СПОСОБ РАЗДЕЛЕНИЯ КЛАСТЕРОВ В СВЕРХЗВУКОВОМ РАЗРЕЖЕННОМ ГАЗОВОМ ПОТОКЕ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2000 года по МПК G21K1/10 H01J49/26 

Изобретение относится к разделению частиц (кластеров) по их массам на фракции газодинамическими силами c последующим их улавливанием на выходе сверхзвукового сопла.

Известен способ пространственного разделения кластеров в постоянном и переменном неоднородных электрических полях, полученных плазмогазодинамическим методом [1].

Этот способ разделения кластеров по их зарядам и массам требует создания отклоняющей системы c гиперболическим распределением потенциала, значительных энергозатрат для блока питания, подающего постоянное и переменное высокое напряжение.

Из известных способов наиболее близким по технической сущности является способ разделения движущихся частиц [2] , при котором разделение частиц производят в ламинарном газовом потоке с помощью электрических и магнитных полей.

Недостатками способа разделения движущихся в потоке газа частиц являются значительные затраты энергии на охлаждение газового потока и создание электрических и магнитных полей.

Устройство [1] состоит из плазмотрона, на выходе которого установлено сопло, ловушки кластеров, образованной двумя гиперболоидами вращения, на которые из блока питания подается постоянное и переменное высокое напряжение. Конструкция этого устройства сложна.

Известное устройство [2] содержит генератор частиц, отклоняющую систему полюсов постоянного магнита и обкладок c установленными между ними охладителем с соплом и уловитель частиц.

Это устройство не позволяет улавливать немагнитные частицу (кластеры), конструкция его сложна.

Задача изобретения - возможность разделения кластеров любых веществ, в том числе немагнитных, без дополнительных энергозатрат и упрощение устройства для улавливания.

Поставленная задача решается тем, что в известном способе разделения кластеров в сверхзвуковом разреженном газовом потоке при обеспечении его ламинарного течения и улавливании кластеров в камере сборника разделение кластеров производят газодинамическими силами, образующимися в результате обтекания выпуклого угла сверхзвуковым потоком, содержащим кластеры, которые улавливают в камере сборника в зависимости от углов отклонения от осевой по фракциям.

Поставленная задача решается также тем, что в известном устройстве, включающем генератор кластеров с соплом, отклоняющую систему и уловитель кластеров, сопло выполнено плоским, отклоняющая система выполнена в виде выпуклого угла, образованного стенкой сопла и стенкой камеры сборника кластеров, камера сборника установлена на выходе сопла, а уловитель кластеров выполнен в форме пеналов, установленных в камере сборника параллельно ее стенке.

Целесообразно установить генератор с соплом и камерой в трубе, а на боковых поверхностях камеры выполнить щели, оси которых параллельны осям пеналов.

Способ основывается на свойстве сверхзвукового газового потока расширяться при внешнем обтекании плоским потоком выпуклого угла. При этом образуется центрированная волна разрежения Прандтля/Майера, которая приводит к повороту потока, содержащего кластеры. Необходимо отметить, что при таком обтекании не образуется турбулентных областей при условии, что до поворота течение было ламинарным. Это особенно важно для кластеров, образовавшихся в результате конденсации в плоском сопле. Поскольку кластеры являются молекулярными комплексами металлов и веществ, то при турбулентном режиме течения происходит их коагуляция во фронтальные структуры с последующим превращением в ультрадисперсные частицы. Поэтому ламинарный режим течения на всем промежутке от начала конденсации и образования кластеров до их улавливания благоприятен для разделения кластеров на фракции и их улавливания.

На фиг. 1 и на разрезе А-А фиг. 2 изображено устройство для разделения кластеров по фракциям в сверхзвуковом потоке газа. На фиг. 3 показано устройство с размещением генератора с соплом и камерой сборника кластеров в трубе.

Устройство содержит генератор 1 кластеров с плоским соплом 2, камеру 3 сборника кластеров, уловитель кластеров, состоящий из пеналов 4 по числу фракций, на которые разделяются кластеры.

Целесообразно выполнить устройство для разделения кластеров с размещением генератора 1 кластеров с соплом 2 и камерой 3 сборника кластеров в трубе 5, а на боковых поверхностях камеры 3 выполнить щели 6, оси которых параллельны осям пеналов 4.

Процесс газодинамического разделения по фракциям происходит следующим образом. Устройство является узлом плазмогазодинамической установки непрерывного действия, в плоском сопле которой создается сверхзвуковой газовый поток, в результате чего на выходе сопла генерируется поток кластеров металлов или других веществ. Используя свойство сверхзвукового кластерного потока отклонятся при обтекании выпуклого угла на различные углы в зависимости от массы кластера, можно провести газодинамическое разделение кластеров по фракциям с последующим улавливанием их в соответствующих пеналах уловителя кластеров. При этом эффективность разделения зависит от числа Маха (М) на выходе сопла и степени разрежения ΔP в волне Прандтля-Майера, которая зависит от размеров камеры сборника кластеров. Проведенные расчеты для кластеров Fe для степени разрежения ΔP = 0,002 МПа и М = 2 показали, что для диапазона диаметров кластеров (d) по соответствующим массам безрамерные расстояния от среза сопла составляют следующие величины:



где - безразмерное расстояние от среза сопла до соответствующей оси пенала уловителя кластеров, отнесенное к диаметру критического сечения сопла.

Таким образом, описываемый способ и устройство для его осуществления позволяют проводить разделение кластеров по фракциям газодинамическими силами, используя свойства сверхзвукового газового потока с последующим их улавливанием, что не требует дополнительных энергозатрат на создание электрических и магнитных полей и позволяет разделять на фракции кластеры любых веществ, в том числе и немагнитных. Кроме того, при размещении генератора с соплом и камерой сборника кластеров в трубе повышается эффективность процесса разделения за счет углубления степени разрежения вследствие эжекционного течения, образующегося между стенками трубы и камеры сборника кластеров.

Источники информации
1. Бесогонов А.П, Бонштедт А.В., Кузьмин С.B. Пространственное разделение кластеров в постоянном и переменном неоднородных электрических полях, ЖТФ, т. 64, в. II, 1994, с. 200-204.

2. Патент РФ N 2099804, G 21 K 1/08, G 01 T 1/36, H 01 J 49/20, БИ N 35 от 20.12.97. (Прототип).

Способ разделения кластеров осуществляют при ламинарном течении газового потока. Разделение кластеров производят газодинамическими силами, образующимися в результате обтекания выпуклого угла сверхзвуковым разреженным газовым потоком, содержащим кластеры. Кластеры улавливают в камере сборника в зависимости от углов отклонения от осевой по фракциям. Устройство для разделения кластеров содержит генератор кластеров с соплом, отклоняющую систему и уловитель кластеров. Сопло выполнено плоским, а отклоняющая система выполнена в виде выпуклого угла, образованного стенкой сопла и стенкой камеры сборника кластеров. Камера сборника установлена на выходе сопла, а уловитель кластеров выполнен в форме пеналов, установленных в форме сборника параллельно ее стенке. Целесообразно генератор кластеров с соплом и камерой сборника кластеров установить в трубе, а на боковой поверхности камеры выполнить щели, угол наклона которых параллелен оси каналов. Технический результат заключается в обеспечении возможности разделения кластеров любых веществ, в том числе немагнитных без дополнительных затрат, а также в упрощении устройства для улавливания. 2 с и 1 з.п.ф-лы, 3 ил.

1. Способ разделения кластеров в газовом потоке при обеспечении его ламинарного течения и улавливании кластеров в камере сборника, отличающийся тем, что разделение кластеров производят газодинамическими силами, образующимися в результате обтекания выпуклого угла сверхзвуковым разреженным потоком, содержащим кластеры, которые улавливают в камере сборника в зависимости от углов отклонения от осевой по фракциям. 2. Устройство для разделения кластеров в газовом потоке, содержащее генератор кластеров с соплом, отклоняющую систему и уловитель кластеров, отличающееся тем, что сопло выполнено плоским, отклоняющая система выполнена в виде выпуклого угла, образованного стенкой сопла и стенкой камеры сборника кластеров, камера сборника установлена на выходе сопла, а уловитель кластеров выполнен в форме пеналов, установленных в камере сборника параллельно ее стенке. 3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что генератор кластеров с соплом и камерой сборника кластеров установлены в трубе, а на боковой поверхности камеры выполнены щели, угол наклона которых параллелен осям пеналов.