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

(54) ВОЛНОВОЙ ОБМЕННИК ДАВЛЕНИЯ

Изобретение относится к машиностроению, а именно к устройствам для сжатия газов с использованием волновых явлений в рабочих средах, а конкретно к волновым обменникам давления.

Известны волновые обменники давления, содержащие, по меньшей мере, один ротор, снабженный расположенными по его периферии и открытыми с торцов ячейками, и статор, снабженный окнами для подвода и отвода сжимающей и сжимаемой сред от торцов ячеек и отделенными один от другого и от окон при помощи перемычек перепускными каналами, сообщенными с торцами ячеек

Наличие перепускных каналов создает в роторе две ступени юекторы) сжатия - расширения: сектор низкого и сектор высокого давления. Если обменник давления вып олнен с одним ротором, то его перепускные каналы очень длинны. Выполнение обменника давления с двумя роторами позволяет сократить длину каналов.

Эффективность таких обменников давления во многом зависит от соотношения геометрических размеров, так как требуется согласовать момент

перекрытия торца Ячейки перемычкой с моментом -достижения этого торца прямой или отраженной волной давления, в известных обменниках оптимальные соотношения не оговорены и возможности повышения их эффективности испох1.зуются недостаточно.

Цель изобретения - повы1чение эффективности волнового обменника давления.

Для достижения поставленной цели ширина каждой ячейки выполнена равной 0,07-0,1 ее длины,ширина каждой перемычки выполнена равной ширине 15 ячейки, выходное сечение канала выполнено равным ширине 4-5 ячеек, а .входное - ширине 3-4 ячеек.

На фиг.1 изображен обменник давления с одним ротором, разрез по оси на фиг.2 - то же, поперечный разрез; на фиг.3 - развертка по ячейкам ротора; на фиг.4 - диаграмма давлений в ячейках в торцовом и среднем сечениях ячеек на фиг.5 диаграмма изменения давления вдоль ячейки; на фиг.6 -. график волновых процессов в ячейках в секторах сжатия и расширения; на фиг.7 - обменник давления с двумя роторами, разрез по оси; на фиг. 8 - развертка рбменника давления с двумя роторам на фиг,9 - обменник давления с радиально-осевыми ячейками (выше оси показан вариант с одним ротором, а ниже оси - с двумя); на фиг,10-обменнйк давления с ячейками, пере ходящими из осевого в радиальное направление поперечный (один из ро торов дан пунктиром); на фиг.11 обменник, вид по стрелке А на фиг, Обменник давления состоит из од ного (фиг.1 - 6) или двух (фиг.7-1 роторов 1 с расположенными по его периферии ячейками 2, которые обра зованы перегородками (стенками) 3, Ячейки могут располагаться в несколько ярусов, для чего по высоте они делятся перегородками 4. в ста торе выполнены перепускные каналы и 6, отделенные один от другого пе регородками (стенками) 7, и обращен ные к торцам ячеек окна 8 и 9 для подвода и отвода сред низкого давления, окна 10 и 11 для подвода и отвода сред высокого давления. Траектория точки пересечения волны с осью ячейки изображена штриховой ли нией 12 (фиг,3,6 и 8), которая при лиженно .показывает между подвижными и неподвижными рабочими средами. Границы между струями газов - линия 13, стенка 14 статора, Обменник делится на секторы (участки) продувки низкого давления А (фиг.З) или А и А (фиг.8), сжатия Б или Б и Б, продувки высоког давления в или В и В, расширения Г или Г и Txj. Ротор вращается в направлении is) . В секторе А (А и А) через окна 8 ячейки заполняются воздухом, кото рый сменяет в ячейках продукты егоранйя, уходящие через окна 9, диффузор (не показан) наружу. Потери в секторе А (и в секторе В) компенсируются за счет остаточного давления продуктов сгорания, центробежных си в радиально-осевых или радиальных ячейках, или за счет внешнего нагре вателя . После полной замены продуктов сгорания ячейки поочередно выходят из сообщения с окном 9 и закрываютСЯвблизи расположенным торцом пере городки б, В каждой ячейке при этом Образуется волна давления, которая движется по ячейке в сторону окна 8 оставляя после себя неподвижный воз дух повышенного давления. Абсолютно движение серединьа волны происходит по линии 12, При подходе волны к торцу ячейки последняя прекращает сообщаться с окном и закрывается вблизи расположенной стенкой 14 статора. Но еще до подхода волны к .концу ячейки со стороны окна 8, ячейка может быть сообщена с канало 5. Прл этом более высокое давление в канале 5 создает в ячейке волну давления, которая движется по ячейке в сторону стенки 14 со скоростью Wnp/ оставляя после себя движущийся газ более высокого давления, чем до себя (сечение Д-Д на фиг.6), При одновременном сообщении нескольких яче.ек с одним каналом скорость и давление газа после волны в ячейке равны скорости и давлению в канале. Волны, которые образуются в обменнике,-не могут быть крутыми, так как ячейка сообщается с каналом или окнами не мгновенно. Принято, что начало волны приходится на половину ее высоты, или давления. Такая высота образуется при сообщении ячейки с каналом на 20%. Волна, дойдя до закрытого торца ячейки, отражается и движется обратно со скоростью Wj,gp, оставляя после себя неподвижный газ еще более высокого давления (сечение Е-Е на фиг.б). Величина волнового давления (разность давлений до и после волны) в волнах до и после отражения неодинакова. При подходе волны кконцу ячейки последняя выходит из сообщения с каналом 5 и закрывается торцом следующей перегородки. В результате давление в ячейке 1выше, чем в канале, на величину волнового давления. Далее ячейка сообщается с каналом 6, в котором давление выше,чем в ячейке, ив результате возникает волна, которая проходит ячейку в оба конца. Происходит новое повышение давления (фиг,4), -Схематически распределение давления вдоль ячейки приведено на фиг.5, где кривая 1 относится к положению ячейки в сечени.и Д-Д, приведенном на фиг.6, кривая 11 - сечению Б-Б, кривая 111 - сечению Ж-Ж и 1У - сечению И-И. Стрелками на фигуре обозначено движение прямой и отраженной волн. На фигурах изображено по два канала. Их количество может быть иным, больше или меньше, чем показано, в зависимости от мощности и давления обменника. В секторе В (В и BL) роторные ячейки сообщаются с окном 10. Давление в окне выше и в ячейке образуется волна, которая доходит до противоположного конца ячейки, когда та сооб1цается с окном 11, Когда ячейка прекращает сообщаться с окном, возникает волна разрежения. Эта волна оставляет после себя неподвижный газ пониженного давления. Процессы в обменнике взаимосвязаны так, что для поддержания давления в окне 11 и на выходе из диффузора необходимо, чтобы через окно 10 поступало газа больше, чем выходило через окно 11. .Поэтому входное окно 10 ишре, чем выходное окно 11 и струя более высокого давления, ограниченная траекториямц волн давления и разрежения, в окно 11 полностью не попадает, а от краев окна отделяются узкие струйки, которые несут разность энергии ..насадки и диффузора. Струйки распадаются в общей массе газа и давление на участке после волны разрежения будет вьияе, чем до волны давления. Это повышение давлений служит для покрытия потерь при перетекании газ по каналам из сектора расширения в сектор сжатия. При выводе на участок Г (Г и Г давление в роторных ячейках выне, чем в канале 6, на величину волновог давления и при сообщении с канатом ячейке возникает волна разрежения, которая оставляет после себя газ по ниженного давления, который движетс со скоростью газа.,в канале (сечение Ж-Ж на фиг,6) . . . Волна доходит до стенки 14, отра жается и возвращается обратно. При этом после волны остается неподвижный газ давлением ниже, чем в канал на величину волнового разрежения (сечение И-И на фиг.6). При подходе волны к торцу ячейки последняя выхо дит из сообщения с каналом и закрывается торцом. При этом давление в Ячейке ниже, чем в канале 6, и выше чем в канале 5, на величину волново разрежения. Процессы, протекающие в ячейке при сообщении с каналом 5 аналогичн . На выходе из сектора.Г в ячейках избыточное (остаточное) давление, равное перепаду давления при течени по каналам газа из сектора расширения в сектор сжатия плюс давление в волне, которая образуется в секто ре А при выходе ячейки из сообщения с диффузором. . На участках В и Г одну -часть неподвижного канала занимает газ с большим удельным весом (йоэдух), а . другую часть - с меньшим удельным вессил (продукты сгорания), Скорость волны в этих газах разная и на границе раздела, возникают вторичные во ны (фиг.6, штрих-пунктирная линия). На развертках (фиг.З и 8) можно проследить струю воздуха ограниченной линией 13. Середина струи - линия со стрелками. Струя, попадая в ячейки, в секторе Б сжимается, в секторе В не выталкивается из ячеек: в окно 11, а попадает в сектор Г, расширяется, переходит через неподвижные каналы в сектор Б, вновь делает кругооборот и после этого попадает в окно 11. Число кругооборотов равно степени сжатия и не обяза-тельно равно целому числу. Для получения максимальной эффективности при минимальных габаритах следует выдерживать соотношение °-( io Ji N,pJ где a - ширина канала; 6о - длина ячейки; V - скорость прямой волны- в ячейке; опр скорость отраженной волны в ячейке; U/4 - окружная скорость ротора. В секторе Г из-за наличия высокотемпературных продуктов сгорания скорость W волн выше, чем в секторе Б, и поэтому ширина входа в канал меньше, чем ширина выхода из канала. Этсялу соотношению наилучшим обра- . зом удовлетворяет условие выполнения ширины каждой перемыгчки, равной ширине ячейки, а ширину ячейки, равной 0,07-0,1 ее длины. Такое сочетание размеров в совокупности с оптимальным отношением ширины перепущенного канала к ширине ячейки позволяет уменьшить расстояния между соседними окнами и каналами, в результате чего сокращаются габариты обМенника давления и уменьшаются аэродинамические потери и тепла в стенке ячеек, Оптимизация числа ячеек одновременно с уменьшением потерь энергии позволяет упростить конструкцию статора. Формула изобретения Волновой обменник давления, содержащий, по меньшей мере, один ротор, снаб: енный расположенными по его периферии и открытьвли с торцов ячейками, и статор, снабженный окнами для подвода и отвода сжимающей и сжимаемой сред от торцов ячеек и отделеннь&ш один от другого и от окон при Помощи перемычек перепускными каналами, сообщенными с торцами ячеек, отличающийся тем, что, с целью повьа11ения эффективности, ширина каждой ячейки выполнена равной 0,07-0,1 ее длины, ширина каждой перемычки выполнена равной ширине ячейки, выходное сечение канала выполнено равным ширине 4-5 ячеек, а входное - ширине 3-4 ячеек. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1. патент США №2780405, кл. 417-64, опублик. 1957.

1

10

ГГТЛг-у.44

р4

Фиг. 2

5 б 17 7 7 Ч ;

.-fe

ЛУчХ

j

/7;у) / /

/

g

5Х

Л

Л

X

F

2 13 8