Ресурсосбережение в машиностроении и других отраслях при использовании закрученных потоков газов и жидкостей

Н. Е. Курносов, А. В. Тарнопольский 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
РЕСУРСОСБЕРЕЖЕНИЕ В МАШИНОСТРОЕНИИ И ДРУГИХ  
ОТРАСЛЯХ ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ ЗАКРУЧЕННЫХ ПОТОКОВ  
ГАЗОВ И ЖИДКОСТЕЙ 
 
Монография 
 
 
 
 
 
 
 
 
Москва 
Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2021 
 
1 
 

УДК [532+533]:658.5 
ББК 22.253:65.291 
К93 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Курносов, Н. Е.  
К93  
Ресурсосбережение в машиностроении и других отраслях при использовании закрученных потоков газов и жидкостей / Н. Е. Курносов,  
А. В. Тарнопольский. – Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2021. – 240 с. : 
ил., табл.    
ISBN 978-5-9729-0551-5 
 
Изложены результаты разработки и исследования комплекса вихревых 
устройств. Приводится описание физических эффектов, возникающих в закрученных потоках газов и жидкостей; дано описание конструкции, принципа работы и характеристик вихревых труб, гидравлических теплогенераторов и вихревых диспергаторов-распылителей. Определены области их практического использования, в том числе обработка материалов резанием, приготовление 
эмульсий, нагрев и активация моющих растворов, распыление жидкостей различной вязкости и порошков и др.   
Для специалистов в области машиностроения и ряда других отраслей. 
Может быть полезно преподавателям, аспирантам и студентам соответствующих специальностей вузов. 
УДК [532+533]:658.5 
ББК 22.253:65.291 
 
 
 
 
ISBN 978-5-9729-0551-5 
” Курносов Н. Е., Тарнопольский А. В., 2021 
 
” Издательство «Инфра-Инженерия», 2021 
 
” Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2021 
2 
 

ОГЛАВЛЕНИЕ 
ПРЕДИСЛОВИЕ 
.......................................................................................................... 7 
 
ВВЕДЕНИЕ .................................................................................................................. 8 
 
1. ФИЗИЧЕСКИЕ ЭФФЕКТЫ В ЗАКРУЧЕННЫХ ТУРБУЛЕНТНЫХ  
ПОТОКАХ ГАЗОВ 
.................................................................................................... 10 
1.1. Физические свойства простых и сложных газов 
....................................... 10 
1.1.1. Свойства воздуха 
................................................................................... 11 
1.1.2. Состав и свойства природного газа 
..................................................... 13 
1.2. Исследования эффектов тепло- и массопереноса в закрученных  
турбулентных потоках газов 
........................................................................ 14 
1.2.1. Способы и устройства для создания закрученных потоков  
газов и гипотезы энергетического разделения .................................. 14 
1.2.2. Удельная холодопроизводительность, температурная  
эффективность и адиабатный КПД вихревой трубы ........................ 18 
1.2.3. Разработка вихревых труб для проведения экспериментальных  
исследований и оптимизации их конструктивных параметров 
....... 23 
1.2.4. Методика экспериментальных исследований процессов  
теплопереноса в вихревых потоках газов .......................................... 24 
1.2.5. Удельная холодопроизводительность, температурная  
эффективность и адиабатный КПД вихревой трубы ........................ 29 
1.2.6. Осушение и разделение газов на компоненты в закрученных  
вихревых потоках ................................................................................. 37 
1.2.7. Ионизация газов в закрученных турбулентных потоках .................. 41 
1.3. Классификация физических эффектов в закрученных турбулентных  
потоках газов и возможные области их применения ............................... 45 
Выводы ................................................................................................................. 45 
 
2. ПРОМЫШЛЕННОЕ ПРИМЕНЕНИЕ ЭФФЕКТОВ, ВОЗНИКАЮЩИХ  
В ЗАКРУЧЕННЫХ ПОТОКАХ ГАЗОВ ................................................................. 47 
2.1. Приготовление и подача в зону резания газообразных  
 смазочно-охлаждающих технологических средств 
.................................. 47 
2.2. Совершенствование процесса сборки соединений с натягом  
 посредством использования охлаждённого воздуха ................................ 61 
Выводы ................................................................................................................. 63 
3 
 

3. ФИЗИЧЕСКИЕ ЭФФЕКТЫ, ВОЗНИКАЮЩИЕ В ЗАКРУЧЕННЫХ  
ПОТОКАХ ЖИДКОСТЕЙ ....................................................................................... 64 
3.1. Конструкция устройств, формирующих закрученные потоки 
жидкостей с различными свойствами 
......................................................... 64 
3.2. Физико-химические свойства жидкостей 
................................................... 66 
3.3. Методика исследования процессов тепло- и массопереноса  
в закрученных потоках жидкости 
................................................................ 70 
3.4. Теоретический анализ характера движения закрученных потоков  
жидкости и процессов тепломассопереноса в них 
.................................... 72 
3.5. Анализ природы тепловыделения при движении жидкости  
в вихревых потоках ....................................................................................... 74 
3.6. Результаты экспериментальных исследований процессов  
тепломассопереноса в закрученных потоках жидкости ........................... 79 
3.7. Теплоэнергетическая эффективность процессов в закрученных  
потоках жидкости 
.......................................................................................... 90 
3.8. Классификация физических эффектов тепломассопереноса  
в закрученных потоках жидкостей ............................................................. 94 
Выводы ................................................................................................................. 95 
 
4. НАПРАВЛЕНИЯ ПРОМЫШЛЕННОГО ПРИМЕНЕНИЯ  
ЗАКРУЧЕННЫХ ПОТОКОВ ЖИДКОСТЕЙ ........................................................ 96 
4.1. Кавитационная очистка деталей после механической обработки 
........... 96 
4.2. Приготовление эмульсий и растворов ...................................................... 101 
4.3. Устройство для нагрева и подачи теплоносителя  
 в гальванические ванны 
............................................................................. 104 
4.4. Автономное отопление и горячее водоснабжение помещений ............. 106 
Выводы ............................................................................................................... 108 
 
5. ПРОЦЕССЫ ТЕПЛО- И МАССОПЕРЕНОСА В ЗАКРУЧЕННЫХ  
ГАЗОЖИДКОСТНЫХ ПОТОКАХ ....................................................................... 109 
5.1. Особенности конструкции и работы вихревого диспергатора-  
распылителя жидких и порошкообразных материалов 
.......................... 109 
5.2. Экспериментальные исследования процесса формирования  
вихревых потоков на оптически прозрачной модели диспергаторараспылителя 
................................................................................................. 111 
5.3. Моделирование течения двухфазного вихревого потока  
в диспергаторе-распылителе ..................................................................... 113 
4 
 

5.4. Разработка алгоритма проектирования вихревых диспергаторов- 
распылителей............................................................................................... 118 
5.5. Экспериментальные исследования качества распыления  
и производительности вихревого диспергатора-распылителя .............. 121 
5.5.1. Характеристики процессов тепло- и массопереноса  
в вихревых двухфазных жидкостно-газовых потоках .................... 121 
5.5.2. Исследование дисперсности распыляемого материала .................. 127 
5.5.3. Плотность распределения капель жидкости в факеле аэрозоля .... 130 
Выводы ............................................................................................................... 132 
 
6. ПРАКТИКА ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЗАКРУЧЕННЫХ  
ГАЗОЖИДКОСТНЫХ ПОТОКОВ В МАШИНОСТРОЕНИИ .......................... 134 
6.1. Технология подготовки и подачи смазывающе-охлаждающих  
технологических средств в зону резания 
.................................................. 134 
6.2. Виды смазочно-охлаждающих технологических средств  
и способы их активации при подаче в зону резания 
............................... 134 
6.3. Качественные и количественные характеристики потока  
воздушно-жидкостного аэрозоля............................................................... 138 
6.4. Влияние режимов подготовки и подачи аэрозоля СОТС  
на эффективность обработки и стойкость инструмента 
......................... 141 
6.5. Технологические возможности подачи смазочно-охлаждающих  
технологических средств с использованием вихревых устройств ........ 148 
6.6. Охлаждение и увлажнение воздуха в производственных  
помещениях ................................................................................................. 154 
6.7. Устройство для распыления порошкообразных материалов  
для нанесения покрытий 
............................................................................. 158 
Выводы ............................................................................................................... 159 
 
7. ПРИМЕНЕНИЕ ЗАКРУЧЕННЫХ ПОТОКОВ ГАЗОВ И ЖИДКОСТЕЙ  
В РАЗЛИЧНЫХ ОБЛАСТЯХ ХОЗЯЙСТВЕННОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ  
ЧЕЛОВЕКА 
.............................................................................................................. 160 
7.1. Кондиционирование воздуха в кабинах мобильных машин .................. 160 
7.2. Устройства для пожаротушения в подкапотном пространстве  
автомобиля 
................................................................................................... 165 
7.3. Подготовка топливной смеси для тепловых двигателей 
......................... 167 
7.4. Устройство для предпускового разогрева двигателей дорожных  
машин в условиях отрицательных температур ....................................... 169 
5 
 

7.5. Автономное отопление и горячее водоснабжение помещений  
с использованием вихревых гидравлических теплогенераторов 
........... 174 
7.6. Стиральная машина с гидравлическим нагревателем  
и пузырьковым  активатором .................................................................... 181 
7.7. Биореактор для выращивания микроорганизмов 
..................................... 185 
7.8. Оборудование для очистки воды 
............................................................... 187 
7.9. Способ и устройство для сепарирования молока в закрученных  
гетерогенных газожидкостных потоках ................................................... 190 
7.10. Разработка аппарата бесконтактной криотерапии ................................ 194 
7.11. Трахеобронхиальный небулайзер ........................................................... 198 
7.12. Технология очистки нефти от серы ........................................................ 203 
7.13. Осушка, очистка и подготовка к транспортированию попутного  
газа нефтедобычи и природного газа ..................................................... 205 
Выводы ............................................................................................................... 209 
 
ЗАКЛЮЧЕНИЕ ....................................................................................................... 211 
 
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 
....................................................................................... 213 
 
Приложение. ТУ 3468-001-53714515-01 «Термогенератор вихревой.  
Технические условия» ............................................................................................ 221 
 
 
 
6 
 

ПРЕДИСЛОВИЕ  
Приоритетным направлением совершенствования научно-технологического 
комплекса большинства стран является энерго- и ресурсосбережение, совершенствование технологий и модернизация оборудования по Европейским стандартам. Данное направление обуславливает интерес к прорывным технологиям 
в различных отраслях для решения наиболее значимых проблем. 
Разработка и промышленное применение вихревых устройств, обеспечивающих преобразование энергии в закрученных потоках газообразных и жидких сред, все чаще становится одним из направлений создания ресурсосберегающих технологических процессов в различных областях производства.  
Многообразие направлений применения и огромное число конструктивных схем устройств, работающих с использованием закрученных турбулентных 
потоков газов и жидкостей, не позволяет унифицировать методику расчёта, затрудняет и удорожает поиск оптимальных решений при разработке новых поколений вихревых устройств. 
В настоящей работе сделана попытка обобщить и систематизировать результаты исследований и накопленный опыт авторов, а также отечественных  
и зарубежных исследователей в области создания и практического применения 
новых видов вихревых преобразователей энергии.  
Приводятся описания физических эффектов, возникающих в закрученных 
потоках газов и жидкостей, результаты их исследований и объяснение причин и 
последствий их воздействия на предметы труда. К числу ресурсосберегающих 
технологических процессов относятся: обработка материалов резанием при дозированной подаче ионизированного охлаждённого воздуха, процесс сборки 
соединений с натягом, очистка и мойка деталей машин перед сборкой, нанесение защитных покрытий, автономное теплоснабжение технологического оборудования и др.  
Показано, что промышленное применение вихревых устройств во многих 
случаях создает возможности для ресурсосбережения и повышения эффективности производства не только в машиностроении, но и во многих других отраслях промышленности и сельского хозяйства. 
Авторы благодарны представителям промышленных предприятий и бизнеса, содействовавших проведению исследований и продвижению на рынок 
новых перспективных разработок: В. М. Пичугину, С. С. Агафонову, Д. С. Иноземцеву, Д. Г. Крехову.  
Авторы выражают искреннюю признательность к.т.н. К. В. Лебединскому, 
инженерам А. А. Николотову, Д. П. Алексееву, П. А. Цветкову, С. Н. Бурцеву, 
С. Н. Курносову, за участие в разработке вихревых устройств и технологических 
процессов с их применением, а также за помощь при подготовке монографии  
к изданию.  
 
7 
 

ВВЕДЕНИЕ  
Современные экономические условия требуют инновационного подхода  
к развитию науки и промышленного производства. В основе такого подхода 
лежит увеличение доли наукоемкой продукции, востребованной потребителем.  
В связи с этим при решении научных и технологических задач большое внимание 
должно уделяться разработке энергосберегающих технологий. Работы в данной 
области соответствуют одному из приоритетных направлений развития науки, 
технологий и техники Российской Федерации «Энергетика и энергосбережение».  
Одним из направлений развития энергосберегающих технологий часто 
становится разработка, исследование и промышленное применение устройств, 
обеспечивающих преобразование энергии в закрученных турбулентных потоках газообразных и жидких сред, и разработка ресурсосберегающих технологических процессов использованием энергии закрученных потоков. В работе всех 
видов вихревых преобразователей энергии имеется общее, характерное для 
всех вихревых устройств свойство, заключающееся в том, что при создании закрученных турбулентных потоков газа или жидкости в них протекают интенсивные процессы тепло и массопереноса, изменяющие физические характеристики рабочей среды и ее состояние. При этом энергетическое воздействие  
на рабочую среду осуществляется за счет различных способов организации  
и управления вихревым движением потоков.  
Вихревое движение потоков газа, жидкости и двухфазных гетерогенных 
газожидкостных сред сопровождается различными физическими эффектами, 
среди которых можно выделить наиболее значимые: нагрев или охлаждение 
рабочих сред, перемешивание и диспергирование разнородных жидкостей, образование двухфазных жидкостно-газовых сред и ионизация их частиц, распыление жидкостей и порошков. Возникновение таких разнообразных эффектов 
объясняются различными физическими свойствами используемых рабочих сред 
и, соответственно, различными механизмами тепло и массопереноса в закрученных турбулентных потоках. Раскрытие этих механизмов и понимание природы процессов, происходящих в вихревых потоках газов, жидкостей и двухфазных жидкостно-газовых вихревых потоках позволит создать базу для разработки новых вихревых преобразователей энергии, использование которых открывает широкие возможности для ресурсосбережения и повышения эффективности ряда промышленных устройств и технологических процессов. 
Большинство закрученных потоков формируют в вихревых устройствах, 
которые способствуют интенсификации процессов тепло- и массопереноса  
и фазовых переходов, происходящих в вихревых потоках газов, жидкостей  
и жидкостно-газовых сред. Многообразие направлений применения закрученных потоков и огромное число конструктивных схем устройств, работающих  
с использованием закрученных потоков газов (вихревых труб, распылителей, 
8 
 

циклонов, горелок), не позволяет унифицировать методику расчёта, затрудняет 
поиск оптимальных решений при разработке новых поколений вихревых 
устройств. В работе известных отечественных исследователей вихревых течений B. C. Мартыновского, А. П. Меркулова, А. И. Азарова, Ш. А. Пиралишвили, А. А. Халатова, а также зарубежных авторов О' Коннелл JP, Мишнер Дж., 
Эйямса-Ард Смит, Eiamsa-Ard S., Promvonge P., Agrawal N., Naik S. S, Gawa- 
le Y. P. и др. отмечается, что, несмотря на изучение вихревого эффекта свыше 
семидесяти лет, многое остается неясным и до сих пор не создана адекватная 
общепризнанная физико-математическая модель. 
Понимание природы процессов, происходящих в вихревых потоках газов, 
жидкостей и двухфазных жидкостно-газовых вихревых потоках позволит целенаправленно вести разработку нового более совершенного технологического и 
теплотехнического оборудования с использованием вихревых преобразователей энергии. Работа в данном направлении открывает широкие возможности 
для ресурсосбережения при совершенствовании технологических операций, как 
машиностроительного производства, так и многих других отраслей промышленности и сельского хозяйства. 
В настоящее время наиболее всесторонне и глубоко исследованы конструкции вихревых труб, получены их термодинамические и геометрические 
характеристики, определены области их практического применения. Значительно меньше опубликовано результатов исследований вихревых гидравлических теплогенераторов и практически только начинаются исследования нового 
вида вихревых устройств – вихревых диспергаторов-распылителей жидкости  
и порошков. При этом необходимо отметить, что весь опыт исследований вихревых процессов показывает сложность их теоретического описания, которое 
дает в большинстве случаев приблизительные результаты, не учитывающие 
множество существенных факторов. Однако, несмотря на обширный теоретический и экспериментальный материал, широкое внедрение вихревых преобразователей энергии сдерживается тем, что до сих пор управление механизмами 
тепло- и массопереноса в вихревых потоках газов и жидкостей остается серьезной проблемой. 
Повышение эффективности технологических процессов машиностроения 
и промышленного теплотехнического оборудования посредством разработки  
и применения вихревых преобразователей энергии, обеспечивающих интенсификацию процессов тепло- и массопереноса в закрученных турбулентных потоках газов, жидкостей и двухфазных жидкостно-газовых технологических сред  
и решающих комплекс технологических задач, является актуальной задачей  
и имеет важное народнохозяйственное значение. 
 
 
9 
 

1. ФИЗИЧЕСКИЕ ЭФФЕКТЫ В ЗАКРУЧЕННЫХ ТУРБУЛЕНТНЫХ 
ПОТОКАХ ГАЗОВ 
1.1. Физические свойства простых и сложных газов 
 
Для понимания процессов, происходящих в закрученных потоках газов 
необходимо иметь представление о свойствах газов, зависящих от их природы 
и состава. На поведение газов в закрученных потоках влияют их физические 
свойства: влагосодержание, температура, вязкость, которые определяют такие 
физические эффекты и процессы, как испарение, конденсация, ионизация, разделение сложных газов на составляющие компоненты [13, 27, 45, 73, 88]. 
Все газы состоят из молекул, имеющих ничтожные размеры по сравнению с объемом, занимаемым газом, поэтому расстояние между молекулами 
значительно превышает собственные размеры молекул [2, 85]. Молекулы газов 
находятся в непрерывном беспорядочном поступательном движении. Молекулы представляют собой сложные пространственные структуры, содержащие как 
положительные, так и отрицательные заряды. Если расстояние между молекулами достаточно велико, то преобладают силы межмолекулярного притяжения. 
На малых расстояниях преобладают силы отталкивания.  
Все реальные газы (кислород, азот, водород и т. д.) при определенных 
условиях способны превращаться в жидкость. Однако такое превращение может происходить только при температурах ниже определенной, так называемой 
критической температуры Tкр. Например, для воды критическая температура 
равна 647,3 К, для азота 126 К, для кислорода 154,3 К. При комнатной температуре (§ 300 К) вода может находиться и в жидком, и в газообразном состояниях, 
а азот и кислород существуют только в виде газов. 
С точки зрения молекулярно-кинетической теории, испарение – это процесс, при котором с поверхности жидкости вылетают наиболее быстрые молекулы, кинетическая энергия которых превышает энергию их связи с остальными молекулами жидкости. Это приводит к уменьшению средней кинетической 
энергии оставшихся молекул, т. е. к охлаждению жидкости (если нет подвода 
энергии от окружающих тел). Конденсация – это процесс, обратный процессу 
испарения. При конденсации молекулы пара возвращаются в жидкость. 
В атмосферном воздухе всегда присутствуют пары воды при некотором 
парциальном давлении p, которое, как правило, меньше давления насыщенного 
пара p0. Отношение p / p0, выраженное в процентах, называется относительной 
влажностью воздуха.  
0
ij=
100 %.
p
p
 
10