СПОСОБ ТЕМПЕРАТУРНОЙ СТРАТИФИКАЦИИ ГАЗА
METHOD OF TEMPERATURE GAS STRATIFICATION

Область техники
Изобретение относится к промышленной теплотехнике и может быть использовано при создании холодильно-нагревательных аппаратов, в основе действия которых лежит механизм безмашинного разделения газового потока с начальным избыточным давлением на охлажденный и подогретый потоки на выходе.
Уровень техники
Известен способ температурной стратификации газа, основанный на вихревом эффекте (трубка Ранка-Хилша). Принцип действия устройства заключается в подаче сжатого воздуха тангенциально в цилиндрическую камеру через сопловой вход, формирование в трубе закрученного потока и отбор горячего потока воздуха с периферийного сечения, а холодного потока - через центральное отверстие в трубе (Меркулов А.П. «Вихревой эффект и его применение в технике» / Самара: Оптима, 1997. 346 с. [1]).
Основными недостатками известного технического решения являются низкий термодинамический КПД (меньше 30%) и большие потери полного давления как по холодному, так и по горячему потокам.
Известен резонансный метод температурной стратификации в газовых потоках (труба Гартмана-Шпренгера). В соответствии с известным методом газовая струя направляется в трубку с заглушенным торцом, температура поверхности торца при определенных режимах может в несколько раз (до 4-х) превышать начальную температуру торможения потока. При этом температура газа, вытекающего из трубки с закрытым торцом, снижается (Бурцев С.А., Леонтьев А.И. «Исследование влияния диссипативных эффектов на температурную стратификацию в потоках газа (обзор)» // Теплофизика высоких температур. Т. 52, №2, 2014. С. 310-322. [2]).
Основными недостатками известного решения являются большие потери полного давления газового потока и малая эффективность охлаждения потока (меньше 10 градусов).
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является способ температурной стратификации газа с использованием трубы Леонтьева, включающий подачу газа в разделительную камеру, вывод холодного и горячего газов через отдельные газоходы, при этом газовый поток после разделительной камеры направляют по внутренней трубе и внешнему кольцевому каналу, при этом по внутренней трубе газ через профилированное сопло разгоняют до сверхзвуковой скорости, по внешнему кольцевому каналу газ пропускают с дозвуковой скоростью (патент РФ №2106581). Разделяющая каналы стенка выполнена из теплопроводного материала, через которую происходит теплопередача от дозвукового потока к сверхзвуковому.
Недостатком известного способа является функционирование за счет обеспечения сверхзвуковых скоростей течения потока, что требует дополнительного избыточного давления на входе. Наличие теплового сопротивления в виде непроницаемой перегородки между дозвуковым и сверхзвуковым потоками снижает эффективность данного способа температурной стратификации. Также наличие на входе двух потоков, обменивающихся теплом, увеличивает габариты устройства.
Технической проблемой является необходимость обеспечения большого начального давления газа для достижения сверхзвуковых скоростей в устройствах подобного типа, а также связанные с этим значительные потери полного давления при последующем торможении газового потока.
Раскрытие сущности изобретения
Техническим результатом, достигаемым при использовании заявляемого изобретения, является разделение потока посредством обеспечения возможности отсоса газа из исходного потока через проницаемую стенку устройства. Кроме того, способ может быть реализован в устройстве с меньшими габаритами по сравнению с устройствами аналогичного назначения за счет подачи газа в разделительную камеру через один газоход, и обеспечением разделения потока путем отсоса газа из исходного потока через проницаемую стенку.
Поставленная задача решается тем, что в способе температурной стратификации газа, включающий подачу исходного газового потока с избыточным давлением на вход внутреннего канала разделительной камеры с обеспечением его разгона и подогрева, подачу газового потока во внешний канал разделительной камеры с обеспечением его охлаждения, вывод подогретого и охлажденного газовых потоков из внутреннего и внешнего каналов разделительной камеры, соответственно, через отдельные газоходы, согласно техническому решению, подачу газового потока во внешний канал разделительной камеры осуществляют через проницаемые стенки внутреннего канала, при этом на входе во внутренний канал обеспечивают достижение потоком скорости, равной или большей скорости звука, при этом давление газового потока на входе внутреннего канала обеспечивают не менее 190 кПа. Достижение потоком скорости звука можно обеспечить за счет работы сил трения посредством направления исходного газового потока в канал постоянного сечения перед разделительной камерой или посредством геометрического воздействия на поток в сужающемся или сужающемся-расширяющемся сопле.
В качестве исходного газового потока может быть использован двухфазный поток с растворенными в нем жидкими или твердыми частицами, при этом эффект температурной стратификации возрастает за счет выпадения конденсата на стенку канала разделительной камеры.
Иными словами, технический результат достигается за счет имеющегося давления исходного потока не меньше 190 кПа, что позволяет разогнать поток до скорости, равной или больше скорости звука, обеспечить перераспределение температуры торможения в пограничном слое и формирование охлажденного пристенного слоя газа, который затем отсасывают через проницаемую стенку и организуют, таким образом, вторичный поток охлажденного газа, при этом повысив среднемассовую температуру первоначального потока.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 схематично изображено устройство температурной стратификации газа.
На фиг. 2 схематично отражен принцип действия устройства температурной стратификации, реализующего заявляемый способ, показывающий распределение температуры торможения в пограничном слое высокоскоростного потока сжимаемого газа при обтекании проницаемой стенки.
Позициями на чертеже обозначены:
1 - ресивер со сжатым газом, имеющим давление не меньше 190 кПа;
2 - сужающееся сопло;
3 - внутренний канал разделительной камеры с проницаемыми (пористыми) стенками;
4 - внешний (кольцевой) канал разделительной камеры;
5 - внешняя теплоизоляция разделительной камеры и отводящих газоходов;
6 - выходной сверхзвуковой диффузор для торможения подогретого потока, выходящего из внутренней трубки разделительной камеры;
7 - газоход сбора охлажденного газа;
8 - газоход сбора подогретого газа;
9 - исходный газовый поток с избыточным давлением, подаваемый в разделительную камеру и имеющий скорость на входе, равную скорости звука (М=1);
10 - проницаемая (пористая) стенка разделительной камеры;
11 - непроницаемая стенка разделительной камеры;
12 - выходящий из разделительной камеры охлажденный поток;
13 - выходящий из разделительной камеры подогретый поток.
Осуществление изобретения
Сущность изобретения поясняется следующим.
Температура торможения в пограничном слое сжимаемого газа распределяется неравномерно. Температура внутри пограничного слоя оказывается ниже, а во внешней части - выше, чем температура торможения в ядре потока (при числе Прандтля рабочего тела, меньшем 1, что характерно для большинства газов). Определяющей тепловой поток температурой в данном случае является адиабатная температура стенки
где: - начальная температура торможения потока, K;
k - показатель адиабаты рабочего тела (k=1.4 для воздуха);
М - число Маха в потоке;
r - коэффициент восстановления температуры.
Параметр r оказывает наибольшее влияние на адиабатную температуру стенки и показывает долю энергии потока, переходящей в тепло на стенке. Коэффициент восстановления температуры находится в наибольшей зависимости от рода газа - числа Прандтля рабочего телам - Pr:
где n=1/2 (ламинарный режим течения), n=1/3 (турбулентный режим - чаще всего реализуется на практике).
Для воздуха (Pr=0.7) коэффициент восстановления температуры г при турбулентном безотрывном обтекании плоской стенки (а также цилиндрической и конической в продольном направлении), согласно экспериментальным данным [4] - (Шлихтинг Г. «Теория пограничного слоя» // М: Наука, 1974, 711 с.) равен 0.885±0.01. Для газовых смесей гелий-ксенон, гелий-аргон, аргон-водород, водород-ксенон и т.д. (Pr=0.1-0.4) значение r может уменьшаться до 0.3-0.4. Соответственно, согласно (1), уменьшается адиабатная температура стенки и, таким образом, повышается потенциал температурной стратификации газа.
Низкие значения коэффициента восстановления температуры (вплоть до нуля) реализуются при выпадении конденсата на стенку, обтекаемую высокоскоростным потоком двухфазного рабочего тела (например, влажного воздуха или природного газа). При течении высокоскоростного потока подъемная сила Сэфмана приводит к осаждению капель на твердую стенку. В работе [5] (Леонтьев А.И., Осипцов А.Н., Рыбдылова О.Д. «Пограничный слой на плоской пластине в сверхзвуковом газокапельном потоке. Влияние испаряющихся капель на температуру адиабатической стенки» // Теплофизика высоких температур. Т. 53, №6, 2015. С. 910-917) показано, что наличие даже очень малой концентрации капель может приводить к значительному снижению адиабатной температуры стенки.
Для осуществления температурной стратификации газа необходимо предварительно осуществить разгон потока до скорости не ниже скорости звука. Согласно теории термодинамики газовых потоков [6] - (Вулис Л.А. «Термодинамика газовых потоков» / Госэнергоиздат, Москва, 1950, 304 с.), при наличии геометрического воздействия в виде сужения канала или работы сил трения в канале постоянного сечения возникает ускоренное движение газа вплоть до критического состояния (скорости звука). Во внутреннем канале разделительной камеры с проницаемыми стенками поток, движущийся со скоростью звука или со сверхзвуковой скоростью, испытывает расходное воздействие - отсос через проницаемую стенку при условии более низкого давления с обратной стороны стенки (например, атмосферного давления). В этом случае разделительная камера представляет собой сверхзвуковой участок расходного сопла, в котором происходит выпуск (отсос) пристенного охлажденного слоя газа через проницаемые стенки канала. Согласно закону сохранения энергии, среднемассовая температура остальной части газа повышается. Длина канала и пористость материала стенок лимитируется только значением рабочего давления на входе в устройство и обеспечением требуемого запаса прочности. При этом эффективное торможение сверхзвукового потока, выходящего из внутреннего канала с проницаемыми стенками, может позволить сохранить полное давление подогретого потока.
Также, как следует из (1), при увеличении полной температуры набегающего потока разность между температурой в ядре потока и адиабатной температурой стенки (температурой пристенных слоев газа) увеличивается. Таким образом, повышается потенциал для осуществления температурной стратификации и, соответственно, разность между температурами подогретого и охлажденного потоков на выходе из разделительной камеры.
Реализация заявляемого способа температурной стратификации газа показана на примере работы устройства, представленного на фиг. 1. Устройство содержит сужающееся сопло 2, разделительную камеру, обеспечивающую прием и температурное разделение газовых потоков, и газоходы 7 и 8 для вывода потоков охлажденного и подогретого газов. Разделительная камера состоит из внутреннего (цилиндрического) 3 и внешнего (кольцевого) 4 каналов. Сужающееся сопло предназначено для разгона до скорости звука подаваемого газового потока и расположено на входе разделительной камеры таким образом, что выход его является входом внутреннего канала. Соответственно, выходной диаметр сопла 2 равен диаметру внутреннего канала 3 камеры. Внутренний канал 3 соединен с газоходом 8 вывода подогретого газа, а внешний 4 - с газоходом 7 вывода охлажденного газа. Внутренний 3 и внешний 4 каналы размещены коаксиально друг другу. Внутренний канал 3 предназначен для подачи газа в разделительную камеру. Внешний канал 4 служит для сбора охлажденного газа, отбираемого из внутреннего канала 3. Стенки 10 внутреннего канала 3 выполнены проницаемыми (пористыми). На выходе внутреннего канала размещен сверхзвуковой диффузор 6, предназначенный для торможения подогретого потока. Наружные стенки внешнего канала 4 выполнены непроницаемыми из материала с малым коэффициентом теплопроводности, например, из нержавеющей стали (λ=16 Вт/(мК)), часто используемой при изготовлении трубопроводов. Наружная поверхность разделительной камеры и отводящих газоходов 7 и 8 снабжены слоем теплоизоляции 5.
0
хол
хол
гop
0
хол
*
Сжатый газ с исходным давлением торможения  и соответствующим массовым расходом G (определяемым критическим сечением сопла) подают, например, из ресивера 1 в заявляемое устройство через сужающееся сопло 2, которое переходит во внутренний цилиндрический канал 3 с пористыми стенками 10. Для обеспечения звуковой скорости потока 9 на выходе из сопла 2 необходим запас полного давления  в ресивере 1 не меньше 190 кПа (при атмосферном давлении на выходе из установки и во внешнем кольцевом канале 4). При этом в пристенной области высокоскоростного потока формируется искривленный профиль температуры торможения Т. Под воздействием диссипативных процессов в пограничном слое адиабатная температура стенки  оказывается ниже среднемассовой температуры торможения . Пристенный слой высокоскоростного потока газа, имеющий более низкую температуру, за счет имеющегося избыточного давления отсасывается через проницаемую стенку 10 (dG) и формирует с обратной стороны стенки вторичный поток суммарным расходом G с температурой  ниже исходной температуры . Данный вторичный поток выходит по отдельному газоходу 7, образуя отводимый охлажденный поток газа 12. При этом среднемассовая температура первичного потока становится выше исходной температуры , а его массовый расход становится равным G=G-G. За счет расходного воздействия (отсос через проницаемую стенку 10) газ разгоняется по ходу движения по внутреннему каналу 3 до сверхзвуковых скоростей. Подогретый в центральном канале газ поступает в выходной сверхзвуковой диффузор 6 и далее отводится через отдельный газоход 8, образуя выходящий подогретый поток 13.
Заявляемый способ может быть реализован посредством любого другого устройства, допускающего отсос пристенного слоя высокоскоростного газового потока через проницаемые стенки канала разделительной камеры.
Таким образом, заявленный способ позволяет осуществить температурную стратификации газа и получить на выходе два потока - охлажденный поток газа, отсасываемый через проницаемую стенку, и подогретый начальный поток, разогнанный до сверхзвуковой скорости. Способ температурной стратификации требует для эффективного функционирования меньший запас начального избыточного давления за счет отсутствия необходимости сверхзвукового режима течения на входе в устройство. Кроме того, способ может быть реализован в устройстве с меньшими габаритами по сравнению с устройствами аналогичного назначения за счет подачи газа в разделительную камеру через один газоход и обеспечение разделения потока путем отсоса газа из первичного потока через проницаемую стенку.