинамического течения в дисковом генераторе Гартмана // Автореф. дис. … канд. физ.-мат. наук. Москва. 2006.
58. Русак А.М., Ахметов Ю.М. и др. Исследование и применение вихревых технологий на кафедре ПГМ УГАТУ // Уфа. Вестник УГАТУ, 2012. Т. 16. № 2 (47). С. 151.
59. Ловцов А.В. Вихревая труба Патент на изобретение № 2370710. Кл. МПК-F25B9/04. 20.10.2009.
60. Хаит А.В. Исследование эффекта энергоразделения с целью улучшения характеристик вихревой трубы. Дис. … канд. техн. наук. Екатеринбург.: ФГАОУ, 2012. 199 с.
61. Комарова Г.А. Исследование вихревого эффекта при высоких давлениях. Дис. … канд. тех. наук. М.: ГИАП, 1978. 181 с.
62. Ахметов Ю.М. и др. Исследование влияния тормозного устройства на структуру потока и параметры изотермического вихревого регулятора давления // Уфа.: Вестник УГАТУ, 2011. Т. 15. № 4 (44). С. 149.
63. Кашина И.А. Влияние диссипативных свойств конструктивных элементов РДТТ на амплитуду колебаний давления в камере сгорания при продольной акустической неустойчивости. Дис. … канд. техн. наук. Казань.: Пермский политехнический университет, 2015. 163 с.
64. Торочешников Н.С., Лейтес И.Л., Бродянский В.М. Исследование эффекта температурного разделения воздуха в прямоточной вихревой трубе // ЖТФ. 1958. Т. XXYIII. вып. 6. С. 1229.
65. Попович С.С. Экспериментальное исследование влияния ударных волн на эффект безмашинного энергоразделения газовых потоков // Электронный журнал «Наука и Образование». МГТУ им Н.Э. Баумана, 2016. №3. С. 64-80. 96 32 97
66. Victor S. Vlasenko, Vacheslav V. Slesarenko, Alexsander N. Gulkov. Using of Triple-Flow Vortex Tubes in Associated Petroleum Gas Preparation Units // Proceedings of the Twenty-sixth (2016), International Ocean and Polar Engineering Conference Rhodes, Greece, June 26-July 1, 2016. P.46-52.
67. Кочетков Ю.М., Боровик И.Н., Подымова О.А., Мавров В.А., Ишаев Р.О. Вихревые эффекты в вихревых трубах Ранка-Хилша // Вестник МАИ, т. 23, № 4, 2016. С. 26-35.
68. Volkan Kirmaci, Huseyin Kaya, Ismail Cebeci. An experimental and exergy analysis of a thermal performance of a counter flow Ranque-Hilsch vortex tube with different nozzle materials // International journal of refrigeration, № 85, 2018. S. 240-254.
