Вентиляторы, насосы и системы двигателей

В промышленном районе Сингапура спокойный, со сдержанным юмором китайский инженер Ли Энглок конструирует самые эффективные в мире системы кондиционирования воздуха (см. илл. 6 на вкладке). В Сингапуре тяжелый климат: относительная влажность воздуха составляет 84%, а температура колеблется от высокой до невыносимой. Большинство инженеров считало бы, что им повезло, если бы они использовали только 1,75 киловатта электрической мощности для обеспечения 1 тонны охлаждения*. Многие используют 2кВт или более. Системы Ли Энглока потребляют только 0,61 киловатта на тонну, т. е. на 65—70% меньше. Эта величина ежеминутно тщательно измеряется с помощью откалиброванных вручную датчиков, которые посылают сигналы с шестью значимыми цифрами в компьютерную программу.

Системы Ли обеспечивают гораздо больший комфорт, занимают гораздо меньше места, более надежны и намного дешевле в изготовлении. Они стоят дешевле отчасти потому, что каждая деталь — нужного размера, не слишком большая.

Элегантная бережливость — вот девиз Ли. Энергия, деньги, время, металл, каждый ресурс используются в нужном количестве, там, где надо и как надо. Нет никаких затраченных впустую усилий, движений или капиталовложений. Действительные потребности измеряются, а не определяются на глазок. Энергия используется снова и снова, до тех пор, пока почти ничего не останется. Когда Ли однажды поздравили с особо остроумным решением — использованием выходящего воздуха для предварительной сушки входящего воздуха с помощью простого устройства без каких-либо движущихся деталей — и спросили, в чем секрет его успеха, он ответил: «Я руководствуюсь правилом китайской кухни. Используй все. Снимай пенки».

Большинство инженеров предположило бы, что место для экономии энергии, затрачиваемой на кондиционирование, находится в «холодильнике», который охлаждает воду, поскольку это единственный потребитель энергии в системе охлаждения. Действительно, Ли сберегает треть энергии, главным образом увеличив размеры теплообменников в 3—10 раз (обычные теплообменники для этого чрезвычайно малы) и заставляя холодильный агрегат крутиться с нужной скоростью. Но это составляет только одну пятую от всего энергосбережения. Две пятых заключены в больших «приточных вентиляторах», которые подают в здание охлажденный воздух, а другие две пятых экономятся в насосах и вентиляторах градирни, рассеивающих тепло наружу.

Приточные вентиляторы Ли потребляют не обычную, считающуюся стандартной норму в 0,60 кВт/т, а лишь 0,061 кВт/т, т. е. на 90% меньше. Его насосы для подачи охлажденной воды расходуют не 0,16, а 0,018 кВт/т — на 89% меньше. Его насосы для охлаждающей воды в конденсаторе, которые удаляют тепло из холодильников, потребляют не 0,14, а 0,018 кВт/т, т.е. на 87% меньше. Его градирни потребляют не 0,10, а 0,012 кВт/т — на 88% меньше. Откуда берется эта почти десятикратная экономия энергии при улучшенных рабочих характеристиках?

Источник — в здравом смысле, технике конструирования системы в целом, здоровом скептицизме по отношению к традиционной практике и в строгом применении часто игнорируемых общепризнанных технических принципов. Прежде всего, это безжалостное устранение трения, где бы оно ни проявлялось.

Пять вопросов «почему?»

Таиичи Оно, пионер бережливого и четко хронометрированного поточного производства на «Тойоте», разделял одержимость Генри Форда в том, чтобы избавиться от расточительства, и привычку Фрэнка Банкера Джилбрета докапываться до самой сути. Т. Оно писал: «За видимой причиной скрывается истинная. В каждом случае мы обязаны вскрыть истинную причину возникновения проблемы, задавая себе вопрос "почему?", "почему?", "почему?", "почему?", "почему?"». Джозеф Ромм приводит пример: «Почему остановилась машина? Была перегрузка, и вылетел предохранитель. Почему случилась перегрузка? Недостаточно был смазан подшипник. Почему? Плохо работал нагнетатель смазки. Почему? Сносился и дребезжал стержень нагнетателя. Почему сработался стержень? Не был поставлен фильтр, и внутрь попала металлическая стружка» (Ромм, 1994).

Вентиляторы и насосы должны гнать воздух или воду против трения. Откуда оно берется? Ли прослеживает причины трения, пять раз задавая себе вопрос «почему?».

q Труба в первоначальной конструкции имеет слишком большое трение, так как она чересчур длинна и в ней слишком много изгибов. Это случилось потому, что инженер сначала скомпоновал оборудование, а затем соединил его трубами, которые должны были проходить по всевозможным углам и закоулкам, чтобы попасть из А в Б. (Монтажники труб не возражали: у них почасовая оплата.) Вместо этого давайте сначала проложим трубы, а затем разместим оборудование.

q Труба имеет большое трение, поскольку она внутри шероховата, а должна быть гладкой. Выбор правильного материала и чистовая обработка поверхности уменьшат трение в 40 и более раз.

q Труба к тому же слишком тонка. Проводимость трубы для воды примерно пропорциональна пятой степени диаметра. Если ее диаметр увеличить на 10%, трение уменьшится на 37%; если на 20%, то — на 59%; если на 50%, то — на 86%. Поэтому более толстые трубы почти устраняют трение. Это стоит чуть дороже, но первый проектировщик сопоставлял дополнительные затраты только со стоимостью сбереженной энергии и при этом использовал старые цены. Он забыл, что, поставив более толстую трубу, можно по крайней мере в 2 раза уменьшить размеры, а значит, и цену всех дорогостоящих деталей — насоса, двигателя, инвертора, электрических устройств. Это лучше, чем чересчур тонкая труба.

q У трубы слишком много вентилей. Дело в том, что вода через некоторые части трубопровода протекает в меньшем количестве, чем нужно, и вентили увеличивают трение для того, чтобы направить избыточный поток на те участки, которые испытывают недостаток воды. Почему же просто не сделать все трубы достаточно большими? Тогда вода попадала бы туда, куда надо. Точно так же, как мы делаем провод достаточно толстым, чтобы подвести ток в нужные места, а не «распределяем» его с помощью реостатов.

q Вентили способствуют увеличению трения, потому что они не того типа, который нужен: никто этого не заметил. В результате течение становится неравномерным, и это, в свою очередь, требует установки дополнительных вентилей. И так далее.

То же происходит с приточными вентиляторами.

q Рассеивающие диффузоры, направляющие воздух в комнату, неэффективны. Кроме того, они создают шум и трение.

q Они соединены воздухопроводами, которые имеют резкие, а не плавные изгибы, слишком малы в диаметре и слишком длинны, потому что расположены не в нужном месте.

q Змеевики выполнены неправильно и поэтому охлаждают или осушают плохо, и трение воздуха в них в 20 раз больше, чем должно быть.

q Фильтры слишком малы, поскольку кто-то думал, что это делает их более дешевыми; в действительности же гораздо дешевле, с учетом времени эксплуатации, делать их большего размера. Тогда они будут служить значительно дольше. При этом трение становится почти незаметным.

q Для преодоления всех сил трения ставится мощный вентилятор, создающий слишком много шума и требующий установки глушителя, который привносит еще больше трения.

Разумеется, принципиальные усовершенствования, подобные этим, являются лишь началом процесса проектирования. Ли начинает с того, насколько большим должен быть поток. Затем ставит вопрос, насколько короткой, гладкой и изогнутой должна быть труба или воздухопровод, чтобы доставить этот поток. Затем находит вентилятор или насос, имеющий нужные размеры и характеристики для наиболее эффективной доставки потока. Затем достает самый лучший британский вентилятор или немецкий насос, чтобы устранить остатки неэффективной работы. Затем просчитывает в обратном направлении, против потока, механическую систему привода, двигатель, инвертор (который заставляет работать вентилятор на необходимой скорости, а не на более высокой), электрические устройства. На каждом этапе он избегает накопления потерь. Детали становятся меньше, проще, дешевле. Все это действительно очень просто, как все гениальное: надо только очень постараться.

В конструировании, как и везде, добродетель вознаграждается. Когда Ли сделал систему кондиционирования и все ее составные части в несколько раз более эффективными, уменьшилась необходимая величина теплоотвода (например, вся энергия, которую вентилятор сообщает воздуху для его движения, делает воздух более горячим и должна снова отводиться). Таким образом, вместо борьбы со все новыми и новыми недостатками системы кондиционирования не только сберегается энергия, но и уменьшаются размеры наиболее дорогостоящих компонентов —подобно тому, как в гиперавтомобилях (раздел 1.1) экономия, достигаемая благодаря уменьшению веса, нарастает как снежный ком. Составные элементы системы охлаждения становятся меньше и эффективнее, значит, они могут стать еще меньше и еще эффективнее.