СПОСОБ РАЗДЕЛЕНИЯ ГАЗОВОЗДУШНЫХ СМЕСЕЙ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1995 года по МПК F25B9/02 

Изобретение относится к газодинамическим процессам, в частности к газодинамическим способам разделения газовоздушных смесей, и может быть применено, например, для разделения метановоздушных смесей при тангенциальной подаче исходного газа.

Известен способ разделения метановоздушных смесей, заключающийся в тангенциальной подаче исходной смеси в цилиндрическую трубу с образованием вихря горячих газов легких фракций, расположенного на внешней части трубы, и потока холодных газов тяжелых фракций, находящегося в центральной части трубы [1]
В известном способе вихревой поток попадает в камеру сгорания и выбрасывается через выходные патрубки. Холодный центральный поток, не имея четко направленного движения, также попадает в камеру сгорания и выбрасывается из корпуса.

Устройство для осуществления указанного способа содержит камеру сгорания с патрубками отвода продуктов сгорания и установленную в ней с кольцевым зазором центральную трубу, снабженную на входе топливным патрубком, при этом центральная труба за пределами камеры сгорания снабжена тангенциальным патрубком ввода газовоздушной смеси [1]
Недостатком данного изобретения является то, что разделение газовоздушной смеси на легкую и тяжелую фракции происходит в центральной трубе без дальнейшего использования каждой газовой составляющей в отдельности, что не дает возможности использовать отдельно вихревой поток горячих газов с большей эффективностью.

Кроме того, в данном изобpетении из-за отсутствия отдельного выхода для холодных газов образуются области повышенного сопротивления, ухудшающие газодинамические характеристики процесса.

Известен также способ разделения газовоздушных смесей, заключающийся в тангенциальной подаче в трубопровод газовоздушной смеси с образованием подвижного внешнего слоя легких фракций в виде вихревого шнура и подвижного в противоположном направлении центрального слоя тяжелых фракций [2]
В указанном способе используется эффект Ранка, благодаря которому образующийся внешний вихревой шнур горячих газов выходит по наружной трубе, а поток холодных газов идет по центральной трубе в противоположном направлении.

Недостатком этого способа является то, что из-за невысоких скоростных характеристик газового потока на входе в трубопровод вихревой шнур образуется недостаточно плотным, размытым по толщине, а разделение на легкие и тяжелые фракции осуществляется недостаточно определенно.

Устройство для осуществления указанного способа содержит вихревую трубу, снабженную тангенциальным патрубком ввода газовоздушной смеси [2]
Целью предложенного способа является повышение эффективности разделения газовоздушной смеси, в частности метановоздушной смеси, на легкую и тяжелую фракции с обеспечением большой плотности у образуемого вихревого шнура. Для метановоздушной смеси основным компонентом горячей фракции является метан (СН₄).

Целью предложенного устройства является повышение эксплуатационных характеристик благодаря получению уплотненной горячей фракции.

Для достижения указанных целей в известном способе разделения газовоздушных смесей, заключающемся в тангенциальной подаче в трубопровод газовоздушной смеси с образованием подвижного внешнего слоя легких фракций в виде вихревого шнура и подвижного в противоположном направлении центрального слоя тяжелых фракций, подачу газовоздушной смеси осуществляют со сверхзвуковой скоростью.

Для достижения указанных целей в известном устройстве для разделения газовоздушных смесей, содержащем вихревую внешнюю трубу, снабженную тангенциальным патрубком ввода газовоздушной смеси, тангенциальный патрубок выполнен в виде сопла Лаваля с косым срезом, узел отвода холодных продуктов в виде трубы со сквозными отверстиями на ее части, размещенной в камере энергетического разделения, при этом на остальной части трубы размещен регулируемый дроссель, а в узле отвода горячих продуктов установлен кольцеобразный дроссель.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлен общий вид устройства, обеспечивающего предложенный способ разделения газовоздушных смесей; на фиг. 2 узел I (на сопло Лаваля) на фиг. 1.

Устройство для разделения газовоздушных смесей содержит внешнюю трубу 1, образующую камеру энергетического разделения, снабженную тангенциальным патрубком 2 ввода газовоздушной смеси. В трубе 1 соосно ей установлена труба 3 для отвода "холодных" продуктов разделения, один торец которой, размещенный за пределами трубы 1, снабжен регулируемым дросселем 4. На торце внешней трубы 1, расположенном со стороны второго торца 5 трубы 3, установлен дроссельный клапан 6 с образованием кольцеобразного дроссельного отверстия 7. Тангенциальный патрубок 2 ввода газовоздушной смеси снабжен соплом Лаваля 8 с косым срезом. На поверхности трубы 3 выполнены сквозные отверстия 9.

Работа устройства и предложенный способ разделения газовоздушной смеси осуществляются следующим образом.

Газовоздушная смесь, например метановоздушная смесь, подается во внешнюю трубу 1 по патрубку 2 ввода рабочего тела. Проходя на входе в трубу 1 сопло Лаваля 8, газовоздушная смесь набирает сверхзвуковую скорость и тангенциально поступает в полость трубы 1. Высокие температура и давление способствуют достижению скоростей на выходе из среза сопла выше числа Маха (см. Дейч М.Е. Техническая газодинамика. Изд. 3-е, Энергия, 1974, с.343, рис.8-41). Внутри трубы образуется вихревое течение, характеризуемое наличием так называемого вихревого шнура уплотненной фракции легких составляющих, находящихся в нем в высокой концентрации. Вихревой шнур обвивает трубу 3 и имеет направленное движение от патрубка 2 ввода газовоздушной смеси до дроссельного клапана 6. Дроссельное отверстие 7 этого клапана подбирают таким образом, чтобы диаметр вихревого шнура примерно соответствовал диаметру кольца отверстия 7. В этом случае весь шнур, выходя из трубы 1, четко проходит дроссельный клапан 6 без разрушения, как бы сходит с него, готовый для дальнейшего использования как высокоэнергетический состав.

При разделении различных газовоздушных смесей можно получать определенные "горячие" фракции, применяемые для различных целей. Так, например, при разделении метановоздушной смеси вихревой шнур состоит в основном из метана, при разделении водородовоздушной смеси из водорода.

Одновременно с образованием вихревого течения в трубе 1 организуется течение "холодного" потока тяжелых составляющих (для метановоздушной смеси это кислород и азот), который попадает в трубу 3 через отверстия 9. Из трубы 3 поток газов выбрасывается через регулируемый дроссель 4. Возникающая картина течения двух потоков в противоположных направлениях определяется так называемым эффектом Ранка (см. Меркулов А.П. Вихревой эффект и его применение в технике. M. Машиностроение, 1969, с.7-9). Установка регулируемого дросселя 4 на конце трубы 3 позволяет изменять расход "холодного" газа и влиять на газодинамический процесс, происходящий внутри труб.

Настоящие изобретения позволяют эффективно разделять газовоздушные смеси различного состава, получать высококонцентрированную фракцию "горячих" составляющих и направлять ее без разрушения уплотненного слоя для использования в различных установках как высокоэнергетическую газовую смесь, в частности при исходной метановоздушной смеси полученный в результате разделения метан может использоваться как топливо в различных установках.

Использование: изобретение относится к газодинамическим способам разделения газовоздушных смесей и может быть использовано, например, для разделения метановоздушных смесей при тангенциальной подаче исходного газа. Сущность изобретения: исходную газовоздушную смесь тангенциально подают во внешнюю трубу 1 с обеспечением возникновения вихревого шнура легкой фракции горячих составляющих и двигающегося в противоположном направлении по внутренней трубе 3 холодного потока тяжелых составляющих смеси. При этом газовая смесь подается со сверхзвуковой скоростью через сопло Лаваля 8 с косым срезом. Устройство для разделения газовоздушных смесей содержит внешнюю трубу 1 с тангенциальным патрубком 2 ввода смесей, в котором расположено сопло Лаваля 8 с косым срезом. Соосно внешней трубе 1 размещена труба 3 для отвода "холодных" продуктов разделения, на поверхности которой выполнены сквозные отверстия 9, а на торце, расположенном за пределами трубы 1, установлен регулируемый дроссель 4. Внешняя труба 1 снабжена дроссельным клапаном 6 для прохода вихревого шнура. 2 с. п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ разделения газовоздушных смесей, заключающийся в тангенциальной подаче газовоздушной смеси с образованием подвижного внешнего слоя легких фракций в виде вихревого шнура и подвижного в противоположном направлении центрального слоя тяжелых фракций, отличающийся тем, что подачу газовоздушной смеси осуществляют со сверхзвуковой скоростью. 2. Устройство для разделения газовоздушных смесей, содержащее тангенциальный патрубок ввода смеси, камеру энергетического разделения, узлы отвода горячих и холодных продуктов разделения, отличающееся тем, что тангенциальный патрубок выполнен в виде сопла Лаваля с косым срезом, узел отвода холодных продуктов в виде трубы со сквозными отверстиями на ее части, размещенной в камере энергетического расширения, при этом на остальной части трубы, выведенной из камеры, размещен регулируемый дроссель, а в узле отвода горячих продуктов установлен кольцеобразный дроссель.