RU181270U1 - GAS TEMPERATURE STRATIFICATION DEVICE - Google Patents
GAS TEMPERATURE STRATIFICATION DEVICE Download PDFInfo
- Publication number
- RU181270U1 RU181270U1 RU2017128561U RU2017128561U RU181270U1 RU 181270 U1 RU181270 U1 RU 181270U1 RU 2017128561 U RU2017128561 U RU 2017128561U RU 2017128561 U RU2017128561 U RU 2017128561U RU 181270 U1 RU181270 U1 RU 181270U1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- gas
- channel
- separation chamber
- temperature
- heated
- Prior art date
Links
- 238000013517 stratification Methods 0.000 title claims abstract description 22
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims abstract description 84
- 238000000926 separation method Methods 0.000 claims abstract description 32
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 7
- 238000009413 insulation Methods 0.000 claims abstract description 5
- 206010022000 influenza Diseases 0.000 claims abstract description 4
- 230000001133 acceleration Effects 0.000 claims abstract description 3
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 abstract description 4
- 238000005057 refrigeration Methods 0.000 abstract description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 13
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 7
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 6
- 239000012530 fluid Substances 0.000 description 4
- 230000005764 inhibitory process Effects 0.000 description 4
- 238000000034 method Methods 0.000 description 4
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 3
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 3
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 3
- 238000011084 recovery Methods 0.000 description 3
- 238000002347 injection Methods 0.000 description 2
- 239000007924 injection Substances 0.000 description 2
- TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N oxo(oxoalumanyloxy)alumane Chemical compound O=[Al]O[Al]=O TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910000809 Alumel Inorganic materials 0.000 description 1
- UGFAIRIUMAVXCW-UHFFFAOYSA-N Carbon monoxide Chemical compound [O+]#[C-] UGFAIRIUMAVXCW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229920001875 Ebonite Polymers 0.000 description 1
- RRHGJUQNOFWUDK-UHFFFAOYSA-N Isoprene Chemical compound CC(=C)C=C RRHGJUQNOFWUDK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- CFQGDIWRTHFZMQ-UHFFFAOYSA-N argon helium Chemical compound [He].[Ar] CFQGDIWRTHFZMQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 238000009529 body temperature measurement Methods 0.000 description 1
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 1
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 239000003546 flue gas Substances 0.000 description 1
- 230000004907 flux Effects 0.000 description 1
- AFAUWLCCQOEICZ-UHFFFAOYSA-N helium xenon Chemical compound [He].[Xe] AFAUWLCCQOEICZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 1
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000011835 investigation Methods 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 238000005192 partition Methods 0.000 description 1
- 230000002093 peripheral effect Effects 0.000 description 1
- 239000011148 porous material Substances 0.000 description 1
- 238000012552 review Methods 0.000 description 1
- 239000000523 sample Substances 0.000 description 1
- 229910052724 xenon Inorganic materials 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
- F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
- F25B9/00—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point
- F25B9/02—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point using Joule-Thompson effect; using vortex effect
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Thermal Sciences (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Jet Pumps And Other Pumps (AREA)
Abstract
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. 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 звука, 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 входному 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. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.The utility model relates to industrial heat engineering and can be used to create refrigeration and heating devices, which are based on the mechanism of machine-less separation of a gas stream with an initial excess pressure on the cooled and heated flows at the outlet. The technical result achieved by using the claimed utility model is to reduce the initial pressure level due to the absence of the need to provide a supersonic flow regime at the device inlet. In addition, the device provides a reduction in the total pressure loss of one of the separated streams, and also has smaller dimensions in comparison with devices of a similar purpose. The technical result is achieved due to the fact that in the device for temperature stratification of the gas stream containing a separation chamber, including internal and external channels, the outlets of which are connected to the corresponding flues to output the separated heated and cooled gases, a narrowing nozzle that allows acceleration of the gas stream supplied to the device to the speed of sound, and a supersonic diffuser located at the output of the internal channel and providing braking of the heated gas, according to In accordance with the technical solution, the tapering nozzle is located at the inlet of the inner channel, while the output diameter of the tapering nozzle is equal to the input diameter of the inner channel, the inner and outer channels are coaxial, while the walls of the inner channel are at least partially permeable, and the walls of the outer channel are impermeable, from a material with a low coefficient of thermal conductivity and equipped with external thermal insulation. The length of the permeable section of the inner channel of the separation chamber is at least 4 calibers. 2 s.p. f-ly, 2 ill.
Description
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.The utility model relates to industrial heat engineering and can be used to create refrigeration and heating devices, which are based on the mechanism of machine-less separation of a gas stream with an initial excess pressure on the cooled and heated flows at the outlet.
Уровень техникиState of the art
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]).A device for temperature gas stratification is known, which is based on the vortex effect (Rank-Hills tube). The principle of operation of the device is to supply compressed air tangentially into a cylindrical or conical chamber through the nozzle inlet, the formation of a swirling flow in the pipe and the selection of the hot air stream from the peripheral section, and the cold stream through the central hole in the pipe (A. Merkulov “Vortex effect and its application in technology ”/ Samara: Optima, 1997. 346 p. [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.The main disadvantages of the known technical solutions are low thermodynamic efficiency (less than 30%) and large losses of total pressure in both cold and hot flows.
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]).A device based on the resonant method of temperature stratification in gas flows (Hartmann-Sprenger pipe) is known. In accordance with this solution, the gas jet is directed into the tube with the plugged end face, the temperature of the end surface under certain conditions can be several times higher than the initial temperature of the flow inhibition. In this case, the temperature of the gas flowing out of the tube with the closed end decreases (Burtsev SA, Leontiev AI “Investigation of the influence of dissipative effects on the temperature stratification in gas flows (review)” // Thermophysics of high temperatures. V. 52, No. 2, 2014. S. 310-322. [2]).
Основными недостатками известного решения являются большие потери полного давления газового потока и малая эффективность охлаждения потока (меньше 10 градусов).The main disadvantages of the known solutions are large losses of the total pressure of the gas stream and low efficiency of cooling the stream (less than 10 degrees).
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.A device for the temperature stratification of gas (Leontief pipe), comprising a housing made in the form of a pipe, with a separation chamber for receiving the processed gas and with ducts for outputting cold and hot gases (RU 2106581 C1, class F25B 9/02, publ. 23.05. 1996) [3]. The housing is equipped with an additional pipe of a heat-conducting material of smaller diameter with a profiled supersonic nozzle and a supersonic diffuser mounted coaxially in the first pipe.
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.The disadvantage of this technical solution is the operation due to the provision of supersonic flow rates, which requires additional overpressure at the inlet. The presence of thermal resistance in the form of an impermeable partition between subsonic and supersonic flows reduces the effectiveness of this method of temperature stratification. Also, the presence of two streams exchanging heat at the inlet increases the dimensions of the device.
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.The closest in technical essence to the claimed utility model is the stratification device disclosed in the publication [4] (Vinogradov Yu.A., Zditovets A.G., Strongin M.M. “An experimental study of the temperature stratification of an air stream flowing through a supersonic channel, with a central body in the form of a porous permeable tube "// Fluid and gas mechanics. No. 5, 2013, pp. 134-145). A device for temperature gas stratification comprises a receiver, a housing, inside of which a dividing wall, a supersonic nozzle, and a supersonic diffuser are placed. The operation of the device consists in supplying gas to the separation chamber, the discharge of cold and hot gases through separate flues, similarly to the basic concept implemented in the Leontief pipe, while a porous permeable surface is used as the separation chamber (wall). The supersonic flow regime in the described experiment was organized in an external annular channel, and the central body was a cylindrical channel made of permeable material (sintered electrocorundum). The publication results indicate that the air stream entering the inner cylindrical channel, by the beginning of the porous permeable section, was accelerated to sound speed due to the work of friction forces. At the exit from the central porous channel, the flow due to the expenditure effect (suction) had a supersonic speed and a higher braking temperature than in the receiver, and a subsonic flow and a slight difference in the braking temperature from the initial temperature in the receiver were recorded at the exit from the annular channel.
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.The disadvantage of this technical solution is the fact that for the implementation of temperature stratification in this configuration, it is necessary to provide a supersonic flow regime in the external annular channel, which requires excess pressure at the inlet, while the resulting gas injection from the internal channel leads to significant loss of total pressure, disruption of the supersonic flow conditions and reduce heating of a supersonic flow at the exit of the annular channel.
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.A technical problem is the need to provide a large initial gas pressure in order to achieve supersonic speeds in devices of this type, as well as the significant total pressure loss associated with the subsequent gas flow inhibition.
Раскрытие сущности полезной моделиUtility Model Disclosure
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.The technical result achieved by using the claimed utility model is to reduce the initial pressure level due to the absence of the need to provide a supersonic flow regime at the device inlet. In addition, the device provides a reduction in the total pressure loss of one of the separated streams, and also has smaller dimensions in comparison with devices of a similar purpose.
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.The technical result is achieved due to the fact that in the device for temperature stratification of the gas stream containing a separation chamber, including internal and external channels, the outlets of which are connected to the corresponding flues to output the separated heated and cooled gases, a narrowing nozzle that allows acceleration of the gas stream supplied to the device up to speed, and a supersonic diffuser located at the outlet of the internal channel and providing braking of the heated gas, according to the technical To the solution, the tapering nozzle is located at the inlet of the inner channel, while the output diameter of the tapering nozzle is equal to the diameter of the inner channel, the inner and outer channels are coaxial, while the walls of the inner channel are at least partially permeable, and the walls of the outer channel are impermeable, from material with a low coefficient of thermal conductivity and equipped with external thermal insulation. The length of the permeable section of the inner channel of the separation chamber is at least 4 calibers.
Описание чертежейDescription of drawings
На фиг. 1 схематично изображено заявляемое устройство температурной стратификации газа.In FIG. 1 schematically shows the inventive device for temperature stratification of gas.
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.In FIG. 2 schematically reflects the principle of operation of the inventive temperature stratification device, showing the distribution of the braking temperature in the boundary layer of a high-speed stream of compressible gas when flowing around a permeable wall.
Позициями на чертеже обозначеныThe positions in the drawing are indicated
1 - ресивер со сжатым газом, имеющим давление не меньше 190 кПа;1 - receiver with compressed gas having a pressure of at least 190 kPa;
2 - сужающееся сопло;2 - tapering nozzle;
3 - внутренний канал разделительной камеры с проницаемыми (пористыми) стенками;3 - the internal channel of the separation chamber with permeable (porous) walls;
4 - внешний (кольцевой) канал разделительной камеры;4 - external (annular) channel of the separation chamber;
5 - внешняя теплоизоляция разделительной камеры и отводящих газоходов;5 - external thermal insulation of the separation chamber and exhaust gas ducts;
6 - выходной сверхзвуковой диффузор для торможения подогретого потока, выходящего из внутренней трубки разделительной камеры;6 - output supersonic diffuser for braking the heated stream leaving the inner tube of the separation chamber;
7 - газоход сбора охлажденного газа;7 - chimney gas collection duct;
8 - газоход сбора подогретого газа;8 - a flue for collecting heated gas;
9 - исходный газовый поток с избыточным давлением, подаваемый в разделительную камеру и имеющий скорость на входе равную скорости звука (М=1);9 - the source gas stream with excess pressure supplied to the separation chamber and having an inlet velocity equal to the speed of sound (M = 1);
10 - проницаемая (пористая) стенка разделительной камеры;10 - permeable (porous) wall of the separation chamber;
11 - непроницаемая стенка разделительной камеры;11 - impermeable wall of the separation chamber;
12 - выходящий из разделительной камеры охлажденный поток;12 - chilled stream leaving the separation chamber;
13 - выходящий из разделительной камеры подогретый поток.13 - heated stream exiting the separation chamber.
Осуществление полезной моделиUtility Model Implementation
Сущность полезной модели поясняется следующим.The essence of the utility model is explained as follows.
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 Tw *:The braking temperature of the compressible gas is distributed unevenly in the boundary layer. For near-wall gas layers, it turns out to be lower, and for more distant ones it is higher than the stagnation temperature in the flow core (with a Prandtl number of gas less than 1). The temperature determining the heat flux in this case is the temperature of the wall layers of the gas or the adiabatic wall temperature T w * :
где Т0 * - 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.where T 0 * is the initial flow inhibition temperature, K; k is the adiabatic index of the working fluid (k = 1.4 for air); M is the Mach number in the undisturbed flow; r is the coefficient of temperature recovery.
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:The parameter r exerts the greatest influence on the adiabatic temperature of the wall and shows the fraction of the energy of the flow that goes into heat on the wall. The temperature recovery coefficient is most dependent on the kind of gas - the Prandtl number of the working fluid - Pr:
где n=1/2 (ламинарный режим течения), n=1/3 (турбулентный режим - чаще всего реализуется на практике).where n = 1/2 (laminar flow regime), n = 1/3 (turbulent regime - most often implemented in practice).
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.For air (Pr = 0.7), the temperature recovery coefficient r for continuous turbulent continuous flow around a flat, cylindrical and conical surface, according to experimental data [5] - (Schlichting G. “Theory of the boundary layer” // M: Nauka, 1974. 711 s) is 0.885 ± 0.01. For gas mixtures helium-xenon, helium-argon, argon-hydrogen, hydrogen-xenon, etc. (Pr = 0.1-0.4) the value of r can decrease to 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):The temperature stratification of a stream depends on its speed and becomes noticeable at flow rates not lower than the speed of sound. According to the theory of thermodynamics of gas flows [6] - (6. Vulis L.A. “Thermodynamics of gas flows” / Gosenergoizdat, Moscow. 1950. 304 p.), In the presence of a geometric effect in the form of a narrowing of the channel, accelerated gas movement up to a critical state (speed of sound). In this case, the necessary supply of gas pressure to achieve the speed of sound (M = 1) depends on the type of gas (adiabatic index):
где Р0 *, P1 * - полное давление на входе и на выходе из установки, Па; k - показатель адиабаты рабочего тела.where P 0 * , P 1 * is the total pressure at the inlet and at the outlet of the installation, Pa; k is the adiabatic exponent of the working fluid.
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.For air (k = 1.4), in accordance with (3), the pressure drop is about 1.89. Accordingly, at atmospheric pressure at the outlet of the installation in the receiver at the inlet, it is necessary to maintain a pressure of at least 190 kPa.
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.In the channel of the separation chamber with permeable walls, a stream moving with the speed of sound, with a sufficient initial overpressure, experiences a expenditure effect - suction through the wall. According to the law of conservation of energy, the mass-average temperature of the rest of the gas rises. As experience shows, to obtain a significant effect of temperature stratification of the gas, the length of the permeable section of the inner channel of the separation chamber must be at least 4 calibers (the ratio of the length of the inner channel to its diameter). The length of the channel and the porosity of the wall material is limited only by the value of the working pressure at the inlet to the device and by ensuring the required margin of safety. In this case, effective braking of the supersonic flow in the diffuser located at the outlet of the central channel with permeable walls allows the total pressure of the heated flow to be maintained.
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.Also, as follows from (1), with an increase in the total gas temperature at the device inlet, the difference between the temperature in the flow core and the adiabatic wall temperature (temperature of the wall layers of the gas) increases. Thus, the potential for the implementation of temperature stratification and, accordingly, the difference between the temperatures of the heated and cooled flows at the outlet of the device are increased.
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.The inventive device for temperature gas stratification comprises a tapering
Заявляемое устройство работает следующим образом.The inventive device operates as follows.
Сжатый газ с исходным давлением торможения Рo * и соответствующим массовым расходом G0 (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 Р0 * 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 Tw * оказывается ниже среднемассовой температуры торможения 
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.Thus, the claimed utility model is a device with a smaller design in comparison with analogues due to the presence of only one gas stream at the inlet of the device. Moreover, the device provides the ability to reduce the total pressure loss of one of the gas flows due to the absence of gas injection into the high-speed stream, and the possibility of its subsequent effective braking in the diffuser. In addition, due to the lack of need for a supersonic flow regime at the inlet of the device, less initial overpressure is required for its operation.
Пример.Example.
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/м3. 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).The inventive device is implemented as part of a model experiment with the following characteristics. The material of the porous tube (inner channel) is sintered electrocorundum (λ = 40 W / (m⋅K), open porosity of 37-38%, pore diameter 60-65 μm, density 2210 kg / m 3. The length of the porous tube is 150 mm or about 42 calibers. Thus, the walls of the inner channel are made porous for the entire length. The output diameter of the nozzle - 3.5 mm - is equal to the diameter of the inner channel of the tube, the outer diameter of the tube is 10 mm, the inner diameter of the outer annular channel is 20 mm. Part of the gas through the permeable walls the tube flows into the annular external channel (4), and the remainder enters the outlet one diffuser (6) and further into the flue gas collecting duct for heated gas (8).
Сжатый воздух с параметрами торможения (Тo *=22.4°С, Рo *=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 Рo *. Температурные измерения производились хромель-алюмелевыми термопарами в следующих точках: в ресивере располагались четыре приемника температуры торможения потока Тo *, 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.Compressed air with braking parameters (Т o * = 22.4 ° С, Р o * = 2 ÷ 10 atm) comes from the receiver (1) into the narrowing nozzle (2), which smoothly passes into the tube with porous permeable walls (3) (Fig. . one). A receiver is located in the receiver for measuring the flow inhibition pressure P o * . Temperature measurements were carried out with chromel-alumel thermocouples at the following points: there were four flow braking temperature receivers T o * in the receiver, a probe coordinate device made it possible to measure the braking temperature profile T * in the heated gas receiver at the outlet of the diffuser. At the first stage of the experiment, the outer annular channel was absent, and the temperature of the outer surface of the porous permeable tube was measured by the non-contact method using a ThermaCAM SC3000 thermal imager. At the second stage, an external channel was used and chilled gas was collected with its flowmeter measured by a rotameter and temperature using a thermocouple in the chilled gas collection duct (7). During the experiment, the braking temperature in the receiver (1) was maintained equal to the ambient temperature. The absolute error in measuring the braking temperature in the receiver was ± 0.3 ° С, the braking temperature in the ducts for collecting heated and cooled gas ± 0.4 ° С, and the temperature of the outer surface of the porous tube when measured with a thermal imager ± 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.The experiment was carried out as follows. Using a valve in the receiver, the required flow braking pressure was set, and using an electric heater, the temperature of the stream in the receiver was set equal to the ambient temperature. Upon reaching the stationary state, measurements were made of the profile of the braking temperature in the diffuser, the wall temperature of the porous tube (at the 1st stage) or the flow rate and air temperature in the chilled gas collection duct (at the 2nd stage). Data was stored on a PC and further processed.
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.As a result of the first part of the experiment, using a thermal imager, it was obtained that with increasing braking pressure in the receiver, the surface temperature of the porous wall decreases. Thus, assuming that the temperature of the porous wall is equal to the temperature of the air flowing through it, we can conclude that the air flowing through the porous wall has a temperature lower than the temperature of the air in the receiver. With increasing pressure in the receiver, the mass-average temperature of air braking at the outlet of the internal channel of the porous permeable tube increases. As a result of the second part of the experiment, the effect of temperature stratification was obtained in the form of heating the flow in the inner porous tube and cooling the flow in the external annular channel. With an increase in pressure from 2 to 10 atm, the ratio of gas flow in the external annular channel to the flow through the internal channel increased from 0.4 to 1.5, while the integral effect of temperature stratification (the difference between the flow temperatures at the outlet of the device) increased from 4 to 11 degrees. Compared with the Joule-Thomson effect at corresponding pressure drops, the obtained effect of cooling the flow in the external annular channel ranged from 2.5 to 14 times depending on the initial pressure in the receiver.
Список литературыBibliography
1. Меркулов А.П. «Вихревой эффект и его применение в технике» / Самара: Оптима, 1997. 346 с. 1. Merkulov A.P. “Vortex effect and its application in technology” / Samara: Optima, 1997. 346 p.
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. 310-322.2. Burtsev S.A., Leontiev A.I. “Investigation of the influence of dissipative effects on temperature stratification in gas flows (review)” // Thermophysics of high temperatures. T. 52, No. 2, 2014.S. 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)3. The method of temperature stratification of gas and a device for its implementation (Leontief pipe). RU 2106581 C1 (
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. 134-145.4. Vinogradov Yu.A., Zditovets A.G., Strongin M.M. “An experimental study of the temperature stratification of an air stream flowing through a supersonic channel with a central body in the form of a porous permeable tube” // Fluid and Gas Mechanics. No. 5, 2013, p. 134-145.
5. Шлихтинг Г. «Теория пограничного слоя» // М: Наука, 1974. 711 с. 5. Schlichting G. "Theory of the boundary layer" // M: Nauka, 1974. 711 p.
6. Вулис Л.А. «Термодинамика газовых потоков» / Госэнергоиздат, Москва. 1950. 304 с. 6. Vulis L.A. “Thermodynamics of gas flows” / Gosenergoizdat, Moscow. 1950. 304 p.
Claims (3)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2017128561U RU181270U1 (en) | 2017-08-10 | 2017-08-10 | GAS TEMPERATURE STRATIFICATION DEVICE |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2017128561U RU181270U1 (en) | 2017-08-10 | 2017-08-10 | GAS TEMPERATURE STRATIFICATION DEVICE |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU181270U1 true RU181270U1 (en) | 2018-07-09 |
Family
ID=62813779
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2017128561U RU181270U1 (en) | 2017-08-10 | 2017-08-10 | GAS TEMPERATURE STRATIFICATION DEVICE |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU181270U1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2713551C1 (en) * | 2018-09-28 | 2020-02-05 | Сергей Станиславович Попович | Method of reducing pressure of natural gas |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5359966A (en) * | 1992-06-10 | 1994-11-01 | Jensen Donald C | Energy converter using imploding plasma vortex heating |
| RU2106581C1 (en) * | 1996-05-23 | 1998-03-10 | Акционерное общество закрытого типа "Грааль" | Method and device for thermal stratification of gas |
| RU2468309C1 (en) * | 2011-04-15 | 2012-11-27 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Ульяновский государственный технический университет" | Pipe of temperature lamination |
| RU2557073C2 (en) * | 2013-10-29 | 2015-07-20 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Самарский государственный архитектурно-строительный университет" (СГАСУ) | Electrical machine cooling system |
-
2017
- 2017-08-10 RU RU2017128561U patent/RU181270U1/en active IP Right Revival
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5359966A (en) * | 1992-06-10 | 1994-11-01 | Jensen Donald C | Energy converter using imploding plasma vortex heating |
| RU2106581C1 (en) * | 1996-05-23 | 1998-03-10 | Акционерное общество закрытого типа "Грааль" | Method and device for thermal stratification of gas |
| RU2468309C1 (en) * | 2011-04-15 | 2012-11-27 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Ульяновский государственный технический университет" | Pipe of temperature lamination |
| RU2557073C2 (en) * | 2013-10-29 | 2015-07-20 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Самарский государственный архитектурно-строительный университет" (СГАСУ) | Electrical machine cooling system |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 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. N5, 2013, с. 134-145. * |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2713551C1 (en) * | 2018-09-28 | 2020-02-05 | Сергей Станиславович Попович | Method of reducing pressure of natural gas |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Yilmaz et al. | A review on design criteria for vortex tubes | |
| Rafiee et al. | Three-dimensional CFD simulation of fluid flow inside a vortex tube on basis of an experimental model-the optimization of vortex chamber radius | |
| RU181270U1 (en) | GAS TEMPERATURE STRATIFICATION DEVICE | |
| Dutta et al. | Experimental and numerical investigation of energy separation in counterflow and uniflow vortex tubes | |
| Vigdorovich et al. | Energy separation of gases with low and high Prandtl numbers | |
| Leont'ev | Gas-dynamic methods of temperature stratification (a review) | |
| US3049891A (en) | Cooling by flowing gas at supersonic velocity | |
| CN104121716B (en) | Vortex tube | |
| Zditovets et al. | Experimental investigation of the heat transfer process at a gas-dynamic method of energy separation | |
| Ruengpayungsak et al. | Thermohydraulic performance evaluation of heat exchangers equipped with centrally perforated twisted tape: Laminar and turbulent flows | |
| RU2672457C1 (en) | Method of temperature gas stratification | |
| RU2713551C1 (en) | Method of reducing pressure of natural gas | |
| Panse et al. | Air-based cooling in high porosity, aluminum foams for compact electronics cooling | |
| Leontiev et al. | Device for separation of vortex gas-dynamic energy | |
| bin Yusof et al. | Mixing temperature measurement of swirl cold flow exiting cold exit of vortex tube | |
| Sadeghiazad | Experimental and numerical study on the effect of the convergence angle, injection pressure and injection number on thermal performance of straight vortex tube | |
| Zangana et al. | Experimental study and CFD analysis of energy separation in a counter flow vortex tube | |
| Attalla et al. | An experimental investigation of the optimum geometry for energy separation of the Ranque-Hilsch vortex tube | |
| Kovalnogov et al. | Application of the results of experimental and numerical turbulent flow researches based on pressure pulsations analysis | |
| Leontiev et al. | Intensification of heat exchange in a device for gas-dynamic energy separation | |
| RU194263U1 (en) | Natural gas pressure reducing device | |
| Sankar Ram et al. | An experimental performance study of vortex tube refrigeration system | |
| Guen et al. | Effect of the conical-shape on the performance of vortex tube | |
| Asher et al. | Analysis of cavitating high speed liquid flow through a converging-diverging nozzle | |
| Singh et al. | Investigation of counter flow vortex tube with insulation and its effects on the thermal performance using a computational fluid dynamic approach |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM9K | Utility model has become invalid (non-payment of fees) |
Effective date: 20190811 |
|
| NF9K | Utility model reinstated |
Effective date: 20200903 |