СВЕРХЗВУКОВОЕ СОПЛО ДЛЯ ВСКИПАЮЩЕЙ ЖИДКОСТИ Российский патент 2011 года по МПК F04F5/44 

Изобретение относится к струйной технике, в частности к устройствам для разгона различных сред с формированием однородного двухфазного потока среды.

Известно сопло в виде сужающе-расширяющегося канала для создания сверхзвукового потока путем пропускания рабочей среды через этот канал под воздействием продольного перепада давления между входом и выходом канала (Соркин Р.Е. Газотермодинамика ракетных двигателей на твердом топливе. - М.: Наука, 1967, с.60-63).

Указанное сопло не позволяет эффективно преобразовать энергию давления в кинетическую энергию потока смеси сред, особенно в том случае, когда на вход в сверхзвуковое сопло подается жидкость, а двухфазная среда образуется при ее вскипании за счет снижения давления внутри сопла ниже давления насыщения.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является сверхзвуковое сопло для вскипающей жидкости, содержащее входной сужающийся и выходной расширяющийся по ходу среды участки, между которыми расположено минимальное сечение сопла (SU 1268867 А1, МПК F22B 3/04, 1986).

Известное сопло позволяет преобразовывать поток жидкости в двухфазный парожидкостной поток. Однако использование установленного внутри сопла парогенерирующего элемента приводит к усложнению конструкции сопла и увеличению гидравлических потерь в проточной части сопла и не оптимизирует работу сопла, оставляя профиль его в расходящейся части профилем сопла Лаваля.

Задачей настоящего изобретения является снижение гидравлических потерь в процессе преобразования потока жидкости в газожидкостной поток и повышение эффективности преобразования в сопле тепловой энергии в механическую работу.

Технический результат настоящего изобретения заключается в повышении эффективности преобразования энергии давления в кинетическую энергию двухфазного газожидкостного потока среды.

Решение указанной задачи достигается тем, что в сверхзвуковом сопле для вскипающей жидкости, содержащем входной сужающийся и выходной расширяющийся по ходу среды участки, между которыми расположено минимальное сечение сопла, в соответствии с настоящим изобретением, образующая начальной части расширяющегося участка сопла имеет вогнутую по отношению к оси сопла форму кривой, плавно переходящей в выпуклую по отношению к оси сопла форму в сечении сопла, в котором скорость потока равна локальной скорости звука. Другими словами (что математически более определенно), вторая производная образующей начальной части расширяющегося участка сопла по длине последнего имеет отрицательное значение, в сечении сопла, в котором скорость потока равна локальной скорости звука, эта производная равна нулю, а после этого сечения данная производная имеет положительное значение.

В настоящем описании в дальнейшем под "критическим" сечением сопла понимается сечение, в котором скорость потока равна локальной скорости звука, а не минимальное сечение сопла.

Предпочтительно, чтобы текущий диаметр D_S (м) в любом поперечном сечении сопла в зависимости от текущего давления P₀ (кг/м²) среды в этом сечении составлял

где

G_s - заданный массовый расход жидкости через сопло, кг/с;

ρ - плотность среды в текущем сечении сопла, кг/м³;

W - скорость среды в текущем сечении сопла, м/с;

а диаметр D_s1 (м) "критического" сечения сопла составлял

где

G_кр - удельный критический расход среды (кг/с), определяемый из соотношения

g_кp=ρ_кpa_p, где

ρ_кр - плотность среды в "критическом" сечении сопла, кг/м³;

а_p - критическая скорость потока (м/с), равная скорости звука, определяемой из соотношения

k_p - показатель адиабаты для текущего сечения сопла.

Кроме того, при условии, что движущаяся в сопле однородная двухфазная смесь представляет собой туманообразную среду, размеры частиц которой меньше длины их свободного пробега, а взаимодействие этих частиц является упругим, показатель адиабаты k_p определен из соотношения

где

0,5<β_р<1 - объемное соотношение жидкой и газообразной фаз в потоке пароводяной среды в "критическом" сечении сопла.

Приведенная зависимость для k_p является аппроксимацией теоретической зависимости показателя адиабаты однородных двухфазных сред, полученной автором (см. Фисенко В.В. Критические двухфазные потоки. - М.: Атомиздат, 1978, с.50, а также Фисенко В.В. Сжимаемость теплоносителей и эффективность работы контуров циркуляции ЯЭУ. - М.: Энергоатомиздат, 1987, с.55). С помощью этой зависимости рассчитываются параметры потока в любом сечении сопла в функции давления Р₀, изменяющегося от давления Ps на входе в сопло до давления Р₁ на выходе из него.

В ходе проведенных экспериментальных работ была подтверждена достоверность принятых допущений и выявлено, что представляется возможность достигнуть повышения эффективности преобразования энергии давления в кинетическую энергию потока смеси сред с вскипанием жидкости в проточной части сопла по сравнению с соплом Лаваля.

Сопло по настоящему изобретению в отличие от сопла Лаваля характеризуется следующим:

- дозвуковым настоящее сопло является не только в его сужающемся участке, но и в некоторой части расширяющегося участка;

- в наиболее узком сечении настоящего сопла устанавливается максимальный удельный расход среды, но в этом сечении скорость потока еще не равна локальной скорости звука, и в этом смысле данное сечение не является "критическим";

- "критическое" сечение, в котором скорость потока равна локальной скорости звука, смещается в настоящем сопле вниз по потоку и находится в расширяющемся участке сопла;

- в "критическом" сечении настоящего сопла не первая, а вторая производная от площади сечения по длине сопла равна нулю, таким образом в "критическом" сечении зависимость площади настоящего сопла от его длины имеет не минимум, как это имеет место в сопле Лаваля, а точку перегиба этой зависимости.

Такой характер зависимости профиля сопла от его длины объясняется следующим. Жидкость на входе в сопло является недогретой до температуры насыщения. За счет сужения сопла скорость потока возрастает, давление в нем падает, удельный расход на единицу площади сечения увеличивается. Так продолжается до тех пор, пока давление в потоке не станет равным давлению насыщения при заданной температуре, после чего жидкость вскипает, плотность потока резко уменьшается, скорость потока резко увеличивается, а скорость звука резко падает (увеличивается сжимаемость потока), растет производная площади сечения по длине сопла. Так продолжается до тех пор, пока объемное соотношение фаз в смеси не достигнет своего значения, равного 0,5, после чего скорость потока будет продолжать расти, но начнет расти и скорость звука, темп роста производной площади сечения от длины сопла замедляется, а затем по мере того, как растет доля газа в смеси и сжимаемость ее все больше приближается к сжимаемости газа, выходной участок сверхзвуковой части сопла приближается к профилю традиционного сопла Лаваля.

В ходе построения конкретного профиля сопла выбирается базовая длина сопла L_o (мм). На этой длине текущее значение давления Р₀ меняется от его максимального значения Ps на входе в сопло до его значения Р₁ в выходном сечении, а отношение разности давлений между входным и выходным сечением сопла к базовой длине позволяет с помощью указанных выше математических соотношений параметров в проточной части сопла построить зависимость изменения профиля сопла от давления.

Изобретение поясняется чертежом, на котором схематически представлен профиль проточной части сверхзвукового сопла для вскипающей жидкости.

В примере, показанном на чертеже, Ps=2 МПа, a P₁=0,01 МПа. Направление движения потока справа налево.

Предложенное сверхзвуковое сопло для вскипающей жидкости содержит входной сужающийся 1 и выходной расширяющийся 2 участки по ходу среды и расположенное между ними минимальное (наиболее узкое) сечение 3 сопла, в котором устанавливается максимальный удельный расход жидкости (на чертеже показано пунктиром P01min). Образующая расширяющегося участка 2 сопла по ходу среды образована вогнутой по отношению к оси сопла кривой, плавно переходящей в выпуклую кривую в "критическом" сечении сопла, т.е. в сечении сопла, где поток достигает скорости звука (пунктир P01cr на чертеже). Текущий диаметр D_s в каждом поперечном сечении сопла по ходу среды в зависимости от текущего значения давления Р₀ среды в этом сечении составляет

где

G_s - заданный расход жидкости через сопло;

ρ - плотность среды в текущем сечении сопла;

W - скорость среды в текущем сечении сопла;

а диаметр "критического" сечения D_s1

где

G_кр - удельный критический расход среды, определяемый из соотношения

g_кр=ρ_кра_р,

где

ρ_кр - плотность среды в "критическом" сечении сопла;

а_p - критическая скорость потока, равная скорости звука, определяемой из соотношения

где

k_р - показатель адиабаты для текущего сечения сопла, определяемый из соотношения

где

0,5<β_p<1 - объемное соотношение жидкой и газообразной фаз в потоке пароводяной среды в "критическом" сечении сопла.

При работе предложенного сверхзвукового сопла в результате геометрического воздействия на поток газа насыщенной или нагретой жидкости на входном сужающемся участке 1 и затем на выходном расширяющемся участке 2 сопла за счет преобразования подаваемого под давлением потока жидкости в скоростной поток, в котором резко понижается статическое давление, дозвуковой поток жидкости превращается в сверхзвуковой поток газожидкостной, парожидкостной или паро-газожидкостной смеси на выходе из сопла.

Описанное выше сверхзвуковое сопло может быть использовано в энергетике, на транспорте, в пищевой, химической, фармацевтической, нефтеперерабатывающей и в других отраслях промышленности, в которых актуальным является получение сверхзвукового потока однородной двухфазной смеси из газа насыщенной или нагретой жидкости, как с целью эффективного преобразования потенциальный энергии жидкости в кинетическою энергию смеси, так и с целью приготовления однородной смеси различных веществ и создания гомогенной смеси с сильно развитой поверхностью раздела фаз, при которой интенсивно протекают любые обменные процессы и химические реакции.

Изобретение относится к струйной технике и используется в устройствах для разгона различных сред с формированием однородного двухфазного потока среды. Сверхзвуковое сопло для вскипающей жидкости содержит входной сужающийся и выходной расширяющийся по ходу среды участки, между которыми расположено минимальное сечение сопла, при этом образующая начальной части расширяющегося участка сопла имеет вогнутую по отношению к оси сопла форму кривой, плавно переходящей в выпуклую по отношению к оси сопла форму в сечении сопла, в котором скорость потока равна локальной скорости звука. Технический результат - снижение гидравлических потерь в процессе преобразования потока жидкости в газожидкостной поток и повышение эффективности преобразования в сопле тепловой энергии в механическую работу. 1 ил.

Сверхзвуковое сопло для вскипающей жидкости, содержащее входной сужающийся и выходной расширяющийся по ходу среды участки, между которыми расположено минимальное сечение сопла, отличающееся тем, что образующая начальной части расширяющегося участка сопла имеет вогнутую по отношению к оси сопла форму кривой, плавно переходящей в выпуклую по отношению к оси сопла форму в сечении сопла, в котором скорость потока равна локальной скорости звука.