способ энергоразделения потока газа

Формула изобретения

1. Способ энергоразделения потока газа путем закрутки потока относительно продольной оси с образованием турбулентности, которая передает теплоту от приосевых слоев потока к периферийным, и последующего отвода периферийных слоев потока в тракт горячего газа, а приосевых - в тракт холодного газа, отличающийся тем, что периферийные слои закрученного в рабочей камере потока периодически многократно подвергаются охлаждению (отводу теплоты) и нагреванию (подводу теплоты) с помощью внешних охладителей и нагревателей, поочередно расположенных на периферийной стенке рабочей камеры.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в рабочей камере создается последовательность вихрей (вихревая дорожка Кармана) с помощью насадки, расположенной на патрубке выхода холодного потока, наружным диаметром (0,65...0,85)·D, где D - внутренний диаметр рабочей камеры.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к теплофизике, газодинамике, энергетике и касается способа энергоразделения потока газа с помощью вихревой закрутки.

Изобретение может быть применено в различных энергетических системах - в стационарных и транспортных энергетических установках, в системах отопления, охлаждения и кондиционирования, на газораспределительных станциях, в доменном производстве и др.

Известен способ энергоразделения газового потока путем его закрутки относительно продольной оси с образованием турбулентности, которая передает теплоту от приосевых слоев потока к периферийным, и последующего отвода периферийных слоев потока в тракт горячего газа, а приосевых - в тракт холодного газа (см. книгу Меркулов А.П. Вихревой эффект и его применение в технике. М.: Машиностроение, 1969. - 184 с.).

Недостатком этого способа является низкая эффективность энергоразделения, обусловленная недостаточно большой разностью температур между горячим и холодным газами и высокими газодинамическими потерями потока.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности является способ энергоразделения газового потока путем тангенциального ввода газа, разделения его на приосевой и периферийный потоки и дополнительного подогрева газа в горячей части вихревой трубы (см. описание заявки на изобретение RU 2001105128/06 от 21.02.2001, 10.02.2003).

Недостатками этого способа являются недостаточно высокая эффективность энергоразделения, обусловленная небольшой разностью температур между горячим и холодным газами и высокими газодинамическими потерями потока.

Цель изобретения - повышение эффективности энергоразделения за счет увеличения разности температур между горячим и холодным потоками газа и снижения газодинамических потерь потока.

Цель достигается способом энергоразделения потока газа путем закрутки потока относительно продольной оси с образованием турбулентности, которая передает теплоту от приосевых слоев потока к периферийным, и последующего отвода периферийных слоев потока в тракт горячего газа, а приосевых - в тракт холодного газа, причем периферийные слои закрученного в рабочей камере потока периодически многократно подвергаются охлаждению (отводу теплоты) и нагреванию (подводу теплоты) с помощью внешних охладителей и нагревателей, поочередно расположенных на периферийной стенке рабочей камеры. В рабочей камере создается последовательность вихрей (вихревая дорожка Кармана) с помощью насадки, расположенной на патрубке выхода холодного потока, наружным диаметром (0,65...0,85)·D где D - внутренний диаметр рабочей камеры.

На фиг.1 представлен вариант устройства для осуществления предлагаемого способа (вихревая камера); на фиг.2 - схема течения исходного, горячего и холодного потоков газа; на фиг.3 - изменения температуры частиц газа в медленно- и быстропротекающих тепловых процессах; на фиг.4 - изменения температуры частиц газа при периодическом многократном ее охлаждении и нагревании внешними средами; на фиг.5 - результаты исследований влияния наружного диаметра насадки на газодинамическое сопротивление вихревой камеры.

Один из вариантов устройства, в котором может быть осуществлен предлагаемый способ (фиг.1), состоит из тангенциального или улиточного входного патрубка 1, цилиндрической рабочей камеры, состоящей из холодных 2 и горячих 3 участков, выходного патрубка горячего газа 4, дросселя 5, выходного патрубка холодного газа 6 и насадки 7.

Способ осуществляется следующим образом.

Исходный поток газа 8 (фиг.2) подается в рабочую камеру, где закручивается с помощью входного тангенциального или улиточного патрубка 1. Под действием возникающей в потоке турбулентности частицы газа пульсируют. Пульсации в радиальном направлении являются причиной адиабатных изменений температуры частиц [1]. При достаточно интенсивных и регулярных пульсациях в результате теплообмена частиц друг с другом возникает резонанс колебаний их температуры, в результате чего температура осевых слоев газа понижается, а периферийных (пристенных) повышается. Для увеличения амплитуды температурных колебаний частиц, способствующего увеличению разности температур между горячим и холодным потоками после энергоразделения, осуществляется периодическое многократное охлаждение (отвод 9 теплоты Q_охл) и нагревание (подвод 10 теплоты Q_нагр) периферийных слоев газа с помощью холодных 2 (температура Т _х) и горячих 3 (температура Т_г) участков боковой цилиндрической стенки рабочей камеры. После энергоразделения горячий 11 и холодный 12 потоки газа отводятся соответственно через дроссель 5, патрубок 4 и патрубок 6. Генерируемая с помощью насадки 7 последовательность вихрей 13 (вихревая дорожка Кармана [2]) способствует упорядочиванию турбулентности, что, в свою очередь, создает благоприятные условия для увеличения амплитуды температурных колебаний в частицах и снижения газодинамических потерь в вихревой камере.

Математически процесс переноса теплоты в теле с постоянными теплофизическими свойствами описывается дифференциальным уравнением теплопроводности [3]

где Т - температура, К; - время, с; _г - время релаксации, с; r - текущий радиус тела, м; R - наружный радиус тела, м; а= /( с) - температуропроводность тела, м² /с; - теплопроводность тела, Вт/(м·К); - плотность, кг/м³; с - удельная теплоемкость, Дж/(кг·К); =0, 1, 2 - для пластины, цилиндра, шара.

В медленнопротекающих процессах временем релаксации пренебрегают ( _r 0) и в этом случае при ступенчатом изменении температуры окружающей среды от Т₀ до Т _f (см. фиг.3) температура тела изменяется по экспоненциальному закону (пунктирная линия) [4]. В быстропротекающих процессах временем релаксации пренебрегать нельзя ( _r>0) и температура тела в тех же условиях изменяется в виде затухающих колебаний (сплошная линия).

Колебательный характер температуры при достаточно быстром периодичном многократном воздействии холодных и горячих зон окружающей среды на рассматриваемую частицу приводит к возникновению резонанса колебаний температуры рассматриваемой частицы. При резонансе амплитуда температуры частицы может превосходить разность температур горячих и холодных внешних зон. Это свойство резонансных явлений и используется в предлагаемом способе.

Для иллюстрации такой возможности рассмотрим модельную задачу: шарообразная частица ( =2) радиуса R циклически (периодически) многократно взаимодействует с холодной и горячей зонами, имеющими температуры T _х и T_г. Изменения температуры частицы находятся из решения уравнения (1) при следующих условиях однозначности:

Здесь _п - длительность одного периода, с; j=1, 2 - номер периода; и - средние по объему частицы температуры в моменты времени = _п и =0 в j-м периоде, К; T_f,j - температура внешней среды в j-м периоде (Т_f,1=T _х, T_f,2=T_г), К; - коэффициент теплообмена частицы с окружающей средой (зоной), Вт/(м²·К); Bi= R/ - число Био.

Результаты расчетов изменений средней температуры шарообразной частицы во времени при Bi=1; Fo _{r п}/R²=10 и относительной длительности периода _п/ _r=1 показаны на графике, изображенном на фиг.4. Из графика следует, что при определенных условиях периодического многократного теплообмена частицы с холодной и горячей зонами возникает тепловой резонанс, при котором амплитуда температуры частицы превосходит разность температур между этими зонами.

Полученная картина изменений во времени температуры частицы при периодическом многократном ее теплообмене с холодными и горячими зонами качественно объясняет механизм энергоразделения в закрученном турбулентном потоке. Он состоит в следующем. Возникающая при закрутке потока турбулентность вызывает пульсации отдельных частиц, которые перемещаются по потоку, как в осевом, так и в радиальном направлениях. При перемещении от периферийной области ближе к оси потока из-за снижения давления и адиабатного расширения газа температура частиц понижается, при перемещении ближе к наружной стенке, наоборот, происходит сжатие газа и повышение температуры. Двигаясь в окружении других пульсирующих частиц, имеющих разные температуры, частица участвует в периодическом теплообмене с другими менее нагретыми (холодными) и более нагретыми (горячими) частицами (зонами). Благодаря высокой частоте и скорости пульсаций, соизмеримой со скоростью переноса теплоты, и периодическому характеру теплообмена рассматриваемой частицы с другими частицами, имеющими разные температуры, ее температура на определенных режимах течения, при которых возникает резонанс тепловых колебаний, будет изменяться согласно графику, показанному на фиг.4. При этом амплитуда температурных колебаний рассматриваемой частицы будет пропорциональна изменениям температуры окружающих частиц, обусловленным их адиабатным расширением и сжатием. Поэтому эффект энергоразделения с помощью закрученного потока зависит от амплитуды колебаний температуры частиц (разности температур между горячими и холодными частицами газа) и от степени неупорядоченности теплового воздействия на отдельные частицы со стороны других частиц потока, зависящей, в основном, от степени упорядоченности структуры турбулентности.

В известном способе энергоразделения амплитуда температуры частиц зависит, главным образом, от степени расширения потока, поскольку степень упорядоченности структуры турбулентности крайне низка.

В предлагаемом способе увеличение амплитуды температуры частиц достигается путем периодического многократного охлаждения (отвода теплоты) и нагревания (подвода теплоты) с помощью внешних охладителей и нагревателей, поочередно расположенных на периферийной боковой стенке рабочей камеры. Упорядочивание структуры турбулентности, способствующей дополнительному повышению амплитуды температурных колебаний отдельных частиц газа и, в конечном итоге, повышению разности температур между горячим и холодным потоками газа и снижению газодинамических потерь, достигается путем генерирования последовательности вихрей 13 (вихревая дорожка Кармана [2]) с помощью насадки 7.

Экспериментальные исследования, результаты которых показаны на фиг.5, позволили выявить оптимальное значение наружного диаметра d_н насадки 7, составляющее (0,65...0,85)·D, где D - внутренний диаметр рабочей камеры. Линии 14-19 соответствуют разным диаметрам патрубка 6.

Сопоставительный анализ с прототипом (заявка RU 2001105128/06 от 21.02.2001, 10.02.2003) показал, что заявляемый способ энергоразделения потока газа существенно отличается от известного способа многократным периодическим тепловым воздействием на периферийные слои потока с помощью последовательно расположенных чередующихся участков (зон) с низкой (T _х) и высокой (Т_г) температурами периферийной стенки рабочей камеры. Кроме того, для упорядочивания структуры турбулентности, способствующей дополнительному повышению амплитуды температурных колебаний отдельных частиц газа и, в конечном итоге, повышению разности температур между горячим и холодным потоками газа и снижению газодинамических потерь, генерируется последовательность вихрей 13 (вихревая дорожка Кармана [2]) с помощью насадки 7.

Указанные отличительные признаки являются существенными, так как каждый из них влияет на отдельные компоненты эффекта энергоразделения, а их совокупность позволяет получить требуемый технический результат.

Таким образом, заявляемый способ соответствуют критериям «новизна» и «изобретательский уровень».

Охлаждение участков стенки в устройстве, реализующем предлагаемый способ, возможно с помощью проточной воды, внешнего потока холодного газа, тепловых труб и другими способами; нагревание участков стенки - с помощью электрических нагревателей, горелок различного типа, тепловых труб и другими способами.

Использование предлагаемого способа энергоразделения потока газа позволит по сравнению с прототипом (заявка RU 2001105128/06 от 21.02.2001, 10.02.2003) повысить эффективность энергоразделения за счет увеличения разности температур между горячим и холодным потоками газа и снижения газодинамических потерь в устройстве, реализующем предлагаемый способ, что расширит область его применения.

Источники информации

1. Меркулов А.П. Вихревой эффект и его применение в технике. М.: Машиностроение, 1969. - 184 с.

2. Шлихтинг Г. Теория пограничного слоя. - М.: Наука, 1974. - 712 с.

3. Лыков А.В. Теория теплопроводности. - М.: Высшая школа, 1967. - 600 с.

4. Кирсанов Ю.А. Некоторые проблемы теории теплопроводности. // Известия РАН. Энергетика. 2005. №6. -С.51-58.