Способ смешения сверхзвуковых газовых потоков в разреженной среде Советский патент 1984 года по МПК B01F3/02 

1 Изобретение относится к способам и устройствам общего назначения для осуществления различных физико-химических процессов, в частности процессов смешения, и может быть исполь зовано в пшроком классе устройств, в которых производится смешение свер звуковых потоков в разреженной среде в плазмохимической, электронной и др гих отраслях промьштенности для полу чения сверхчистых веществ, порошков пленок и np.j, а также в газовых и химических квантовых генераторах. Известны способы смешения высокоскоростных разреженных газовых потоков в газодинамических лазерах Г1 Инверсная заселенность уровней в диф фузионных химических лазерах создается при смешении высокоскоростных или параллельных потоков реагирующих между собой компонентов, истекающих в расчетном (), где Рц - статическое давление на срезе сопла, Pg- давление в камере смешения) или недорасширенном режимах течения (PJ,, Ре). Для эффективной работы химического лазера необходимо, чтобы время смешения компонентов и время химической реакции были меньше времени столкновительной релаксации, а перемешанный поток газов был однородньм (безгр.адиентным) . Мощность химического лазера (энер госъем с единицы объема газа) и его полный э.нергетический КПД ( Т, 2-4%) в большой степени зависят от расхода реагентов (давления смеси), полноты преобразования колебательной энергии в энергию излучения и от типа смешения (диффузионного, ламинарного или турбулентного). Диффузионный режим смешения не позволяет получать высок скоростные потоки большой плотности, из-за чего снижается эффективность энергетических устройств. При ламинарном и турбулентном смешении ско рость перемешивания увеличивается, но вместе с этим в потоке возникают газодинамические возмущения, существенным образом влияющие на оптические свойства инверсной среды в лазере или выход исходного продукта в плазмохимическом реакторе. Размер и интенсивность газодинамических возмущений в основном определяются режимом течения смешивающихся потоков. Так, при молекулярном режиме истечения отсутствуют ударные 85 2 волны в потоке и течение носит безградиентный характер, но плотность потока для многих технических устройств оказывается недостаточной. Увеличение расхода газа приводит к режиму истечения с недорасширением (давление на срезе выходного отверстия или сопла больше давления в среде, в которую истекает газ), когда в потоке формируется струя, содержащая систему из висячих и замыкающего скачков уплотнения. Проникновение газа из внешней среды за систему скачков уплотнения становится невозможным, и перемешивание газов происходит в изобарическом участке струи в зоне за замыкаклцим скачком уплотнения, где отсутствуют скачки уплотнения, и скорость потока резко уменьшается. Таким образом, размеры зоны смешения и условия перемешивания во многих устройствах становятся весьма далекими от оптимальных. Известны также способы смешения сырья и плазмообразующего газа в различных плазмохимических реакторах С2. Однако исследования показывают, что при известных способах и режимах смешения реагента с плазменной струей длина зоны полного перемешивания (до молекулярного контакта) велика, а скорость смешения незначительна, что затрудняет ведение химического процесса и уменьшает вькод получаемого продукта. Для ряда плазмохимических производств энергетически выгодно вести процесс при высоких скоростях газа плазменной струи и низких давлениях в реакторе (в неравновесных условиях), однако оптимальные газодинамические режимы смешения реагентов для таких процессов неизвестны. Известен также способ смешения сверхзвуковых газовых потоков в разреженной среде путем подачи в камеру смешения через сопло Лаваля центрального потока основного газа при статическом давлении в камере смешения, меньшем, чем на срезе сопла, и концентричного потока подмешиваемого газа t33. Однако зона смешения при известном способе имеет большую длину изза малой скорости перемешивания, обусловленной большой плотностью смешивающихся потоков газа. Поле газодинамических параметров (давление, плотность, температура) в зоне смешения существенно неоднородно и носит ярко выраженный градиентный характер. Степень перемешивания малых концентраций подмешиваемого газа с основным потоком является весьма низкой. Перечисленные недостатки известного способа перемешивания существенно усиливаются при смешении основного и подмешиваемого газов, истекающих в режиме с недорасширением, когда в потоке образуются висячие и замыкающие скачки уплотнения. Диффузия подмешиваемого из внешней среды газа за систему интенсивных скачков уп лотнения является теоретически невозможной. Цель изобретения - повышение эффективности процесса смешения. Поставленная цель достигается тем, что согласно способу смешения сверхзвуковых газовьгх потоков в разреженной среде путем подачи в камеру смешения через сопло Лаваля централь ного потока основного газа при статическом давлении в камере смешения, меньшем,-чем на срезе сопла, и концентричного потока подмешиваемого газа подачу потока подмешиваемого газа в разреженную среду осуществляю при значениях статического давления на срезе сопла, равных статическому давлению в камере смешения, и подачу потока основного газа осуществляют при значениях критерия разреженности КП| Уп, равных (1-5)10, отнощении статического давления на срезе сопла к статическому давлению в камере сме шения 10-1000 и числе Маха на срезе сопла 1-5. Кпцр число Кнудсена в критическом сечении сопла Лаваля Л длина свободного пробега молекул (та же); (1 F IPg-степень нерасчетиости истечения. Предлагаемьй способ позволяет пол чить большиескорости и степени перемешивания за счет создания коротко и безградиентной зоны смешения. Кроме того, в зоне смешения удается дос тигнуть значений статического давления, значительно больших, чем в анал гичных условиях при применении известных способов. При значениях критерия разреженности 10 скач ки уплотнения в недораспшренной стру сновного газа размываются и подмеиваемый газ быстро смепшваетйя с сновным, зона смешения при этом не одержит газодинамических возмущеий, существенно влияющих, например, на КПД химического или плазменного еактора. На фиг.1 приведена принципиальная схема устройства, реализующего предлагаемый способ смешения на фиг.2 - схемы зон смешения потоков (основного газа А и подмешиваемого Б) при различных режимах истечения: 4) молекулярный режим течения характеризуется значениями К п „Уп 2i 1010°и б) континуальный режим течения с недорасширением потоков реализуется при значениях К Пцр . 10 и значениях числа Маха на срезе сопла (1- висячий скачок уплотнения; 2 - замыкающий скачок - диск Маха 3 - граница струи)-, в) режим лечения согласно предлагаемому способу, для основного газа А - (1-5), Ма 1-5. для подмешиваемого газа Б KH| TnaiO - 10, , на фиг.З приведены результаты экспериментальных измерений, характеризующие качество перемешивания газов в сверхзвуковом () разреженном потоке; а) распределение относительных концентраций подмешиваемого газа N/NQ (где N - текущее значение концентрации подмешиваемого газа в различных точках струи, N,- концентрация подмешиваемого газа в камере смещения исходная концентрация) вдоль оси струи. X/Xj, (где X - текущее значение координаты на оси струи; Y.расстояние по оси струи от среза сопла Лаваля до замыкающего скачка уплотнения - диска Маха) при следующих значениях КП| Уп. 2-10, 3-10 , б) распределение относительных концентраций подмешиваемого газа N/NO в поперечном сечении струи Y/г.., (где У - текущая координата, перпендикулярная оси X в поперечном сечении струи, ,-paдйyc сечения на срезе сопла), расположенном на расстоянии Х/Х 0,25 от среза сопла, на фиг.А приведено распределение относительных плотностей в струе основного газа в зависимости от расстояния от среза сопла X (в диаметрах среза сопла 3 при различных значениях критерия S1 разреженности К n YFi. 1-10, 2-10 , 3-1ОЛ 4-10Опытная проверка возможности осуществления предлагаемого способа смешения проводилась с помощью устройства (фиг.М), содержащего баллон 1 основного газа А с регулировочным краном 2 и соплом 3 Лаваля, камеру 4 смешения, откачную систему 5,балло 6 подмешиваемого газа Б с регулировочным краном 7 и соплом 8 Лаваля, приборы 9-13 для измерения давления в смесительной камере 4, на срезе сопел 3 и 8 Лаваля, а также в их форкамерах. и м е р. Геометрические размеры сопел Лаваля для основного и подмешиваемого газов (5 / S - отно шение площади среза сопла к площади его критического сечения) выбирают исходя из отношения теплоемкостей рабочих газов (С „ /С) и условия Ма7г1-5 по стандартным таблицам газодинамических функций. В качестве основного газа А выбирают атмосферный воздух, а в качестве подмешиваемого газа Б - газообразный фреон. Геометрические размеры основного сопла при этом составляют: (,6 MMi ,5 мм; полуугол раскрытия сопла, а вспомогатель ного сопла ,37 мм; , 6 d . С помощью крана 7 в форкамерах со пел 8 устанавливают давление подмешиваемого газа Б мм рт.ст. При выбранной геометрии сопла на его срезе устанавливается давление PQ 100 мм рт.ст. В камере смешения 4 с помощью откачной системы 5 устанав ливают давление мм рт.ст., контролируя его значение по прибору 9. Тогда степень нерасчетности исте чения из сопел 8 равна (8 т.е. истечение подмешиваемого газа Б происходит в так назьгоаемом расчетном режиме. Основной газ А из баллона 1 подают в форкамеру сопла 3 Лаваля и уста навливают в ней давление 200 мм рт.ст. с помощью крана 2. Контроль давления ведут при этом по прибору 11. Для выбранного газа А и геометрии сопла 3 на его срезе устанавливается давление Р 1,1 ,Р 1,1 мм рт.ст.„величина которого контролируется по прибору 10. Давление в камере 4 смешения поддерживает 5 ся на уровне Р 100 мм рт.ст. с помощью откачной системы 5. Тогда степень нерасчетности истечения основного газа А равна 11, а критерий разреженности -Кп. Тп „ 1o Таким образом, смешение сверхзвуковых разреженных потоков осуществляется согласно предлагаемому способу, а соответствующая ему схематическая картина течения приведена на Фиг.2в.; Исходные параметры течения и данные для нескольких режимов течения приведены в таблице. Реж.имы смешения, указанные в таблице(Экспериментально исследовались на установке, схема которой приведена на фиг.1. Поле, плотности подмешиваемого газа в основной струе измерялось с помощью специального галоидного датчика. Результаты измерений приведены на фиг.За,б. Из приведенных распределе относительных концентраций подмешиваемого газа видно, что при значениях критерия разреженности Kh YF (1-5)ЮЗ количество проникающего в струю газа Б значительно больше, чем при значениях 10, соответствующих режиму континуума картина течения которого приведена на фиг.26, Длина зоны перемешивания уменьшается при этом (К п Уп(1-5)х ) в 2-3 раза с одновременным уменьшением градиентности (неравновесности), течения, обусловленной наличием сильных скачков уплотнения в сверхзвуковой недорасширенной струе. С уменьшением давления в форкамерах сопел Лаваля и в камере смешения при значениях критерия разреженности Кп, Уп 10 и степени нерасчетности п 1 устанавливается молекулярный рвжим истечения. Картина смешения потоков основного и подмешиваемого газов при молекулярном режиме истечения приведена на фиг.2а. в этом случае в зоне смешения отсутствуют скачки уплотнения, наблюдается хорошее смешение, однако из-за низких значений плотностей в основном и подмешиваемом потоках газа (фиг.4) процесс смешения является нерентабельным, так как количество получаемой смеси крайне мало. При увеличении давления в форкам рах сопел Лаваля и сохранении постоянным (или. ) давления в камере смешения значения критерия разреженности достигают , 2 i степени нерасчетности - 10 , Устанавливается континуальный режим течения с недорасширением потоков А и Б и значениями числа Маха на срезе сопла , Картина зоны смешения для зтого случая приведена на фиг.26. Из нее видно, что из-за наличия сильных скачков уплотнения зона смешения резко градиентна и проникновение (диффузия) подмешиваемого газа в основную струю не пр исходит, что подтверждается теорией и экспериментом. Экспериментальные исследования структуры сверхзвуковых недорасшире ных струй в переходном режиме показали, что при значениях критерия ра реженности К Пцр Уп (1-5)ИО , , степени нерасчетности п 10-1000 и числа Маха на срезе сопла 1-5 , Исходтак параметры течения близкий к молекулярномуРо-50 МП рт.ст. Ро«200 мм рт.с В сопле основного Кп«Тп-4,75-1(Г КпздУп-Ю- газа кр 1-2.5 Т«1.« Ма -5,62 ,6мм d,-4,5 P/Pg-1, В сопле подмевиваемого газа Т-1.3 На-4,2 iJep-,37 мм

мм

,-

Р/Р,-3,67-10 Режим течения согласно предлагаемому способуPg«50 мм рт.ст ,67-10 мкм рт Рв-100 мкм рт п - начинается неожиданное проникновение газа из внешней среды через систему размытых ударных волн, при этом плотность потока в струе примерно на 1-2 порядка выше, чем при свободно-молекулярном режиме течения. Необходимый режим смешения наблюдается только при вьтолнении всех перечисленных режимов в переходном режиме течения. Так, например,если нерасчетность течения Ь становится меньше 10, то при образуется многобочковая структура с малой площадью поля смешения и большой градиентностью течения. Опытная проверка предлагаемого способа смешения показала его практическую осуществимость и значительное преимущество по сравнению с известными, заключающееся в существенном увеличении качества смешения из-за уменьшения длины зоны перемешивания и градиентности течения, организации равномерного сверхзвукового смешения при значительных абсолютных давленияпс в потоке. континуальньй с недорасвирениемРО« . -500 мм рт.ст, рт.ст. Кл,и,Уп KftupW4,65jt «6,57 X х10- п-55 п-27,5 . .

;.sv.y..Y;:2

Vot-r :

о о о о о о

о с

.usv:

Kti,p lM s io-4o-;

..

СПОСОБ СМЕНШНИЯ СВЕРХЗВУКОВЫХ ГАЗОВЫХ ПОТОКОВ В РАЗРЕЖЕННОЙ If t СРЕДЕ путем подачи в камеру смешения через сопло центрального потока основного газа при статическом давлении в камере смешения, меньшем, чем на срезе сопла, и концентричного потока подмешиваемого газа, о тличающийся тем, что, с целью повышения эффективности процесса смешения, подачу потока подмешиваемого газа в разреженную среду осуществляют при значениях статического давления на срезе сопла, равных статическому давлению в камере смешения, и подачу потока основного газа осуществляют при значениях критерия разi реженности равных

п,,рЩРв 10 ft- Ю 10

KfLfip f Цг5)Ю

то

Фиг. г

ю 15 го

}ildo

25

Фиг. If