Способ вихревого энергоразделения потока и устройство, его реализующее

 

Изобретение относится к газовой промышленности, в частности к вихревым преобразователям энергии перепада давлений на газораспределительных станциях магистральных трубопроводов. Предложено сжатый газ через пульсатор и тангенциальный многосопловой ввод подавать в разделительную камеру вихревой трубы, где он разделяется на приосевой и периферийный потоки и выводится через диафрагму и диффузор с развихрителем соответственно. Дополнительный поток сжатого газа подают через второй пульсатор в околоосевую зону разделительной камеры с частотой колебаний f₁=0,4–4 кГц. Посредством пульсирующего потока в разделительной камере эжектируют рециркулируемую часть периферийного потока. В пульсаторе основного потока газа создают объемные колебания с частотой f₂=8-32 кГц и настраивают заданные температуру и частоту объемных колебаний основного потока с температурой и частотой колебаний дополнительного потока. Частоту вращения дополнительного закрученного потока ω₁ задают кратной частоте вращения ω₂ приосевого течения основного потока, а внешнюю энергию дополнительного потока последовательно срабатывают в одной или более ступенях эжектора путем подмешивания газа дополнительного потока. Использование изобретения позволит повысить эффективность работы вихревого энергоразделителя. 2 с. и 17 з.п. ф-лы, 6 ил.

Изобретение относится к газовой промышленности, в частности к вихревым преобразователям энергии перепада давлений на газораспределительных станциях магистральных трубопроводов.

Известен способ вихревого энергоразделения потока с помощью акустического воздействия, излучаемого звуковыми генераторами, установленными в периферийном (горячем) потоке газа, выходящем из вихревых труб и превращающих потенциальную энергию рециркулирующего периферийного потока газа в энергию звуковых и ультразвуковых колебаний или в непрерывно действующие механические импульсы, распространяющиеся по газовым потокам и генерирующие дополнительные вихри по всему объему энергоразделителя, повышая тем самым эффективность процесса перемешивания газа и кпд вихревой трубы /1/.

Недостатком известного способа является требование перенастройки самой автоколебательной системы, что существенно ограничивает область его рационального применения, т.к. система является автоколебательной и ее перенастройка требует существенного изменения конструкции конкретной вихревой трубы.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности является способ вихревого энергоразделения, заключающийся в установке коаксиально, одной в другую, двух камер энергоразделения, направлении сжатого газа в тангенциальный сопловой ввод наружной камеры, разделения его на приосевой и периферийный потоки, подачи периферийного потока газа в тангенциальный сопловой ввод внутренней камеры, разделении его на приосевой и периферийный потоки газа, подачи закрученного периферийного потока в качестве дополнительного в приосевую зону наружной трубы, а приосевого потока потребителю /2/. Для осуществления указанного способа служит устройство, содержащее коаксиально размещенные на общей оси две вихревых трубы с раздельными тангенциальными сопловыми вводами противоположного вращения, причем внутренняя из них частично введена открытым горячим концом в наружную со стороны ее горячего конца, а в кольце между ними в месте установки развихрителя, на холодном конце внутренней трубы установлена дроссельная заслонка /2/.

Недостатком данного способа и устройства, его реализующего, является относительно низкая термодинамическая эффективность происходящего в ней процесса энергоразделения, вызванная нештатными условиями эксплуатации одной из двух (внутренней) вихревой трубы, что снижает ее кпд и ограничивает возможности по регулированию процесса взаимодействия свободного и вынужденного вихрей. Кроме того, фиксированное задание направления тангенциального ввода сжатого газа ограничивает диапазон применения таких энергоразделителей.

Процесс энергоразделения в вихревых трубах согласно современным представлениям, осуществляется некоторыми турбулентными частицами газа, сохраняющими в течение определенного промежутка времени свою индивидуальность, которые претерпевают турбулентное радиальное смещение. При этом, адиабатно сжимаясь и расширяясь (в зависимости от направления движения), они переносят энергию в форме тепла из приосевой зоны низкого давления в периферийную зону более высокого статического давления. Основное свойство закрученного потока - способность к самопроизвольному возбуждению интенсивных регулярных пульсаций скоростей и давлений. Экспериментальные исследования показали, что эти автоколебания тесно связаны с процессами переноса. На режимах с максимальной амплитудой пульсаций наблюдается наибольшая скорость энергообмена и значительное снижение пропускной способности вихревых труб. Также показано /5/, что процессы динамического взаимодействия вынужденных колебаний внешнего источника энергии с такой автоколебательной системой находятся в числе важнейших факторов, определяющих ускорение тепломассообмена в вихревых трубах. Поэтому разработка способов, интенсифицирующих колебательные процессы в вихревых энергоразделительных камерах, весьма актуальна.

Техническая задача изобретения - повышение термодинамической эффективности вихревого энергоразделителя потока газа путем организации рациональной схемы взаимодействия вихрей в энергоразделительной камере и использования свойства крупномасштабных вихревых структур, имеющих место в вихревых трубах.

Для решения технической задачи в способе вихревого энергоразделения потока, включающем тангенциальный сопловой ввод газа, разделение его на приосевой и периферийные потоки, введение дополнительного закрученного потока газа в околоосевую зону, согласно изобретению запитывают дополнительный поток газа от автономного внешнего источника энергии, подогревают его в теплообменнике периферийным потоком, задают его пульсирующим с частотой колебаний f₁=0.4-4 кГц, эжектируют им рециркулируемую часть периферийного потока, подогревают в теплообменнике периферийным потоком и создают объемные колебания давления с частотой f₂=8-32 кГц в потоке газа на входе в тангенциальный сопловой ввод и согласуют его частоту колебаний, температуру и давление с частотой колебаний, температурой и давлением сжатого газа дополнительного потока. Причем частоту вращения дополнительного закрученного потока ω₁ задают кратной частоте вращения ω₂ приосевого течения основного потока, а внешнюю энергию дополнительного потока последовательно срабатывают в одной или более ступенях эжектора путем регулярного подмешивания газа от дополнительного источника внешней энергии с частью периферийного потока газа, рециркулируемой в энергоразделительной камере. При этом направление вращения дополнительного потока задают не совпадающим с направлением вращения основного потока в энергоразделительной камере, а соотношение расходов, направляемых в дополнительный и основной потоки, задают равным Q_доп/Q_осн=0.25-0.08, при соотношении расходов приосевого и основного потоков газа в вихревом энергоразделители, равном μ’=0.7-0.95. Причем газ в приемную камеру эжектора подводят от приосевого потока на выходе из энергоразделительной камеры, а активный газ в сопла эжектора подают в виде подогретого дополнительного потока от внешнего источника энергии. При этом замеряют температуру газа основного потока на входе и в диффузоре вихревой энергоразделительной камеры, сравнивают в блоке согласования, выдают сигнал на управляемые редукторы, подают горячий периферийный поток или часть его из энергоразделительной камеры в теплообменники, нагревают основной и дополнительные потоки сжатого газа до оптимального соотношения температур.

Устройство, реализующее способ, содержащее разделительную камеру с многосопловым тангенциальным вводом газа, диафрагму вывода приосевого потока, диффузор вывода периферийного потока, трубу дополнительного ввода завихренного потока газа, развихритель, отличается тем, что оно снабжено эжектором, блоками согласования, первым, вторым теплообменниками и пульсаторами основного и дополнительного потоков, причем первый теплообменник установлен на входе многосоплового тангенциального ввода газа, а эжектор - на оси разделительной камеры со стороны диффузора, пульсатор расхода и второй теплообменник закреплены на трубе дополнительного ввода потока сжатого 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, датчиками замера регулируемых параметров, а с другой, - с исполнительными механизмами.

Кроме того, эжектор выполнен многоступенчатым, причем количество ступеней определяется геометрическими размерами энергоразделительной камеры и составляет от 2 до 4, снабжен сменными рабочими соплами и многоструйными насадками с количеством сопел от 6 до 15, причем оси сопел расположены параллельно продольной оси камеры энергоразделения, и многоствольной системой подвода активного газа, и многопозиционным переключателем введения в работу стволов подвода активного газа, а камера смешения установлена на расстоянии, равном пяти диаметрам рабочих сопел. Причем на входе в вихревой энергоразделитель установлен либо многопозиционный переключатель последовательности включения в работу сопел тангенциального ввода газа, либо механизм изменения площади проходного сечения многосоплового тангенциального ввода газа, включающий заслонку и приводной узел, а труба дополнительного ввода газа выполнена в виде приемной камеры эжектора. Кроме того, введены блоки согласования, первый из которых переключает стволы подвода активного газа эжектора, второй - сопла тангенциального ввода газа, третий - режим работы теплообменников, четвертый - соотношение давлений основного и дополнительного потоков.

Введение подпитки дополнительного потока от автономного источника внешней энергии, придание ему согласованного давления и пульсирующего режима с частотой колебаний, равной f₁=0,4–4 кГц, эжектирование рециркулирующей части периферийного потока и организация во входном потоке газа согласованных объемных колебаний давления с частотой f₂=8–32 кГц обеспечивает повышение термодинамической эффективности вихревого энергоразделителя газа.

Введение автономного источника внешней энергии для дополнительного закрученного потока газа позволяет существенно расширить диапазон работы предлагаемого энергоразделителя.

Исследования, проведенные авторами, показали, что наибольший вклад в энергетическое разделение вносит турбулентная теплопередача, а процесс энергетического разделения вызывается главным образом адиабатическим сжатием и расширением турбулентных вихрей в поле течения с центробежными силами при наличии неадиабатического распределения температуры и радиального изменения осевой скорости. Причем, наибольшей эффективностью, с точки зрения температурного разделения потоков, обладают вихревые энергоразделители с соотношением расходов, направляемых в дополнительный и основной потоки, равными Q_доп/q_och=0.25-0.08, при соотношении расходов приосевого и периферийного потоков равного μ’=0.7-0.95.

Введение дополнительного потока оказывает существенное влияние на величину μ’=(Q_х+Q_доп)/Q_осн. Известно, что с изменением μ’ меняются основные параметры горячего потока: давление Р_г и температура Т_г, причем, чем выше μ’, тем больше температура Т_г и давление Р_г горячего потока, выходящего из вихревого энергоразделителя. Оптимальное количество рециркулируемого газа, соответствующее максимальному температурному эффекту нагрева горячего потока, определяется опытным путем и зависит, для заданной конструктивной схемы, от величины μ=Q_x/q_och и P_BX. С их увеличением температура и количество рециркулируемого газа возрастает и, следовательно, температура Т_г, но при этом необходимо увеличить расход газа дополнительного потока Q_доп.

Исследования течений в вихревых энергоразделителях [8] показали, что вращающиеся потоки склонны к различного рода неустойчивости течения, а образующиеся при этом регулярные колебания давления оказывают решающее влияние на процессы переноса и, следовательно, на эффективность энергетического разделения газа.

Анализ спектров пульсаций давлений показал, что для вихревых труб характерно существование двух основных видов колебаний: низкочастотных периодических пульсаций давления с частотой f₁=0,4-4 кГц и высокочастотных периодических пульсаций давления с f₂=8-32 кГц, причем основной вклад в энергетический спектр пульсаций давлений вносят низкочастотные колебания.

Низкочастотные пульсации давления в вихревых трубах являются следствием прецессионной гидродинамической неустойчивости трехмерного закрученного потока газа.

Суть механизма такой гидродинамической неустойчивости течения состоит в том, что в процессе передачи момента количества движения от периферийного свободного вихря к приосевому противотоку, последний отклоняется от оси трубы и начинает прецессировать вокруг нее, периодически деформируя границу периферийного вихря и вызывая тем самым регулярные пульсации скорости и давления в нем.

Частота этих пульсаций равна частоте прецессии вынужденного вихря и определяется объемным расходом рабочего тела через вихревой энергоразделитель и степенью закрутки потока (отношением момента количества движения периферийного вихря к моменту количества движения подпитывающего потока). Резкое увеличение амплитуды низкочастотных колебаний при больших значениях m объясняется достижением оптимального для развития колебательного процесса соотношением масс свободного и вынужденного вихрей. Кинетическая энергия периферийного потока является источником энергии, поддерживающей прецессионные автоколебания [9].

Введение пульсирующего режима течения подогретого дополнительного потока с частотой f₁=0,4–4 кГц позволяет управлять коэффициентом расхода μ и степенью разделения потока, что ведет к увеличению кпд вихревого знергоразделителя на 10-20% и росту на 40-50°С температуры периферийного потока газа.

Введение режима объемных колебаний давления во входном подогретом потоке газа с частотой f₂=8-32 кГц позволяет за счет интенсификации высокочастотных колебаний периферийного (свободного) вихря на 8-10% увеличить кпд вихревого энергоразделителя и на 20-30°С поднять температуру периферийного потока газа.

Введение режима смешанных колебаний с частотами f₂=0,4–4 кГц и f₂=8-32 кГц позволит за счет приведения автоколебательной системы, в данном случае вихревой трубы, в режим параметрического резонанса на 20-40% повысить кпд вихревого энергоразделителя и на 50-80°С поднять температуру периферийного потока газа. Рост кпд объясняется влиянием радиальных пульсаций частиц газа в радиальном направлении на процесс энергетического разделения, то есть на интенсивность энергообмена между приосевым и периферийными потоками.

Введение эжектирования путем регулярного подмешивания газа от дополнительного источника энергии с частью периферийного потока, рециркулируемой в энегоразделительной камере, позволит интенсифицировать турбулентность в вихревом энергоразделителе.

Введение подогрева основного и дополнительного потоков сжатого газа, направляемых в энергоразделительную камеру, позволяет повысить их термодинамическую эффективность, так как перепад температур ΔТ=Т_х-Т_г пропорционален температуре сжатого газа на входе в энергоразделительную камеру.

Введение многоступенчатого эжектора с многоствольной системой подвода активного газа в виде дополнительного потока позволит упорядочить энергообмен между свободным и вынужденным вихрями в разделительной камере.

Введение пульсатора расхода в трубку дополнительного ввода газа позволяет существенно улучшить процесс турбулизации потоков в разделительной камере.

Введение многопозиционного переключателя введения в работу стволов подвода активного газа от дополнительного подвода и сопел тангенциального ввода газа позволяет менять частотный режим работы разделительной камеры.

Введение сменного завихрителя потока в камеру смешения эжектора позволит придать потоку вращательное движение с заданной частотой колебаний и тем самым реализовать схему с противоточным по направлению вращения подвода момента количества движения тангенциальных потоков и существенно расширить диапазон регулирования вихревого энергоразделителя.

Введение сменных многоструйных насадков рабочих сопел позволяет придать дополнительному потоку мелкодисперсностъ и тем самым улучшить перемешивание потоков в камерах разделительной и смешения.

Введение блока согласования последовательности переключения стволов подвода активного газа эжектора с очередностью введения в работу сопел тангенциального ввода газа или площади его проходного сечения позволяет реализовать оптимальные частотные режимы работы разделительной камеры.

Введение первого и второго теплообменников позволяет осуществить подвод тепла от горячего потока энергоразделительной камеры к основному и дополнительному потокам сжатого газа.

Введение блоков согласования температур и соотношения давлений основного и дополнительного потоков позволяет расширить диапазон параметров, обеспечивающих достижение оптимальных режимов работы энергоразделительных камер.

Сопоставительный анализ с прототипом [2] показал, что заявляемый способ вихревого энергоразделения потока и устройство, его реализующее, существенно отличается от известного способа и устройства, его реализующего, интегрированным введением оптимальных режимов динамического взаимодействия вынужденных колебаний внешнего источника энергии с автоколебательной системой, какой является вихревая труба, путем подбора основных регулируемых параметров, степени и направления вращения дополнительного потока (вынужденного вихря), а также степени эжектирования дополнительного потока, позволяющего интенсифицировать массотемпературный обмен рециркулирующих в энергоразделительной камере потоков.

Таким образом, заявляемый способ и устройство, его реализующее, соответствуют критерию “новизна”.

Известен способ вихревого энергоразделения потока, использующий влияние акустического поля на турбулентную струю [4]. Генерацию турбулентности принято объяснять наличием в исходном потоке периодических структур и взаимодействия звука со струей, имеющей характер резонансного взаимодействия со структурами соответствующей частоты. Так как в вихревых трубах присутствие таких структур ярко выражено, то подобные эффекты наблюдаются. Следует отметить [7], что акустическое воздействие является вторичным явлением по отношению к гидродинамической картине течения. Хотя исследования и показывают на тот факт, что при установке в вихревую трубу акустического демпфера определенной частоты абсолютный эффект температурного разделения можно увеличить на 30%, но основное направление улучшения термодинамической эффективности вихревых труб заключается в правильной организации самой гидродинамической картины течения.

Повышение термодинамической эффективности в известных вихревых трубах [10] в основном осуществляется с помощью регенерации циклов и утилизации энергии нагретого потока.

Известен способ повышения эффективности вихревых труб с помощью регенерации энергии горячего потока к поступающему в вихревую трубу сжатому газу [13]. Особенностью регенеративных циклов в вихревых трубах является то, что на нагрев направляют потоки в количестве (1-μ) от расхода сжатого газа. Последнее существенно ограничивает уровень достижимых температур нагреваемых потоков. В регенеративном цикле температура сжатого газа повышается с ростом μ, а разность температур ΔT=Т_х-Т_г уменьшается. В режиме подогрева, особенно при высоких значениях Т_г, подогрев газа происходит в основном в вихревой трубе и роль теплообменников становится незначительной. То есть повышение термодинамической эффективности вихревых труб в известном способе происходит в рамках одной конкретной автоколебательной системы (вихревой трубы).

В предлагаемом способе реализован совершенно иной подход к повышению термодинамической эффективности, а именно организация оптимальной вихревой структуры внутри разделительной камеры.

Известен способ вихревого энергоразделения потока, использующий влияние внешнего воздействия на вихревую систему энергоразделительной камеры [4]. Формирование приосевого (вынужденного) вихря происходит по всей длине камеры энергоразделения путем перетока элементов периферийного (свободного) вихря в радиальном направлении. Однако закрутка основного потока создает положительный градиент момента количества движения, который приводит к подавлению пульсаций и к стабилизации течения в приосевой области. Введение же внешнего воздействия от дополнительного закрученного потока обеспечивает подпитку энергией вынужденный вихрь, что компенсирует влияние основного (периферийного) потока и ведет к интенсификации пульсаций и дестабилизации течений в приосевой зоне.

Недостатком этого способа вихревого энергоразделения потока являются ограниченные возможности по энергии внешнего воздействия на вихревую систему, так как это воздействие носит узконаправленный характер, выражающийся в заранее заданном направлении вращения вынужденного вихря.

Другой разновидностью этого способа является введение в камеру разделения незавихренного дополнительного потока сжатого газа от постороннего источника [11], что увеличивает кинетическую энергию приосевого потока и ведет к перераспределению соотношения расходов горячего и холодного потоков газа, но при этом прирост энергии составляет незначительную часть первоначальной энергии основного потока, вытекающего из сопел газа, и поэтому слабо влияет на процессы энергообмена между вихрями в разделительной камере.

Вообще вихревая труба является антиподом эжектора, так как все процессы в ней идут наоборот. В эжекторе два газовых потока смешиваются в один со средней энергией, тогда как в вихревой трубе один газовый поток разделяется на два потока с различной энергией (полная температура одного потока выше полной температуры первоначального, а другого - ниже) [12].

В эжекторе энергия передается от высокоэнергетического тела к низкоэнергетическому силами вязкости за счет разности линейных скоростей, в вихревой трубе энергия передается от низкоэнергетического газа к высокоэнергетическому газу силами вязкости за счет разных угловых скоростей. В связи с этим вихревую трубу можно назвать антиэжектором, работающим на разности угловых скоростей. Исследования показали, что энергообмен между внутриосевыми и периферийными слоями газа в вихревой трубе может осуществляться при наличии у них разных угловых скоростей под действием сил вязкости. Энергия, передаваемая между слоями газа, равна L=М(ω₁-ω₂), где М - момент количества движения потока, ω₁ -угловая скорость приосевых слоев газа, ω₂ - угловая скорость периферийных слоев газа, то есть, если ω₁>ω₂ - то передача энергии идет от оси к периферии (L>0), при этом осевые слои охлаждаются, периферийные - подогреваются.

При ω₁<ω₂ энергия передается от периферии к оси и L<0 - реверс вихревого эффекта Ранка [9].

Все вихревые энергоразделители относятся к классу автоколебательных систем, так как подводимая сжатым газом энергия преобразуется в тепло и холод при турбулентном взаимодействии потоков внутри камеры разделения. Турбулентность в вихревых трубах носит ярко выраженный анизотропный характер, проявляющийся, во-первых, в преобладании пульсаций скорости в радиальном направлении и, во-вторых, аномально высоким ее уровнем в области разделения вихрей и значительно более низким - в центральной части вихревой трубы.

Известно, что при воздействии на автоколебательную систему периодической возбуждающей силы возникают различные колебательные процессы [5]. В зависимости от разности частот автоколебаний и периодической силы в системе возбуждаются либо периодические (захватываемые), либо почти периодические колебания, что ведет либо к интенсификации температурного разделения, либо к улучшению процесса сепарации газа. Данный подход и лежит в основе предлагаемого способа энергоразделения потока газа.

Таким образом, заявляемый способ вихревого энергоразделения потока и устройство, его реализующее, соответствуют критерию изобретения “изобретательский уровень”.

На фиг.1 изображен вихревой энергоразделитель потока; на фиг.2 - механизм частотного изменения площади проходного сечения в многосопловом тангенциальном вводе газа; на фиг.3 - многосопловой (порциальный) тангенциальный ввод газа и схема включения его в работу; на фиг.4 - многоствольный вариант исполнения рабочих сопел эжектора и схема включения стволов в работу; на фиг.5 -многоструйный насадок рабочих сопел эжектора; на фиг.6 представлен вихревой энергоразделитель потока с приемной камерой эжектора.

Вихревой энергоразделитель (фиг.1) содержит энергоразделительную камеру 1 с регулятором входного давления 2, пульсатором с исполнительным механизмом 3, многофункциональным датчиком замера параметров потока 4, теплообменником 5 и многосопловым тангенциальным вводом газа 6, диафрагмой 7 вывода приосевого потока, диффузором 8 вывода периферийного потока, развихрителем 9 периферийного потока, рабочим соплом 10 ввода через пульсатор расхода 11 с регулятором давления 12 и теплообменником 13 дополнительного потока сжатого газа и снабжен сменными насадками 14, одной или более камерами смешения эжектора 15 со сменными завихрителями 16, датчиками замера пульсаций потока 17 и температуры 18, блоками согласования 19, 20, обеспечивающими заданные режимы работы как пульсаторов 3 и 11, так и через регулятор расхода 21 регулировочные 22, 23 и отсечные 24 клапаны теплообменников 5 и 13. Исполнительные механизмы пульсаторов 3 и 11 могут быть выполнены по разным схемам. Например, в виде механизма изменения площади проходного сечения многосоплового тангенциального ввода газа 25, включающего одну или более клиновидных заслонок 26, штоков 27 и мембран агрегатов 28 (фиг.2). Причем один конец штоков 27 соединен с клиновидными заслонками 26, перекрывающими тангенциальные сопловые вводы 6 энергоразделительного устройства, а другой соединен с мембранами агрегатов 28, надмембранная полость которых, через пульсатор 3, соединена трубопроводом горячего потока с диффузором 8. Частоты колебаний давлений на входе в мембраны агрегатов 28 пульсаторов 3 и 11 задают блоками согласования 19 и 30 путем сравнения сигналов от датчиков замера пульсаций давления 17 в камере смешения эжектора и датчиков замера пульсаций давления 31 внутри энергоразделительной камеры 1. Исполнительный механизм пульсатора 3 может быть выполнен и по другой схеме. Например, исполнительный механизм 32 пульсатора 3 в виде закольцованных в различных сочетаниях сопел тангенциального ввода газа 33, управляемых отсечными клапанами 34, и многопозиционного переключателя 35 введения в работу выделенного сочетания сопел (фиг.3).

Кроме того, пульсатор 11 также может иметь различное исполнение. Например, если устройство снабжено многоствольной системой подвода активного газа 36 (фиг.4), то исполнительный механизм пульсатора 11 состоит из многопозиционного переключателя 37 введения в работу стволов подвода активного газа, управляемого сигналом от блока согласования 19. Труба дополнительного подвода газа может быть выполнена в виде приемной камеры эжектора 38 (фиг.6) пневматически, через трубопровод 39, связанной с заборником 40 газа из приосевого потока, выходящего через диафрагму 7 с рабочим соплом 10, а насадки рабочих сопел выполнены многоструйными 41 (фиг.5) с осями микросопел, параллельными продольной оси энергоразделительной камеры 1. Кроме того, регуляторы давлений основного 2 и дополнительного 12 потоков пневматически, через трубопровод 42, связаны с блоком согласования 43, который с помощью задатчика давления 44 отрабатывает оптимальное соотношение давлений в основном и дополнительном потоках сжатого газа.

Способ вихревого энергоразделения потока осуществляется в устройстве следующим образом.

Газ от источника высокого давления стабилизируют до заданной величины регулятором входного давления 2, создают объемные колебания давления потока с частотой f₂=8-32 кГц, нагревают в теплообменнике 5, вводят через тангенциальный сопловой ввод 6 в энергоразделительную камеру 1, разделяют его на приосевой и периферийный потоки.

При этом свободный пульсирующий вихрь, возникающий во входном сечении энергоразделительной камеры 1, преобразуют в вынужденный приосевой вихрь, вращающийся по закону твердого тела. Формирование в приосевом потоке вынужденного вихря происходит по всей длине камеры энергоразделения 1 путем, с одной стороны, перетока элементов периферийного (свободного) вихря в радиальном направлении, а с другой, от дополнительного закрученного пульсирующего потока, выходящего из одной или более камер смешения эжектора 15.

Газ дополнительного потока с расходом, равным Q_доп=0.08-0.25 Q_осн, подают, через регулятор давления 12 и теплообменник 13, создают в нем колебания давления с частотой f₁=0.4-4 кГц пульсатором 11 и направляют в рабочее сопло 10, срабатывают энергию подогретого дополнительного потока в камерах смешения 15 эжектора, закручивают образованный поток в завихрителях 16 и отдают при движении к диафрагме 7 энергию вынужденному вихрю, а через него периферийному потоку. Энергию горячего потока газа, выходящего из разделительной камеры 1, используют для интенсификации массотемпературного обмена в ней путем подбора оптимального соотношения температур сжатого газа в основном и дополнительном потоках. При этом температуру газа фиксируют датчиками 17 и 31, которые выдают сигнал на вход блока согласования 20, сравнивают с данными, полученными от датчика 4, управляют через регулятор расхода 21 и клапаны 22, 23, 24 режимами работы теплообменников 5 и 13.

Пульсации давления в камерах смешения 15 эжектора фиксируют датчиком 17, который подает сигнал на вход блока согласования 19, сравнивают с сигналом от многофункционального датчика 4. В случае рассогласования сигналов блок согласования 19 выдает команду исполнительным механизмам, которые меняют режим работы пульсаторов 3 и 11.

Таким образом противоточное движение периферийного и приосевого потоков вызывает эффект температурного разделения. Изменение температуры периферийных слоев газа при их движении от тангенциальных сопловых вводов 6 до диффузора 8 зависит от количества энергии, подведенной со стороны приосевых слоев газа к периферийным, от перепада давлений на участке движения газа от диффузора 8 к диафрагме 7.

Ниже, в качестве примера реализации способа, приведены основные параметры вихревого устройства: Р_вх=6 МПа; Р_вых=2.4 МПа; Q_осн=48 кг/с; Т_г =435 К; Т_х=228 К; f₁=1.2 кГц; f₂=24 кГц; Q_доп=9.6 кг/с; μ’=0.95.

Предлагаемый вихревой энергоразделитель потока работает по двум совмещенным принципам работы отдельных вихревых устройств, а именно противоточного вихревого эжектора и противоточной вихревой трубы с аксиальным и тангенциальными сопловыми вводами. Однако его оптимальный режим работы не является суперпозицией этих принципов и зависит от большого количества факторов, и определяется экспериментально.

Вихревой эжекторный поток, создаваемый дополнительным закрученным потоком газа, увеличивает степень его расширения в вихревой трубе и скорости истечения его из осесимметричных сопловых насадков, что, в свою очередь, увеличивает турбулизацию газа в энергоразделительной камере и соответственно характеристики заявляемого вихревого энергоразделителя.

Рассмотрение интенсификации вихревых процессов, происходящих в энергоразделительной камере, с позиции воздействия на автоколебательную систему, какой является вихревая труба, внешней периодической возбуждающей силы позволяет реализовать принципиально новые способы и устройства энергоразделения потоков в вихревых потоках.

Одновременная реализация в предлагаемом способе двух подходов интенсификации вихревых процессов, происходящих в энергоразделительной камере, а именно дополнительной закрутки вынужденного вихря и регулируемой согласованной пульсации давления, позволяет обеспечить эффективное температурное разделение потока газа.

Введение системы авторегулирования режимов работы энергоразделительных камер позволяет новым способом организовать вихревые структуры и поддерживать оптимальный режим их работы при различных изменениях внешних условий.

Использование различных устройств, улучшающих турбулизацию потока подпитывающего вынужденный вихрь, позволяет повысить эффективность процессов перемешивания периферийного и вынужденного вихрей в энергоразделительной камере.

Введение эжекторов, работающих в пульсирующем режиме от дополнительного потока, позволяет увеличить диссипацию кинетической энергии периферийного потока за счет организации радиальной пульсации внутреннего потока, которая вызывает ее необратимость.

Из описания предлагаемого способа и устройства, его реализующего, следует, что в них имеет место два различных по назначению потока газа на выходе в камеру энергоразделения: один, основной, входит через сопловой ввод тангенциально для создания вращательного движения газа вокруг ее продольной оси, а другой - с другого конца аксиально или закручено через сопла многокаскадного эжектора для создания острого струйного дутья. Пересечение этих двух потоков в энергоразделительной камере создает высокую турбулентность, способствующую повышению эффективности процесса энергорасширения. При этом в камере энергорасширения, при наличии небольших значений гидравлических и тепловых сопротивлений в тракте рециркуляции, создается практически постоянное статическое давление газа по радиусу камеры по всей длине, очень близкое по величине к периферийному статическому давлению, т.е. к статическому давлению горячего потока на периферии камеры энергоразделения. Следовательно, статическое давление холодного потока и скорость истечения его из камеры энергоразделения выше, чем в других известных вихревых трубах, и для срабатывания энергии требуются меньшие перепады давления на входе в энергоразделительную камеру и выходе из нее.

Все приведенные признаки являются существенными, так как каждый из них влияет на соответствующий фрагмент технического результата, совокупность же их позволяет получить требуемый технический результат.

Использование предлагаемого способа вихревого энергоразделения потока и устройства, его реализующего, позволит, по сравнению с прототипом [2], повысить термодинамическую эффективность вихревых энергоразделителей потока газа за счет:

- введения взаимодействия автоколебательной системы (вихревой трубы) с вынужденными колебаниями от внешнего дополнительного источника энергии;

- полного, ступенчатого срабатывания энергии дополнительного потока в зоне взаимодействия вынужденного и свободного вихрей;

- подбора оптимального режима работы вихревого энергоразделителя при организованных смешанных колебаниях;

- введения системы саморегулирования заданных режимов работы вихревого энергоразделителя потока газа;

- введения системы глубокого регулирования работы энергоразделительных камер путем направленного воздействия на вихревые процессы, происходящие в них, что неочевидно в известных способах и устройствах, их реализующих.

Источники информации

1. Патент РФ №2114358,1996, МКИ F 25 В 9/04.

2. А.с. СССР №517756,1975, МКИ F 25 В 9/02.

3. Патент РФ №2067266,1989, МКИ F 25 В 9/02.

4. Патент РФ №2154230,1999, МКИ F 25 В 9/02.

5. Алифанов А.А., Фролов К.В. Взаимодействие нелинейных колебательных систем с источниками энергии -М.: Наука. 1985. -328 с.

6. Гупта А. и др. Закрученные потоки -М.: Мир. 1987. -588 с.

7. Власов В.В., Гиневский А.С. О двухстороннем характере акустического влияния на свободные турбулентные струи //Турбулентные течения. -М.: Наука, 1974. -С. 149-153.

8. Лукачев С.В. Исследование неустойчивых режимов течения газа в вихревых трубах Ранка // ИФЖ, XLI, т.5, 1981. -С. 784-790.

9. Кузнецов В.И. Течение газа в трубке Ранка и его визуализация // Матер. VI Всесоюз. НТК, -Самара. 1990. -С. 34-36.

10. Суслов А.Д. и др. Вихревые аппараты. -М.: Машиностроение, 1985.-256 с.

11. А.с. СССР №1219883, 1985, МКИ F 25 В 9/02.

12. Соколов Е.Я., Зингер Н.М. Струйные аппараты. -М.: Энергоатомиздат, 1989. -352 с.

13. Меркулов А.Н. Вихревой эффект и его применение в технике. -М.: Машиностроение, 1969.-184 с.

Формула изобретения

1. Способ вихревого энергоразделения потока путем тангенциального соплового ввода газа, разделения его на приосевой и периферийный потоки, введения дополнительного закрученного потока газа в околоосевую зону, отличающийся тем, что запитывают дополнительный поток газа от автономного внешнего источника энергии, подогревают его в теплообменнике периферийным потоком, задают его пульсирующим с частотой колебаний f₁=0,4-4 кГц, эжектируют им рециркулируемую часть периферийного потока, подогревают в теплообменнике периферийным потоком и создают объемные колебания давления с частотой f₂=8-32 кГц в потоке газа на входе в тангенциальный сопловой ввод и согласуют его частоту колебаний, температуру и давление с частотой колебаний внешнего дополнительного потока, температурой и давлением сжатого газа дополнительного потока.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что частоту вращения ω₁ дополнительного закрученного потока задают кратной частоте вращения ω₂ приосевого течения основного потока.

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что энергию дополнительного потока последовательно срабатывают в одной или более ступенях эжектора, путем регулярного подмешивания газа от дополнительного внешнего источника энергии с частью периферийного потока газа, рециркулируемой в вихревой разделительной камере.

4. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что направление вращения дополнительного потока задают не совпадающим с направлением вращения основного потока в энергоразделительной камере.

5. Способ по п.1 или 3, отличающийся тем, что соотношение расходов, направляемых в дополнительный и основной потоки, задают равным Q_доп/Q_осн=0,25-0,08 при соотношении расходов приосевого и основного потоков газа в вихревом энергоразделителе, равном μ'=0,7-0,95.

6. Способ работы по любому из пп.1, 3, 5, отличающийся тем, что газ в приемную камеру эжектора подводят от приосевого потока на выходе из энергоразделительной камеры, а активный газ в сопла эжектора подают в виде подогретого дополнительного потока от внешнего источника энергии.

7. Способ работы по любому из пп.1, 3, 5 и 6, отличающийся тем, что замеряют температуру газа основного потока на входе и в диффузоре вихревой энергоразделительной камеры, сравнивают в блоке согласования, выдают сигнал на управляемые редукторы, подают горячий периферийный поток или часть его из энергоразделительной камеры в теплообменники, нагревают основной и дополнительный потоки сжатого газа до оптимального соотношения температур.

8. Устройство для вихревого энергоразделения потока газа, содержащее энергоразделительную камеру с многосопловым тангенциальным вводом сжатого газа, диафрагму вывода приосевого потока, диффузор вывода периферийного потока, трубу дополнительного ввода завихренного потока газа, развихритель, отличающееся тем, что оно снабжено эжектором, блоками согласования, первым, вторым теплообменниками и пульсаторами входного и дополнительного потоков газа, датчиками замера температуры и пульсаций потока, причем 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.

9. Устройство по п.8, отличающееся тем, что эжектор выполнен многоступенчатым, причем количество ступеней определяется геометрическими размерами энергоразделительной камеры и составляет от 2 до 4.

10. Устройство по п.8 или 9, отличающееся тем, что эжектор снабжен сменными рабочими соплами.

11. Устройство по п.8, отличающееся тем, что на входе в вихревой энергоразделитель установлен многопозиционный переключатель последовательности включения в работу сопел тангенциального ввода газа.

12. Устройство по п.8, отличающееся тем, что на входе в вихревой энергоразделитель введен механизм изменения площади проходного сечения многосоплового тангенциального ввода газа, включающий заслонку и приводной агрегат.

13. Устройство по п.8 или 9, отличающееся тем, что камера смешения эжектора снабжена сменными завихрителями потока и установлена на расстоянии, равном от пяти до десяти диаметров рабочего сопла.

14. Устройство по п.8, отличающееся тем, что трубка дополнительного подвода газа выполнена в виде приемной камеры эжектора.

15. Устройство по п.8, отличающееся тем, что выходной канал за диффузором пневматически связан с приемной камерой эжектора трубопроводом.

16. Устройство по любому из пп.8, 9, 11, отличающееся тем, что эжектор снабжен многоствольной системой подвода активного газа.

17. Устройство по любому из пп.8, 9, 13 и 14, отличающееся тем, что эжектор снабжен многопозиционным переключателем введения в работу стволов подвода активного газа.

18. Устройство по любому из пп.8, 9, 13, 16 и 17, отличающееся тем, что насадки рабочих сопел эжектора выполнены многоструйными с количеством сопел от 6 до 15, причем оси сопел расположены параллельно продольной оси камеры энергоразделения.

19. Устройство по п.8, отличающееся тем, что датчики замера параметров, а именно, пульсаций давления, температур и давлений связаны с входами блоков согласования, а их выходы пневматически через регуляторы давления соединены с пульсаторами и теплообменниками, а также с переключателем стволов подвода активного газа эжектора и с механизмом введения в работу сопел тангенциального ввода газа.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6