CC BY
31
№ 1.
2007 536.2; 621.717
ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ СБОРКИ СОЕДИНЕНИЙ С НАТЯГОМ ПОСРЕДСТВОМ
ПРИМЕНЕНИЯ ВИХРЕВЫХ ТРУБ
Д-р техн. наук, проф. II Е. КУРНОСОЕ, канд. техн. наук, doif. А. В. ТАРНОПОЛЬСКИЙ
Приведены результаты исследований вихревого охладителя воздуха. Показана возможность его эффективного применения в технологических процессах машиностроения, в том числе при сборке соединений с натягом.
Results of researches of a vortical cooler of air are resulted. The opportunity of its effective application in {ethnological processes of mechanical engineering is shown, including at assembly of connections with a tightness.
В настоящее время количество работ, посвященных изучению и применению вихревого эффекта Ранка, возросло в связи с расширением области применения вихревых труб [1—3], Однако в технологических процессах машиностроения вихревые преобразователи -энергии применяются редко, хотя в ряде случаев они могут повысить эффективность производства. Вихревые устройства, обеспечивающие температурное разделение газов, получили название вихревых труб. Работа таких труб основана на использовании эффекта Ранка, заключающегося в том, что при вихревом движении газа в цилиндрической или конической вихревой камере, снабженной тангенциальным входом и имеющей на торцах отверстия для выхода воздуха, образуются два вихревых потока, движущиеся навстречу друг другу Вихревой поток движется по периферии вихревой камеры от тангенциального входа к дросселю, где и выводится наружу. В осевой зоне вихревой камеры образуется второй поток, движущийся навстречу периферийному (от дросселя к диафрагме, расположенной вблизи тангенциального входа). В результате тепло- и массопереноса между двумя вихревыми потоками осевой поток охлаждается и выходит через отверстие диафрагмы, а периферийный нагревается. Конструкции вихревых труб весьма разнообразны. С появлением новых конструкций [4] проводятся их исследования, определяются оптимальные геометрические параметры, изучаются термодинамические характеристики.
В качестве основной энергетической характеристики вихревой трубы используется зависимость разницы температур AT. -T0-TL: входящего и холодного потоков от относительного массового расхода холодного газа \l = Qc/Qq (QAiQo — массовый расход холодного и поступающего сжатого газа соответственно) [2]. К достоинствам вихревой трубы относят простоту устройства, отсутствие движущихся частей, высокую надежность, легкость регулирования и возможность получения энергетических потоков с параметрами, изменяющимися в очень широких пределах: давление сжатого воздуха P[iX = 0,4...20 МПа, давление охлажденного воздуха Ртлх = 0,1...5 МПа. температура холодного потока Тс = -( 10.. .70) °С. При этом относительный массовый расход холодного газа \х = 0Д.Д7.
Анализ результатов проведенных исследований вихревых труб [4], снабженных тормозным устройством в виде крестовины, показывает, что эффективность температурного разделения горячего и холодного вихревых потоков растет с увеличением давления сжатого воздуха на входе вихревой камеры.
№ 12 2007
При давлении сжатого воздуха 0,4 МПа (рис. 1) наиболее глубокое охлаждение (до 43 °С), наблюдается при сочетании диафрагмы £>2 = 6 мм с большой длиной лопастей крестовины тормоза ЬЗ = 50 мм и малым открытием дросселя К1. Аналогичные результаты дают другие сочетания, например, диафрагма ИЗ = 7 мм, большая длина лопастей тормоза ЬЗ = 50 мм, среднее и большое открытие дросселя К2,КЗ. Можно отметить, что максимальная эффективность процесса теплопереноса в вихревых потоках достигается, если использовать тормоз с лопастями большой длины (13 = 50 мм).
ДТ холодного —о—дт горячего
Рис. 1. Характеристика интенсивности температурного разделения при давлении сжатого воздуха на входе
вихревой камеры 0,4 МПа
Обращает на себя внимание тот факт, что в большинстве случаев максимальная эффективность процесса теплопереноса в вихревых потоках (максимальное снижение и повышение температуры потоков) наблюдается одновременно в обоих потоках. Такое совпадение можно объяснить тем, что при этом имеют место явления резонанса или совпадения частоты колебаний вихревого потока и вихревой камеры.
Полученные результаты позволяют использовать вихревую трубу в качестве холодильного агрегата периодического действия. Вихревая труба может быть легко встроена в различные устройства и задействована в технологических процессах, в том числе для охлаждения релсущих инструментов, деталей перед сборкой соединений с натягом, электронной аппаратуры станков с ЧПУ [5],
Возможность применения вихревых труб для создания низких температур при периодическом использовании оборудования реализована в условиях ОАО «Тяжпромармату-ра» (г. Пенза) на операции сборки соединения с натягом направляющей втулки и корпуса клапана регулирующего, запорной арматуры для АЭС. Соединение должно выдерживать осевую нагрузку до 8 кН. Обе детали изготавливаются из стали 08Х18НЮТ. Сопрягаемые поверхности имеют размеры: отверстие в корпусе 06ОН8(+О,О46) 5 наружный диаметр запрессовываемой втулки 06Ои8 ) > длина сопряжения составляет 65 мм. Шероховатость сопрягаемых поверхностей не более Яа1525. Величина осевого усилия запрессовки втулки достигает при этом 15 кН.
Действующий технологический процесс сборки соединения предусматривал нагрев корпусам печи до температуры 250 °С, выдержку при данной температуре в течение 30.. ,40
№ 12 2007
минут, транспортировку на участок сборки и сборку методом продольной запрессовки направляющей втулки. После запрессовки корпус остывал до комнатной температуры в течение 3.. .4 часов. Недостатки данной технологии — это высокая температура и длительное время нагрева с целью избежать деформации корпуса, имеющего большие размеры и несимметричное распределение массы металла относительно отверстия. В связи с этим возникали опасности и неудобства при транспортировке корпуса, нагретого до 250 °С и требовались большие затраты энергии на нагрев.
Для устранения этих недостатков было предложено заменить нагрев корпуса охлаждением втулки с помощью вихревой трубы, которое обеспечило бы соответствующее уменьшение ее диаметра перед запрессовкой. Для охлаждения втулок использовали вихревую трубу с вихревой камерой диаметром 12 мм в которую подавали предварительно осушенный сжатый воздух давлением 0,5 МПа из заводской пневмосети. Холодный воздух из вихревой трубы с температурой минус 35...40°С подавался непосредственно на детали, расположенные на решетчатом поддоне в холодильной камере. Холодильная камера представляла собой теплоизолированный контейнер с размерами 500x500x500 мм, который устанавливался непосредственно на участке сборки данного узла. Воздух, выходящий из холодильной камеры, направлялся в теплообменник, где использовался для охлаждения сжатого воздуха, поступающего в вихревую трубу и корпуса вихревой трубы, что позволило повысить эффективность ее работы. Время охлаждения составляло 40 минут. Охлажденную втулку вынимали из холодильной камеры, устанавливали в сборочное приспособление и запрессовывали, используя гидропресс. Охлаждение втулки до минус 40 °С позволило снизить максимальное усилие запрессовки до 7 кН, и отпала необходимость нагрева корпуса и его транспортировки в нагретом состоянии на участок сборки.
В результате выполненных исследований установлены наиболее эффективные режимы и условия работы вихревой трубы как холодильного агрегата, использование которого в технологическом процессе сборки соединений с натягом обеспечило энергосбережение и безопасность труда.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. А з а р о в А. И. Промышленное применение многоцелевых вихревых воздухоохладителей // Химическое и нефтегазовое машиностроение. — 1999. — № 7. — С. 29—31.
2. П и р а л и ш в и л и Ш. А. Вихревой эффект // Известия академии наук. — 2000. — № 5. — С. 137—147.
3. Вихревые системы термостатирования авиационного оборудования / В. В. Бирюк, В. П. Алексеенко, Г. И. Лсоновпч, С. В. Лукачев. — Самара: Самар. науч. центр РАН, 2005. - 176 с.
4. Пат. 2098723 Российская Федерация, МПК" F 25 В 9/02. Вихревая труба / Жулимов Ю.Н., Каширский A.C.; заявитель и патентообладатель КурносовН.Е. —№95115194/06; заявл. 25.08.95 ; опубл. 10.12.97, Бюл. № 34. — 4 с.
5. Тарногтоль с к и й А. В. Технологическое обеспечение производства изделий машиностроения на основе применения вихревых преобразователей энергии // Ресурсосбережение и инновации: проблемы и решения / Сб. статей Международ, науч.-практ. коиф. — Пенза, Изд-во Приволжск. дома знаний, 2006. — С. 91—94.
