RU2050517C1

RU2050517C1 - Method and device for separating gas-and-air mixtures

Info

Publication number: RU2050517C1
Application number: RU93009833A
Authority: RU
Inventors: Анатолий Данилович Зозуля
Original assignee: Анатолий Данилович Зозуля
Priority date: 1993-02-26
Filing date: 1993-02-26
Publication date: 1995-12-20

Abstract

FIELD: mechanical engineering. SUBSTANCE: starting gas-and-air mixture is tangentially fed to outer pipe 1 to give rise to vortex column of light fraction of hot components and cold flow of heavy components of mixture moving in opposite direction in inner pipe 3. Gas mixture is fed at supersonic speed through Laval nozzle 8. Device for separating the gas-and-air mixtures has outer pipe 1 with tangential branch pipe 2 for introducing the mixtures where Laval nozzle 8 with bevel cut is arranged. Located coaxially relative to pipe 1 is pipe 3 for discharge of cold products of separation on whose surface through holes 9 are provided and adjusting throttle 4 is mounted on end located beyond pipe 1. Outer pipe 1 is provided with throttle valve 6 for passage of vortex column. EFFECT: enhanced efficiency. 3 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к газодинамическим процессам, в частности к газодинамическим способам разделения газовоздушных смесей, и может быть применено, например, для разделения метановоздушных смесей при тангенциальной подаче исходного газа. The invention relates to gas-dynamic processes, in particular to gas-dynamic methods for the separation of gas-air mixtures, and can be used, for example, to separate methane-air mixtures in the tangential supply of the source gas.

Известен способ разделения метановоздушных смесей, заключающийся в тангенциальной подаче исходной смеси в цилиндрическую трубу с образованием вихря горячих газов легких фракций, расположенного на внешней части трубы, и потока холодных газов тяжелых фракций, находящегося в центральной части трубы [1]
В известном способе вихревой поток попадает в камеру сгорания и выбрасывается через выходные патрубки. Холодный центральный поток, не имея четко направленного движения, также попадает в камеру сгорания и выбрасывается из корпуса.A known method of separation of methane-air mixtures, which consists in tangential supply of the initial mixture into a cylindrical pipe with the formation of a vortex of hot gases of light fractions located on the outer part of the pipe and a stream of cold gases of heavy fractions located in the central part of the pipe [1]
In the known method, the vortex flow enters the combustion chamber and is ejected through the outlet pipes. The cold central stream, without a clearly directed movement, also enters the combustion chamber and is thrown out of the housing.

Устройство для осуществления указанного способа содержит камеру сгорания с патрубками отвода продуктов сгорания и установленную в ней с кольцевым зазором центральную трубу, снабженную на входе топливным патрубком, при этом центральная труба за пределами камеры сгорания снабжена тангенциальным патрубком ввода газовоздушной смеси [1]
Недостатком данного изобретения является то, что разделение газовоздушной смеси на легкую и тяжелую фракции происходит в центральной трубе без дальнейшего использования каждой газовой составляющей в отдельности, что не дает возможности использовать отдельно вихревой поток горячих газов с большей эффективностью.A device for implementing this method comprises a combustion chamber with pipes for exhausting combustion products and a central pipe installed in it with an annular gap, provided with a fuel pipe at the inlet, and the central pipe outside the combustion chamber is provided with a tangential pipe for introducing the gas-air mixture [1]
The disadvantage of this invention is that the separation of the air-gas mixture into light and heavy fractions occurs in the central pipe without further use of each gas component separately, which makes it impossible to use the vortex flow of hot gases separately with greater efficiency.

Кроме того, в данном изобpетении из-за отсутствия отдельного выхода для холодных газов образуются области повышенного сопротивления, ухудшающие газодинамические характеристики процесса. In addition, in the present invention, due to the lack of a separate outlet for cold gases, regions of increased resistance are formed that worsen the gas-dynamic characteristics of the process.

Известен также способ разделения газовоздушных смесей, заключающийся в тангенциальной подаче в трубопровод газовоздушной смеси с образованием подвижного внешнего слоя легких фракций в виде вихревого шнура и подвижного в противоположном направлении центрального слоя тяжелых фракций [2]
В указанном способе используется эффект Ранка, благодаря которому образующийся внешний вихревой шнур горячих газов выходит по наружной трубе, а поток холодных газов идет по центральной трубе в противоположном направлении.There is also a method of separating gas-air mixtures, which consists in tangentially supplying gas-air mixture to the pipeline with the formation of a movable outer layer of light fractions in the form of a vortex cord and a central layer of heavy fractions movable in the opposite direction [2]
In this method, the Rank effect is used, due to which the formed external vortex cord of hot gases exits through the outer pipe, and the flow of cold gases flows through the central pipe in the opposite direction.

Недостатком этого способа является то, что из-за невысоких скоростных характеристик газового потока на входе в трубопровод вихревой шнур образуется недостаточно плотным, размытым по толщине, а разделение на легкие и тяжелые фракции осуществляется недостаточно определенно. The disadvantage of this method is that due to the low velocity characteristics of the gas stream at the inlet to the pipeline, the vortex cord is not dense enough, blurred in thickness, and the separation into light and heavy fractions is not sufficiently defined.

Устройство для осуществления указанного способа содержит вихревую трубу, снабженную тангенциальным патрубком ввода газовоздушной смеси [2]
Целью предложенного способа является повышение эффективности разделения газовоздушной смеси, в частности метановоздушной смеси, на легкую и тяжелую фракции с обеспечением большой плотности у образуемого вихревого шнура. Для метановоздушной смеси основным компонентом горячей фракции является метан (СН₄).A device for implementing this method comprises a vortex tube provided with a tangential nozzle for introducing a gas-air mixture [2]
The aim of the proposed method is to increase the efficiency of separation of a gas-air mixture, in particular a methane-air mixture, into light and heavy fractions, ensuring high density of the formed vortex cord. For the methane-air mixture, the main component of the hot fraction is methane (CH ₄ ).

Целью предложенного устройства является повышение эксплуатационных характеристик благодаря получению уплотненной горячей фракции. The purpose of the proposed device is to increase operational characteristics by obtaining a compacted hot fraction.

Для достижения указанных целей в известном способе разделения газовоздушных смесей, заключающемся в тангенциальной подаче в трубопровод газовоздушной смеси с образованием подвижного внешнего слоя легких фракций в виде вихревого шнура и подвижного в противоположном направлении центрального слоя тяжелых фракций, подачу газовоздушной смеси осуществляют со сверхзвуковой скоростью. To achieve these goals in the known method of separating gas-air mixtures, which consists in tangentially supplying gas-air mixture to the pipeline with the formation of a movable outer layer of light fractions in the form of a vortex cord and a central layer of heavy fractions moving in the opposite direction, the gas-air mixture is supplied at supersonic speed.

Для достижения указанных целей в известном устройстве для разделения газовоздушных смесей, содержащем вихревую внешнюю трубу, снабженную тангенциальным патрубком ввода газовоздушной смеси, тангенциальный 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 разделения, при этом на остальной части трубы размещен регулируемый дроссель, а в узле отвода горячих продуктов установлен кольцеобразный дроссель. To achieve these goals, in the known device for separating gas-air mixtures containing an external vortex tube equipped with a tangential nozzle for introducing a gas-air mixture, the tangential nozzle is made in the form of a Laval nozzle with an oblique cut, a cold products discharge unit in the form of a pipe with through holes on its part, placed in the chamber of energy separation, while an adjustable choke is placed on the rest of the pipe, and an annular choke is installed in the hot product outlet.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлен общий вид устройства, обеспечивающего предложенный способ разделения газовоздушных смесей; на фиг. 2 узел I (на сопло Лаваля) на фиг. 1. The invention is illustrated by drawings, where in FIG. 1 shows a General view of the device, providing the proposed method for the separation of gas mixtures; in FIG. 2 node I (to the Laval nozzle) in FIG. 1.

Устройство для разделения газовоздушных смесей содержит внешнюю трубу 1, образующую камеру энергетического разделения, снабженную тангенциальным патрубком 2 ввода газовоздушной смеси. В трубе 1 соосно ей установлена труба 3 для отвода "холодных" продуктов разделения, один торец которой, размещенный за пределами трубы 1, снабжен регулируемым дросселем 4. На торце внешней трубы 1, расположенном со стороны второго торца 5 трубы 3, установлен дроссельный клапан 6 с образованием кольцеобразного дроссельного отверстия 7. Тангенциальный патрубок 2 ввода газовоздушной смеси снабжен соплом Лаваля 8 с косым срезом. На поверхности трубы 3 выполнены сквозные отверстия 9. A device for separating gas-air mixtures contains an outer pipe 1 forming a chamber of energy separation, equipped with a tangential pipe 2 for introducing a gas-air mixture. In the pipe 1, a pipe 3 is installed coaxially with it for removal of “cold” separation products, one end of which, located outside the pipe 1, is equipped with an adjustable throttle 4. At the end of the outer pipe 1, located on the side of the second end 5 of the pipe 3, a throttle valve 6 is installed with the formation of an annular throttle hole 7. The tangential pipe 2 for entering the gas-air mixture is equipped with a Laval nozzle 8 with an oblique cut. Through holes 9 are made on the surface of the pipe 3.

Работа устройства и предложенный способ разделения газовоздушной смеси осуществляются следующим образом. The operation of the device and the proposed method of separation of the gas-air mixture are as follows.

Газовоздушная смесь, например метановоздушная смесь, подается во внешнюю трубу 1 по патрубку 2 ввода рабочего тела. Проходя на входе в трубу 1 сопло Лаваля 8, газовоздушная смесь набирает сверхзвуковую скорость и тангенциально поступает в полость трубы 1. Высокие температура и давление способствуют достижению скоростей на выходе из среза сопла выше числа Маха (см. Дейч М.Е. Техническая газодинамика. Изд. 3-е, Энергия, 1974, с.343, рис.8-41). Внутри трубы образуется вихревое течение, характеризуемое наличием так называемого вихревого шнура уплотненной фракции легких составляющих, находящихся в нем в высокой концентрации. Вихревой шнур обвивает трубу 3 и имеет направленное движение от патрубка 2 ввода газовоздушной смеси до дроссельного клапана 6. Дроссельное отверстие 7 этого клапана подбирают таким образом, чтобы диаметр вихревого шнура примерно соответствовал диаметру кольца отверстия 7. В этом случае весь шнур, выходя из трубы 1, четко проходит дроссельный клапан 6 без разрушения, как бы сходит с него, готовый для дальнейшего использования как высокоэнергетический состав. A gas-air mixture, for example a methane-air mixture, is supplied to the outer pipe 1 through the nozzle 2 of the input of the working fluid. Passing the Laval nozzle 8 at the inlet of the pipe 1, the gas-air mixture gains supersonic speed and tangentially enters the cavity of the pipe 1. High temperature and pressure contribute to reaching velocities at the exit of the nozzle exit above the Mach number (see Deutsch, Technical Gas Dynamics. . 3rd, Energy, 1974, p. 343, Fig. 8-41). A vortex flow forms inside the pipe, characterized by the presence of the so-called vortex cord of a compacted fraction of light components that are in it in high concentration. The vortex cord wraps around the pipe 3 and has directional movement from the gas-air inlet pipe 2 to the throttle valve 6. The throttle hole 7 of this valve is selected so that the diameter of the vortex cord approximately corresponds to the diameter of the hole 7. In this case, the entire cord exiting the pipe 1 , the throttle valve 6 clearly passes without destruction, as if coming off it, ready for further use as a high-energy composition.

При разделении различных газовоздушных смесей можно получать определенные "горячие" фракции, применяемые для различных целей. Так, например, при разделении метановоздушной смеси вихревой шнур состоит в основном из метана, при разделении водородовоздушной смеси из водорода. When separating various gas-air mixtures, certain “hot” fractions can be obtained that are used for various purposes. So, for example, when separating a methane-air mixture, the vortex line consists mainly of methane, when separating a hydrogen-air mixture from hydrogen.

Одновременно с образованием вихревого течения в трубе 1 организуется течение "холодного" потока тяжелых составляющих (для метановоздушной смеси это кислород и азот), который попадает в трубу 3 через отверстия 9. Из трубы 3 поток газов выбрасывается через регулируемый дроссель 4. Возникающая картина течения двух потоков в противоположных направлениях определяется так называемым эффектом Ранка (см. Меркулов А.П. Вихревой эффект и его применение в технике. M. Машиностроение, 1969, с.7-9). Установка регулируемого дросселя 4 на конце трубы 3 позволяет изменять расход "холодного" газа и влиять на газодинамический процесс, происходящий внутри труб. Simultaneously with the formation of a vortex flow in the pipe 1, a “cold” flow of heavy components is organized (for methane-air mixture it is oxygen and nitrogen), which enters the pipe 3 through the openings 9. From the pipe 3, the gas stream is ejected through an adjustable throttle 4. The resulting flow pattern of two flows in opposite directions is determined by the so-called Rank effect (see Merkulov AP The vortex effect and its application in technology. M. Mechanical Engineering, 1969, pp. 7-9). The installation of an adjustable throttle 4 at the end of the pipe 3 allows you to change the flow of "cold" gas and influence the gas-dynamic process that occurs inside the pipes.

Настоящие изобретения позволяют эффективно разделять газовоздушные смеси различного состава, получать высококонцентрированную фракцию "горячих" составляющих и направлять ее без разрушения уплотненного слоя для использования в различных установках как высокоэнергетическую газовую смесь, в частности при исходной метановоздушной смеси полученный в результате разделения метан может использоваться как топливо в различных установках. The present inventions make it possible to efficiently separate gas-air mixtures of various compositions, to obtain a highly concentrated fraction of "hot" components and to direct it without destroying the packed layer for use as a high-energy gas mixture in various plants, in particular, the methane obtained as a result of the initial air-gas mixture can be used as fuel in various installations.

Claims

1. The method of separation of gas-air mixtures, which consists in the tangential supply of a gas-air mixture with the formation of a movable outer layer of light fractions in the form of a vortex cord and moving in the opposite direction of the Central layer of heavy fractions, characterized in that the gas-air mixture is supplied at supersonic speed.

2. A device for separating gas-air mixtures containing a tangential nozzle for introducing the mixture, an energy separation chamber, nodes for removing hot and cold separation products, characterized in that the tangential nozzle is made in the form of a Laval nozzle with an oblique cut, the node for removing cold products in the form of a pipe with through holes on its part located in the chamber of energy expansion, while on the rest of the pipe withdrawn from the chamber, an adjustable choke is placed, and in the node for removing hot products annular throttle.