Смесители

В современных смесителях для смешения компонентов используется турбулизация потока. Но турбулентные вихри являются крупными образованиями. Поэтому качественного смешения компонентов они обеспечить не могут. Значительно большей эффективностью смешения обладают вихри Бенара.

Чтобы понять механизм этого явления, рассмотрим структуру вихря Бенара. Материя в вихре Бенара по центральному потоку поднимается вверх, а по периферийному потоку опускается вниз. При этом вращение материи центрального потока идёт в одном направлении, а вращение периферийного потока идёт в другом направлении. Площадь же сечения центрального потока меньше площади сечения периферийного потока.

Рис.1. Распределение материи по потокам.

На рис.1 схематично показано распределение материи в вертикальном сечении вихря Бенара. Кружки схематично показывают структурные единицы среды. Численность кружков по горизонтальным сечениям для иллюстрации механизма выбрана произвольно. И в соответствии со схемой рис.1 численность структурных единиц в центральном потоке в два раза меньше численности структурных единиц среды в периферийном потоке. Т.е. для формирования одного горизонтального слоя периферийного потока требуется два горизонтальных слоя центрального потока. Та же ситуация повторяется и в основании вихря. Из одного слоя периферийного потока формируется два слоя центрального потока.

Следовательно, вихрь Бенара прекрасно перемешивает среду. Т.е. если в современных смесителях смешение осуществляется на уровне вихрей, то вихрь Бенара перемешивает среду уже на уровне структурных единиц вихрей. И смешение компонентов осуществляется как более качественно, так и более быстро.

Рис.2. Схема смесителя.

На рис.2 приведена схема смесителя, на которой в виде скруглённого прямоугольника показан вентилятор. А т.к. в вихре Бенара обязан существовать противоток центрального потока, то сечение выхода на схеме приведено меньшим, чем сечение входа в смеситель (зелёная стрелка показывает направление потока). Разумеется, можно предложить целый ряд конструкций смесителя. Но существенным элементом при этом всегда будет формирование в смесителе такого противотока, который обеспечит в нём формирование вихря Бенара.

Стандартный карбюратор автомобиля является смесителем, смешивающим бензин с воздухом. Эффективность его как смесителя мала. Поэтому автором вместе с Фаридом Сагдеевым была разработана и испытана приставка к карбюратору «Жигулей», позволяющая улучшить качество смешения. При этом была использована логика, изложенная выше. Конструкция приставки в виде схемы приведена на рис.3.

Рис.3. Приставка к карбюратору.

На схеме раздельно приведены две детали приставки карбюратору, являющиеся двумя цилиндрами, приведённых на схеме размеров (направление потока показано зелёной стрелкой). Между собой они соосно соединяются на прихватках тремя (а можно и четырьмя) отрезками электродов. От нижнего среза внутреннего цилиндра до нижнего среза внешнего цилиндра 5 мм. И этих 5 мм за глаза хватает для формирования вихря Бенара. Для создания противотока площадь входа во внутренний цилиндр меньше площади сечения внутреннего цилиндра. Экспериментально получено, что приставка удовлетворительно работает, если это отношение находится в пределах 1,6-1,7. Также экспериментально было получено, что зазор между цилиндрами должен находиться в пределах 26-30 мм. Мы используем 28 мм. Общая высота приставки 28 мм. Но приставка должна работать и при высоте порядка 10 мм (если для формирования вихря хватает 5 мм, то для подготовки потоков также должно хватить 5 мм; мы не проверяли).

Приставка проверялась на разных моделях «Жигулей». И везде она продемонстрировала свою работоспособность. Несколько повышается мощность двигателя, в связи с чем улучшается и приёмистость. На ВАЗ-2101 проверялся и расход топлива. На трассе от Бийска до Томска на скорости 100-110 км/час расход составил 6,5 л. В городском режиме в бак заливалось по 10 л. И 10 л хватало на 117, 118, 120, 123 км. Без приставки же на 10 л автомобиль проехал 96 км. Т.е. экономится порядка 20% бензина. Проверялась приставка и на «Оке». Испытания показали, что двигатель «Оки» с приставкой изредка «стреляет». Т.е. требуется регулировка опережения зажигания. Т.е. то же надо делать и на других моделях «Жигулей».

Смешение смешением, а гистерезис никуда не делся. А чем больше величина гистерезиса, тем быстрее идёт обновление среды в вихре Бенара и тем хуже качество смешения. Ведь среда меньше крутится в пределах вихря Бенара, что и ухудшает качество смешения. Величина же гистерезиса определяется разностью между центростремительной и центробежной силами [1]. Т.е. чем больше скорость центрального потока вихря Бенара, тем хуже перемешивание.

Но этой величиной мы можем управлять, изменяя площади сечений внутреннего и периферийного потоков. И конечно же для разных сред, имеющих разную вязкость, продолжительность перемешивания в пределах вихря Бенара должна быть различной. Исходя из изложеного можно сказать, что разработанная приставка к карбюратору далеко не полностью использует возможности вихря Бенара по перемешиванию компонентов. И для смешения компонентов разного состава надо разрабатывать свои конструкции смесителей.

Карбюраторы автомобилей исключением не являются. Для них также можно создать специализированные смесители.

Литература

1. В.С.Букреев. Природа гравитации (http://khd2.narod.ru/authors/bukreev/gravnat.htm)
2. В.С.Букреев. Гистерезис вихря Бенара (http://khd2.narod.ru/authors/bukreev/bengist.htm)

♦