УСТРОЙСТВО ТЕМПЕРАТУРНОЙ СТРАТИФИКАЦИИ ГАЗА

Полезная модель относится к промышленной теплотехнике и может быть использована 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
Известно устройство температурной стратификации газа, которое основано на вихревом эффекте (трубка Ранка-Хилша). Принцип действия устройства заключается в подаче сжатого воздуха тангенциально в цилиндрическую или коническую 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.
Известно устройство, основанное на резонансном методе температурной стратификации в газовых потоках (труба Гартмана-Шпренгера). В соответствии с этим решением газовая струя направляется в трубку с заглушенным торцем, температура поверхности торца при определенных режимах может в несколько раз превышать начальную температуру торможения потока. При этом температура газа, вытекающего из трубки с закрытым торцем, 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).
Известно устройство для температурной стратификации газа (труба Леонтьева), содержащее корпус, выполненный в виде трубы, с разделительной камерой для приема обрабатываемого газа и с газоходами вывода холодного и горячего газов (RU 2106581 С1,кл. F25B 9/02, опубл. 23.05.1996) [3]. Корпус снабжен дополнительной трубой из теплопроводного материала меньшего диаметра с профилированным сверхзвуковым соплом и сверхзвуковым диффузором, установленным коаксиально в первой трубе.
Недостатком данного технического решения 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.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемой полезной модели является устройство стратификации, раскрытое в публикации [4] (Виноградов Ю.А., Здитовец А.Г., Стронгин М.М. «Экспериментальное исследование температурной стратификации воздушного потока, протекающего через сверхзвуковой канал, с центральным телом в виде пористой проницаемой трубки» // Механика жидкости и газа. № 5, 2013, с. 134-145). Устройство для температурной стратификации газа содержит ресивер, корпус, внутри которого размещены разделительная перегородка, сверхзвуковое сопло и сверхзвуковой диффузор. Работа устройства заключается в подаче газа в разделительную камеру, вывод холодного и горячего газов через отдельные газоходы аналогично основной концепции, реализуемой в трубе Леонтьева, при этом в качестве разделительной камеры (стенки) используют пористую проницаемую поверхность. Сверхзвуковой режим течения в описанном эксперименте был организован во внешнем кольцевом канале, а центральное тело представляло из себя цилиндрический канал, выполненный из проницаемого материала (спеченный электрокорунд). Результаты публикации свидетельствуют о том, что поток воздуха, попавший во внутренний цилиндрический канал, к началу пористого проницаемого участка разгонялся до звуковой скорости за счет работы сил трения. На выходе из центрального пористого канала поток за счет расходного воздействия (отсоса) имел сверхзвуковую скорость и более высокую температуру торможения, чем в ресивере, а на выходе из кольцевого канала зафиксировано дозвуковое течение и незначительное отличие температуры торможения от начальной температуры в ресивере.
Недостатком данного технического решения является тот факт, что для осуществления температурной стратификации в данной конфигурации необходимо обеспечить сверхзвуковой режим течения во внешнем кольцевом канале, что требует избыточного давления на входе, при этом возникающий вдув газа из внутреннего канала приводит к значительным потерям полного давления, срыву сверхзвукового режима течения и снижению нагрева сверхзвукового потока на выходе из кольцевого канала.
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 полезной модели
Техническим результатом, достигаемым при использовании заявляемой полезной модели, является снижение уровня начального давления за счет отсутствия необходимости обеспечения сверхзвукового режима течения на входе в устройство. Кроме того, устройство обеспечивает снижение потерь полного давления одного из разделенных потоков, а также обладает меньшими габаритами по сравнению с устройствами аналогичного назначения.
Технический результат достигается за счет того, что в устройстве температурной стратификации газового потока, содержащем разделительную камеру, включающую внутренний и внешний каналы, выходы которых соединены с соответствующими газоходами для вывода разделенных подогретого и охлажденного газов, сужающееся сопло, обеспечивающее возможность разгона подаваемого в устройство газового потока до скорости, и сверхзвуковой диффузор, размещенный на выходе внутреннего канала и обеспечивающий торможение подогретого газа, согласно техническому решению сужающееся сопло расположено на входе внутреннего канала, при этом выходной диаметр сужающегося сопла равен диаметру внутреннего канала, внутренний и внешний каналы расположены коаксиально, при этом стенки внутреннего канала, по меньшей мере, частично выполнены проницаемыми, а стенки внешнего канала выполнены непроницаемыми, из материала с малым коэффициентом теплопроводности и снабжены наружной теплоизоляцией. Длина проницаемого участка внутреннего канала разделительной камеры составляет не менее 4 калибров.
Описание чертежей
На фиг. 1 схематично изображено заявляемое устройство температурной стратификации газа.
На фиг. 2 схематично отражен принцип действия заявляемого устройства температурной стратификации, 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 полезной модели
Сущность полезной модели поясняется следующим.
w
*
Температура торможения сжимаемого газа распределяется в пограничном слое неравномерно. У пристенных слоев газа она оказывается ниже, а у более удаленных - выше температуры торможения в ядре потока (при числе Прандтля газа меньшем 1). Определяющей тепловой поток температурой в данном случае является температура пристенных слоев газа или адиабатная температура стенки T:
,
0
*
где Т - начальная температура торможения потока, К; k - показатель адиабаты рабочего тела (k=1.4 для воздуха); М - число Маха в невозмущенном 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 тела - Рr:
,
где n=1/2 (ламинарный режим течения), n=1/3 (турбулентный режим - чаще всего реализуется на практике).
Для воздуха (Рr=0.7) коэффициент восстановления температуры r при турбулентном безотрывном обтекании плоской, цилиндрической и конической поверхности, согласно экспериментальным данным [5] - (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. (Рr=0.1-0.4) значение r может уменьшаться до 0.3-0.4.
Температурная стратификация потока зависит от его скорости и становится ощутимой при скоростях потока не ниже скорости звука. Согласно теории термодинамики газовых потоков [6] - (6. Вулис Л.А. «Термодинамика газовых потоков» / Госэнергоиздат, Москва. 1950. 304 с.), при наличии геометрического воздействия в виде сужения канала возникает ускоренное движение газа вплоть до критического состояния (скорости звука). При этом необходимый запас давления газа для достижения скорости звука (М=1) зависит от рода газа (показателя адиабаты):
,
0
1
*
*
где Р, P - полное давление на входе и на выходе из установки, Па; k - показатель адиабаты рабочего тела.
Для воздуха (k=1.4), в соответствии с (3), перепад давления составляет около 1.89. Соответственно, при атмосферном давлении на выходе из установки в ресивере на входе необходимо поддерживать давление не ниже около 190 кПа.
В канале разделительной камеры с проницаемыми стенками поток, движущийся со скоростью звука, при достаточном начальном избыточном давлении испытывает расходное воздействие - отсос через стенку. Согласно закону сохранения энергии, среднемассовая температура остальной части газа повышается. Как показывает опыт, для получения значительного эффекта температурной стратификации газа, длина проницаемого участка внутреннего канала разделительной камеры должна составлять не менее 4 калибров (отношение длины внутреннего канала к его диаметру). 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 в диффузоре, расположенном на выходе из центрального канала с проницаемыми стенками, позволяет сохранить полное давление подогретого потока.
Также как следует из (1), при увеличении полной температуры газа на входе в устройство, 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 устройства.
Заявляемое устройство температурной стратификации газа 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 холодного газа, отбираемого из внутреннего канала 3. Стенки 10 внутреннего канала 3 выполнены проницаемыми (пористыми), при этом длина проницаемого участка внутреннего канала разделительной камеры должна составлять не менее 4 калибров. Для обеспечения большего эффекта температурной стратификации стенки внутреннего канала могут быть выполнены пористыми по всей протяженности канала. 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, эбонит, λ=0.16 Вт/(мК). Наружная поверхность разделительной камеры и отводящих газоходов 7 и 8 снабжены слоем теплоизоляции 5. Для обеспечения работы устройства оно может быть подключено к компрессору, трубопроводу высокого давления, ресиверу, форкамере или любому другому резервуару со сжатым газом с давлением не ниже 190 кПа.
Заявляемое устройство работает следующим образом.
o
0
0
w
хол
хол
хол
гор
0
хол
*
*
*
*
*
Сжатый газ с исходным давлением торможения Р и соответствующим массовым расходом G (определяемым критическим диаметром 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 Р 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 T 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 другой стороны стенки вторичный поток суммарным расходом G с температурой Т 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.
Таким образом, заявленная полезная модель представляет собой устройство с меньшими габаритами конструкции в сравнении с аналогами за счет наличия только одного газового потока на входе в устройство. При этом устройство обеспечивает возможность снижения потерь полного давления одного из газовых потоков за счет отсутствия вдува газа в высокоскоростной поток, и возможность последующего его эффективного торможения в диффузоре. Кроме того, за счет отсутствия необходимости сверхзвукового режима течения на входе в устройство для его работы требуется меньшее начальное избыточное давление.
Пример.
3
Заявляемое устройство реализовано в рамках модельного эксперимента со следующими характеристиками. Материал пористой трубки (внутренний канал) - спеченный электрокорунд (λ=40 Вт/(м⋅К), открытая пористость 37-38%, диаметр пор 60-65 мкм, плотность 2210 кг/м. Длина пористой трубки - 150 мм или около 42 калибров. Таким образом, стенки внутреннего канала выполнены пористыми на всю длину. Выходной диаметр сопла - 3.5 мм - равен диаметру внутреннего канала трубки, наружный диаметр трубки - 10 мм, внутренний диаметр внешнего кольцевого канала - 20 мм. Часть газа через проницаемые стенки трубки вытекает в кольцевой внешний канал (4), а оставшаяся часть поступает в выходной диффузор (6) и далее в газоход сбора подогретого газа (8).
o
o
o
o
*
*
*
*
*
Сжатый воздух с параметрами торможения (Т=22.4°С, Р=2÷10 атм) поступает из ресивера (1) в сужающееся сопло (2), которое плавно переходит в трубку с пористыми проницаемыми стенками (3) (фиг. 1). В ресивере расположен приемник для измерения давления торможения потока Р. Температурные измерения производились хромель-алюмелевыми термопарами в следующих точках: в ресивере располагались четыре приемника температуры торможения потока Т, зондовое координатное устройство позволило измерять профиль температуры торможения Т в приемнике подогретого газа на выходе из диффузора. На первом этапе эксперимента внешний кольцевой канал отсутствовал, и измерялась температура внешней поверхности пористой проницаемой трубки бесконтактным методом при помощи тепловизора ThermaCAM SC3000. На втором этапе использовали внешний канал и производили сбор охлажденного газа с измерением его расхода ротаметром и температуры с помощью термопары в газоходе сбора охлажденного газа (7). Во время эксперимента температура торможения в ресивере (1) поддерживалась равной температуре окружающей среды. Величина абсолютной погрешности измерения температуры торможения в ресивере составляла ±0.3°С, температуры торможения в газоходах сбора подогретого и охлажденного газа ±0.4°С, температуры внешней поверхности пористой трубки при измерениях тепловизором ±0.5°С.
Эксперимент проводились следующим образом. При помощи вентиля в ресивере устанавливалось требуемое давление торможения потока, а при помощи электрического нагревателя температура потока в ресивере устанавливалась равной температуре окружающей среды. По достижению стационарного состояния производились измерения профиля температуры торможения в диффузоре, температуры стенки пористой трубки (на 1-ом этапе) или расхода и температуры воздуха в газоходе сбора охлажденного газа (на 2-ом этапе). Данные сохранялись на ПК и в дальнейшем обрабатывались.
В результате первой части эксперимента с помощью тепловизора было получено, что с увеличением давления торможения в ресивере температура поверхности пористой стенки снижается. Таким образом, считая, что температура пористой стенки равна температуре истекающего через нее воздуха, можно заключить, что воздух, истекающий через пористую стенку, имеет температуру ниже, чем температура воздуха в ресивере. С увеличением давления в ресивере среднемассовая температура торможения воздуха на выходе из внутреннего канала пористой проницаемой трубки растет. В результате второй части эксперимента получен эффект температурной стратификации в виде нагрева потока во внутренней пористой трубке и охлаждении потока во внешнем кольцевом канале. При увеличении давления от 2 до 10 атм отношение расхода газа во внешнем кольцевом канале к расходу через внутренний канал возрастало от 0.4 до 1.5, при этом интегральный эффект температурной стратификации (разница между температурами потоков на выходе из устройства) возрастал с 4 до 11 градусов. По сравнению с эффектом Джоуля-Томсона при соответствующих перепадах давления полученный эффект охлаждения потока во внешнем кольцевом канале составлял от 2.5 до 14 раз в зависимости от начального давления в ресивере.
Список литературы
1. Меркулов А.П. «Вихревой эффект и его применение в технике» / Самара: Оптима, 1997. 346 с.
2. 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.
3. Способ температурной стратификации газа и устройство для его осуществления (труба Леонтьева). RU 2106581 С1 (кл. F25B 9/02, опубликовано 23.05.1996)
4. Виноградов Ю.А., Здитовец А.Г., Стронгин М.М. «Экспериментальное исследование температурной стратификации воздушного потока, протекающего через свехзвуковой канал, с центральным телом в виде пористой проницаемой трубки» // Механика жидкости и газа. №5, 2013, с. 134-145.
5. Шлихтинг Г. «Теория пограничного слоя» // М: Наука, 1974. 711 с.
6. Вулис Л.А. «Термодинамика газовых потоков» / Госэнергоиздат, Москва. 1950. 304 с.