СПОСОБ ТЕМПЕРАТУРНОЙ СТРАТИФИКАЦИИ ГАЗА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ (ТРУБА ЛЕОНТЬЕВА) Российский патент 1998 года по МПК F25B9/02 

Изобретение относится к промышленной теплотехнике, в частности к созданию холодильно-нагревательных аппаратов для разделения газового потока на холодную и горячую части.

Известен способ температурной стратификации газа и устройство для его осуществления, в котором происходит разделение газового потока на охлажденную и нагретые части, основанные на вихревом эффекте. Устройство содержит разделительную камеру, входной и выходной газоходы (трубка Ранка) [1].

Основным недостатком известного технического решения является низкая термодинамическая эффективность используемого процесса энергетического разделения.

Наиболее близким техническим решением к изобретению является способ температурной стратификации газа [2] , в котором высоконапорный газ вводят в камеру через соосное с ней сопло, отводят холодный газ через отверстие в выходной части камеры, а нагретый газ - в противоположном направлении.

Основным недостатком известного решения является низкий термодинамический КПД, еще более низкий, чем у вихревого аппарата, величина которого не превышает η ≤ 0,3. .

Технический результат предлагаемого способа - резкое (более чем в два раза) увеличение термодинамического (адиабатного) КПД процесса.

Технический результат, достигаемый при применении устройства, заключается в возможности применения способа, позволяющего увеличить термодинамический (адиабатический) КПД.

Для достижения технического результата в способе температурной стратификации газа, включающем подачу газа в разделительную камеру, вывод холодного и горячего газов через отдельные газоходы, газовый поток после разделительной камеры направляют по внутренней и внешней трубкам, при этом по внутренней трубе газ через профилированное сопло разгоняют до сверхзвуковой скорости, а по внешней трубе газ пропускают с дозвуковой скоростью, причем соотношение между массовыми расходами во внешней трубе G_x и общим расходом G_c лежит в интервале G_x/G_c = 0,1 ^oC 0,8, а соотношение давлений в разделительной камере P₀₀₁ и на выходе газа из внутренней трубы P_00г лежит в интервале P₀₀₁/P_00г = 2 ^oC 30.

Для достижения технического результата в устройстве для осуществления способа, содержащем корпус, выполненный в виде трубы, с разделительной камерой для приема обрабатываемого газа и с газоходами вывода холодного и горячего газа, дополнительно установлена коаксиально первой труба из теплопроводного материала меньшего диаметра с профилированным сверхзвуковым соплом и сверхзвуковым диффузором.

В газовом канале межу внешней и внутренней трубами может быть расположена спиралевидная направляющая вставка.

Не известны другие технические решения, имеющие признаки, сходные с отличительными признаками заявляемого решения.

Сущность изобретения поясняется следующим.

Поперечный профиль температуры в сверхзвуковом потоке таков, что области газа, прилежащие к внутренней стенке, будут нагреваться от дозвукового потока и поэтому температура торможения сверхзвукового потока на выходе будет больше начальной, а температура торможения дозвукового потока будет меньше начальной (для P_r <1).

Относительный расход газа через предлагаемое устройство G_x/G_c лежит в пределах 0,1 ^oC 0,8. При G_х/G_c < 0,1 общий расход газа делается неоправданно большим, при G_x/G_c > 0,8 эффект температурной стратификации делается слишком незначительным.

Соотношение давлений в сверхзвуковом канале P₀₀₁/P_00г лежит в пределах 2 ^oC 30. При P₀₀₁/P_00г < 2 делается неустойчивой работа профилированного сопла и сверхзвукового диффузора, при P₀₀₁/P_00г > 30 возникают технологические трудности при сбросе или дальнейшем использовании горячего (холодного при P_r > 1) газа.

Интервал относительной длины кольцевого канала лежит в пределах . При резко снижается эффективность предлагаемого устройства как теплообменника, т.е. уменьшается захолаживание (нагревание при P_r > 1) газа на выходе из внешней трубы. При делается незначительным одно из главных преимуществ предлагаемого устройства по сравнению с классической вихревой трубой и прототипом - низкий перепад давления во внешней трубе, что легко позволяет делать многокаскадные системы охлаждения (нагревания при P_r > 1) газа из последовательно соединенных предлагаемых устройств.

Интервал значений относительного вдува G_x/G_вдув, когда внутренняя труба полностью или частично изготовлена из проницаемого материала, лежит в интервале G_x/G_вдув = 0,2 ^oC 2. При G_x/G_вдув < 0,2 общий расход газа так же, как и при слишком малом относительном расходе, делается неоправданно большим и, кроме того, вдув слишком приближается к критическому или даже превосходят его, что резко ухудшает теплообмен. При G_x/G_вдув > 2 влияние вдува делается настолько небольшим, что исчезает преимущество проницаемой стенки по сравнению с теплопроводной непроницаемой.

На фиг. 1 представлена схема предлагаемого устройства; на фиг.2 - схема предлагаемого устройства с вставкой.

Предлагаемое устройство содержит разделительную камеру 1, соединенную с внешней трубой 2 и внутренней трубой 3, коаксиально расположенных друг относительно друга. Газоход 4 служит для отвода газа из внутренней трубы 3, а газоход 6 - для отвода газа из внешней трубы 2. Внутренняя труба 3 имеет профилированное сверхзвуковое сопло 7 и сверхзвуковой диффузор 5.

Устройство (фиг.2) содержит разделительную камеру 1, соединенную с внешней трубой 2 и внутренней трубой 3, коаксиально расположенных друг относительно друга. Газоходы 4 и 6 служат для отвода газа. Внутренняя труба 3 имеет профилированное сверхзвуковое сопло 7 и сверхзвуковой диффузор 5. В газовом канале между внешней трубой 2 и внутренней трубой 3 расположена спиралевидная направляющая вставка 8.

Устройство работает следующим образом.

Обрабатываемый газ с массовым расходом G_c и энтальпией i_c, подается в разделительную камеру 1, после которой разбивается на два потока:
а) один поток дозвуковой направляется по кольцевому каналу 2 и выводится через газоход 6;
б) второй поток разгоняется до сверхзвуковой скорости в профилированном сопле 7, направляется в цилиндрическую трубу 3 и выводится через газоход 4.

Если стенка внутренней трубы 3 сделана из теплопроводного материала, то для P_r < 1 (что справедливо для большинства газов) температура стенки трубы 3 будет меньше входной температуры газа T_00x < T_00г, и дозвуковой поток газа будет охлаждаться, а сверхзвуковой поток газа нагреваться вследствие перегиба поперечного профиля температур в сверхзвуковом потоке. В результате на выходе из аппарата температура торможения дозвукового потока будет меньшей, чем начальная температура газа T_00x < T₀₀₁, а температура торможения сверхзвукового потока будет увеличиваться по сравнению с начальной температурой газа T_00г > T₀₀₁. Температурная стратификации будет тем больше, чем меньше коэффициент восстановления r. Для газов коэффициент восстановления для ламинарного течения и для турбулентного режима течения. Этот эффект увеличивается с ростом сверхзвуковой скорости. Максимальная эффективность температурной стратификации определяется выражением
(T_00x/T₀₀₁)_max = r.

Для P_r = 0,725 (воздух) (T_00x/T₀₀₁)_max = 0,85 для ламинарного режима и (T_00x/T₀₀₁)_max = 0,898 для турбулентного, т.е. температурный эффект примерно такой же, как для вихревой трубы. Для водородоксеноновой смеси P_r = 0,12 и (T_00x/T₀₀₁)_max = 0,35. Для P_r > 1, например, для перегретого пара P_r≅ 10, температурный эффект будет обратный: сверхзвуковой поток будет охлаждаться, а дозвуковой нагреваться.

Если внутренняя труба сделана из проницаемого материала, то газ из дозвукового канала через стенку трубы будет перетекать в сверхзвуковой, т.к. давление в дозвуковом канале всегда больше. Известно, что при вдуве газа в сверхзвуковой поток коэффициент восстановления уменьшается, и в этом случае большой эффект температурной стратификации может быть достигнут даже для газов с P_r = 1.

При работе устройства в качестве охладителя газа эффективность охлаждения в канале 2 в значительной мере определяется его приведенной длиной что выражается формулой (в общем случае со вдувом)
.

для непроницаемой стенки b_т = 0, ψ = 0. .

Для увеличения приведенной длины канала 2 без увеличения общей длины аппарата в кольцевое пространство 2 вставляют спиралевидный направляющий аппарат 8. Таким образом, газ из камеры 2 проходит к газоходу 6 не прямо, а сделав несколько оборотов вокруг центральной трубки 3, что увеличивает и, следовательно, эффективность охлаждения.

Пример 1. Рассмотрим работу устройства и соответственно возможность реализации способа принудительной стратификации газа на примере работы предлагаемого устройства в составе системы охлаждения радиоэлектронной аппаратуры на самолете.

Система охлаждения радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) самолета имеет следующие параметры: холодопроизводительность 3 кВт, температура воздуха на входе в РЭА 293 К. Система охлаждения работает от воздушного компрессора, дающего воздух давлением 0,32 МПа и температурой 503 К.

Нормальное функционирование РЭА обеспечивается последовательным охлаждением воздуха в воздухо-воздушном радиаторе с расходом продувочного воздуха 3,61 кг/с, топливно-воздушном теплообменнике и вихревой трубе с КПД η = 0,32 и общим расходом сжатого воздуха 0,145 кг/с.

Замена вихревой трубы в системе охлаждения предлагаемым устройством тех же габаритов и той же массы, но с КПД η = 0,5 позволяет уменьшить расход продувочного воздуха до 3,2 кг/с, общий расход сжатого воздуха до 0,138 кг/с и общую мощность, затрачиваемую на транспортирование и функционирование системы охлаждения РЭА, с 60 до 50 кВт.

Предлагаемое устройство работает со следующими параметрами:
G_x/G_c = 0,3, P₀₀₁/P_00г = 5,

Пример 2. Холодильник с вихревой трубой типа ТВХ для хранения пищевых продуктов в самолете работает от бортовой пневмосети с давлением 0,35 МПа. Холодильник имеет следующие характеристики:
Объем - 50
Холодопроизводительность, Вт - 20
Расход охлажденного воздуха, кг/с - 0,005
Расход сжатого воздуха, кг/с - 0,02
Замена вихревой трубы предлагаемым устройством тех же габаритом и той же массы позволила за счет увеличения КПД увеличить μ с 0,25 до 0,4 и соответственно уменьшить расход сжатого воздуха до 0,0125 кг/с.

Устройство работает со следующими параметрами:
G_x/G_c = 0,4, P₀₀₁/P_00г = 6,
G_x/G_вдув = 0,4.

Литература, принятая во внимание.

1. Суслов А.Д., Иванов С.В., Мурашкин А.В., Чижиков Ю.В. Вихревые аппараты. М.: Машиностроение, 1985, с. 254.

Авт.Св. СССР 259915, кл. F 25 B 23/00, 24.12.68.

Изобретение используют в промышленной теплотехнике для создания холодильно-нагревательных аппаратов. Газ под давлением из разделительной камеры 1 подают в две коаксиально расположенные трубы 2 и 3. По внутренней трубе 3 газ с помощью профилированного сопла 7 разгоняют до сверхзвуковой скорости. По кольцевому каналу газ проходит с дозвуковой скоростью. Для увеличения длины кольцевого канала в него может быть вставлена спиралевидная направляющая вставка 8. На выходе из внутренней трубы установлен сверхзвуковой диффузор 5. Между потоками газа, проходящими по каналам, возникает перепад температур. Применение способа позволяет повысить термодинамический КПД по сравнению с вихревым аппаратом. 2 с. и 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ температурной стратификации газа, включающий подачу газа в разделительную камеру, вывод холодного и горячего газа через отдельные газоходы, отличающийся тем, что газовый поток после разделительной камеры направляют по внутренней и внешней трубам, при этом по внутренней трубе газ через профилированное сопло разгоняют до сверхзвуковой скорости, по внешней трубе газ пропускают с дозвуковой скоростью, соотношение между массовыми расходами во внешней трубе G_x и общим расходом G_c лежит в интервале G_x/G_c = 0,1 ^oC 0,8, соотношение давлений в разделительной камере Р_0 0 1 и на выходе газа из внутренней трубы Р_0 0 г лежит в интервале Р_0 0 1/Р_0 0 г = 2 ^oC 30. 2. Устройство для температурной стратификации газа, содержащее корпус, выполненный в виде трубы, с разделительной камерой для приема обрабатываемого газа и с газоходами вывода холодного и горячего газов, отличающееся тем, что корпус снабжен дополнительной трубой из теплопроводного материала меньшего диаметра с профилированным сверхзвуковым соплом и сверхзвуковым диффузором, установленной коасиально в первой трубе. 3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что оно снабжено спиралевидной направляющей вставкой, расположенной в газовом канале между трубами, при этом приведенная длина этого газового канала лежит в интервале а