ОБМЕННИК ДАВЛЕНИЯ
PRESSURE EXCHANGER

Изобретение относится к энергетическому машиностроению, в частности к устройствам для наддува двигателей внутреннего сгорания путем непосредственного обмена энергией между отработавшими газами и наддувочным воздухом, и может быть использовано в системах утилизации теплоты.
Известен волновой обменник давления (см. патент США №2780405, кл. 417-64, опубл. 1957), содержащий ротор с продольными ячейками и неподвижные торцовые плиты, снабженные окнами для подвода и отвода сжимающего газа и сжимаемого воздуха.
Недостатком данного устройства является чувствительность продувки ячеек воздухом к гидравлическому сопротивлению трактов низкого давления и отклонению частоты вращения ротора от расчетных значений.
За ближайший аналог принимается волновой обменник давления (А.с. №1573239, МПК F04F 11/02, опубл. 23.06.90 г.), содержащий ротор с напорообменными ячейками, охватывающий его статор с каналами подвода и отвода сжимающего газа и сжимаемого воздуха и вентилятор, подключенный к каналу подвода сжимаемого воздуха. Обменник снабжен перегородкой и системой регулирования производительности вентилятора, причем перегородка размещена в канале подвода воздуха и установлена с возможностью поворота и образования двух трактов. Система регулирования выполнена в виде блока управления, связанного с вентилятором и срабатывающего по сигналу датчика температуры.
Принудительное вентилирование ячеек при подключении к окнам низкого давления способствует интенсификации продувки воздухом, в том числе на нерасчетных скоростных режимах. К недостаткам вышеописанного обменника давления можно отнести то, что это не оказывает принципиального влияния на обменные процессы на участке высокого давления. На нерасчетных скоростных режимах рассогласование отражения первичных волн в напорообменных каналах с фазами подключения их к окнам высокого давления приводит к значительному ухудшению КПД обменника. Кроме того, неизбежные диссипативные явления в процессах формирования и взаимодействия ударных волн и сильно возмущенных волн разрежения ограничивают КПД лучших образцов волновых обменников давления на расчетных режимах значениями 0,55…0,57.
Изобретение решает задачу повышения КПД обменника и снижения его чувствительности к рассогласованию частоты вращения ротора путем организации каскадно-статического сжатия рабочего тела в напорообменных ячейках и нивелирования волновой составляющей обмена энергией между сжимающим и сжимаемым газами.
Это достигается тем, что в известном обменнике давления, содержащем ротор с напорообменными ячейками, охватывающий его статор с окнами подвода и отвода сжимающего и сжимаемого газов, вентилятор, подключенный к каналу подвода сжимаемого газа, предлагается на поверхности статора, сопрягаемой с входными сечениями напорообменных ячеек ротора, выполнить ряд окон, причем окна, расположенные по обе стороны от окна подвода сжимающего газа, попарно сообщить между собой замкнутыми каналами, ориентированными симметрично относительно окна подвода сжимающего газа.
Перечисленные конструктивные изменения позволяют практически полностью использовать остаточное давление в каждой из ячеек после разобщения с окнами высокого давления (подвода сжимающего газа и отвода сжатого газа) для предварительного повышения давления в ячейках до значения, близкого к давлению сжимающего газа. Таким образом, основное повышение давления в ячейке осуществляется в процессе каскадного сжатия в период, предшествующий ее подключению к окнам высокого давления. При подключении ячейки к окнам высокого давления энергия сжимающего газа затрачивается в основном на вытеснение уже сжатого газа (воздуха), что, в конечном счете, обеспечивает снижение расхода сжимающего газа и повышение КПД обменника. Исключение в энергообменном процессе сильных ударных волн, в свою очередь, позволяет не только уменьшить диссипацию энергообменного процесса, но и существенно снизить чувствительность обменника к рассогласованию частоты вращения ротора с фазами газораспределительных окон.
Благодаря симметричному размещению по обеим сторонам окна подвода сжимающего газа непрерывных рядов окон достигается каскадно-ступенчатое сжатие рабочего тела, причем с увеличением количества этих окон остаточное давление в ячейке в момент сообщения ее с продувочными окнами приближается к атмосферному, при этом продувка ячейки осуществляется не за счет волновых процессов, а за счет энергетически более рационального стационарного вентилирования благодаря избыточному давлению в канале подвода сжимаемого газа, поддерживаемому подключенным к этому каналу вентилятором.
Следует отметить, что перечисленные выше признаки устройства обуславливают реализацию заявляемого эффекта лишь в своей совокупности.
Сущность изобретения поясняется чертежами: на фиг.1 - общий вид обменника; на фиг.2 - схематичная развертка ротора относительно окон статора.
Каскадный обменник давления содержит ротор 1 с продольными ячейками 2, охватывающий его статор 3, содержащий диаметрально оппозитно размещенные окно 4 подвода сжимающего газа высокого давления (ПВД) и окно 5 отвода сжимающего газа низкого давления (ОНД), на поверхности статора, сопрягаемой с входными сечениями ячеек 2, размещены окна 6 каскадного обмена, попарно сообщенные между собой посредством замкнутых каналов 7. На смежной поверхности статора, сопрягаемой со смежными выходными сечениями ячеек 2 ротора 1, расположены окно 8 отвода сжимаемого газа высокого давления (ОВД) и окно 9 подвода сжимаемого газа низкого давления (ПНД), подключенное к каналу 10 с размещенным в нем вентилятором 11.
Каскадный обменник давления работает следующим образом.
При вращении ротора 1 каждая из ячеек 2 с предварительно сжатым газом (воздухом) сообщается с окнами 4 (ПВД) и 8 (ОВД), в первом из которых поддерживается давление, несколько превышающее давление в окне 8 (ОВД). В результате под действием перепада давлений между этими окнами сжимающий газ, поступая в ячейку 2, вытесняет из нее предварительно сжатый газ (воздух) в окно 8, откуда последний отводится к потребителю. Поскольку давление сжимающего газа в окне 4 (ПВД) несущественно превышает давление предварительного сжатия газа (воздуха) в ячейке 2, в ее входном сечении формируется волна уплотнения малой интенсивности, незначительно повышающая давление в ячейке. Ввиду практического отсутствия процесса сжатия в период сообщения ячейки с окнами высокого давления объемный расход сжимающего газа в окне 4 (ПВД) примерно равен объемному расходу сжатого газа (воздуха) в окне 8 (ОВД), а отношение массовых расходов в первом приближении равно обратному отношению температур этих газов. После разобщения с окнами высокого давления в ячейке 2 сохраняется остаточное давление, равное давлению сжимающего газа в окне 4 (ПВД).
В процессе вращения ротора рассматриваемая ячейка последовательно сообщается с окнами 6 каналов 7, через которые часть сжатого газа отводится в смежные относительно этих каналов 7 ячейки, сжимая находящийся в них газ (воздух). Вследствие этого по мере приближения к окну 5 остаточное давление в ячейке 2 постепенно снижается.
В первоначальный момент совмещения с окном 5 (ОНД) давление в ячейке 2 сохраняет некоторый избыточный потенциал, тем меньший, чем большее количество каналов 7 и соответственно пар окон 6 размещено в статоре 3 обменника. При этом в выходном сечении ячейки 2, сопрягаемом с окном 5 (ОНД), формируется слабая волна разрежения недостаточная для организации продувочного импульса. При последующем подключении к окну 9 осуществляется продувка ячейки сжимаемым газом (воздухом), в основном, за счет избыточного давления в канале 10, поддерживаемым вентилятором 11.
При дальнейшем вращении ротора 1 ячейка 2 последовательно сообщается с противоположными окнами 6 каналов 7, через которые обеспечивается подвод рабочего тела из смежных ячеек, что сопровождается ступенчатым повышением давления в ней. В момент, предшествующий совмещению с окном 4 (ПВД), в ячейке 2 устанавливается давление предварительного сжатия, близкое к давлению газов в окне 4 (ПВД) и далее цикл возобновляется.
Описанный процесс осуществляется последовательно в каждой ячейке, что обеспечивает непрерывную работу обменника.
Таким образом, в каскадном обменнике достигается повышение КПД благодаря практически полному использованию остаточного давления предварительного сжатия рабочего тела в напорообменных ячейках в процессе каскадного обмена энергией между смежными ячейками на участках сжатия и расширения, а также исключению в рабочем процессе условий формирования волн большой интенсивности.
К преимуществам предложенного технического решения по сравнению с прототипом относится следующее:
- повышение эффективности обменных процессов ввиду наличия процесса сжатия рабочего тела до подключения ячейки к окну подвода сжимающего газа за счет энергии остаточного давления, а также снижения диссипативных явлений вследствие существенного изменения волновой составляющей обменных процессов цикла;
- снижение чувствительности к отклонению частоты вращения ротора от расчетного значения благодаря отсутствию необходимости согласования моментов подключения напорообменных ячеек к газораспределительным окнам с продолжительностью распространения первичных волн в высоконапорной и низконапорной частях рабочего цикла.
Экономический эффект от использования изобретения достигается за счет снижения расхода сжимающего газа и расширения области эффективной работы обменника ввиду высокой приспособляемости к изменению частоты вращения ротора.