СПОСОБ ТРАНСПОРТИРОВАНИЯ ГАЗООБРАЗНОГО МАТЕРИАЛА Российский патент 1997 года по МПК F17D1/02 

Изобретение относится к технике транспортировки, в частности для транспортирования газа по выхлопным трубам в автомобиле.

Истечение газообразной смеси по трубопроводу осуществляется при наличии разности давлений на определенной его длине. Чем больше отношение полного давления газа к статическому давлению среды на выходе (срезе), тем больше обеспечивается расход истекающего потока газообразного материала. Снижение полного давления газа обуславливает уменьшение его расхода при истечении по трубопроводу с неизменной плотностью расхода в поперечном сечении.

Известен способ транспортирования материала по трубопроводу, при котором осуществляют нагнетание материала под давлением на входном участке и его перемещение с изменением плотности расхода в поперечном сечении на участке магистрали (авт. св. СССР N 1634946, кл. F 17 D 1/14, 1991).

Постоянство плотности расхода материала обеспечено автоматическим изменением площади поперечного сечения трубопровода при колебаниях величин полного давления, либо колебаниях статического давления среды на выходе. Такие условия транспортирования материала созданы благодаря гибкости (деформирования) элементов стенок внутреннего трубопровода (монтаж трубы из полосок листового материала) с продольным нахлестом между собой и жесткой связи внешней продольной кромки с охватывающим основанием (внешнего трубопровода). Известный способ транспортирования требует создания жесткой (основной) опорной одной части трубопровода и другой (внутренней) гибкой в поперечном (радиальном) направлении. Этот способ требует дорогостоящего производственного процесса изготовления трубопровода, имеющего сочетание жесткой (охватывающей) части трубопровода и специально изготавливаемой гибкой (внутренней) в поперечном направлении составной части этого трубопровода В известном решении осуществляется транспортирование материала в виде смеси. Транспортирование материалов в виде смеси по трубопроводу сопряжено с пульсацией потока из-за непостоянства однородности смеси по длине трубопровода. Для исключения состояния стопорения (пробок) используют в практике повышенный кратковременный подпор путем увеличения рабочего давления на входе. Такие изменения давлений на входе обуславливают радиальные деформации продольных пластин внутренних гибких трубопроводов. Чрезмерный подпор на входе (увеличение рабочего давления) обуславливает и увеличение расхода нагнетаемой рабочей среды (газа, жидкости) и в свою очередь происходит определенным образом увеличение плотности транспортируемой смеси материала в поперечном сечении трубопровода. Для такой рабочей среды, как газ, имеется десятикратный запас изменения его плотности в поперечном сечении (Политехнический словарь, М.Советская энциклопедия, 1980, с.99). Применительно к выхлопному газу автомобиля имеется также своеобразная смесь материала, которая образуется как на стадии подачи в рабочие цилиндры двигателя внутреннего сгорания (горючее и нагнетаемый атмосферный воздух), так и на стадии вытекания из цилиндров после неполного сжигания горючей смеси. Транспортировка по трубопроводу (выхлопной трубе) вытесненного из цилиндров двигателя материалов в виде смеси сопряжено с определенным преодолением сопротивлений движению смеси, т.е. на входе выхлопной трубы формируется рабочее давление при соответствующем движении поршня в цилиндре. Полезная работа поршня в цилиндре будет выше, если обеспечить условия для уменьшения рабочего давления на входе выхлопной трубы (трубопроводе). Изыскание методов транспортирования материалов по трубопроводу с меньшей затратой рабочей энергии на процесс нагнетания рабочей среды является актуальным. В известном решении (прототипе) эта задача не нашла своего осуществления, так как часть рабочей энергии расходуется на деформирование гибких продольных пластин в поперечном сечении транспортируемого материала в виде смеси.

В данном изобретении способ транспортирования газообразных материалов осуществляют с рядом технологических особенностей. Техническая сущность способа заключается в следующем. Осуществляют нагнетание газообразного материала под давлением на входном участке трубопровода, перемещают его (материал) с постоянной плотностью расхода в каждом поперечном сечении на промежуточном участке трубопровода, а на выходном участке трубопровода изменяют плотность расхода материала по поперечному сечению трубопровода. При этом уменьшают плотность расхода газообразного материала в центре поперечного сечения трубопровода и обеспечивают условия для возрастания плотности расхода на периферийной части того же поперечного сечения. Такие условия созданы снижением статического давления на выходе газообразного материала из трубопровода путем приведения во вращение периферийной части потока. Приведенный во вращение периферийный поток создает центробежные силы, обуславливающие перемещение газообразной смеси от продольной оси трубопровода к периферии. Снижение давления на оси (в центре поперечного сечения) трубы способствует увеличению расхода газообразного материала при постоянном давлении (либо снижение полного давления газа при постоянном расходе). Таким образом, меняя статистическое давление на оси трубопровода при истечении в атмосферу, можно добиться снижения затрат работы на сжатие газа при его постоянном расходе или увеличение расхода газа при постоянных затратах работы. Принципиальное отличие предложенного способа от используемого в настоящее время, осуществляемого за счет разности давлений истекающего потока и давления среды, в которую происходит истечение, заключается в том, что давление на срезе трубопровода устанавливают ниже давления окружающей среды.

На фиг. 1 представлено сечение выходной части трубопровода; на фиг. 2 - вид вдоль оси этой части с изображением элементов для завихрения периферийной части потока газа.

Схема устройства для увеличения расхода газа при постоянном давлении (снижения полного давления при постоянном расходе газа) содержит промежуточную часть 1 и концевую часть 2 трубопровода (фиг.1) и лопатки 3 направляющего аппарата для завихрения периферийной части потока газа (фиг.2).

Обоснование конструктивных параметров устройства для увеличения расхода газа при постоянном давлении осуществляется следующими расчетными зависимостями.

Газодинамическая функция на выходе (срезе) трубопровода характеризуется следующим равенством:
π(λ₁)=P_a/P_o1,
где P_а атмосферное давление (давление среды, в которую происходит истечение газа, Па, н/м²);
P₀₁ полное давление газа на входе в направляющий аппарат (Па, н/м²);
Статистическое давление газа на оси расходного устройства за направляющим аппаратом определяют из зависимости
P₂=P_aπ(λ₁),
а газодинамическая функция на этой же оси характеризуется равенством
π(λ₂)=P₂/P₀₁
и коэффициент скорости газа на этой оси определяют из зависимости

где K показатель адиабаты.

Расходная газодинамическая функция на этой оси характеризуется равенством:

Расход газа через отверстие в направляющем аппарате определяют из зависимости

где m расходный коэффициент газа (для воздуха m 0,04);
F₂=πd²/4 площадь отверстия в направляющем аппарате;
d диаметр отверстия в направляющем аппарате (М);
Т₀₁ полная температура газа перед направляющим аппаратом (К);
Коэффициент скорости газа на выходе из направляющего аппарата вычисляют из равенства

Расходная газодинамическая функция на выходе (срезе трубопровода) из направляющего аппарата характеризуется следующим выражением

Расход газа через направляющий аппарат определяют из зависимости

где D диаметр наружный направляющего аппарата (М);
Оценку увеличения расхода газа через аппаратное устройство осуществляют из отношения

Использование разработанного способа транспортирования газообразных материалов обеспечивает по сравнению с существующим способом следующие преимущества:
снижение затрат работы на сжатие газа;
повышение термодинамической эффективности цикла;
снижение расхода топлива на автомобильных и газотурбинных двигателях за счет снижения потребной работы на организацию выхлопа или повышается полезная мощность при постоянном расходе топлива;
выхлоп газа из двигателя осуществляется также со значительно меньшими примесями токсичных газов из-за улучшенных условий для вытеснения сгоревшей смеси из цилиндров.

Использование: изобретение может быть использовано в нефтехимической и газовой промышленности, машиностроении, в выхлопных трактах двигателей внутреннего сгорания. Сущность изобретения: повышают расход газа за счет изменения плотности потока в сечении и понижения статического давления на оси трубопровода. Снижение давления на оси трубопровода достигается вращением периферийных слоев газа, в результате чего происходит уменьшение плотности расхода от периферии к продольной оси трубопровода. 2 ил.

Способ транспортирования газообразных материалов, заключающийся в нагнетании газа под давлением в трубопровод и в изменении плотности расхода газообразного материала по поперечному сечению трубопровода на каком-либо его участке, при этом создают уменьшение плотности расхода от периферии к продольной оси трубопровода, отличающийся тем, что транспортирование газообразного материала по трубопроводу осуществляют с постоянной плотностью расхода, а изменение плотности расхода по поперечному сечению создают на выходном участке трубопровода, при этом давление на срезе трубопровода устанавливают ниже давления окружающей среды.