Вихревые трубы в инновационных процессах

Вихревые трубы в инновационных процессах

Евгений ХРУСТАЛЕВ, на основе материалов, предоставленных автором
Энергетика и промышленность России № 1-2 (93) январь 2008 года
02.02.08


Статья А. И. Азарова «Вихревые трубы нового поколения», опубликованная в журнале «Конструктор. Машиностроитель» №3 за 2007 год, вызвала большой интерес читателей. Она была посвящена конструктивно-технологическому совершенствованию промышленных вихревых труб как продукции многоотраслевого применения. На имя Азарова – заслуженного изобретателя Латвийской ССР, действительного члена Российской академии естественных наук, разработчика десятков изобретений и проектов, внедренных в жизнь, – поступили запросы от машиностроительных предприятий Рязани, Перми, Воронежа, Подмосковья. После выхода статьи изобретателем было дано интервью, которое в сокращенном виде опубликовано в том же журнале. Мы размещаем полную версию этого материала.


– Анатолий Иванович, многоотраслевое применение вихревых труб (ВТ) в роли «точечных» воздухоохладителей представлено у вас в удивительном разнообразии. А насколько вихревые трубы вашей разработки конструктивно отличаются от промышленных ВТ зарубежного производства?

– Зарубежные промышленные вихревые трубы по конструкции почти не отличимы сегодня от экспериментальных моделей полувековой давности, в наших же ВТ обобщены практический опыт их использования на сотнях заводов страны и результаты экспериментальных исследований, представленных в десятках диссертаций. Еще в 1960‑е годы и исследование, и применение ВТ в серийной продукции «стартовали» у нас с более высокого научно-технологического уровня, чем уровень зарубежных промышленных вихревых труб. Причина была не столько в энтузиазме конструкторов и исследователей, сколько в низких ценах на энергоресурсы, десятилетиями действовавших в СССР. Это не могло не способствовать повсеместному продвижению вихревых генераторов холода в промышленности и привело к появлению нескольких поколений труб разнообразных конструкций, которые далеко ушли в развитии от «классической» вихревой трубы Ранка и конструктивно близкой к ней ВТ Фултона (США).

– Где применяются вихревые трубы?

– Условно основные области их применения можно объединить в десять групп:
1) технология машиностроения, станкостроение, промышленная электроника: создание «холодных зон» на поверхности или в объеме инструмента и/или материала; охлаждение блоков управления программных станков, автоматических линий, роботизированных участков, безлюдных производств;
2) горячие и вредные производства: воздушные завесы в рабочих зонах покрасочных камер, кузнечных цехов, гальванических и металлургических производств; глубокие шахты: вентиляция тупиковых забоев;
3) литейное производство: охлаждение песка в установках с быстротвердеющими смесями; хранение сельхозпродукции: охлаждение зерна и дисперсных продуктов во временных хранилищах;
4) мебельная промышленность: вдув холодного воздуха в зону фрезерования при изготовлении облицовочных плит и в зону налива лака в лаконаливных машинах;
5) самоходная техника для жаркого климата: охлаждение рабочих зон в кабинах кранов, в вагончиках бурильщиков и т. д.;
6) производство листовых материалов: раздув холодным потоком полиэтиленовой пленки, охлаждение листовой резины; производство стекла;
7) перевозка фруктов и овощей: малые автофруктовозы и хранилища на малых судах;
8) пищевые производства; транспорт; горная техника;
9) испытательная техника;
10) портативные транспортные холодильники, охладители питьевой воды и мн. др.



Как «продвигать» инновации

– Как вы продвигали в промышленность новые конструкции?

– По‑разному в разные годы. Например, не имеющие аналогов первые в мире транспортные вихревые холодильники появились как комплектующее изделие для кабин мощных экспортных тепловозов и как средство улучшения условий труда машиниста в кабинах пригородных пассажирских дизель-поездов (а также в кабинах тракторов, комбайнов, автобусов и др. пневмообеспеченных объектов – рис. 3). Сверхурочно выполненный за неделю первый мой проект 1968 года «продвигать» не потребовалось: его актуальность была очевидна, а конкурирующих альтернативных решений просто не было. «Тормозной» компрессор на тепловозе работает менее 25 процентов от длительности рейса, а вихревой холодильник потребляет лишь 0,5 процента от производительности компрессора. Как дополнительный потребитель сжатого воздуха холодильник, следовательно, просто «неощутим» для бортовой пневмосети тепловоза, нормативно разрешенный уровень утечек из которой равен 2‑4 процентам.

Вихревые трубы нового класса (рис. 4 и 5) – неадиабатные с относительным расходом холодного потока µ=100 процентов – были предложены заводам химического и нефтегазового машиностроения для развития их испытательной базы. Прототипы предварительно прошли «обкатку» как средства коллективной теплозащиты рабочих в металлургии и энергетике. Эти, тогда единственные в мире, многокамерные ВТ первыми стали использовать заводы, входящие в ЦНПО «Ленинец». Одновременно здесь внедрили Рабочие места испытателя-настройщика радиоаппаратуры, оборудованные вихревыми трубами в качестве источника холодного и горячего воздушного потока. Эти новшества предоставили крупнейшему ЦНПО очевидные преимущества: отпала потребность в дорогих импортных климатических камерах, уменьшилась сумма затрат на «климатическое тестирование» готовой продукции, тестирование «рассредоточилось» на площади испытательных цехов.

В 1980‑е годы «продвижение» проектов пошло по‑другому. С появлением систем, требовательных к микроклимату в блоках электронного управления (в программных станках, автоматических линиях, безлюдных производствах), область использования вихревых труб как «точечного» источника холода быстро расширялась. Нужно было инициировать появление конкурирующих изготовителей – поставщиков ВТ.

Для этого был осуществлен грандиозный научно-производственный эксперимент, который я окрестил «посевом ноу-хау на промышленном поле страны»: около шестидесяти заводов различных отраслей в ответ на их запросы безвозмездно получили от меня рабочие чертежи и опытные образцы двенадцати разных моделей вихревых труб многоцелевого применения. Подразумевалось, что для собственных нужд заводы своими силами изготовят опытно-промышленные партии многоцелевых ВТ всех двенадцати моделей, а с течением времени в производстве останутся как продукция только лучшие изделия – те, которые укажут на «предпочтения» промышленности, на распределение потребителей вихревых труб по отраслям и на направления дальнейшего совершенствования агрегатов. Так и получилось: в шести городах страны предприятия стали многолетними поставщиками серийно изготавливаемых вихревых труб. В Ростове-на-Дону, например, появилось сразу два конкурирующих завода-изготовителя.

К началу 1990‑х годов пользователями вихревых труб стали заводы в 160 городах – от Вильнюса и Ивано-Франковска до Новосибирска, Улан-Удэ и Комсомольска-на-Амуре. Например, в Санкт-Петербурге это Металлический, Балтийский, Северный, Адмиралтейский заводы, предприятия «Электросила», «Ритм», «Красный Октябрь», «Сигнал» и мн. другие. В Москве и области – РКК «Энергия», «Метеорит», «Астрофизика», «Молния», Карбюраторный завод, «Квант», Ликинский автобусный завод, фабрика «Ударница» и др.

– Были замечены, оценены масштабные результаты многоотраслевого использования вихревых труб, сконструированных вами?

– В конце 1990 года Леноблсовет ВОИР и совет Ленинградского политехнического института выдвинули меня на присвоение почетного звания заслуженного изобретателя СССР, но Москва в 1991 году утвердить «не успела». Поэтому «за те же заслуги» меня избрали членкором Инженерной академии Санкт-Петербурга, действительным членом Российской академии естественных наук и наградили серебряной медалью им. Вернадского. В Федерации космонавтики России «за заслуги перед отечественной космонавтикой» я награжден медалью им. Ю. А. Гагарина (в апреле 2007 года) и «за заслуги в области высоких технологий перед отечественной космонавтикой» – медалью «50 лет космической эры» (в октябре 2007 года).

– Удивительно, что простой «раздачей» чертежей и образцов удалось в конечном итоге «продвинуть» многоцелевые вихревые трубы на сотни заводов страны.

– Прежде, чем был получен этот результат, опытные образцы ВТ успешно прошли проверку на ответственных объектах. Например, при охлаждении шкафов управления конвейерами на КамАЗе, блоков быстродействующей электроники в малодоступных зонах уникальных экспериментальных установок в Институте физики высоких энергий (город Протвино, Московская область) и т. д. А мои молодые помощники продемонстрировали вихревые трубы в работе на самых разных объектах – от покрасочных камер для крупногабаритных деталей на автозаводах до станков с ЧПУ в десятках предприятий.



Новые проекты

– Вы рассказали о вихревых трубах универсального применения. А где используются узкоспециализированные ВТ?

– В единичных количествах они применены:
– в аэрокосмической промышленности: для комплексного термоакустического воздействия на объект в реверберационной испытательной камере; для наземного терморегулирования и термостатирования ракетно-космической техники;
– в медицине: для локального охлаждения поверхности тела при операциях на конечностях (остеомиелит) и др.;
– в энергетике, металлургии, судостроении и судоремонте, химической и газовой промышленности: для теплозащитного снаряжения рабочих, ремонтников, строителей; при производстве аммиака и переработке природного газа.

В середине 1990‑х приостановились, к сожалению, очень перспективные эксперименты по «щадящей» сушке зерна (или дисперсных материалов, например для фармацевтической промышленности) при поочередном воздействии на зерно холодного и горячего потока в вихревой трубе (рис. 6).

В РКК «Энергия» применены так называемые вихревые двигатели «обратного вращения» – компактные и простые устройства с большим крутящим моментом. Упругий стержень в вихревом потоке находится в состоянии вращательной вибрации с частотой, близкой к частоте вращения вихря в камере (авт. св. № 347435). Действующая на стержень центробежная сила заставляет вал отбора мощности «обкатываться» по поверхности отверстия в статоре двигателя. Разность диаметров отверстия и вала мала – десятые или сотые доли миллиметра. Поэтому частота вращения вала в сотни или тысячи раз меньше частоты вращения вихря в камере. Отметим, что вал вращается всегда против направления вращения вихря в камере – «обкатывание» вала по поверхности отверстия равнозначно планетарной передаче с внутренним зацеплением. Таким образом, реализованы многоцелевые двигатели с минимальным числом деталей и «планетарным» редуктором внутри двигателя. Еще интереснее возможности более «продвинутых» устройств. В вихревой камере размещаем стакан с шариком и беговой дорожкой для него (авт. св. № 1028128): достаточно дунуть во входной патрубок микродвигателя, и медленно вращающийся при этом вал отбора мощности рукой не удается остановить – столь велик крутящий момент!

– Каков новый проект, который предстоит разместить в российской промышленности в ближайшие месяцы?

Будущим изготовителям продукции для внутреннего и внешнего рынка предложены качественно новые конструкции и технологии. Вихревые трубы любого назначения и любой холодопроизводительности можно собирать из простейших «кирпичиков» – вихревых модулей, состоящих всего из нескольких деталей. Первые в мире модульные ВТ (МВТ) прошли опытно-промышленную «обкатку» на кондитерских фабриках «Петроконф», «Камея» и др. На предприятиях пищевой промышленности (несмотря на широкое использование современной холодильной техники, преимущественно импортной) остается множество «точек», требующих искусственного охлаждения. МВТ здесь удачно вписались, например, в технологию нанесения шоколадной глазури во вращающихся барабанах (на орехи, изюм и др.): при вдуве холодного потока из МВТ в барабан процесс нанесения глазури удается ускорить вчетверо.

В Санкт-Петербурге, Новосибирске, Москве, Рыбинске, Одессе и др. представлены на научно-технических конференциях мои доклады об МВТ универсального и специализированного применения. Цель этих сообщений – поиск крупного изготовителя МВТ, имеющего многоотраслевые связи в стране и опыт поставок наукоемкой продукции на экспорт. Получив чертежи, образцы и технологические консультации, изготовитель сможет уже через месяц начать поставлять первые сотни МВТ на внутренний рынок, а еще через несколько месяцев – начать экспорт в страны Юго-Восточной Азии, Ближнего Востока и др. Запросы на МВТ пришли из Таиланда, Китая, Индии и др., но изготовитель в России еще не определился.



Нужны Корее, а России – нет

– Таким образом, новый проект МВТ «стареет» в ожидании изготовителя?

– Не «стареет». За 15‑20 лет выпуск продукции в отечественном станкостроении и электронном приборостроении сократился многократно, а эти (и смежные с ними) отрасли – важнейшие потребители промышленных вихревых труб. Возрождение промышленного потенциала началось – от заводов приходят запросы такого содержания: «Мы хотим применить МВТ для охлаждения раствора в гальванических ваннах… для охлаждения резцов при обточке титановых заготовок… и т. д.». Просители готовы получать образцы МВТ, но еще не готовы изготавливать их. При модернизации производств МВТ найдут широкую нишу использования, но как заинтересовать изготовителя выпуском этой продукции сегодня? Подарить чертежи, образцы и права на выпуск, т. е. продолжить «посев ноу-хау на промышленном поле страны», как в 1980‑е годы?

Но времена изменились и промышленность тоже – большинство заводов в частном владении, и права на выпуск МВТ (по патентному закону РФ) изготовитель может получить только на основе лицензионного договора, регистрируемого в Роспатенте. Такая продукция будет лицензионной, а не контрафактной. Крупный изготовитель захочет оформить лицензионный договор, только увидав успешное малое производство МВТ – «стартовое» производство, «старт-ап», как выражаются в странах с развитой экономикой.
Чтобы ознакомиться с изделиями по «Проекту МВТ», в Санкт-Петербурге побывали гости из Бразилии, Арабских Эмиратов, Республики Корея, Франции, Китая. И лишь одна компания, готовая выпускать МВТ, не настаивала на моем присутствии в течение 2‑3 лет непосредственно на «стартовом» производстве. Эту компанию, как видно из ее сайта, в Республике Корея учредили специально для производства МВТ, разработанных Азаровым. «Это будут первые ВТ корейского производства», – с гордостью говорили мне молодые учредители. «Вы знакомы с американскими ВТ? – спросил я. «Конечно, но мы предпочитаем начать выпуск ВТ вашей конструкции – это более современная и эффективная продукция», – таков был их ответ. Серийный выпуск двух моделей МВТ корейцы начали уже через два месяца после получения чертежей, образцов и технологического комментария к ним. Так при минимальных затратах времени и средств появилось первое «стартовое» производство.

По инициативе высокопоставленного коллеги из Инженерной академии предложение о начале промышленного освоения МВТ и информационные материалы были в свое время доставлены в ведомство, возглавлявшееся Германом Грефом (МЭРТ). Но, увы, в ответ пришла бессодержательная отписка из нескольких строчек.

Дальнейшее продвижение МВТ может пойти в разных направлениях. Можно создать второе, третье, четвертое стартовые производства. Это реально, но не оптимально: еще два-три-четыре малых производства не соответствуют масштабу «Проекта МВТ», а размещение за рубежом выпуска всех моделей МВТ не соответствует интересам страны – планам модернизации экономики РФ.



Колеса Орфериуса

– Конструктор – это призвание?

– Первая толстая книжка в моем детстве называлась «Мир фактов» 1903 года издания. Много удивительного было в ней: и схема Солнечной системы, и скелеты динозавров, но самое яркое воспоминание оставили старинные изобретения. Например, колеса Орфериуса – «самовращающийся» гравитационный двигатель, якобы успешно осуществленный в нескольких образцах во времена Ньютона. Вскоре в «Занимательной механике» А. Перельмана я прочитал, что колесо Орфериуса неработоспособно. Но осталась мечта – импульс для конструктора.

Если есть опыт исследования и конструирования, естественным образом становишься изобретателем, который решает разнообразные задачи, опираясь на новые эксплуатационные свойства вихревых труб. Конструктор, таким образом, это (в идеале) «человек-оркестр», который знает и может все в своей профессии. Мне всегда помогает то, что любую свою изобретательскую идею я, если необходимо, могу в короткий срок представить в виде комплекта рабочих чертежей. Получая грамотно исполненные чертежи, на заводе обычно обсуждают только допустимые замены материалов и допусков – переговоры с изготовителем сводятся к минимуму.

Из 160 моих изобретений половина относится к промышленному использованию вихревого эффекта. А в другой половине представлены: комбинированные охладители, сочетающие ВТ с другими средствами генерации холода (рис. 7); микронагнетатели – насосы, компрессоры, воздуходувки с минимальным числом подвижных деталей (рис. 8) или вообще без подвижных частей – например, для работы в невесомости; системы охлаждения и отопления для объектов транспортного машиностроения, примененные на пассажирских дизель-поездах ДР-1, ДР-П и мн. др. (авт. св. № 404671, 455882, 459365 и др.); компактные устройства для термоэлектрического охлаждения, использующие эффект Пельтье; устройства для охлаждения потока воздуха при «динамическом» испарении топлива в нем; микроохладители для криогеники и др.

Сегодня перед экономикой страны – задача коренной модернизации машиностроения. Модернизации, которая не сводится к простому импорту западных технологий.

В этих условиях роль конструктора-машиностроителя незаменима: он первым изобразит ту продукцию, которая на мировом рынке представит растущую Россию. Ту продукцию, которая будет увеличивать долю машиностроения в нашем экспорте.