Feasibility assessment of a vortex tube for exhaust air energy recovery in a pneumatic cylinder

Abstract

EN: This article discusses an approach to improving the energy efficiency of pneumatic actuators by recovering energy from exhaust air using a vortex tube based on the Rank-Hirsch effect. Based on a review of the literature, the selection of the pipe’s geometric parameters is justified, and a three-dimensional CAD model of the pipe is constructed, adapted to the conditions of supply from the exhaust line of a pneumatic cylinder. The methodology includes numerical simulation of the airflow in ANSYS CFX under steady-state boundary conditions corresponding to the characteristic parameters of the exhaust flow. The results confirm the formation of a cold axial core and a hot peripheral flow zone, with maxima of static entropy and turbulent kinetic energy localized immediately behind the nozzle rim. The obtained data indicate the fundamental possibility of using the cold flow for localized cooling of components in technological systems without the use of additional energy. UK: У статті розглянуто проблему підвищення енергоефективності пневматичних приводів шляхом рекуперації енергії відпрацьованого повітря за допомогою вихорової труби Ранка Хілша. Пневматичні виконавчі механізми залишаються широко затребуваними в промислових системах автоматизації завдяки високій питомій потужності, швидкодії та пожежобезпечності; проте їхній загальний ККД рідко перевищує 15 %, переважно через те, що стиснене повітря, яке залишається в камері циліндра в момент вихлопу, стравлюється в атмосферу. Хоча кілька стратегій рекуперації енергії, зокрема накопичення в ресивері, відсікання подачі та перепускання між камерами циліндра, продемонстрували економію енергії до 87 %, потенціал термічної рекуперації самого вихлопного потоку досі залишається відносно малодослідженим. Вихорова труба є пасивним засобом реалізації цього потенціалу, розділяючи вихлопний потік на холодну та гарячу складові без додаткових витрат енергії; практичну схему інтеграції проілюстровано на прикладі пневмоприводу свердлильного верстата, де холодний потік спрямовується в зону різання для локального охолодження свердла. Як зразок було прийнято базову геометрію вихорової труби, раніше експериментально валідовану в літературі, щоб відокремити вплив параметрів живлення від впливу геометричної оптимізації. Тривимірну CAD-модель розрахункової області було побудовано та дискретизовано в ANSYS Meshing із локальним згущенням сітки біля соплового кільця, в пристінній області та в осьовому ядрі. Стисливу турбулентну течію моделювали в ANSYS CFX у стаціонарній постановці з використанням моделі турбулентності SST k-ω; на вході задавали повний тиск і температуру, репрезентативні для вихлопу циліндра, а на обох виходах – статичний атмосферний тиск. Розраховані поля підтверджують класичний механізм енергетичного розділення на основі ефекту Ранка-Хілша: формується холодне осьове ядро та гаряча периферійна зона, при цьому пікові значення статичної ентропії (до 120,8 Дж/(кг·К)) і кінетичної енергії турбулентності (до 1890 м²/с²) зосереджені у вузькій області одразу за сопловим кільцем, після чого спостерігається поступове хвилеподібне згасання закрутки вздовж труби. Цей просторовий збіг свідчить, що основна частина незворотних втрат припадає на перші кілька діаметрів труби від входу, тоді як решта її довжини виконує переважно транспортну функцію. Результати, отримані за стаціонарних репрезентативних граничних умов, слід розглядати як підтвердження якісної можливості реалізації запропонованого підходу. На практиці продемонстроване зниження температури холодного потоку (приблизно до 260-270 К) підтверджує доцільність використання вихорової труби як пасивного джерела охолодження без витрат енергії, що особливо актуально для компактних і мобільних робототехнічних систем.