СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ВИХРЕВОГО ЭНЕРГОРАЗДЕЛЕНИЯ ПОТОКА РАБОЧЕГО ТЕЛА
METHOD AND DEVICE FOR VORTEX ENERGY DIVISION OF WORKING FLUID FLOW

Предлагаемое изобретение относится к области теплоэнергетики, транспорта и химической промышленности и может найти применение в системах теплоснабжения, теплоэнергетических установках и двигателях внутреннего сгорания, работающих на многокомпонентном однофазном, двухфазном или трехфазном топливе, устройствах смешения и разделения в химической промышленности.
Известен способ энергетического разделения сжатого газа, при котором осуществляют двухступенчатую закрутку и последующее вихревое расслоение на холодный и горячий потоки. Первую ступень закрутки осуществляют в плоскости, перпендикулярной плоскости вращения потока второй ступени. Для расширения пределов регулирования разделения направление окружной составляющей скорости на первой ступени закрутки выбирают противоположным направлению осевой составляющей холодного потока (см. SU 1539477 А1, 30.01.90).
Недостатками известного способа являются недостаточно высокий адиабатный КПД и недостаточное качество процессов смесеобразования в камере энергетического разделения, что значительно сужает область применения способа. Это обусловлено отсутствием генерации высокочастотных колебаний в ускоренном тангенциально вводимом потоке.
Известен также способ вихревого энергоразделения потока сжатого газа, описанный в патенте RU 2227878 С1, 2004.04.27. По этому способу на входе в тангенциальный сопловой ввод в потоке газа создают объемные колебания давления с частотой 8-32 кГц, осуществляют тангенциальный сопловой ввод потока, разделяют его на приосевой и периферийный потоки, вводят дополнительный закрученный поток газа в околоосевую зону, запитывают дополнительный поток газа от автономного внешнего источника энергии, подогревают его в теплообменнике периферийным потоком, задают его пульсирующим с частотой f=0,4-4,0 кГц, эжектируют им рециркулируемую часть периферийного потока, подогревают в теплообменнике периферийным потоком и согласуют его частоту колебаний, температуру и давление с частотой колебаний, температурой и давлением сжатого газа дополнительного потока.
Недостатками известного способа являются недостаточно высокий адиабатный КПД и недостаточно качественное разделение и смесеобразование в камере энергетического разделения, что сужает область применения способа. Это связано с отсутствием в тангенциально вводимом потоке низкочастотных колебаний давления, так как генерирование и ввод низкочастотных колебаний давления в приосевой поток осуществляют на участке, противоположном от тангенциального ввода потока высокого давления.
Из известных способов вихревого энергоразделения потока наиболее близким заявляемому является способ, описанный в патенте RU 2213914 С1, 2003.10.10. По этому способу на входе в тангенциальный сопловой ввод в потоке газа создают объемные колебания давления с частотой 4-20 кГц, осуществляют тангенциальный сопловой ввод потока, разделяют поток на приосевой и периферийный потоки, вводят от автономного внешнего источника дополнительный закрученный поток газа в околоосевую зону, задают дополнительный поток пульсирующим с частотой колебаний 0,2-2,0 кГц, эжектируют им рециркулируемую часть периферийного потока, подстраивают частоту объемных колебаний давления в потоке газа на входе в тангенциальный сопловой ввод с частотой колебаний дополнительного потока.
Недостатками известного способа также являются недостаточно высокий адиабатный КПД и недостаточно качественное разделение и смесеобразование в камере энергетического разделения, что снижает область применения способа.
Известно устройство для вихревого энергоразделения потока газа, описанное в патенте RU 2227878 С1, 2004.04.27. Оно содержит энергоразделительную камеру с многосопловым тангенциальным вводом сжатого газа, диафрагму вывода приосевого потока, диффузор вывода периферийного потока, трубу дополнительного ввода завихренного потока газа, развихритель, эжектор, блоки согласования, первый и второй теплообменники, пульсаторы входного и дополнительного потоков газа, датчики замера температуры и пульсаций потока. Первый теплообменник установлен на входе тангенциального соплового ввода, а эжектор - на оси энергоразделительной камеры со стороны диффузора, пульсатор расхода и второй теплообменник закреплены на трубе дополнительного ввода потока газа, которая заканчивается рабочим соплом эжектора, камера смешения которого выполнена в виде патрубка, установленного коаксиально перед развихрителем, а блоки согласования функционально связаны с одной стороны с датчиками замера регулируемых параметров потоков, а с другой - с исполнительными механизмами. На входе в вихревой энергоразделитель установлены многопозиционный переключатель последовательности включения в работу сопел тангенциального ввода газа и механизм изменения площади проходного сечения многосоплового тангенциального ввода газа.
Известно также устройство для вихревого энергоразделения газа, содержащее энергоразделительную камеру с многосопловым тангенциальным вводом сжатого газа, диафрагму вывода приосевого потока, диффузор вывода периферийного потока, трубку дополнительного ввода закрученного потока газа, развихритель, эжектор с камерой смешения и рабочим соплом, а также блок согласования, пульсаторы основного и дополнительного потоков газа, датчики замера пульсаций давления потоков. Эжектор установлен на оси разделительной камеры со стороны диффузора, пульсатор дополнительного потока, закрепленный на входе трубки дополнительного ввода потока газа, камера смешения эжектора выполнена в виде трубы, установленной коаксиально перед развихрителем, пульсатор основного потока размещен перед многосопловым тангенциальным вводом, а блок согласования функционально связан с датчиками замера пульсаций давления и пульсаторами основного и дополнительного потоков. На входе в разделительную камеру установлены многопозиционный переключатель последовательности включения в работу сопел и механизм изменения площади проходного сечения многосоплового тангенциального ввода газа (см. патент RU 2213914 С1, 2003.10.10).
Недостатками известных устройств являются недостаточно высокий адиабатный КПД и недостаточно качественное разделение и смесеобразование в камере энергетического разделения, что снижает область применения устройств. Это связано с тем, что устройства не обеспечивают на входе тангенциального соплового ввода газа закрутку и прецессию вихря. Кроме того, использование внешнего источника энергии для формирования низкочастотных и высокочастотных колебаний давления приводит к снижению эффективного КПД устройств.
Из известных устройств вихревого энергоразделения потока наиболее близким заявляемому является устройство, описанное в SU 1539477 А1, 30.01.90. Устройство содержит камеру энергетического разделения, соединенную одним концом с корпусом, а другим - с дросселем. В противоположном от камеры энергетического разделения торце корпуса установлена диафрагма с центральным отверстием. В боковую поверхность корпуса вставлен завихритель с сопловым вводом в виде осесимметричного канала, тангенциально подсоединенного к внутренней цилиндрической поверхности корпуса. К концу соплового ввода завихрителя, удаленному от корпуса, подсоединен входной патрубок, внутренний канал которого расположен касательно к внутренней полости соплового ввода. Входной патрубок соединен с источником сжатого газа.
Техническая задача, которую решает предполагаемое изобретение, - расширение области применения вихревого энергоразделения путем использования его для разделения и смешения однокомпонентных или многокомпонентных однофазных, двухфазных и трехфазных потоков за счет повышения качества вихревого разделения и смешения потока рабочего тела, и повышение адиабатного и эффективного КПД.
Техническая задача решается тем, что в способе вихревого энергоразделения потока рабочего тела в потоке создают объемные колебания давления, ускоряют поток, осуществляют тангенциальный сопловой ввод потока в камеру разделения и разделяют поток на приосевой и периферийный сильно закрученные потоки. Способ отличается тем, что сначала поток ускоряют до скорости, близкой максимальной, а затем формируют в потоке отрывное течение с объемными колебаниями давления и потом осуществляют тангенциальный сопловой ввод потока, причем перед ускорением поток закручивают с формированием вихревого прецессирующего жгута. Угол между векторами осевой и полной скорости при закручивании потока выбирают в интервале от 0 до 70 градусов. В тангенциально вводимом потоке генерируют высокочастотные колебания давления в интервале от 5 до 40 кГц и низкочастотные от 0,5 до 3 кГц. В способе в качестве рабочего тела используют однокомпонентный или многокомпонентный однофазный поток жидкости или газа, или многокомпонентный двухфазный поток жидкости и газа, или многокомпонентный трехфазный поток. В способе одновременно используют несколько независимых потоков рабочего тела с последующим тангенциальным сопловым вводом каждого потока.
В устройстве для вихревого энергоразделения потока рабочего тела, содержащем камеру энергетического разделения, соединенную одним концом с корпусом, а другим - с дросселем, диафрагму с центральным отверстием, расположенную в противоположном от камеры энергетического разделения торце корпуса, размещенный в корпусе завихритель с сопловым вводом в виде канала, тангенциально соединенного с внутренней цилиндрической поверхностью корпуса, входной патрубок, соединенный с одной стороны с источником рабочего тела, а с другой - с сопловым вводом, входное закручивающее устройство, образованное внутренними каналами входного патрубка и тангенциального соплового ввода. Устройство отличается тем, что завихритель содержит один или несколько независимых тангенциальных сопловых вводов, каждый из которых соединен с патрубком, причем в канале каждого соплового ввода установлен турбулизатор потока, расположенный в нормальном сечении его минимальной площади, а во входном закручивающем устройстве на входе канала соплового ввода на цилиндрической втулке установлены лопатки. Лопатки входного закручивающего устройства выполнены с углом поворота от 0 до 70 градусов. Выход канала тангенциального соплового ввода выполнен плоским или осесимметричным. При плоском выходе канала тангенциального соплового ввода турбулизатор потока рабочего тела выполнен в виде одного или нескольких цилиндрических стержней диаметром от 0,2 до 1,0 мм. При осесимметричном выходе канала тангенциального соплового ввода турбулизатор потока рабочего тела выполнен в виде одного или нескольких соосных цилиндрических колец с толщиной цилиндрической стенки от 0,2 до 1,0 мм или торообразной камеры - резонатора, сообщающейся кольцевой щелью с проточной частью канала тангенциального соплового ввода. Таким образом, введенные в способ и устройство для вихревого энергоразделения новые отличительные признаки в совокупности с известными признаками позволяют решить поставленную задачу.
Способ вихревого энергоразделения потока рабочего тела осуществляют следующим образом. Поток однокомпонентного или многокомпонентного рабочего тела в однофазном, двухфазном или трехфазном состоянии закручивают с формированием вихревого прецессирующего жгута, при этом угол между векторами осевой и полной скорости выбирают в интервале от 0 до 70 градусов, ускоряют поток до скорости, близкой максимальной, формируют в потоке сильно закрученное отрывное течение с объемными колебаниями давления, затем осуществляют тангенциальный сопловой ввод потока в камеру энергетического разделения, в которой поток разделяют на приосевой и периферийный сильно закрученные потоки. Перемещаясь вдоль камеры закрутку, что приводит к росту давления в приосевом потоке и, как следствие, к появлению осевого градиента давления, под действием которого приосевой поток начинает перемещаться от дросселя к диафрагме, через центральное отверстие которой покидает камеру энергоразделения.
Введение предварительной закрутки потока с формированием вихревого прецессирующего жгута с последующим ускорением до скорости, близкой максимальной, и формированием в потоке сильно закрученного отрывного течения с объемными колебаниями давления приводит к генерированию в тангенциально вводимом потоке низкочастотных колебаний давления, на которые наложены высокочастотные колебания давления. При тангенциальной подаче потока рабочего тела в камеру энергетического разделения в ней создаются благоприятные условия для генерации крупномасштабных вихрей, а следовательно, к увеличению их размеров и переносимой в них массы. Это приводит при сохранении градиента давления к повышению эффективности процессов энергоразделения и смешения в потоке рабочего тела и, следовательно, к увеличению адиабатного КПД, что значительно расширяет область применения способа.
Использование в составе рабочего тела хотя бы одного из компонентов в жидкой фазе приводит к формированию ускоренного тангенциально вводимого кавитационного потока рабочего тела с локальными высокочастотными пульсациями температуры и давления. Это способствует интенсификации процессов массообмена, а при использовании смеси жидкостей, двухфазной или трехфазной смеси, - к повышению качества смесеобразования, то есть к получению мелкодисперсных двухкомпонентных или многокомпонентных однофазных, двухфазных или трехфазных смесей.
Использование одновременно нескольких независимых друг от друга потоков рабочего тела с последующим тангенциальным вводом каждого потока способствует повышению интенсивности вихреобразования, что приводит к росту эффективности энергоразделения и смешения в камере энергетического разделения за счет интенсификации поперечных пульсаций вторичных вихрей, определяющих перенос энергии и импульса.
Таким образом, введение в способ предварительной закрутки потока с формированием вихревого прецессирующего жгута, последующее ускорение потока до скорости, близкой максимальной, формирование в потоке сильно закрученного отрывного течения с объемными колебаниями давления и тангенциальный сопловой ввод потока в камеру энергетического разделения позволяют расширить область применения способа за счет повышения качества вихревого разделения и смешения потока рабочего тела и повысить адиабатный и эффективный КПД.
Предлагаемое изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 дан продольный разрез устройства для энергетического разделения потока рабочего тела, на фиг.2 - разрез по А-А, завихритель выполнен с одним тангенциальным сопловым вводом, с плоским выходом канала и с цилиндрическим турбулизатором; на фиг.3 - разрез по А-А, завихритель выполнен с несколькими тангенциальными сопловыми вводами, с плоским выходом каждого канала и с цилиндрическим турбулизатором; на фиг.4 - разрез по А-А, завихритель выполнен с одним тангенциальным сопловым вводом, с осесимметричным выходом канала и с кольцевым турбулизатором; на фиг.5 - разрез по А-А, завихритель выполнен с одним тангенциальным сопловым вводом, с осесимметричным выходом канала и турбулизатором в виде торообразной камеры.
Устройство для энергетического разделения потока рабочего тела содержит (см. фиг.1) камеру 1 энергетического разделения, соединенную одним концом с корпусом 2, а другим - с дросселем 3, диафрагму 4 с центральным отверстием 5. Диафрагма 4 расположена в противоположном от камеры 1 энергетического разделения торце корпуса 2, в котором расположен завихритель 6 с одним (см. фиг.2) или несколькими (см. фиг.3) независимыми тангенциальными сопловыми вводами 7, каждый из которых соединен с внутренней цилиндрической поверхностью 8 корпуса 2. В сопловом канале 9 ввода 7 выход 11 выполнен (см. фиг.2, 3) плоским или (см. фиг.4, 5) осесимметричным. В каждом сопловом канале 9 установлен турбулизатор 12 потока, который расположен в нормальном сечении его минимальной площади. При плоском выходе 11 тангенциального соплового канала 9 (см. фиг.2, 3) турбулизатор 12 потока выполнен в виде одного или нескольких цилиндрических стержней диаметром от 0,2 до 1,0 мм. При осесимметричном выходе 11 тангенциального соплового канала 9 турбулизатор 12 потока выполнен (см. фиг.4) в виде одного или нескольких соосных цилиндрических колец с толщиной стенки от 0,2 до 1,0 мм или (см. фиг.5) торообразной камеры - резонатора, сообщающейся кольцевой щелью 13 с проточной частью тангенциального соплового канала 9. Нижние значения диаметра цилиндрического стержня и толщины стенки цилиндрического кольца ограничены прочностными характеристиками применяемых материалов, а верхние значения - высокими энергетическими затратами для создания необходимой скорости потока перед турбулизатором для обеспечения верхней границы низкочастотных и высокочастотных колебаний давления, причем энергетические затраты существенно увеличиваются при использовании в качестве рабочего тела жидкостей. Входной патрубок 14 соединен с одной стороны с источником рабочего тела 10, а с другой - с сопловым вводом 7. Входное закручивающее устройство 15 образовано (см. фиг.2-5) внутренним каналом 16 входного патрубка 14 и тангенциальным сопловым каналом 9 ввода 7. На входе соплового канала 9 на цилиндрической втулке 17 установлены лопатки 18 с углом поворота от 0 до 70 градусов.
Устройство работает следующим образом. Однокомпонентное или многокомпонентное рабочее тело в однофазном, двухфазном или трехфазном состоянии подается от источника рабочего тела 10 во входной патрубок 14, из которого поток рабочего тела поступает во входное закручивающее устройство 15. Пройдя между лопатками 18, поток рабочего тела отклоняется от направления, параллельного центральной оси канала 16 патрубка 14, получая закрутку, то есть осевую и окружную составляющие скорости. На входе в канал 9 тангенциального соплового ввода 7 завихрителя 6 формируется сильно закрученный поток, перемещающийся по каналу 9 в направлении выхода 11. При движении по каналу 9 закрученный поток ускоряется до скорости, близкой максимальной, обтекает турбулизатор 12. За турбулизатором 12 формируется отрывное сильно закрученное течение, в форме вихревого прецессирующего жгута или жгутов с гармоникой высокочастотных и низко частотных колебаний давления. Турбулизация закрученного потока в торообразной камере осуществляется путем генерации вращающегося торообразного прецессирующего вихря, турбулизующего сильно закрученный поток, перемещающийся по каналу 9 через кольцевую щель 13. Сформированный в канале 9 поток рабочего тела выводится через выход 11 канала 9 соплового ввода 7 в камеру 1 энергетического разделения. В камере 1 поток разделяется на приосевой и периферийный сильно закрученные потоки. Перемещаясь вдоль камеры 1 от завихрителя 6 к дросселю 3, периферийный поток постепенно теряет свою закрутку. Это приводит к росту давления у приосевых слоев рабочего тела и к появлению осевого градиента давления, под воздействием которого приосевые слои рабочего тела перемещаются от дросселя 3 к диафрагме 4 и вытекают через отверстие 5. Расположенные у периферии слои вращающегося потока теряют закрутку и покидают камеру 1 через дроссель 3. При использовании в качестве рабочего тела смеси, содержащей хотя бы один из компонентов в жидкой фазе, в канале 9 за турбулизатором 12 формируется однофазное или многофазное кавитационное течение рабочего тела. В камере 1 энергетического разделения осуществляется его разделение на приосевой и периферийный сильно закрученные кавитационные потоки.
Выполнение завихрителя 6 потока рабочего тела с одним или несколькими независимыми тангенциальными сопловыми вводами 7, в канале 9 каждого из которых установлен турбулизатор 12 потока рабочего тела, и установка во входном закручивающем устройстве 15 лопаток 18 приводит к генерации на выходе 11 ввода 7 высокочастотных колебаний давления в интервале от 5 до 40 кГц и низкочастотных колебаний от 0,5 до 3 кГц. Указанный диапазон частот соответствует частотам колебаний давления в камере 1 энергетического разделения, что приводит к росту эффективности энергоразделения, тепломассообмена и смешения в камере энергетического разделения за счет интенсификации поперечных пульсаций вторичных вихрей, определяющих перенос энергии и импульса.
Таким образом, использование предлагаемого устройства для вихревого энергоразделения потоков рабочего тела позволяет расширить область применения за счет повышения качества вихревого разделения и смешения потока рабочего тела и повысить адиабатный и эффективный КПД.