Способ подогрева газового потока аэродинамическим торможением струй
METHOD FOR HEATING THE GAS FLOW BY AERODYNAMIC BRAKING OF JETS

Область техники, к которой относится изобретение
Предложенный мной способ подогрева газового потока аэродинамическим торможением струй (далее «способ») относится к газодинамике и теплотехнике, а точнее - к методам и способам подогрева газа повышенного давления за счет собственной потенциальной энергии газа, которая преобразовывается в тепловую энергию газа при реализации аэродинамических эффектов торможения, происходящих при пересечении и столкновении газовых струй, и так называемого аэродинамического нагрева газа.
Предложенный мной способ может быть применен для газа любого типа газа (одноатомные газы, многоатомные газы, смеси газов - в том числе: азот, водород, аргон, углекислый газ, кислород, воздух, природный газ, сварочные газовые смеси и т.п.).
Возможные области применения предложенного мной способа (не ограничиваясь перечисленными):
- подогрев сжатого газа перед редуцированием (от значения давления хранения в емкости/баллоне до давления использования) для исключения обмерзания редуктора и газопроводов,
- подогрев природного газа в магистральных сетях высокого давления и газорегулирующих станциях для исключения гидратообразования в природном газе,
- подогрев газа принудительной циркуляцией этого газа по замкнутому контуру.
Уровень техники
Наиболее близкими к предлагаемому мной способу по техническим принципам является «Способ подогрева газового потока» патент СССР SU 1790724 A3 (автор В.Е.Финько). В указанном известном способе также используется принцип нагрева движущегося с высокой скоростью газа при его аэродинамическом торможении и аэродинамическом нагреве.
Однако известный способ имеет ряд недостатков, связанных в основном с использованием сверхзвуковой скорости движения газа, которая приводит к быстрому износу и эрозии элементов нагревателя, что обуславливает использование при производстве нагревателя высококачественных и дорогостоящих материалов. Впрочем, даже при использовании высококачественных материалов в процессе аэродинамического торможения и воздействия сверхзвукового потока напрямую на элементы конструкции (ускоритель, конусообразные сопла, решетка торможения) все равно происходит их быстрое эксплуатационное изнашивание, и элементы значительно изменяются: истираются, теряют первоначальную геометрическую форму, в результате чего перестают выполнять необходимую функцию или полностью разрушаются.
Раскрытие сущности изобретения
Целью предлагаемого мной изобретения является создание нового способа, лишенного недостатков известного способа, указанного выше, при реализации широко известного принципа аэродинамического торможения и нагрева газа.
В предложенном мной способе используется дозвуковая скорость потока газа, а аэродинамическое торможение и аэродинамический нагрев газа производятся в результате столкновения и взаимного торможения газовых струй без прямого столкновения газа с неподвижными элементами конструкции нагревателя. В этом случае эрозия и истирание поверхности внутренних элементов устройства незначительны, поэтому для изготовления нагревателя и устройств, предназначенных для реализации предлагаемого мной способа, не требуются высокопрочные материалы и возможно применять недорогие сорта стали, керамические, композитные или иные материалы. При этом в процессе длительной эксплуатации подобного нагревателя или устройства с постоянным течением газовых потоков все же неизбежно медленное постепенное истирание поверхности газовых каналов. Предложенная в моем способе геометрия газовых каналов, истираясь, существенно не изменяется, сохраняя геометрическое подобие и полную работоспособность длительный срок эксплуатации.
Для реализации способа подогрева потока газа используется доступный перепад давления газа. Перепад давления газа должен быть достаточным для образования скоростной струи газа. В зависимости от типа газа (его молекулярной массы, теплотехнических и иных характеристик) для осуществления предлагаемого способа существует минимально необходимый перепад давления газа, который находится экспериментально. Для реализации способа возможно использовать любое значение перепада давления газа выше минимального.
Указанный выше известный способ подогрева газа также требует перепада давления, который используется для ускорения газа выше скорости звука, при этом для достижения сверхзвуковой скорости требуется гораздо большее значение перепада давления, чем необходимо в предлагаемом мной способе для дозвукового движения газа. Поэтому предлагаемый мной способ может быть более широко использован в промышленности, так как применим и в тех технологических процессах, где доступный перепад давления газа недостаточен для достижения сверхзвуковой скорости газа и не позволяет осуществить указанный выше известный способ.
Не следует путать предлагаемый мной способ с принципиально иными способами и конструкциями газодинамических ударно-волновых и резонаторно-акустических нагревателей, основанными на эффекте Гетмана-Спрингера, в которых производится преобразование энергии сверхзвукового потока газа в ударно-волновые или акустические колебания газа в резонаторной камере, приводящие к нагреву стенок самой камеры, а газ при этом отводится холодным.
Также не следует путать предлагаемый мной способ со способами, использующими вихревые трубки с эффектом Ранка-Хилша, который основан на разделении основного потока газа на «горячую» и «холодную» составляющую.
Технические и физические принципы этих способов и устройств категорически отличаются от принципов, используемых в предлагаемом мной способе.
В предлагаемом мной способе можно выделить следующие существенные признаки и принципы работы:
1. Подогрев газового потока производится путем преобразования собственной потенциальной энергии газа (давление газа) в тепловую энергию газа (кинетическая энергия молекул газа). То есть увеличение температуры газа происходит без подвода к газу извне дополнительной энергии (полная внутренняя энергия газа остается постоянной), при рассматриваемом процессе преобразования энергий и увеличения температуры газа соответственно снижается давление газа (то есть уменьшается потенциальная энергия газа, ранее полученная газом от механических устройств повышения давления/компрессоров).
2. Преобразование внутренней энергии газа производится при создании из единого потока газа с помощью симметричных газовых каналов двух одинаковых струй, ускорении этих струй в газовых каналах за счет разницы давления газа на входе и выходе этих газовых каналов, подведении струй к сопловым устройствам, фронтально размещенным друг напротив друга. При выходе струй из двух фронтально размещенных друг напротив друга сопловых устройств, струи газа попадают в расширяющиеся каналы и сталкиваются между собой («лоб в лоб»). Так как струи газа не являются плотными телами - после столкновения струи газа проходят друг в друга («на встречных курсах») с удвоенной относительной скоростью, увеличивая плотность друг друга и механически взаимодействуя друг с другом на молекулярном уровне. В результате столкновений и взаимодействий молекул в областях первичного столкновения наблюдается аэродинамическое торможение и остановка этих струй газа, характеризуемые увеличением скорости и хаотичности движения отдельных молекул газа (то есть увеличением кинетической энергии молекул газа), что в итоге наблюдается, как увеличение температуры газа. Поступающие последующие порции газа, выталкивают рассматриваемые выше остановившиеся и подогретые порции газа из областей первичного столкновения в зону перед выходным каналом, в которой они смешиваются, усредняются по температуре и единым потоком поступают на выходной канал, имея остаточное давление для последующего движения по выходному каналу.
3. Перед разделением потока газа на струи предусматривается создание в потоке газа колебаний давления газа, которые обеспечивают импульсное увеличение (с некоторой периодичностью/частотой) перепада давления газа, и соответственно - увеличение скорости струй газа и «ударное» их взаимодействие. Колебания давления газа создаются в газодинамическом генераторе колебаний давления газа, не имеющем подвижных частей, основанном на известном ранее принципе работы пневмоаппаратов и струйных автоматов. Частота колебаний зависит от параметров и размеров элементов газодинамического генератора и может быть подобрана экспериментально для обеспечения достаточных колебаний давления газа при известном входном давлении газа. Без применения генератора колебаний давления газа поток газа, стабильно поступающий для разделения его на струи, не создаст достаточного перепада давления, не обеспечит ускорение струй и их «ударное» взаимодействие, что исключит аэродинамическое торможение струй и подогрев газа, а вместо этого будет наблюдаться равномерное течение газа по газовым каналам без какого-либо нагрева.
Краткое описание чертежей
На Фиг. 1 изображен общий вид газодинамического генератора колебаний давления газа в составе устройства подогрева газового потока аэродинамическим торможением струй.
На Фиг. 2 изображен общий вид базового модуля в составе устройства подогрева газового потока аэродинамическим торможением струй.
На Фиг. 3 изображен минимальный комплект элементов в устройстве подогрева газового потока аэродинамическим торможением струй.
На Фиг. 4 изображен возможный вариант комплекта элементов в устройстве подогрева газового потока аэродинамическим торможением струй.
На Фиг. 5 изображен газодинамический генератор колебаний давления газа, в котором можно выделить следующие элементы: входной канал с соплом 1, рабочая полость 2, профилированная стенка 3, сопло 4, камера 5, выходной канал 6.
На Фиг. 6 изображен первый этап работы газодинамического генератора колебаний давления газа.
На Фиг. 7 изображен второй этап работы газодинамического генератора колебаний давления газа.
На Фиг. 8 изображены графики изменения во времени входного и выходного давления газа в результате работы газодинамического генератора колебаний давления газа.
На Фиг. 9 изображен базовый модуль, в котором можно выделить следующие составляющие элементы: входной канал 7, два одинаковых симметричных струйных канала 8, два одинаковых симметричных сопла 9, два одинаковых симметричных расширяющихся канала, образующих области 10 и зону 11 перед выходным каналом 12.
На Фиг. 10 изображен первый этап работы базового модуля.
На Фиг. 11 изображен второй этап работы базового модуля.
На Фиг. 12 изображены графики изменения во времени входного и выходного давления газа в результате работы базового модуля.
Осуществление изобретения
Предлагаемый мной способ может быть реализован технически с помощью устройства подогрева газового потока аэродинамическим торможением струй (далее «устройство»), состоящего как минимум из газодинамического генератора колебаний давления газа (см. Фиг. 1) и базового модуля (см. Фиг. 2), в которых методом литья, штамповки или фрезерованием выполнены рабочие полости и газовые каналы. Рабочие полости и газовые каналы газодинамического генератора образуют рабочую струю газа и подают её на вход базового модуля. По газовым каналам базового модуля рабочая струя газа разделяется на две ускоряющиеся струи газа, которые направляются друг на друга и сталкиваются, что обеспечивает эффект аэродинамического нагрева газа при его торможении во встречных газовых струях. При этом отсутствует прямое ударное воздействие струй на элементы устройства.
Сечения газовых каналов могут быть как круглыми и овальными, так и прямоугольными. Гладкость и округлость стенок канала уменьшает вихреобразование при формировании и течении струй газа, что увеличивает их скорость и повышается эффективность нагрева газа.Устройство может быть выполнено из различных материалов (нержавеющей стали, углеродистой стали, керамики, стекла и других материалов) в зависимости от их химической совместимости с подогреваемым газом и требований прочности конструкции устройства при работе с газами высоких давлений.
На Фиг. 3 представлен минимальный комплект элементов устройства, в котором реализовывается предложенный мной способ.
При необходимости подогрева газа до более высоких температур возможно многократное (более одного раза) последовательное применение предлагаемого мной способа, что ограничено только располагаемым перепадом давления (то есть потенциальной энергией давления газа, которую возможно преобразовать в тепловую энергию) нагреваемого газа. На Фиг.4 представлен вариант комплекта элементов устройства, в котором реализуется многократное последовательное применение предлагаемого мной способа.
Газодинамический генератор колебаний давления газа (см. Фиг. 1) основан на известном принципе пневмоавтоматов, описанных и использовавшихся в СССР (например, «Пневмоника» Л.А. Залманзон, Издательство «Наука», Москва, 1965г.). В газодинамическом генераторе колебаний давления газа используется свойство струи газа «прилипать» к стенке газового канала и распространяться компактной струёй без значимого рассеивания даже после попадания из газового канала в рабочую полость.
На Фиг. 5 изображен газодинамический генератор колебаний давления газа, в котором можно выделить следующие элементы: входной канал с соплом 1, рабочая полость 2, профилированная стенка 3, сопло 4, камера 5, выходной канал 6.
На Фиг. 6 изображен первый этап работы газодинамического генератора колебаний давления газа, у которого после подачи на Вход постоянного давления газа с помощью сопла 1 образуется струя исходного газа, попадающая в рабочую полость 2 с профилированной стенкой 3. Поток газа, прижимающийся к профилированной стенке 3, попадает в сопло 4 и поступает в камеру 5. Камера 5 заполняется поступающим газом, который соответственно в этот момент не поступает в выходной канал, и давление газа на Выходе снижается.
вых
На Фиг. 7 изображен второй этап работы газодинамического генератора колебаний давления газа, у которого после заполнения камеры 5 до рабочего давления, в ней создается противодавление, и обратный поток газа из камеры 5 через сопло 4 отталкивает струю исходного газа от профилированной стенки 3 и направляет её в выходной канал 6. Струя, не теряя форму и не создавая вихрей в рабочей полости 2 «прилипает» к выходному каналу 6. Давление газа на Выходе повышается. Некоторое время проходящая транзитом через рабочую полость 2 струя газа способом эжекции откачивает газ из камеры 5, понижая в ней давление. В определенный момент давление в камере 5 станет настолько низким (относительно давления струи исходного газа), что сопло 4 подсосёт основной поток газа к профилированной стенке 3. Струя исходного газа прижмется к профилированной стенке 3 и начнет заполнять камеру 5, при этом давление газа на Выходе снижается. Таким образом, цикл замыкается - имеет место автоколебательный процесс изменения давления газа на Выходе (см. Р на Фиг. 8). Частота колебаний зависит от объема камеры 5 и свойств газа, а их амплитуда зависит от входного давления газа и свойств газа.
Базовый модуль (см. Фиг. 2) реализует технологию разделения газового потока на две струи, ускорение струй, подведение струй к сопловым устройствам, фронтально размещенным друг напротив друга, организацию областей первичного столкновения и аэродинамического торможения струй, организацию области вторичного столкновения и объединения струй, отвод объединенного подогретого потока для дальнейшего использования.
Принцип повышения температуры газов при прямом соударении открытых газовых струй описан в работах сотрудников Кафедры тепловых электрических станций Уральского Федерального Университета, например статья «Особенности термомеханического взаимодействия встречных газовых струй» в журнале «Современные проблемы науки и образования», номер 2, 2014г. Однако в указанной статье и подобных работах об этом исследовании не рассматриваются условия прямого столкновения газовых струй в ограниченном пространстве газовых каналов (то есть «замкнутых струй»), кроме этого нигде не анонсируется и не заявляется какой-либо вариант использования подобного механизма струйного взаимодействия для подогрева потока газа.
В дополнение к взаимодействию струй, текущих при постоянном давлении с постоянной скоростью, в предложенном мной способе применяется условие колебаний давления газа, непостоянство скоростей струй и соударение струй в условиях нестационарного ударного воздействия друг на друга, которое увеличивает относительную скорость струй и увеличивает эффективность вихреобразования, аэродинамического торможения и аэродинамического нагрева газа.
вых
Так как базовый модуль устанавливается последовательно за газодинамическим генератором колебаний давления газа, то на Вход базового модуля подается переменное выходное давление из газодинамического генератора колебаний давления газа (см. Р на Фиг. 8).
На Фиг. 9 изображен базовый модуль, в котором можно выделить следующие составляющие элементы: входной канал 7, два одинаковых симметричных струйных канала 8, два одинаковых симметричных сопла 9, два одинаковых симметричных расширяющихся канала, образующих области 10 и зону 11 перед выходным каналом 12.
На Фиг. 10 изображен этап подачи импульса давления рабочего газа на Вход, прохождение по входному каналу 7, разделение на две струи, ускорение струй при прохождении по газовым каналам 8 и через сопла 9.
На Фиг. 11 изображен этап снижения давления на Входе согласно циклу работы газодинамического генератора колебаний давления газа, в этот момент происходит взаимное проникновение струй друг в друга в зоне 11, которые на высокой (но дозвуковой) скорости проскакивают отверстие выходного канала 12 и проходят в области 10 - первичного столкновения и аэродинамического торможения струй. Так как в этих зонах струи и молекулы газа двигаются навстречу друг другу, то их относительная скорость суммируется, происходит трение слоев газа друг о друга, вихреобразование, торможение молекул газа друг о друга, и их остановка, что приводит к аэродинамическому нагреву газа и образованию локальных областей повышенного давления газа (за счет его полной остановки). В этой области достигается температура торможения:
(где Т - температура газа, К; W - скорость газа, м/с; Ср - удельная теплоемкость газа, Дж/кг·К).
Тепло, передаваемое нагретым газом корпусу устройства, также участвует в подогреве последующих холодных порций газа. Корпус устройства теплоизолируется снаружи для снижения потерь тепла в окружающую среду.
После остановки струи газа из областей 11, подпираемые давлением новых порций газа из сопел 9, направляются в сторону зоны 10 - происходит вторичное столкновение, перемешивание и объединение струй газа в общий поток, который выходит через выходной канал 12 и далее - на Выход устройства. В это время на Вход поступает новый импульс давления, и цикл замыкается: при поступлении следующей порции газа - на Выход базового модуля отводится порция подогретого газа. Таким образом, давление газа на Выходе также подвержено пульсации, но несколько сглаживается задержками и вихрями в потоке газа, образующимися в процессе столкновений струй (см. Фиг. 12).
Так как ожидается небольшое увеличение температуры и падение давления исходного газа за один цикл столкновения в одном базовом модуле, и при прохождении базового модуля сохраняется пульсация давления газа, то предложенный мной способ предусматривает возможность прохождения потоком газа последовательно нескольких базовых модулей, то есть несколько циклов аэродинамического торможения с целью более полного преобразования потенциальной энергии сжатого газа в тепловую энергию и подогрева газа. Количество повторений зависит от типа и свойств газа, и определяется остаточным уровнем давления и пульсациями давления, которые должны быть достаточными для образования высокоскоростных струй и условий для аэродинамического торможения и нагрева газа. В итоге, в процессе последовательного прохождения потока через несколько базовых модулей произойдет усреднение и нивелирование импульсов давления газа, которые были получены в результате работы газодинамического генератора колебаний давления газа - выходящий подогретый пониженного давления газ может быть использован потребителем без дополнительной компенсации пульсаций давления. На Фиг. 4 изображен вариант комплекта элементов в устройстве, в котором реализовывается предложенный мной способ.