Волновой обменник давления Советский патент 1982 года по МПК F04F11/02 F02B33/42 

(54) ВОЛНОВОЙ ОБМЕННИК ДАВЛЕНИЯ

изобретение относится к энергетическому машиностроению, а именно к устройствам для сжатия газов путем использования волн давления и может быть использовано в устройствах для наддува двигателя внутреннего сгорания .

Известны волновые обменники давления, используемые в системе наддува двигателя внутреннего сгорания для обмена давления наддувочного воздуха и отработавших газов, содержащие ротор, разделенный на ячейки, и торцовые плиты, одна из которых снабжена парой окон для впуска сжимаемого и выпуска сжатого воздуха, а вторая - соответствующей парой окон для впуска сжимающих и выпуска расширившихся газов. В ячейках ротора распространяются волны давления, возникающие при впуске газов, и вол-, ны разрежения, возникающие при отсечке газов и воздуха, в результате чего происходит обмен давления воздухом и газом без их смещения 1.

Однако при Бйсоких степенях сжатия диссипативные процессы, вызванные обменом массой,. импульсом и энергией в ячейках ротора, снижают эффективность известных обменников давления.

Известны также волновые обменники давления, в которых для снижения отрицательного влияния диссипативных процессов в торцовых плитах предусмотрены дополнительные окна, примыкающие к впускным или выпускным окнам и позволяющие отделить образую10цуюся в каждой ячейке зону смешения воздуха и газов 2.

Однако устройство плит и дополнительных окон в этих обменниках не предназначено для использования вол15новых явлений в ячейках- с целью повы-. шения эффективности обмена давлений.

Цель изобретения - повышение эффективности волнового обменника. давления.

20

Поставленная цель достигается тем, что-в каждой плите по обе стороны от окна для впуска выполнены дополнительные окна среднего давления, сообщенные между собой при помощи

25 перепускного канала.

На чертеже изображена развертка обменника давления по ячейкам ротора.

Обменник давления содержит ротор 1, разделенный на ячейки, границы ,

30 между которыми обозначены линиями . параллельньми оси ротора, плиту 2 с окном 3 впуска сжимающих газов . высокого давления, например отработавших газов двигателя внутреннего сгорания, дополнительным окном 4 выпуска и дополнительным окном 5 впуска газов среднего давления, сое ненными между собой перепускным каналом б, и окном 7 выпуска расширившихся газов, торцовую плиту 8 с окном 9 выпуска сжатого воздуха высокого давления, дополнительным окном 10 выпуска и дополнительным окном 11 выпуска.сжатого воздуха среднего давления, соединенных при помощи перепускного канала 12, а также с окном 13 впуска сжимаемого воздуха. Дополнительные окна, соединенные аналом в каждой плите, расположенц по обе стороны окон впуска. Обменник давления работает следующим образом. При вращении ротораД каждая ячейка, заполненная средой, имеющей среднее давление, соединяется с окном 3 впуска сжимающих газов высоко го давления. По ней начинает распро страняться со скоростью звука или сверхзвуковой волна сжатия (изображена штирхпунктирной линией), Слева от нее, если смотреть со стороны впуска воздуха, давление равно сред нему, справа-давлению сжимающих газов в окне 3 впуска. Когда волна сжатия достигнет конца ячейки рото ра, ячейка соединяется с окном 9 вы пуска сжатого воздуха высокого давл ния. Среда, находящаяся в канале по повышенным давлением за волной сжатия, поступает в окно 9 выпуска. Отразившись от входной кромки окна 9, волна сжатия распространяется в виде отраженной волны сжатия в обратном Направлении. Скорость движения среды в ячейке значительно ниже скорости распространения волн. Между воздухом, запол няющим ячейку , и газами существует зона смешения. На чертеже условно изображена граница раздела (штриховая линия). . . Отраженная волна сжатия достигне конца ячейки ротора в тот момент, когда прекращается .ее соединение с окном 3, Слева и справа от этой волны давление одинаково, а по вели чине равно давлению в окне 3 впуска сжимающих газов высокого давления. От отсечной кромки окна 3 распростр няется волна расширения, достигающая конца ячейки ротора тогда:, когда прекращается ее соединение с окном 9 выпуска сжатого воздуха высокого давления. Слева от этой волны, если смотреть со стороны подачи воздуха, давление такое же как S окне 3 впуска сжимающих газов высокого давления, а справа ниже за счет утечек. Когда оба конца .ячейки ротора закрыты на участке движения между окном 9 выпуска сжатого воздуха высокого давления и. дополнительным окном 4 выпуска газов среднего давления, в ней существуют слабые отраженные волны, не оказывающие существенного влияния на газодинамический процесс в роторе обменника давления. Угловая скорость вращения ротора и взаимное расположение окон 3 и 9 выбираются так, чтобы граница раздела чистого воздуха и сжимающих газов не успевала достигнуть конца ячейки ротора, когда она будет отключена от окна 9 выпуска сжатого воздуха высокого давления. При этом не будет поступления выхлопных газов в наддувочный воздух. При дальнейшем повороте ротора 1 ячейка соединяется с окном 4 выпуска сжимающих газов среднего давления. От входной кромки окна 4 распространяется волна расширения. Слева от нее, если смотреть со стороны подачи воздуха, давление приблизительно равно давлению в окне 3 впуска сжимающих газов высокого давления, а справа равно среднему. Отразившись от торцовой плиты на стороне подачи воздуха в виде волны сжатия, она достигает конца ячейки ротора, когда отсечная кромка окна 4 отключает ячейку слева и справа от отраженной волны давление среды в ячейке равно среднему. Во время соединения ячейки ротора с окном 4 газы выходят из ячейки и по перепускному каналу б поступают к окну 5 впуска газов среднего давления. От входной кромки окна 5 впуска распространяется волна сжатия. Слева от нее, если смотреть со стороны подачи воздуха, давление равно давлению в окне 11 впуска сжатого воздуха среднего давления, а справа равно да-йлению- среднему давлению газов. Отразившись от торцовой плиты на стороне подачи воздуха в виде волны сжатия, она достигает конца ячейки ротора, когда отсечная кромка окна 5 впуска газов среднего давления отключает его. Слева и справа от отраженной волны давление среды в ячейке равно среднему. При движении ячейки ротора на участке между окном 5 впуска газов среднего давления и окном 3 впуска сжимающих газов высокого давления, когда оба конца его закрыты, в ней существуют слабые отраженные волны. Таким образом осуществляется сжатие воздуха в ячейке ротора от низкого до среднего давления чем существенно снижается интенсивность диссипативных процес; сов при последующем сжатии до высокого давления. После отключения ячейки ротора от окна 4 выпуска газов среднего давления среда в ней имеет среднее давление. Когда ячейка перемещается на участке между окном 4 выпуска газов среднего давления и окном 10 выпуска сжатого воздуха среднего давления, оба конца его закрыты, в ней существуют слабые отраженные волны, не влияющие на газодинамичес кий процесс в ячейки ротора обменни ка давления. В следующий момент времени ячейка ротора подключается к окну 10 выпуска сжатого воздуха среднего давления воздуха. От входной КРОМКИ окна 10 распространяется волна расширения. Слева от нее, если смотреть со стороны подачи воздуха, давление равно среднему давлению воздуха, а справа - низкому.. Отразившись от торцовой плиты на стороне подачи выхлопных газов в виде волны сжатия, она достигает конца ячейки ротора, когда отсечная кромка окна 10 выпуска сжатого воздуха среднего давления отключает ягчейку. Слева и справа от отраженно волны давление среды в канале равно среднему давлению воздуха. На участке движения между окном 10 выпуска сжатого воздуха среднего давления и окном 7 выпуска расти- рившихся газов,когда оба конца яче ки закрыты, в ней имеются слабые отраженные волны. Во время соединения ячейки ротора с окном l5 выпуска сжатый воздух среднего давления ходит по каналу 12 и поступает к окну 11 впуска сжатого воздуха сред него давления. . От входной кромки окна 11 впуска распространяется волна сжатия. Слева от нее, если смотреть со стороны подачи воздуха, давление равно атмосферному, а справа - среднему дав лению воздуха. Отразившись от торцовой плиты на стороне подачи выхлопных газов в ви волны сжатия, она достигает конца ячейки ротора, когда отсечная кромка окна 11 впуска сжатого воздуха среднего давления отключает его. Слева и справа от отраженной вол ны давление равно среднему давлению воздуха. Слабые отраженные волны, d ществующие в ячейке, при движении на участке от окна 11.впуска сжатог воздуха среднего давления до окна 5 впуска газов среднего давления, ког концы ячейки закрыты, не влияют на газодинамический процесс. Таким образом осуществляется сжатие воздуха вканале ротора от атмосферного до среднего давления, благодаря чему. снижается интенсивность диссипативных процессов При последующем сжатии до среднего да вления среды в ячейке. Затем ячейка соединяется с окном 7 выпуска расширившихся газов. От входной кромки окна .7 распространяется волна расширения. Слева от нее, если смотреть со стороны подачи воздуха, давление равно среднему, справа ниже атмосферного. Выхлопные газы выходят в атмосферу из канала ротора и, когда волна расширения достигает входной кромки окна 13 впуска атмосферного воздуха, в ячейку поступает атмосферный воздух. При соединении ячейки с окнами 7 и 13 одновременно в нем имеются -слабые отраженные волны. После полного удаления расширивлихся газов из ячейки ротора отсечная кромка окна 12 впуска-атмосферного воздуха отключает ячейку. От нее распространяется слабая волна сжатия, достигающая отсечной кромки окна 7 выпуска расширившихся газов, когда прекращается подключение ячейки к этому окну. Слева от .волны сжатия, если смотреть со стороны подачи воздуха, давление ниже атмосферного, справа - приблизительно атмосферное. На участке перемещения между окном 7 выпуска расширившихся газов и окном 12 впуска сжатого воздуха среднего давления в.канале существуют слабые отраженные волны. Канал ротора заполнен чистым Воздухом, давление в нем приблизительно атмосферное. Таким образом, процесс сжатия в ячейке осуществляется как бы в две ступени, потери от диссипации снижаются и эффективность обменника давления повышается. Формула изобретения , Волновой обменник давления, преимущественно обменник давления наддувочного воздуха и отработавших газов двигателя внутреннего сгоранйя, содержащий ротор, разделенный на ячейки, и торцовые плиты, одна из которых снабжена парой окон для впуска сжимаемого и выпуска сжатого воздуха а другая - соответствующей царой окон для впуска сжимающих и выпуска расширившихся газов, о т л и ч а ю щ и и С я тем, что, с целью повышения эффективности, в каждой плите по обе .стороны от окна для впуска выполнены дополнительные окна среднего давления,сообщенные между собой при помощи перепускного канала. Источники йифсЗрМации, принятые во внимание при экспертизе 1.патент Швейцарии № 378 595, кл. 4б|8/04, опублик. 1964. 2. Патент США 3 082 934, кл. 417-64, опублик. 1963.