Вихревой энергоразделитель
Изобретение относится к области энергетического машиностроения, в частности к устройствам для гидродинамического температурного разделения воздуха с использованием энергии ветра. Вихревой энергоразделитель содержит вихревую трубу как минимум с одним тангенциальным входом для ввода газовоздушной смеси и двумя выходами, один из которых выполнен в виде дросселя для горячей смеси, другой в виде диафрагмы для холодной смеси. Тангенциальный вход снабжен соплом, выполненным с обеспечением возможности получения на выходе звуковых или сверхзвуковых скоростей газовоздушной смеси. На входе сопла установлен конфузор. Вихревая труба снабжена обеспечивающей внутри нее вакуум-системой, включающей отверстие для откачки газовоздушной смеси из вихревой трубы и три клапанных блока, первый из которых установлен на тангенциальном входе, а второй и третий - на выходах дросселя и диафрагмы, соответственно. Использование изобретения позволит расширить функциональные возможности устройства за счет использования энергии ветра. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.
Изобретение относится к области энергетического машиностроения, в частности к устройствам для гидродинамического температурного разделения воздуха с использованием энергии ветра.
Известен вихревой энергоразделитель, содержащий соосно размещенные одна в другой две вихревые трубы с автономными тангенциальными вводами сжатого газа, камерами энергетического разделения и диафрагмами. Тангенциальный ввод внутренней трубы расположен в камере энергетического разделения наружной трубы и выполнен многосопловым, а диафрагма внутренней трубы обращена в сторону тангенциального ввода наружной трубы (см. пат. СССР №721644, кл. F 25 В 9/02, от 24.01.78 г.).
Однако известное устройство имеет ограниченные функциональные возможности, так как предназначено для работы только на сжатом газе.
По технической сущности наиболее близким к предложенному является устройство для разделения газовоздушных смесей, содержащее тангенциальный патрубок ввода смеси, камеру энергетического разделения, узлы отвода горячих и холодных продуктов разделения. Патрубок выполнен в виде сопла Лаваля с косым срезом, узел отвода холодных продуктов - в виде трубы со сквозными отверстиями на ее части, размещенной в камере энергетического расширения, при этом на остальной части трубы, выведенной из камеры, размещен регулируемый дроссель, а в узле отвода горячих продуктов установлен кольцеобразный дроссель (см. пат. РФ №2050517, кл. F 25 В 9/02, от 26.02.93 г.).
Однако и это известное устройство имеет ограниченные функциональные возможности, так как способно работать только на сжатых газовоздушных смесях.
Техническим результатом является расширение функциональных возможностей за счет обеспечения работы не только со сжатыми газовоздушными смесями, но и с использованием энергии ветра.
Достигается это тем, что вихревой энергоразделитель содержит вихревую трубу как минимум с одним тангенциальным входом для ввода газовоздушной смеси и двумя выходами, один из которых выполнен в виде дросселя для горячей смеси, другой - в виде диафрагмы для холодной смеси, причем тангенциальный вход снабжен соплом, выполненным с обеспечением возможности получения на выходе звуковых или сверхзвуковых скоростей газовоздушной смеси, на входе сопла установлен конфузор, а вихревая труба снабжена системой, обеспечивающей внутри нее вакуум, кроме того вышеуказанная система содержит датчик измерения скорости ветра на входе в конфузор, формирователь управляющих импульсов, отверстие для откачки газовоздушной смеси из вихревой трубы и три клапанных блока, первый из которых установлен на тангенциальном входе, второй и третий - на выходах дросселя и диафрагмы, соответственно, причем выход датчика скорости ветра подключен ко входу формирователя управляющих импульсов, обеспечивающего управление вышеуказанными клапанными блоками.
Сущность изобретении заключается в том, что выполнение предложенного устройства соответствующим образом позволяет обеспечивать такой режим работы, при котором можно использовать не только энергию сжатого газа, но и энергию ветра. Кроме того, возможность использования нескольких тангенциальных входов позволяет увеличить мощность вихревого энергоразделителя.
Сравнение предложенного устройства с ближайшим аналогом позволяет утверждать о соответствии критерию «новизна», а отсутствие в аналогах отличительных признаков говорит о соответствии критерию «изобретательский уровень».
Предварительные испытания позволяют утверждать о возможности промышленного использования.
На чертеже представлен вариант конструкции предложенного устройства.
Вихревой энергоразделитель содержит вихревую трубу 1 как минимум с одним тангенциальным входом 2 для ввода газовоздушной смеси и двумя выходами, один из которых выполнен в виде дросселя 3 для горячей смеси Qг, другой - в виде диафрагмы 4 для холодной смеси Qx, причем тангенциальный вход 2 снабжен соплом 5, выполненным с обеспечением возможности получения на выходе звуковых или сверхзвуковых скоростей газовоздушной смеси. По существу в этой функции может быть использовано сопло Лаваля, на входе которого установлен конфузор 6. Вихревая труба 1 снабжена системой, обеспечивающей внутри нее вакуум.
Такая система может содержать датчик измерения скорости ветра (не показан) на входе в конфузор 6, формирователь 7 управляющих импульсов, отверстие (не показано) для откачки газовоздушной смеси из вихревой трубы 1 и три клапанных блока 8, 9, 10, первый из которых установлен на тангенциальном входе 2, второй и третий - на выходах дросселя 3 и диафрагмы 4, соответственно, причем выход датчика скорости ветра подключен ко входу формирователя 7 управляющих импульсов, обеспечивающего управление вышеуказанными клапанными блоками 8, 9, 10.
Второй клапанный блок 9, представленный на чертеже в виде двух частей, по существу представляет собой один клапан, способный перекрывать дроссельное отверстие. Конструкция блоков 8-10 может быть стандартной, которые используются в вакуумных аэродинамических трубах.
Формирователь 7 управляющих импульсов может быть выполнен в виде стандартного формирователя прямоугольных импульсов с тремя выходами, на первом из которых формируется прямоугольный импульс сразу после поступления сигнала с датчика скорости ветра, на втором выходе формирователя 7 формируется прямоугольный импульс с задержкой τ1 и на третьем выходе - с задержкой τ2, где τ2>τ1. В качестве формирователя может быть Триггер Шмидта, на выходе которого включены последовательно две линии задержки (выход - τ1 и выход - τ2).
Канал вихревой трубы 1 находится при атмосферном давлении. В этом случае все быстродействующие клапанные блоки 8-10 открыты. В вихревую трубу 1 направлен ветровой поток. В таком режиме работы в вихревой трубе 1 имеет место дозвуковой режим течения газовоздушной смеси (воздуха), следовательно величина температурного разделения относительно невелика.
В результате со стороны дросселя 3 будет выходить горячий воздух, а через диафрагму 4 - холодный. Дальнейшая утилизация холодного и горячего воздуха осуществляется в соответствии с техническими требованиями.
Использование вакуумированной вихревой трубы 1 с системой быстродействующих клапанных блоков 8-10 с возможностью использования эффекта "запирания" приведет к увеличению разности температур между холодным и горячим воздухом. Для работы трубы 1 в свехзвуковом режиме необходимо при закрытых клапанных блоках 8-10 через отверстие для откачки газовоздушной смеси вакуумировать канал трубы 1 известными средствами. При попадании ветра в конфузор 6 и определенной его скорости срабатывает датчик скорости ветра, сигнал с которого запускает формирователь 7 управляющих импульсов, с первого выхода которого поступает сигнал на открывание первого клапанного блока 8. После открытия клапанного блока 8 газовоздушная смесь поступает в тангенциальный вход 2 и в трубе 1 образуется закрученная струя газовоздушной смеси. Через некоторое время τ1 открывается быстродействующий клапанный блок 9 дросселя 3 и далее через τ2 - клапанный блок 10 диафрагмы 4. В результате в канале трубы 1 образуется сверхзвуковой поток воздуха, ограниченный скачками уплотнения. Времена задержки τ1 и τ2 выбираются из расчета геометрических размеров вихревой трубы 1. К увеличению эффективности вихревой трубы 1 может привести каскадное включение нескольких вихревых труб и использование нескольких тангенциальных входов.
В качестве примера конкретной реализации изобретения выбраны следующие параметры, при этом использованы элементы гидродинамического моделирования, т.к. крупномасштабных вихревых труб в настоящее время не существует. Ниже представлены примерные параметры крупномасштабной вихревой трубы и ожидаемые технические характеристики для первого режима работы:
| 1. Входной диаметр конфузора | 5 м |
| 2. Выходной диаметр конфузора | |
| (входной диаметр вихревой трубы) | 100-600 мм |
| 3. Диаметр вихревой трубы | 1200 мм |
| 4. Длина вихревой трубы | 12000 мм |
| 5. Давление | атмосферное (вакуумное) |
| 6. Расход воздуха | от 150 м3/с |
| 7. Температура холодного воздуха | от -10°С до -100°С |
| 8. Температура горячего воздуха | от +50°С до +200°С |
Таким образом в предложенном техническом решении достигается поставленный технический результат. Следует отметить, что предложенный вихревой энергоразделитель может быть использован в различных областях для охлаждения и/или нагревания жилых и производственных помещений, а также в различных технологических процессах.
Некоторые области применения
1. Охлаждение или нагревание жилых и производственных помещений.
2. Опреснение воды.
3. Фракционное разделение углеводородов.
4. Сжижение попутных газов при добыче нефти.
5. Разделение газовых компонент воздуха.
Существенной особенностью является экологически чистое производство тепла и холода с использованием возобновляемого источника энергии, каковым является энергия ветра. Особенно важно использование его в труднодоступных малонаселенных районах.
1. Вихревой энергоразделитель, характеризующийся тем, что он содержит вихревую трубу как минимум с одним тангенциальным входом для ввода газовоздушной смеси и двумя выходами, один из которых выполнен в виде дросселя для горячей смеси, другой - в виде диафрагмы для холодной смеси, причем тангенциальный вход снабжен соплом, выполненным с обеспечением возможности получения на выходе звуковых или сверхзвуковых скоростей газовоздушной смеси, на входе сопла установлен конфузор, а вихревая труба снабжена обеспечивающей внутри нее вакуум-системой, включающей отверстие для откачки газовоздушной смеси из вихревой трубы и три клапанных блока, первый из которых установлен на тангенциальном входе, второй и третий - на выходах дросселя и диафрагмы соответственно.
2. Вихревой энергоразделитель по п.1, отличающийся тем, что система снабжена датчиком измерения скорости ветра на входе в конфузор и формирователем управляющих импульсов, причем выход датчика скорости ветра подключен ко входу формирователя управляющих импульсов, обеспечивающего управление вышеуказанными клапанными блоками.
