турбина

Формула изобретения

Турбина, содержащая корпус, размещенный в корпусе ротор, связанный с внешней нагрузкой, и инжектирующее устройство, отличающаяся тем, что турбина снабжена сепарационным устройством и дросселем, инжектирующее устройство выполнено в виде вихревой трубы со спиральным соплом Лаваля, имеющей конусность 3-5^o, обращенной широким концом к ротору и установленной соосно с последним, ротор выполнен в виде Сегнерова колеса, выходные отверстия которого направлены в сторону, противоположную направлению уменьшения радиуса кривизны спирального сопла Лаваля, сепарационное устройство выполнено в виде жестко соединенной с ротором трубы с конусностью 3-5^o, на широком конце которой установлен дроссель с поперечным сечением, имеющим вид витка спирали Архимеда, направление уменьшения радиуса кривизны которой совпадает с направлением уменьшения радиуса кривизны спирального сопла Лаваля и установлено в полости ротора коаксиально его оси, при этом коническая поверхность широкого конца вихревой трубы и узкого конца сепарационного устройства имеет общую образующую, а изменение радиуса кривизны поперечного сечения сепаратора составляет не более сотой доли величины ее радиуса на один радиан.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области теплоэнергетики и может быть использовано для преобразования тепла в работу.

В промышленной энергетике широко используются турбины, производящие работу за счет энергии проходящего через них потока рабочего вещества, характерной отличительной чертой турбин является наличие ротора, конструкция которого обеспечивает передачу энергии потока жидкости или газа на внешнюю нагрузку. Турбины могут служить аналогом предлагаемого устройства [1]

Наибольшее распространение получили паровые турбины [10] Они играют роль одного из элементов системы преобразования тепла в работу, включающей, помимо турбины, нагреватель (паровой котел), холодильник (конденсатор пара), а также насос для перекачки жидкой фазы из холодильника в нагреватель. Производимый в нагревателе пар высокого давления ускоряется в сопле Лаваля, высокоскоростной поток пара направляется на турбинные лопатки ротора, связанного с внешней нагрузкой, с помощью которого кинетическая энергия этого высокоскоростного потока преобразуется турбиной в работу. Паровая турбина [10] может служить прототипом предлагаемого устройства.

Фазовое состояние проходящего через паровую турбину рабочего вещества остается неизменным. В результате значительная доля энергии, поступающей из нагревателя в рабочее вещество и расходуемой на его испарение, поглощается в конденсаторе и не производит полезной работы. При не слишком большом перегреве пара теплота фазового перехода значительно превосходит уменьшение внутренней энергии пара в результате прохождения турбины. Определение КПД процесса преобразования тепла в работу обычно производится для элемента массы рабочего вещества, проходящего через систему преобразования и циклически изменяющего свои термодинамические характеристики. Максимальном кпд преобразования считается кпд цикла Карно, определяемый исключительно температурами нагревателя и холодильника. Отказ от использования влажного пара, а тем самым и от цикла Карно, и переход к циклу Ренкина при обычно применяемых в промышленной энергетике температурах нагревателя и холодильника снижает КПД примерно в 1,4 раза [1]

Адиабатическая конденсация пара в турбине, сопровождаемая производством работы и конденсацией фаз, открывает возможность более полного использования энергии пара и тем самым увеличения КПД преобразования энергии потока в работу. Частично этот процесс происходит и в обычных турбинах, однако применение влажного пара приводит к ухудшению условий работы проточных частей турбины, интенсивной эрозии лопаток и газодинамическому несовершенству течения по сравнению с сухим паром, а вследствие этого и к реальному снижению КПД [1,10]

Задачей предлагаемого решения является увеличение КПД преобразования энергии поступающего из нагревателя потока рабочего вещества в работу, а тем самым и КПД преобразования тепла в работу, за счет передачи на внешнюю нагрузку не только кинетической энергии потока, внутренней энергии пара, но и теплоты его фазового перехода при конденсации.

Указанная задача решается с помощью турбины, содержащей корпус, размещенный в корпусе ротор, связанный с внешней нагрузкой, и инжектирующее устройство. Новым является то, что турбина снабжена сепарационным устройством и дросселем, инжектирующее устройство выполнено в виде вихревой трубы со спиральным соплом Лаваля, имеющей конусность 3 5 градусов, обращенной широким концом к ротору и установленной соосно последнему, ротор выполнен в виде Сегнерова колеса, выходные отверстия которого направлены в сторону, противоположную направлению уменьшения радиуса кривизны спирального сопла Лаваля, сепарационное устройство выполнено в виде жестко соединенной с ротором трубы с конусностью 3 5 градусов, на широком конце которой установлен дроссель, и с поперечным сечением, имеющим вид витка спирали Архимеда, направление уменьшения радиуса кривизны которой совпадает с направлением уменьшения радиуса кривизны спирального сопла Лаваля, и установлено в полости ротора коаксиально его оси, при этом коническая поверхность широкого конца вихревой трубы и узкого конца сепарационного устройства имеют общую образующую, а изменение радиуса кривизны поперечного сечения сепаратора составляет не более сотой доли величины ее радиуса на радиан.

Инжектирующий узел и корпус соединены трубопроводом непосредственно с нагревателем. Запуск турбины и ее функционирование в переходном режиме осуществляются с помощью холодильника (конденсатора), соединенного трубопроводами с диафрагмой инжектора через вентиль, а с нагревателем через гидравлический насос с обратным клапаном.

Суть изобретения поясняется чертежами. Принципиальная схема устройства приведена на фиг.1, где 1 инжектор вихревой трубы, представляющий собой спиральное сопло Лаваля, 2 коническая вихревая труба Ранка, 3 ротор, 4 - сепарационное устройство жестко связанная с ротором вихревая труба, 5 - дроссельная заслонка, регулирующая поступление рабочего вещества к соплам Сегнерова колеса, 6 корпус, в котором вращается ротор и куда поступает выходящая из сопл жидкость, 7 вал ротора, связанный с внешней нагрузкой, 8 - диафрагма вихревой трубы Ранка, сообщающаяся через трубу 9 и вентиль 10 с холодильником. Вентиль 10 необходимо открывать для пуска вихревой турбины. Он может быть использован, наряду с дросселем, для управления потоком рабочего вещества в системе. Сопло Лаваля 1 и коническая вихревая труба Ранка 2 образуют инжектирующее устройство турбины. На фиг.2 приведено сечение ротора и корпуса плоскостью, перпендикулярной оси вращения, где 11 сопло Сегнерова колеса, 12 продольная щель во вращающейся вихревой трубе. Уменьшение радиуса кривизны спирали Архимеда в сечении внутренней поверхности вращающейся вихревой трубы, а также размер щели, регулируемый дроссельной заслонкой, на чертежах утрированы. На фиг.3 приведено сечение инжектора вихревой трубы Ранка. Вентиль 10 связан трубопроводом с холодильником, а корпус ротора 6 непосредственно с нагревателем. Схема циркуляции рабочего вещества в системе приведена на фиг.4, где 13 холодильник (конденсатор), 14 гидравлический насос с обратным клапаном, 15 нагреватель.

Такую турбину естественно назвать вихревой турбиной.

В основе работы вихревой турбины лежит использование эффекта Ранка, заключающегося в том, что в вихревом газовом потоке устанавливается значительная разность температур между периферийной и приосевой областями, достигающая нескольких десятков градусов. При поступлении в вихревой поток газа с параметрами, близкими к параметрам насыщенного пара, происходит интенсивная конденсация пара в приосевой области и сосредоточение жидкой фазы на периферии вихревого потока под действием центробежных сил [2 4] Вихрь, в отличие от потока в трубе или турбине, представляет собой весьма устойчивое по отношению даже к значительным возмущениям гидродинамическое образование. Это открывает возможность передачи его энергии на внешнюю нагрузку без нарушения общей структуры вихря. Передача энергии вихря на внешнюю нагрузку, не приводящая к cущественному изменению характера течения рабочего вещества, способствует развитию процесса конденсации пара в вихре. Необходимость вывода из системы интенсивного акустического и инфракрасного излучения, сопровождающего сжижение газа в вихревом потоке [3] в этом случае отпадает.

При рассмотрении процесса преобразования тепла в работу с помощью потока рабочего вещества обычно принято считать, что теплообмен, а следовательно, и изменение удельной энтропии происходит практически лишь в нагревателе и холодильнике. Движение рабочего вещества в подводящих коммуникациях и насосе считается адиабатическим, а потому и изэнтропическим. Обычные турбины служат лишь для поглощения кинетической энергии потока, приобретаемой им в соплах Лаваля. Если пренебречь диссипацией, прохождение элемента массы через сопла лаваля и турбину также не меняет его энтропию. Диссипативные процессы могут лишь увеличить ее и тем самым снизить КПД.

Совершенно иную роль играет вихревая турбина. Находящийся в ней вихревой поток представляет собой сильно неравновесную открытую систему, поведение которой определяется не Н-теоремой Больцмана, а S-теоремой Климонтовича [5] и характеризуется высокой степенью самоорганизации. Роль управляющих параметров при этом играют давления на входе в турбину и на выходе из нее.

Прохождение рабочего вещества через вихревую турбину сопровождается интенсивым перемешиванием. Это перемешивание лишает смысла само представление об элементе массы рабочего вещества, циклически меняющего в ходе преобразования тепла в работу свои термодинамические характеристики. Хотя система преобразования тепла в работу функционирует в режиме замкнутой циркуляции, ни один элемент массы рабочего тела не претерпевает ациклического изменения своих термодинамических переменных ввиду интенсивного перемешивания рабочего вещества в вихревом потоке. При этом перемешиваются различные элементы массы, находящиеся в преобразователе, а сепарируется жидкая фаза, принадлежащая им всем. В ходе циркуляции неограниченно малая доля любого элемента массы неограниченно долго задерживается в вихревом потоке, перемешиваясь с поступающим в него паром, в составе которого находятся доли того же элемента массы, неоднократно прошедшие через преобразователь. Перемешивание обычно ассоциируется с ростом энтропии. Однако перемешивание в потоке различных порций рабочего вещества с одинаковыми термодинамическими характеристиками не изменяет удельную энтропию (парадокс Гиббса).

Термодинамически равновесное состояние вращающегося газового потока - изотермическое вращающееся образование с не зависящей от радиуса угловой скоростью, отсутствием радиальных потоков и радиальным распределением плотности, определяемым барометрической формулой для поля центробежных сил при температуре Т в сопутствующей системе координат [6,7] соответствует границе его конвективной устойчивости [4] Даже малые возмущения приводят к возникновению радиальных потоков. Движение пара к оси в область низких давлений сопровождается его охлаждением, пересыщением и образованием жидкой фазы, выпадающей дождем на поверхность вихревой трубы под действием центробежных сил. В результате, несмотря на интенсивные процессы перемешивания в вихревом потоке, устанавливается значительный радиальный температурный градиент. Именно в этом и заключается физическая природа эффекта Ранка.

Процессы в вихревом потоке сродни процессам в земной атмосфере. Роль силы тяжести играют центробежные силы в потоке. Как это будет видно из примера конкретного выполнения, центробежные силы превосходят силу тяжести на поверхности Земли на 5 6 порядков величины. Соответственно характерный масштаб процессов, составляющий в условиях земной атмосферы 1км, в вихревом потоке составляет 1 мм. Этот масштаб может быть уменьшен добавлением в поток тяжелого газа (напр. ксенона), обладающим к тому же максимальным показателем адиабаты, что, в свою очередь, способствует интенсификации процессов, обусловенных эффектом ранка.

В вихревом потоке создается типичная синергетическая ситуация: радиальная конвекция приводит к возникновению радиального температурного градиента, способствующего, в свою очередь, усилению радиальной конвекции, отклонение от термодинамически равновесного состояния вращающегося газа усиливается, и развивается процесс самоорганизации потока. Высокая степень неравновесности рабочего вещества, строго говоря, не дает возможности его описания с помощью обычных термодинамических представлений и характеристик. Тем не менее, их использование может оказаться полезным для наглядного качественного описания процессов.

Конденсация пара в вихревом потоке является непосредственным экспериментальным свидетельством интенсивных процессов самоорганизации рабочего вещества. В результате самоорганизации при прохождении вихревой турбины удельная энтропия рабочего вещества уменьшается. Самоорганизация и соответствующее уменьшение энтропии способствуют увеличению КПД преобразования тепла в работу. Более того, для процессов преобразования тепла в работу, сопровождаемых самоорганизацией, КПД цикла Карно не является предельным. Действительно, если из нагревателя в систему преобразования тепла в работу поступает тепловой поток Q₁, а из системы в холодильник Q₂, баланс энтропии для стационарного процесса имеет вид:



где Т₁ температура нагревателя, Т₂ температура холодильника, S -производство энтропии в системе за единицу времени. В силу закона сохранения энергии

Q₁ Q₂ W, (2)

где W мощность преобразователя.

Эффективность преобразования тепла в работу обычно характеризуется КПД, равным:



Принято считать, что производство энтропии всегда положительно и именно поэтому КПД цикла Карно _c 1 Т₂ / Т₁ достигается лишь в случае обратимого процесса преобразования, когда S О. И это действительно так, если отсутствуют процессы самоорганизации. Но сам факт охлаждения и конденсации при прохождении вихревой трубы значительной доли пара, измеряемой десятками процентов [4] свидетельствует не только о развивающихся в системе процессах самоорганизации, но и о том, что обусловленное ими уменьшение энтропии превышает ее рост вследствие диссипативных процессов. В области давлений и температур, значительно меньших критических, теплота фазового перехода в расчете на одну молекулу q значительно, как правило на порядок, превосходит тепловую энергию газа (q>T, постоянная Больцмана принята равной единице). Поступающее из нагревателя тепло в таком случае расходуется почти исключительно на испарение. При конденсации каждой молекулы в равновесных условиях при температуре Т энтропия уменьшается на величину, равную q/T [7] Скорость уменьшения энтропии вследствие конденсации составит величину Q₁/T, где доля рабочего вещества, сконденсировавшегося в преобразователе. В этих условиях изменения температуры при циркуляции рабочего вещества в замкнутом контуре преобразователя существенной роли не играют, особенно если учесть, что энтропия как газа, так и жидкости зависит от температуры логарифмически и изменение энтропии в основном определяется процессами испарения и конденсации. Поэтому зависимостью теплоты фазового перехода и энтропии от температуры можно пренебречь. В результате



Пренебрегая неравновесностью конденсации в потоке, а также производством энтропии в диссипативных процессах и различием Т₁, Т₂ и Т, имеем В этом приближении КПД определяется исключительно степенью конденсации пара в вихревом потоке.

Даже в отсутствие эффективного разделения фаз и баланса между скоростью конденсации пара и его поступлением в вихревую трубу Ранка с открытой диафрагмой q достигает 80% причем из диафрагмы выходит переохлажденный пар с температурой, значительно меньшей, чем температура образующейся жидкости [3] При работе турбины в стационарном режиме газовая фаза не может покидать турбину. Стационарный режим достигается в результате совпадения скорости поступления рабочего вещества в вихревую турбину со скоростью его конденсации и вывода жидкой фазы через сопла Сегнерова колеса. Но это не значит, что КПД турбины в этих условиях достигает 1O0%

Стационарном режиме, в отличие от обычных турбин, вихревую турбину покидает не мятый пар низкого давления, а перегретая жидкость. Давление жидкой фазы, обусловленное центробежными силами, достигает вблизи сопл Сегнерова колеса сотен атмосфер, а температура соответствует температуре кипения на поверхности раздела фаз. Кроме того, прохождение жидкости через сопла сопровождается парообразованием вследствие трения. Поэтому, хотя газовая фаза и не имеет доступа к соплам сегнерова колеса, на выходе из них образуется двухфазная система и полного поглощения энергии поступившего из нагревателя рабочего вещества внешней нагрузкой не происходит.

Но, несмотря на неполное преобразование в работу энергии поступающего в вихревую турбину рабочего вещества, включая теплоту его фазового перехода, в системе преобразования тепла в работу в целом тепло полностью переходит в работу. Необходимо подчеркнуть, что широко распространенное мнение о неполном преобразовании тепла в работу тепловыми машинами ошибочно. В этом отношении преобразователи тепла в работу кардинально отличаются от различного рода механических передач, а также от преобразователей энергии механического движения в электрическую или электроэнергии в энергию механического движения, для которых КПД всегда меньше единицы. В силу закона сохранения энергии любая тепловая машина полностью преобразует тепло в работу, но тепло, поглощенное холодильником, принято считать "бросовым". В некоторых случаях проблемой является не нагрев, а охлаждение, так что это "бросовое" тепло становится "вредным", а иногда это "бросовое" тепло может быть использовано для целей, куда более важных, чем производство работы, например, в теплофикационных системах. Поэтому общепринятое определение КПД преобразования тепла в работу [3] не более, чем условность. При использовании в качестве преобразователя тепла в работу вихревой турбины образующуюся по выходе из сопл Сегнерова колеса паражидкостную смесь можно непосредственно направлять в нагреватель, т. к. давление в корпусе должно быть лишь значительно меньше давления на входе в сопла Сегнерова колеса, достигающего сотен атмосфер. Для испарения этого перегретого рабочего вещества необходимо затратить меньшее количество тепла, чем для испарения рабочего вещества, поступившего из холодильника.

Передача энергии и крутящего момента на внешнюю нагрузку происходит как вследствие истечения жидкой фазы из сопл Сегнерова колеса, так и в результате взаимодействия вихревого потока с неосесимметричной внутренней поверхностью сепарационного устройства в виде вихревой трубы ротора. Если не учитывать силы трения, вихревой поток в осесимметричной трубе практически не может передать ей крутящий момент. Обеспечить взаимодействие вихревого потока с вращающейся сепарирующей трубой и передачу ей крутящего момента можно было бы с помощью продольных ребер. Но установка таких ребер привела бы к существенному нарушению структуры вихря. Поэтому в качестве элемента, обеспечивающего как передачу крутящего момента, так и сохранение структуры вихря, принято плавное изменение радиуса кривизны сечения вращающейся сепарирующей трубы и придание ей формы спирали (например, спирали Архимеда). Для обеспечения сохранения структуры вихревого потока уменьшение радиуса кривизны спирали Архимеда должно быть по возможности минимальным и не превышать величину одной сотой доли радиуса на радиан.

Вращающаяся сепарирующая труба соосна вихревой трубе Ранка и непосредственно сообщается с ней, причем диаметр трубы Ранка на ее выходе практически равен диаметру вращающейся сепарирующей трубы на ее входе. Ширина щели продольного разреза вращающейся трубы примерно равна величине скачка радиуса кривизны спирали Архимеда и составляет шесть сотых долей радиуса кривизны. Вращающаяся вихревая труба, как и труба Ранка, имеет небольшую конусность (3 5 градусов). Расширение вращающейся сепарирующей трубы в направлении от инжектора обеспечивает поступление сконденсировавшейся в вихревом потоке жидкой фазы к дроссельной заслонке. Дроссельная заслонка регулирует выход жидкой фазы в полость ротора, а щель продольного разреза играет роль эжектора газовой фазы из области ротора между трубой и соплами. В отличие от обычной трубы Ранка ширина щели между дроссельной заслонкой и вращающейся сепарирующей трубой в процессе установления рабочего режима и стационарной работы турбины остается неизменной (хотя, в принципе, возможна установка механизма для изменения ширины щели при вращении ротора), а распределение потока рабочего вещества между диафрагмой и щелью осуществляется с помощью вентиля 10. Поэтому на фиг.1 дроссельная заслонка обозначена как единое целое с ротором.

При запуске турбины практически весь поток рабочего вещества должен проходить через трубу 9 и вентиль 10. Это определяет условия, накладываемые на сечение трубы, и пропускную способность вентиля, а также на характеристики холодильника 13 и гидравлического насоса 14. При давлении в холодильнике более чем на порядок меньшем, чем в нагревателе, площадь сечения трубы 9 должна в то же, или большее, число раз превышать площадь критического сечения сопла Лаваля инжектора. Площадь проходного сечения вентиля 10 при его полном раскрытии должна быть не менее сечения трубы 9. Холодопроизводительность холодильника 13 должна быть не меньше мощности нагревателя 15, а гидравлический насос 14 должен обеспечивать производительность, превышающую максимальную скорость испарения жидкой фазы при максимальной мощности нагревателя и максимальном перепаде давлений между нагревателем и холодильником.

Рабочим веществом может быть любое вещество, обладающее сравнительно широкой областью существования жидкой фазы (вода, спирт, аммиак, азот и т.п. ).

Вблизи сопл заполняющая полость ротора жидкость создает под действием центробежных сил давление

где R_о расстояние от оси вращения ротора до сопла, R расстояние от оси вращения до поверхности раздела фаз, угловая скорость вращения ротора, r плотность жидкости (жидкость считается несжимаемой).

Скорость истечения жидкой фазы из сопл Сегнерова колеса определяется из уравнения Бернулли [9] v₂/2 + w const, где v скорость, w = + p/ - удельная энтальпия, e удельная внутренняя энергия, р давление. Для несжимаемой жидкости e не зависит от давления. Скорость жидкости, заполняющей полость ротора, в связанной с ротором вращающейся системе координат практически равна нулю. Давление Р_с как это будет видно из примера конкретного выполнения, значительно превышает давление пара не только в холодильнике, но и в нагревателе. Поэтому жидкость вытекает со скоростью:



При R << R₀ эта скорость примерно равна линейной скорости движения сопл в неподвижной системе координат, так что в этой системе скорость вытекающей из сопл Сегнерова колеса жидкости невелика.

Вытекающая из сопл ротора жидкость передает на внешнюю нагрузку крутящий момент



где dm/dt масса рабочего вещества, проходящего через вихревую турбину за единицу времени. При R_о >> R



Соответственно, инжектируемый в систему пар передает вихревому потоку крутящий момент



где r_о радиус трубы Ранка вблизи сопла Лаваля, V_in - скорость пара на выходе из сопла Лаваля, угловая скорость вращения потока. Лишь часть этого крутящего момента передается на внешнюю нагрузку в результате взаимодействия вихревого потока с неосесимметричной вращающейся сепарирующей трубой, но при W передаваемая на внешнюю нагрузку часть М₂ не зависит от W При R_о > r_о в стационарном режиме, даже если выполнено сильное неравенство W M₂<М<SUB>1

Мощность преобразователя складывается из мощности, обусловленной вытекающей из сопл Сегнерова колеса жидкостью и мощности, передаваемой на внешнюю нагрузку вихревым потоком. Мощность, развиваемая истечением жидкости из сопл Сегнерова колеса, пропорциональна ², а мощность, передаваемая вихревым потоком, пропорциональна W. Ввиду различной зависимости вклада в развиваемую турбиной мощность со стороны Сегнерова колеса и со стороны неосесимметричной вращающейся сепарирующей трубы от W при пуске основная мощность развивается сепарирующей трубой, а в стационарном режиме Сегнеровым колесом. Даже если инжектируемый в систему пар полностью передает свой крутящий момент на внешнюю нагрузку, в стационарном режиме его вкладом в мощность турбины можно пренебречь:



Предельные значения определяются прочностными характеристиками материала ротора.

Для оценки параметров системы можно пренебречь затратой энергии на нагрев рабочего вещества и считать, что вся поглощаемая в нагревателе энергия идет на испарение, а затем полностью переходит в работу. В этом приближении

где q_о удельная теплота испарения.

В стационарных условиях эта мощность равна мощности вихревой турбины, а следовательно,



Таким образом, произведение радиуса Сегнерова колеса на угловую скорость вращения ротора не зависит от развиваемой мощности, а определяется только удельной теплотой испарения рабочего вещества. Мощность турбины пропорциональна расходу рабочего вещества, причем увеличение этого расхода, обусловленное увеличением температуры нагревателя и соответствующим ростом давления Р_v, направляемого в турбину пара, сопровождается не увеличением угловой скорости вращения ротора, а ростом крутящего момента.

Приведенные оценки не зависят от параметров трубы Ранка и вращающейся сепарирующей трубы. Эти параметры могут быть определены из других соображений.

Если пренебречь трением и конусностью трубы Ранка и вращающейся сепарирующей трубы, сепарирующая труба ротора создает крутящий момент:



где L длина сепарирующей трубы ротора, r скачок радиуса кривизны трубы на щели. Отсюда



Согласно экспериментальным данным [4] расход рабочего вещества, проходящего через трубу Ранка, практически пропорционален давлению P_v а скорость инжекции V_in мало зависит от давления и близка к тепловой скорости молекул пара в нагревателе (скорости звука).

Для работы вихревой турбины в стационарных условиях необходимо обеспечить равенство скоростей поступления рабочего вещества через сопло Лаваля, его конденсации и выхода через сопла Сегнерова колеса. Процесс конденсации происходит в объеме вихревого потока, и его производительность пропорциональна суммарной длине трубы Ранка L_o и вращающейся сепарирующей трубы L. Производительность конденсации на единицу длины сепарирующей трубы J можно оценить из экспериментальных данных, относящихся к конденсации пара в вихревой трубе Ранка в аналогичных условиях [3]



где _o доля рабочего вещества, сконденсировавшегося в вихревой трубе Ранка в условиях, аналогичных условиям работы вихревой турбины. Минимальная длина вращающейся сепарирующей трубы L_min определяется из условия:



Следовательно:



В реальных условиях эта оценка может оказаться завышенной, т.к. условия конденсации пара в неподвижной трубе Ранка гораздо более затруднены, чем во вращающейся неосесимметричной сепарирующей трубе ротора.

При увеличении L процесс конденсации усиливается, средняя плотность рабочего вещества в вихревой турбине уменьшается, что приводит к росту поступления массы при неизменном давлении на входе в сопло Лаваля. Соответственно увеличивается и мощность турбины. В любом случае должно выполняться условие L > L_min причем, чем больше L, тем меньше должно быть, в соответствии с (14) r,, а следовательно, тем меньшим возмущениям подвергается вихревой поток.

Физические процессы, определяющие работу вихревой турбины в стационарном режиме, существенно отличаются от процессов, обеспечивающих ее пуск. Основные параметры системы должны определяться из условий обеспечения ее функционирования в стационарном режиме. В частности, это относится к размерам конструктивных частей системы, в особенности отверстий сопл ротора, определяющих их пропускную способность. В стационарном режиме, как это будет видно из примеров конкретного выполнения, через сопла проходит жидкость под давлением в сотни атмосфер. В начале пускового режима эти условия заведомо не выполняются и даже для самого создания вихревого потока необходимо обеспечить вывод рабочего вещества через диафрагму непосредственно к холодильнику. По мереувеличения скорости вращения ротора и накопления слоя жидкости h R_o R гидростатическое давление в районе сопл возрастает, что приводит к соответствующему увеличению определяемой формулой (6) скорости вывода рабочего вещества через сопла, а следовательно, и к возможности уменьшения его вывода через диафрагму непосредственно в холодильник. При R<R<SUB>o

Для обеспечения пуска системы температура холодильника Т₂, естественно, должна быть меньше температуры нагревателя Т₁. По мере увеличения выхода жидкой фазы через сопла Сегнерова колеса газовый поток через диафрагму уменьшается и вентиль 10 можно постепенно закрывать. При исследовании вихревой трубы Ранка в некоторых режимах наблюдалось даже обращение потока через диафрагму она играла роль эжектора. Поэтому перекрытие вентиля 10 не исключает функционирования преобразователя. По достижении стационарного режима работы турбины весь поток рабочего вещества проходит через сопла ротора (вентиль 10 закрыт).

Не останавливаясь на пуске вихревой турбины и переходных процессах, рассмотрим ее функционирование в стационарном режиме. Образованный в нагревателе пар поступает в инжектор вихревой трубы Ранка, представляющий собой спиральное сопло Лаваля 1. Давление пара на выходе из сопла Лаваля значительно меньше давления на входе, так что при движении пара в сопле Лаваля происходит его ускорение до скоростей порядка тепловой скорости на входе и интенсивное охлаждение в сопутствующей системе координат. В результате в коническую вихревую трубу Ранка 2 поступает высокоскоростной поток переохлажденного и частично сконденсировавшегося пара, образующего в ней вихрь, вращающийся с высокой угловой скоростью w. В этом вихре происходит интенсивное перемешивание рабочего вещества. Вихревой поток поступает во вращающуюся с угловой скоростью W сепарирующую трубу 4, где в результате взаимодействия с ее неосесимметричной внутренней поверхностью часть энергии вихря передается на внешнюю нагрузку. Структура вихря при переходе из вихревой трубы Ранка во вращающуюся сепарирующую трубу существенно не меняется. Конвекция пара и его охлаждение в вихревом потоке приводят к его дальнейшей конденсации, а образующаяся жидкая фаза под действием центробежных сил в вихре выпадает "дождем" на поверхность вихревой трубы Ранка, а также вращающейся сепарирующей трубы и стекает в направлении их расширения к дроссельной заслонке 5, через которую направляется в полость ротора 3 и поступает к соплам Сегнерова колеса 11. Значительное гидравлическое сопротивление сопл приводит к накоплению слоя жидкости в полости ротора. В стационарном режиме масса поступившего через сопла Лаваля рабочего вещества равна массе прошедшей через сопла Сегнерова колеса жидкости. Давление в корпусе 6 значительно меньше давления жидкости на входе в сопла Сегнерова колеса, но больше давления в нагревателе, так что вышедшая из сопл парожидкостная смесь может быть непосредственно направлена в нагреватель.

Кардинальным отличием системы преобразования тепла в работу, использующей вихревую турбину, от всех других систем, предназначенных для этой цели, является введение в нее элемента, в котором происходит самоорганизация рабочего вещества. Для остальных элементов системы преобразования тепла в работу, как и для обычных систем, характерны процессы диссипации. Превалирование самоорганизации над диссипацией, обеспечиваемое вихревой турбиной, и приводит к преобразованию тепла в работу в стационарном режиме без применения холодильника.

В основе предлагаемого технического решения лежит осуществление адиабатического расширения двухфазной системы, сепарации фаз и производства работы непосредственно в преобразователе. Для проведения этих процессов применяется вихревая турбина. Предложение использовать вращающуюся вихревую трубу с внутренним сечением в виде витка спирали Архимеда для передачи энергии вихревого потока на внешнюю нагрузку является принципиально новым. Впервые предложено применить в вихревом аппарате вместо неподвижного дросселя ротор типа Сегнерова колеса и использовать его для производства работы.

В обычных турбинах преобразование тепла в работу, точнее в кинетическую энергию потока пара происходит в сопле Лаваля, а турбинные лопатки служат лишь для более или менее эффективной передачи этой энергии на внешнюю нагрузку. В вихревой турбине, как и в обычной, в сопле Лаваля инжектора вихревой трубы Ранка внутренняя энергия пара преобразуется в кинетическую энергию высокоскоростного потока, состоящего из переохлажденного и частично сконденсировавшегося пара. В вихревом потоке конденсация лишь завершается и сопровождается эффективным процессом разделения фаз.

Решающим является использование в системе преобразования тепла в работу элемента, не только производящего работу, но и осуществляющего интенсивный процесс самоорганизации рабочего вещества в открытой системе. Самоорганизация потока пара обусловлена его конденсацией вследствие сил молекулярного взаимодействия. Ее предпосылкой является охлаждение пара, начинающееся при прохождении сопла Лаваля. Инжекция пара в вихревую трубу Ранка не сопровождается его торможением, как это происходит при направлении потока пара на турбинные лопатки обычной турбины, а лишь изменяет направление скорости пара. Инжектируемый пар в конической трубе Ранка не задерживается вблизи инжектора и в первую очередь заполняет участки с максимальным радиусом. Под действием интенсивных центробежных сил пар сосредоточивается тонким слоем в наиболее широкой части вращающейся сепарирующей трубы, не оказывая существенного влияния на давление вблизи инжектора. Образующаяся в результате эффекта Ранка жидкая фаза под действием центробежных сил направляется к дросселю и поступает в полость ротора, заполняя которую создает высокое гидростатическое давление вблизи сопл Сегнерова колеса.

Во всех обычных термодинамических циклах движение рабочего вещества при производстве работы происходит в направлении уменьшения давления, которое совпадает с направлением уменьшения термодинамического потенциала. Для повышения давления в рабочем веществе с помощью соответствующего насоса работа расходуется. В случае вихревой турбины давление, под которым жидкость выходит из сопл, значительно превосходит давление пара в нагревателе, а следовательно, и на входе в сопло Лаваля вихревой трубы Ранка. По существу вихревая турбина в стационарном режиме совмещает в себе функции преобразователя тепла в работу, холодильника и гидравлического насоса. Никаких дополнительных устройств для повышения давления рабочего вещества при работе вихревой турбины в стационарном режиме не требуется. Они необходимы лишь для обеспечения пуска турбины.

Движение рабочего вещества в направлении уменьшения давления происходит лишь в сопле Лаваля. При поступлении пара в вихревую трубу Ранка и его дальнейшем движении в вихревой турбине решающую роль играют центробежные силы, приводящие к тому, что направление уменьшения давления становится противоположным направлению уменьшения термодинамического потенциала. И хотя к движению рабочего вещества в вихревом потоке термодинамические категории неприменимы, заполняющая полость ротора жидкость практически неподвижна в системе координат, жестко связанной с ротором, и для анализа движения рабочего вещества в полости ротора могут быть использованы известные положения термодинамики вращающихся тел [7] Рабочее вещество движется не в направлении уменьшения давления, а в направлении уменьшения химического потенциала, =_o(P,T)-m²r²/2, где _o(P,T) химический потенциал покоящегося тела, m масса молекулы, причем основным определяющим фактором является зависимость химического потенциала от радиуса и угловой скорости вращения вихревой турбины. Еще более значительна роль центробежных сил в вихревом потоке. По выходе рабочего вещества из сопл Сегнерова колеса влияние центробежных сил прекращается и его дальнейшее движение к нагревателю происходит в направлении уменьшения давления. Такое поведение термодинамического потенциала и обусловливает функционирование системы.

В качестве примера конкретного выполнения вихревой турбины и оценки ее параметров рассмотрим систему, имеющую размеры, близкие к размерам сравнительно подробно исследованного вихревого охладителя [3] При площади сечения входного канала инжектора, примерно равной 1см², диаметре трубы Ранка 2r_o3 cm, ее длине L_o=20 cm пары азота под давлением 10 - 25 атм проходят через охладитель в количестве 200 500 г/с. При плотности пара 0,01 0,025 г/м³ это соответствует скорости пара на входе в сопло Лаваля Согласно (11), принимая во внимание теплоту испарения азота 10⁵ Дж/кг [9] мощность преобразователя составит 20 50 кВт.

При приведенных выше параметрах трубы Ранка и открытой диафрагме в трубе Ранка конденсируется до 80% потока В соответствии с (17) минимальная длина вращающейся сепарирующей трубы а согласно (14) . Так что даже при минимальной длине вращающейся сепарирующей трубы . При и возмущением вихревого потока, обусловленным неосесимметричностью вращающейся сепарирующей трубы, заведомо можно пренебречь.

Полагая в соответствии с (12) имеем При R<R<SUB>o что подтверждает допущения, сделанные при определении скорости вытекания жидкости из сопл. В соответствии с (6) скорость истечения жидкой фазы составит 300 м/с, т.е. практически совпадает со скоростью инжекции. Поскольку, однако, плотность вытекающей жидкости на два порядка превосходит плотность инжектируемого пара, для обеспечения баланса поступления и выхода рабочего вещества в системе суммарная площадь сечений выходных отверстий сопл Сегнерова колеса должна быть на два порядка меньше площади сечения входного канала инжектора, т.е. составлять величину порядка 1 мм². Даже если пренебречь ускорением потока пара в сопле Лаваля, > 10⁴ с^-1. Тем самым оправдывается принятое при определении параметров системы неравенство . Конусность трубы Ранка и вращающейся сепарирующей трубы, равная 5 градусам, не сказывается на энергетических характеристиках турбины. Она существенна лишь для обеспечения движения потока жидкой фазы к дросселю.

Поскольку при запуске турбины поток рабочего вещества практически полностью проходит через холодильник 13, его холодопроизводительность должна быть не меньше 50 кВт. Пропускная способность трубопровода 9, соединяющего диафрагму инжектора с холодильником, должна обеспечивать свободное прохождение этого потока при давлениях пара порядка и ниже атмосферного. Это условие заведомо будет выполнено, если площадь сечения трубопровода на два порядка превысит площадь критического сечения сопла Лаваля, т.е. радиус трубы 9 должен быть равен 5 7 см. Проходное сечение вентиля 10 при его полном раскрытии должно быть 25 50 см² Гидравлический насос 14 должен обеспечивать производительность 500 г/с при перепаде давления 25 атм.

Таким образом, в примере конкретного выполнения соблюдены все приближения, сделанные при анализе конструкции и работы турбины.

В принятом приближении даже при открытых диафрагме и вентиле определяемое (3) КПД преобразования тепла в работу составляет 80% По мере уменьшения доли газового потока через вентиль 10 кпд увеличивается, и при полностью закрытом вентиле достигает 100% Но это не значит, что и кпд преобразования в работу энергии рабочего вещества, выходящего из нагревателя, равен 100% Так было бы лишь в том случае, если бы истечение жидкой фазы из сопл Сегнерова колеса не сопровождалось парообразованием. Это, однако, никак не сказывается на преобразовании тепла в работу, подобно тому как в случае даже самых малоэффективных согласно определению (3) обычных тепловых машин никаких потерь тепла при преобразовании его в работу не происходит оно попросту поступает в холодильник, в качестве которого может выступать и окружающая среда. Поскольку давление на входе в сопла Сегнерова колеса при работе вихревой турбины в стационарном режиме более чем на порядок превышает давление пара в нагревателе, парожидкостная смесь может поступать в нагреватель, минуя холодильник и гидравлический насос, обеспечивающие запуск системы. Циркуляция рабочего вещества в стационарном режиме обусловлена зависимостью химпотенциала в вихревой турбине от радиуса и угловой скорости ее вращения.