RU2115467C1 - Pulsed gas compression device - Google Patents

Pulsed gas compression device Download PDF

Info

Publication number
RU2115467C1
RU2115467C1 RU97119523A RU97119523A RU2115467C1 RU 2115467 C1 RU2115467 C1 RU 2115467C1 RU 97119523 A RU97119523 A RU 97119523A RU 97119523 A RU97119523 A RU 97119523A RU 2115467 C1 RU2115467 C1 RU 2115467C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
cavity
gas
piston
cylindrical chamber
free piston
Prior art date
Application number
RU97119523A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU97119523A (en
Inventor
М.Ю. Глушенков
Original Assignee
Глушенков Максим Юрьевич
Паращук Дина Анатольевна
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Глушенков Максим Юрьевич, Паращук Дина Анатольевна filed Critical Глушенков Максим Юрьевич
Priority to RU97119523A priority Critical patent/RU2115467C1/en
Priority to PCT/RU1997/000407 priority patent/WO1999028025A1/en
Priority to AU73520/98A priority patent/AU7352098A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2115467C1 publication Critical patent/RU2115467C1/en
Publication of RU97119523A publication Critical patent/RU97119523A/en

Links

Images

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23C—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
    • F23C15/00—Apparatus in which combustion takes place in pulses influenced by acoustic resonance in a gas mass
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J3/00—Processes of utilising sub-atmospheric or super-atmospheric pressure to effect chemical or physical change of matter; Apparatus therefor
    • B01J3/06—Processes using ultra-high pressure, e.g. for the formation of diamonds; Apparatus therefor, e.g. moulds or dies
    • B01J3/08—Application of shock waves for chemical reactions or for modifying the crystal structure of substances
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B71/00—Free-piston engines; Engines without rotary main shaft

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Physical Or Chemical Processes And Apparatus (AREA)
  • Heterocyclic Carbon Compounds Containing A Hetero Ring Having Nitrogen And Oxygen As The Only Ring Hetero Atoms (AREA)

Abstract

FIELD: chemical industry. SUBSTANCE: device has casing incorporating cylindrical chamber separated into two cavities by loose piston mounted inside it. One of cavities is used for conducting physical and chemical processes. Device has blow-down holes provided in side wall of casing and at least one gas-dispensing unit mounted in casing wall. Hollow piston has open space communicating with other cavity of cylindrical chamber designed for device starting and piston cooling. Gas-dispensing unit is made in the form of throttle and placed on side of cylindrical chamber cavity designed for device starting and piston cooling. EFFECT: reduced requirements to structural materials of device due to maintaining optimal temperature conditions for all its components. 7 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к устройствам, специально предназначенным для проведения общих химических способов взаимодействия газообразных сред, а более точно касается устройства для импульсного сжатия газов. The invention relates to devices specifically designed for carrying out general chemical methods for the interaction of gaseous media, and more specifically relates to a device for pulse compression of gases.

Изобретение может быть использовано в химической промышленности, при переработке нефти, газа и угля, в порошковой металлургии, а также производствах, связанных с термическим уничтожением токсичных промышленных отходов в качестве реактора для осуществления химических и физико-химических процессов, требующих высоких температур и/или давлений в режиме быстрых, последовательно повторяющихся циклов сжатия-расширения. Кроме этого, изобретение может быть использовано в различных областях техники в качестве компрессора, генератора газов и мощного вибровозбудителя. The invention can be used in the chemical industry, in the processing of oil, gas and coal, in powder metallurgy, as well as in industries associated with the thermal destruction of toxic industrial waste as a reactor for carrying out chemical and physico-chemical processes that require high temperatures and / or pressures in fast sequentially repeating compression-expansion cycles. In addition, the invention can be used in various fields of technology as a compressor, a gas generator and a powerful vibration exciter.

Известно устройство для импульсного сжатия газов, содержащее корпус, имеющий цилиндрическую камеру с продувочными отверстиями в боковой стенке. Камера снабжена одним или несколькими узлами газораспределения, выполненными в виде щелевых дросселей (RU, A, 2097121). Внутри камеры размещен свободный поршень с возможностью возвратно-поступательного перемещения вдоль ее оси. Поршень делит камеру на две полости с переменными объемами. Для проведения химических или физико-химических технологических процессов могут использоваться как обе полости одновременно, так и лишь одна из двух полостей, другая в этом случае играет роль газовой пружины. Полость, используемая для проведения технологических процессов, является рабочей. Функционирование устройства представляет собой непрерывную последовательность циклов сжатия-расширения газа в полостях, реализуемую в процессе быстрого возвратно-поступательного (колебательного) движения свободного поршня в камере. Каждый отдельный цикл в рабочей полости включает в себя импульсное, близкое к адиабатическому сжатие сырья, сопровождаемое его разогревом, химическую или физико-химическую реакцию в условиях сочетания максимальных значений температуры и давления, и последующее импульсное расширение продуктов реакции, сопровождаемое их охлаждением (закалкой). Для обеспечения непрерывной работы устройства в каждом цикле организуется газообмен, т.е. вытеснение продуктов из рабочей полости и заполнение ее сырьем перед началом следующего цикла. При этом подача сырья и вывод продуктов реакции могут осуществляться как через продувочные отверстия, так и посредством использования узлов газораспределения. Запуск устройства, т.е. вывод поршня в заданный режим колебаний, производится путем подачи сжатого толкающего газа, в частности самого сырья или его компонентов, через узлы газораспределения в одну либо обе полости одновременно с дальнейшим выхлопом его через продувочные отверстия. В отдельных случаях узлы газораспределения могут использоваться не только для запуска, но и для поддержания поршня в заданном режиме колебаний в течение всего периода функционирования устройства. В процессе стационарной работы устройства все его основные узлы и элементы подвергаются циклическому воздействию чрезвычайно мощных тепловых потоков и близких к ударным механических нагрузок со стороны плотного (от нескольких сот до нескольких тысяч атмосфер), горячего (вплоть до нескольких тысяч градусов Цельсия), химически реагирующего газа, получаемого в каждом цикле в результате импульсного сжатия. Для обеспечения работоспособности конструкции, функционирующей в столь жестких термомеханических условиях, предусматривается возможность сколь угодно интенсивного жидкостного или газового принудительного охлаждения узлов газораспределения, стенок цилиндрической камеры, крышек и т.д. Однако возможность охлаждения свободного поршня в данном устройстве отсутствует, за исключением используемого в некоторых частных случаях незначительного и практически неконтролируемого эффекта охлаждения сырьем отдельных фрагментов его торцевой поверхности в процессе продувки. Между тем условия работы поршня являются наиболее тяжелыми по сравнению со всеми остальными узлами и элементами устройства, так как наряду с уже упомянутыми выше термическими и механическими нагрузками он подвергается еще и воздействию огромных дополнительных механических нагрузок, вызванных экстремально большими знакопеременными ускорениями, возникающими в процессе его колебательного движения в камере. Конструкционные материалы, работающие в подобных режимах без охлаждения, должны иметь очень высокую жаропрочность при соответствующей стойкости к мало- и многоцикловой усталости, ползучести, термомеханическим и термоциклическим нагрузкам, обладать максимально возможной поверхностной твердостью и размерной стабильностью, малым коэффициентом теплового расширения, а также способностью сопротивляться высокотемпературной газовой коррозии и эрозионному износу в среде сырья, химически реагирующего газа и продуктов реакции. При этом все указанные требования должны соблюдаться в весьма широком интервале температур, достигающем в общем случае от 1000 до 1500oC. Выдержать подобный комплекс требований на современном уровне материаловедения не представляется реальным. Одновременно с этим в отсутствие системы управляемого охлаждения поршня чрезвычайно трудным, а в большинстве случаев и вообще технически неосуществимым становится использование лабиринтно-щелевого уплотнения в сочетании с газовым подвесом поршня, требующих непрерывного поддержания гарантированного, причем весьма малого зазора между поршнем и стенкой цилиндрической камеры и строго определенного, прецизионного профиля боковой поверхности поршня с момента запуска устройства и вплоть до вывода его на стационарный режим работы, т.е. в условиях кардинальных изменений теплового состояния поршня, сопровождаемых его неизбежными, крайне неравномерными термическими деформациями. Таким образом, отсутствие возможности охлаждения свободного поршня вызывает чрезмерно высокие, а то и вовсе невыполнимые требования к конструкционным материалам для его изготовления. Более того, невозможное в этом случае регулирование термического расширения поршня жестко лимитирует как потенциальный ассортимент материалов остальных элементов устройства, так и выбор диапазонов их теплового состояния в рабочих условиях. Особенно это касается материалов стенок цилиндрической камеры и связано с необходимостью предотвращения с одной стороны заклинивания поршня в камере, а с другой - чрезмерного увеличения зазора с потерей его уплотняющей способности. Тем самым, происходит распространение материаловедческих ограничений и на остальные элементы и узлы устройства, несмотря на относительно более мягкие по сравнению со свободным поршнем условия их работы и возможностью охлаждения. При этом выбор материалов для их изготовления определяется уже не логикой оптимального соответствия рабочим режимам, а главным образом, способностью совместного функционирования в рамках единой с поршнем конструкции. Не менее жесткие требования к материалам вызывает также выполнение узлов газораспределения во всех случаях исключительно в виде дросселей щелевого типа, что связано с необходимостью обеспечения их функционирования в чрезвычайно тяжелых условиях, осложненных к тому же повышенной чувствительностью эксплуатационных характеристик к почти неконтролируемым изменениям геометрии щелей под воздействием тепловых и динамических нагрузок, эрозии, образования окалины, нагара и т.д. При этом использование щелевых дросселей за пределами оптимальной для них области режимов не только не дает каких-либо существенных преимуществ, но может сопровождаться лишь снижением надежности устройства, сужением сферы его применения, а также возникновением достаточно серьезных потерь энергии на многократное дросселирование газа в процессе циклического сжатия-расширения из-за незначительного различия гидравлических сопротивлений узлов газораспределения в прямом и обратном направлении.A device for pulse compression of gases, comprising a housing having a cylindrical chamber with purge holes in the side wall. The camera is equipped with one or more gas distribution units made in the form of slotted chokes (RU, A, 2097121). A free piston is placed inside the chamber with the possibility of reciprocating movement along its axis. The piston divides the chamber into two cavities with variable volumes. For carrying out chemical or physico-chemical technological processes, both cavities can be used simultaneously, and only one of the two cavities, the other in this case plays the role of a gas spring. The cavity used for carrying out technological processes is working. The functioning of the device is a continuous sequence of cycles of compression-expansion of gas in the cavities, implemented in the process of rapid reciprocating (oscillatory) movement of a free piston in the chamber. Each individual cycle in the working cavity includes pulsed, close to adiabatic compression of the raw material, accompanied by its heating, a chemical or physico-chemical reaction under conditions of a combination of maximum values of temperature and pressure, and subsequent pulsed expansion of the reaction products, accompanied by their cooling (quenching). To ensure the continuous operation of the device, gas exchange is organized in each cycle, i.e. displacement of products from the working cavity and filling it with raw materials before the start of the next cycle. In this case, the supply of raw materials and the withdrawal of reaction products can be carried out both through the purge holes, and through the use of gas distribution units. Starting the device, i.e. the piston is brought into a predetermined mode of oscillation by supplying compressed pushing gas, in particular the raw material or its components, through the gas distribution units to one or both cavities simultaneously with its further exhaust through the purge openings. In some cases, the gas distribution units can be used not only to start, but also to maintain the piston in a given oscillation mode throughout the entire period of operation of the device. In the process of stationary operation of the device, all of its main components and elements are subjected to cyclic exposure to extremely powerful heat fluxes and mechanical stresses close to shock from dense (from several hundred to several thousand atmospheres), hot (up to several thousand degrees Celsius), chemically reacting gas obtained in each cycle as a result of pulse compression. To ensure the operability of a structure operating in such harsh thermomechanical conditions, the possibility of arbitrarily intensive liquid or gas forced cooling of gas distribution units, the walls of a cylindrical chamber, covers, etc. is provided. However, the possibility of cooling a free piston in this device is absent, with the exception of the insignificant and almost uncontrolled effect of raw material cooling of individual fragments of its end surface during purging, which is used in some special cases. Meanwhile, the working conditions of the piston are the most difficult in comparison with all other nodes and elements of the device, since, along with the thermal and mechanical loads already mentioned above, it is also exposed to enormous additional mechanical loads caused by extremely large alternating accelerations arising during its oscillatory movement in the camera. Structural materials operating in such modes without cooling must have very high heat resistance with appropriate resistance to low and high cycle fatigue, creep, thermomechanical and thermocyclic loads, have the highest possible surface hardness and dimensional stability, low coefficient of thermal expansion, and the ability to resist high-temperature gas corrosion and erosive wear in the environment of raw materials, chemically reacting gas and reaction products. Moreover, all these requirements must be observed in a very wide temperature range, reaching in the general case from 1000 to 1500 o C. To maintain a similar set of requirements at the modern level of material science does not seem realistic. At the same time, in the absence of a controlled piston cooling system, the use of a labyrinth-gap seal in combination with a gas suspension of the piston, requiring continuous maintenance of a guaranteed, and very small clearance between the piston and the wall of the cylindrical chamber, becomes extremely difficult, and in most cases generally technically unfeasible. a certain, precise profile of the piston lateral surface from the moment the device is started up to its conclusion to the stationary mode of operation, i.e. under conditions of cardinal changes in the thermal state of the piston, accompanied by its inevitable, extremely non-uniform thermal deformations. Thus, the inability to cool a free piston causes excessively high, if not impossible, requirements for structural materials for its manufacture. Moreover, the regulation of the thermal expansion of the piston, which is impossible in this case, strictly limits both the potential range of materials of the remaining elements of the device and the choice of the ranges of their thermal state under operating conditions. This is especially true for the materials of the walls of the cylindrical chamber and is associated with the need to prevent jamming of the piston in the chamber on one side and, on the other hand, an excessive increase in the gap with the loss of its sealing ability. Thus, material science restrictions are spreading to other elements and components of the device, despite the relatively milder conditions of their operation compared to a free piston and the possibility of cooling. Moreover, the choice of materials for their manufacture is no longer determined by the logic of optimal compliance with the operating conditions, but mainly by the ability to work together within the framework of a single design with the piston. No less stringent requirements for materials are also caused by the implementation of gas distribution units in all cases exclusively in the form of slotted chokes, which is associated with the need to ensure their functioning in extremely difficult conditions, complicated by the increased sensitivity of operational characteristics to almost uncontrolled changes in the geometry of cracks under the influence of thermal and dynamic loads, erosion, the formation of scale, carbon deposits, etc. At the same time, the use of slotted chokes outside the optimal range of modes for them not only does not provide any significant advantages, but can only be accompanied by a decrease in the reliability of the device, a narrowing of its scope, as well as the occurrence of quite serious energy losses due to repeated throttling of gas during cyclic compression -extensions due to a slight difference in hydraulic resistance of the gas distribution units in the forward and reverse directions.

Таким образом, конструктивное выполнение устройства исключает возможность управления тепловым состоянием всех его узлов и элементов, а его промышленная реализации жестко лимитирована необходимостью подбора конструкционных материалов с уникальным, а в ряде случаев недостижимым на современном уровне техники комплексом свойств. Прямым следствием указанных факторов является серьезное сужение сферы применения устройства, снижение его надежности и ресурса. Thus, the constructive implementation of the device excludes the possibility of controlling the thermal state of all its components and elements, and its industrial implementation is strictly limited by the need to select structural materials with a unique and sometimes unattainable set of properties on the modern level of technology. A direct consequence of these factors is a serious narrowing of the scope of the device, a decrease in its reliability and resource.

Задача изобретения - создание устройства для импульсного сжатия газов, в котором за счет организации охлаждения свободного поршня и заданного выполнения узлов газораспределения обеспечивалась бы возможность поддержания оптимального теплового состояния всех его элементов в процессе функционирования с одновременным снижением требований к конструкционным материалам для их изготовления, что позволило бы максимально расширить как ассортимент указанных материалов, так и область применения устройства повысить его надежность, ресурс и энергетическую эффективность. The objective of the invention is the creation of a device for pulse compression of gases, in which due to the organization of cooling of the free piston and the specified execution of the gas distribution units, it would be possible to maintain the optimal thermal state of all its elements during operation while reducing the requirements for structural materials for their manufacture, which would allow maximize both the range of these materials and the scope of the device to increase its reliability, resource and ergeticheskuyu efficiency.

Поставленная задача решается тем, что в устройстве для импульсного сжатия газов, содержащем корпус, имеющий цилиндрическую камеру, разделенную на две полости размещенным внутри нее с возможностью возвратно-поступательного перемещения свободным поршнем, одна из которых предназначена для проведения химических и физико-химических процессов, продувочные отверстия, выполненные в боковой стенке корпуса, по меньшей мере один узел газораспределения, размещенный в стенке корпуса, согласно изобретению свободный поршень выполнен полым с открытой полостью, сообщенной с другой полостью цилиндрической камеры, предназначенной для запуска устройства и охлаждения свободного поршня, при этом узел газораспределения выполнен в виде дросселя и размещен со стороны полости цилиндрической камеры, предназначенной для запуска устройства и охлаждения свободного поршня. The problem is solved in that in a device for pulsed gas compression, comprising a housing having a cylindrical chamber, divided into two cavities placed inside it with the possibility of reciprocating movement by a free piston, one of which is designed for chemical and physico-chemical processes, purging holes made in the side wall of the housing, at least one gas distribution unit located in the wall of the housing, according to the invention, the free piston is made hollow with an open oh cavity, the cavity communicating with the other cylinder chamber designed to run cooling device and the free piston, wherein the valve assembly is configured as a choke, and disposed on the part of the cavity of the cylindrical chamber designed to run cooling device and the free piston.

Возможно, что устройство снабжено по меньшей мере одной форсункой, размещенной в стенке цилиндрической камеры, с стороны полости цилиндрической камеры, предназначенной для запуска устройства и охлаждения свободного поршня. It is possible that the device is equipped with at least one nozzle located in the wall of the cylindrical chamber, from the side of the cavity of the cylindrical chamber, designed to start the device and cool the free piston.

Целесообразно, чтобы узел газораспределения был выполнен в виде дросселя, снабженного обратным клапаном. It is advisable that the gas distribution unit was made in the form of a throttle equipped with a check valve.

Возможно, что устройство импульсного сжатия газов снабжено по меньшей мере одним узлом газораспределения, размещенным со стороны полости, предназначенной для проведения химических и физико-химических процессов и выполненным в виде дросселя. It is possible that the device for pulse compression of gases is equipped with at least one gas distribution unit located on the side of the cavity intended for carrying out chemical and physico-chemical processes and made in the form of a throttle.

В соответствии с одним из вариантов возможно, что дроссель выполнен в виде струйного диода. In accordance with one of the options it is possible that the throttle is made in the form of a jet diode.

Также возможно, что дроссель выполнен в виде сопла. It is also possible that the throttle is made in the form of a nozzle.

Возможно, что дроссель выполнен в виде диафрагмы. It is possible that the throttle is made in the form of a diaphragm.

Данное устройство для импульсного сжатия газов может быть использовано в качестве высокопроизводительного реактора для проведения химических и физико-химических процессов в условиях экстремально высоких температур и/или давлений, достигаемых в результате быстрого,близкого к адиабатическому сжатия газовых и газодисперсных сред свободным поршнем, в частности процессов галогенирования, фиксации атмосферного азота, получения водорода, синтез-газа, энергетического газа, сажи, элементарной серы, ультрадисперсных керамических и металлических порошков, термической переработки и уничтожения жидких и газообразных токсичных промышленных отходов и т.д. Кроме этого, возможно также использование устройства в качестве компрессора, генератора газов и автономного, компактного вибровозбудителя большой мощности в различных отраслях промышленности - например, строительстве и горном деле. Изобретение позволяет совместить в себе целый комплекс традиционных химико-технологических операций - сжатие и нагрев сырья, расширение и быстрое охлаждение продуктов с рекуперацией выделяющейся энергии, выполняя функции компрессора, нагревателя (печи, теплообменника), закалочного устройства и поршневого детандера с максимальной технически возможной энергетической эффективностью. Одновременно с этим получаемые в каждом цикле сжатия плотные (до нескольких тысяч атмосфер), чрезвычайно горячие (до нескольких тысяч oС) и исключительно однородные по объему химически реагирующие газы являются идеальными средами для протекания как указанных выше, так и целого ряда других промышленных процессов, рост скоростей которых за счет одновременного воздействия экстремально высоких температур и концентраций реагентов может достигать нескольких порядков, сопровождаясь соответственным увеличением удельной производительности. Подобное сочетание функциональных возможностей, уровней достигаемых температур и давлений, удельной производительности и энергетической эффективность недостижимо ни в одном устройстве современной промышленной химии. При этом реализованная в изобретении возможность поддержания оптимального теплового режима основных узлов и элементов конструкции позволяет практически полностью исключить проблемы, связанные с обеспечением их механической и коррозионной стойкости в процессе эксплуатации, резко расширить область применения устройства, а, кроме этого, располагать почти неограниченным ассортиментом материалов и технологий для его изготовления - от перспективных керамик и композитов до широко известных, промышленно освоенных сталей, сплавов и полимеров автомобильного, авиационного и химического машиностроения. Изобретение за счет организации охлаждения свободного поршня и заданного выполнения узлов газораспределения обеспечивает повышение надежности устройства, его ресурса, энергетической эффективности.This device for pulse compression of gases can be used as a high-performance reactor for carrying out chemical and physico-chemical processes under conditions of extremely high temperatures and / or pressures achieved as a result of fast, close to adiabatic compression of gas and gas-dispersed media by a free piston, in particular, processes halogenation, fixation of atmospheric nitrogen, production of hydrogen, synthesis gas, energy gas, soot, elemental sulfur, ultrafine ceramic and metallic powder, thermal processing and destruction of liquid and gaseous toxic industrial wastes, etc. In addition, it is also possible to use the device as a compressor, gas generator, and autonomous, compact high-power vibration exciter in various industries - for example, construction and mining. The invention allows you to combine a whole range of traditional chemical-technological operations - compression and heating of raw materials, expansion and rapid cooling of products with the recovery of energy released, performing the functions of a compressor, heater (furnace, heat exchanger), quenching device and piston expander with the highest technically possible energy efficiency . At the same time, dense (up to several thousand atmospheres), extremely hot (up to several thousand o С) and chemically reacting gases that are extremely uniform in volume and obtained in each compression cycle are ideal media for the flow of both the above and a number of other industrial processes, the growth of speeds due to the simultaneous exposure to extremely high temperatures and concentrations of reagents can reach several orders of magnitude, accompanied by a corresponding increase in specific productivity. A similar combination of functionality, levels of temperature and pressure achieved, specific productivity and energy efficiency is unattainable in any device of modern industrial chemistry. At the same time, the possibility of maintaining the optimal thermal regime of the main components and structural elements realized in the invention makes it possible to almost completely eliminate the problems associated with ensuring their mechanical and corrosion resistance during operation, dramatically expand the scope of the device, and, in addition, have an almost unlimited range of materials and technologies for its manufacture - from promising ceramics and composites to well-known, industrially developed steels, alloys and polymers s automotive, aviation and chemical engineering. The invention due to the organization of cooling the free piston and the specified execution of the gas distribution units provides an increase in the reliability of the device, its resource, energy efficiency.

На фиг. 1 изображен общий вид устройства для импульсного сжатия газов, продольный разрез с дросселем, выполненным в виде сопла; на фиг. 2 - общий вид устройства для импульсного сжатия газов, продольный разрез с форсункой и дросселем, выполненным в виде диафрагмы и снабженным обратным клапаном согласно изобретению; на фиг. 3 - общий вид устройства для импульсного сжатия газов, продольный разрез с двумя узлами газораспределения, выполненными в виде дросселей, представляющих собой струйные диоды, согласно изобретению. In FIG. 1 shows a General view of a device for pulse compression of gases, a longitudinal section with a throttle made in the form of a nozzle; in FIG. 2 is a general view of a device for pulse compression of gases, a longitudinal section with a nozzle and an orifice made in the form of a diaphragm and equipped with a check valve according to the invention; in FIG. 3 is a general view of a device for pulse compression of gases, a longitudinal section with two gas distribution units made in the form of chokes, which are jet diodes, according to the invention.

Устройство для импульсного сжатия газов содержит корпус 1 (фиг.1), установленный вертикально и выполненный в виде цилиндра 2 с закрепленными на его торцах крышками 3 и 4. При этом внутри цилиндра 2 образуется цилиндрическая камера 5, разделенная на две полости 6 и 7 размещенным внутри нее с возможностью возвратно-поступательного перемещения свободным поршнем 8. Полость 6 предназначена для проведения химических и физико-химических процессов, а полость 7 предназначена для запуска устройства и охлаждения свободного поршня 8. Также в устройстве имеются продувочные отверстия 9, 10 и 11, выполненные в боковой стенке цилиндра 2 и выходящие соответственно в кольцевые каналы 12, 13 и 14 коллектора 15. Отверстия 9 предназначены для ввода сырья, отверстия 10 - для вывода продуктов, отверстия 11 - для выхлопа толкающего газа. Кроме этого, в общем случае часть отверстий 11 может использоваться для ввода охлаждающего газа в полость 7, при этом нагретый газ выводится через оставшуюся часть отверстий 11. Коллектор 15 закреплен на корпусе 1 и имеет три штуцера 16, 17 и 18. В устройстве имеется по меньшей мере один узел 19 газораспределения, размещенный в крышке 4 корпуса 1 со стороны полости 7 и выполненный в виде дросселя. В крышке 3 размещена форсунка 20 для ввода жидких компонентов сырья. В качестве форсунок 20 могут использоваться различные типы общеизвестных в двигателестроении форсунок. Поршень 8 выполнен полым с открытой полостью 21, сообщающийся с полостью 7, используемой для запуска устройства и охлаждения свободного поршня 8 посредством отверстия 22, выполненного в данном примере в виде сопла. В общем случае соединение внутренней полости 21 свободного поршня 8 с полостью 7 может обеспечиваться с помощью одного или нескольких отверстий. A device for pulse compression of gases contains a housing 1 (Fig. 1) mounted vertically and made in the form of a cylinder 2 with caps 3 and 4 fixed to its ends. A cylindrical chamber 5 is formed inside the cylinder 2 and is divided into two cavities 6 and 7 inside it with the possibility of reciprocating movement by the free piston 8. The cavity 6 is intended for chemical and physico-chemical processes, and the cavity 7 is designed to start the device and cool the free piston 8. Also in the device purge openings 9, 10 and 11 are made, made in the side wall of cylinder 2 and extending respectively into the annular channels 12, 13 and 14 of the collector 15. Holes 9 are for inputting raw materials, openings 10 are for outputting products, openings 11 are for exhausting pushing gas . In addition, in the General case, part of the holes 11 can be used to introduce cooling gas into the cavity 7, while the heated gas is discharged through the remaining part of the holes 11. The manifold 15 is mounted on the housing 1 and has three fittings 16, 17 and 18. The device has at least one gas distribution unit 19 located in the cover 4 of the housing 1 from the side of the cavity 7 and made in the form of a throttle. In the lid 3 there is a nozzle 20 for introducing liquid components of the raw material. As nozzles 20 can be used various types of well-known in the engine nozzles. The piston 8 is made hollow with an open cavity 21, communicating with the cavity 7 used to start the device and cool the free piston 8 through the hole 22, made in this example in the form of a nozzle. In the General case, the connection of the inner cavity 21 of the free piston 8 with the cavity 7 can be achieved using one or more holes.

Внутренняя полость 21 свободного поршня 8 также может снабжаться различного рода оребрением с целью интенсификации охлаждения и одновременного усиления жесткости конструкции (на фигуре не показано). На боковой поверхности поршня 8 выполнены элементы 23 лабиринтно-щелевого подвеса, обеспечивающие уплотнение и бесконтактное возвратно-поступательное перемещение поршня 8 в зазоре. В общем случае организация лабиринтно-щелевого подвеса осуществляется специальным профилированием поверхностей поршня 8 и/или цилиндрической камеры 5, образующих пару - выполнением конусности, различного рода дросселирующих ступенек, играющих одновременно роль элементов бесконтактного уплотнения и т.д. (Криогенные поршневые детандеры. Под ред. Архарова М.А. - М.: Машиностроение, 1974, с. 146-162). Кроме этого, бесконтактный режим работы поршня 8 может обеспечиваться за счет организации его газостатического подвеса посредством наддува в зазор между поршнем 8 и цилиндром 2 сжатого газа через специально выполненные с этой целью радиальные отверстия в боковой стенке цилиндрической камеры 5 (Гринблат В.Л. Поршневые компрессоры с газостатическим подвесом поршня (ГСПП). Омск: ОмПи, 1984, с. 87). Для повышения эффективности лабиринтно-щелевого (газостатического) подвеса, на боковой поверхности поршня 8 или внутренней поверхности цилиндра 2 могут выполняться специальные дренажные канавки с отверстиями для сброса газа в полости 6 и 7 либо за пределы устройства (на фигуре не показаны). Узел 19 газораспределения, в данном примере выполненный в виде дросселя, представляющего собой сопло, снабжен штуцером 24 для ввода толкающего газа. В общем случае узел 19 газораспределения может быть выполнен в виде дросселей любого типа - одного или нескольких калиброванных отверстий, сопел, диафрагм и так далее. (Нагорный В.С. и др. Устройства автоматики гидро- и пневмосистем. - М. : Высшая школа, 1991, с. 50-68). Возможно также использование регулируемых дросселей (дроссельных клапанов) различного типа - золотниковых, шариковых, дросселей типа "сопло-заслонка", дросселей с эластичными стенками и тому подобное. Внутренние поверхности цилиндрической камеры 5, а также наружные поверхности поршня 8 могут снабжаться термобарьерными покрытиями для снижения интенсивности тепловых потоков в стенки соответствующих узлов и элементов, а на поверхности устройства, контактирующие с реакционной средой, могут наноситься различного типа каталитические покрытия, ускоряющие проводимую реакцию, либо способствующие удалению (выжиганию) различного рода отложений из реакционной среды. The internal cavity 21 of the free piston 8 can also be provided with various kinds of fins in order to intensify cooling and at the same time increase the rigidity of the structure (not shown in the figure). On the side surface of the piston 8, elements 23 of the labyrinth-slit suspension are provided, which provide sealing and non-contact reciprocating movement of the piston 8 in the gap. In the general case, the organization of the labyrinth-slot suspension is carried out by special profiling of the surfaces of the piston 8 and / or the cylindrical chamber 5, forming a pair — by performing tapering, various types of throttling steps, which simultaneously play the role of non-contact seal elements, etc. (Cryogenic piston expanders. Edited by MA Arkharov - M.: Mechanical Engineering, 1974, p. 146-162). In addition, the non-contact mode of operation of the piston 8 can be ensured by organizing its gas-static suspension by boosting the gap between the piston 8 and the compressed gas cylinder 2 through specially made radial holes in the side wall of the cylindrical chamber 5 (Greenblatt V.L. Piston compressors with gas-static suspension of the piston (GSPP). Omsk: OmPi, 1984, p. 87). To increase the efficiency of the labyrinth-slit (gas-static) suspension, special drainage grooves can be made on the lateral surface of the piston 8 or the inner surface of the cylinder 2 with holes for gas discharge in cavities 6 and 7 or outside the device (not shown in the figure). The gas distribution unit 19, in this example made in the form of a throttle, which is a nozzle, is equipped with a fitting 24 for introducing pushing gas. In the General case, the gas distribution unit 19 can be made in the form of throttles of any type - one or more calibrated holes, nozzles, diaphragms and so on. (Nagorny V.S. et al. Devices of automation of hydraulic and pneumatic systems. - M.: Higher School, 1991, p. 50-68). It is also possible to use adjustable throttles (throttle valves) of various types - spool, ball, throttle type "nozzle-damper", throttles with elastic walls and the like. The inner surfaces of the cylindrical chamber 5, as well as the outer surfaces of the piston 8, can be provided with thermal barrier coatings to reduce the intensity of heat fluxes into the walls of the corresponding nodes and elements, and various types of catalytic coatings can be applied on the surface of the device in contact with the reaction medium, accelerating the reaction, or contributing to the removal (burning) of various kinds of deposits from the reaction medium.

Конструкция устройства, изображенного на фиг.2, аналогична конструкции устройства, изображенного на фиг.1. Отличие заключается лишь в том, что корпус 1 (фиг. 2) имеет одну крышку 4. Коллектор 15 выполнен за одно целое с рубашкой 25 охлаждения, имеющей штуцеры 26 (в конкретном примере их два) для ввода и вывода хладагента. При этом в кольцевой канал 14 выходят только отверстия 11, а отверстия 9 и 10 соединены с соответствующими штуцерами 16 и 17 непосредственно. Между частью наружной поверхности корпуса 1 и рубашкой 25 охлаждения образована полость 27, в которой циркулирует хладагент. Узел 19 газораспределения, размещенный в боковой стенке цилиндра 2, выполнен в виде дросселя, представляющего собой диафрагму 28, снабженного пластинчатым обратным клапаном 29. Помимо обратных пластинчатых клапанов (Двухтактные карбюраторные двигатели внутреннего сгорания. В.М.Кондрашов и др. - М.: Машиностроение, 1990, с. 163-190) возможно также использование любых общеизвестных типов обратных клапанов - тарельчатых, ниппельных и тому подобное. В стенке корпуса 1 со стороны полости 6 размещен узел 30 зажигания. Устройство может быть снабжено различного рода узлами 30 зажигания - плазменными, искровыми и так далее (см. журнал "Нефтегазовые технологии", 1995, N 1, с.34-36). Устройство снабжено форсункой 31 подачи охлаждающей жидкости, размещенной в крышке 4 корпуса 1 со стороны полости 7. Форсунка 31 имеет шнек 32 для закручивания жидкости и отверстие 33 для распыления, штуцер 34 для подачи охлаждающей жидкости. Форсунка 31 установлена по продольной оси симметрии так, что верхняя ее часть находится в полости 21 поршня 8. Для распыления охлаждающих поршень 8 жидкостей могут использоваться различные общеизвестные типы форсунок 31 - центробежные, пневматические, акустические и так далее (Пажи Д.Т. и др. - Основы техники распыливания жидкостей. - М.: Химия, 1984, с.256). The design of the device depicted in figure 2, is similar to the design of the device depicted in figure 1. The only difference is that the housing 1 (Fig. 2) has one cover 4. The collector 15 is made in one piece with a cooling jacket 25 having fittings 26 (two in a specific example) for introducing and discharging refrigerant. In this case, only holes 11 exit into the annular channel 14, and holes 9 and 10 are connected directly to the corresponding fittings 16 and 17. Between a part of the outer surface of the housing 1 and the cooling jacket 25, a cavity 27 is formed in which refrigerant circulates. The gas distribution unit 19, located in the side wall of the cylinder 2, is made in the form of a throttle, which is a diaphragm 28, equipped with a plate check valve 29. In addition to check plate valves (Two-stroke carburetor internal combustion engines. V.M. Kondrashov et al. - M .: Engineering, 1990, pp. 163-190) it is also possible to use any well-known types of check valves - poppet, nipple and the like. In the wall of the housing 1 from the side of the cavity 6 there is an ignition unit 30. The device can be equipped with various kinds of ignition units 30 — plasma, spark, and so on (see the journal "Oil and Gas Technologies", 1995, N 1, p. 34-36). The device is equipped with a nozzle 31 for supplying coolant located in the cover 4 of the housing 1 from the side of the cavity 7. The nozzle 31 has a screw 32 for swirling the fluid and an opening 33 for spraying, a fitting 34 for supplying the coolant. The nozzle 31 is installed along the longitudinal axis of symmetry so that its upper part is located in the cavity 21 of the piston 8. Various well-known types of nozzles 31 — centrifugal, pneumatic, acoustic, and so on — can be used to spray cooling piston 8 fluids (Pazi D.T. et al. . - Fundamentals of the technique of spraying liquids. - M .: Chemistry, 1984, p.256).

Конструкция устройства, изображенного на фиг.3, аналогична конструкции устройства, изображенного на фиг.1. Отличие заключается лишь в том, что корпус 1 (фиг.3) имеет одну крышку 4, при этом верхняя часть корпуса 1 имеет ребра 35 охлаждения. Также устройство снабжено узлом 36 газораспределения, размещенным со стороны полости 6 и выполненным в виде дросселя, представляющего собой струйный диод. Дроссель образован посредством установки с заданными зазорами 37 и 38 втулки 39 со штуцером 40, используемым для подачи сырья, в корпусе 1. Дроссель обладает свойствами струйного диода за счет наличия кольцевой выточки 41, выполненной в стенке корпуса 1. Узел 19 газораспределения размещен со стороны полости 7, предназначенной для запуска устройства и охлаждения свободного поршня 8, и выполнен в виде сопла, имеющего на внутренней поверхности кольцевой выступ 42, посредством которого сопло способно выполнять функции струйного диода. Узел 19 газораспределения установлен по продольной оси симметрии устройства таким образом, что его часть находится в полости 21 поршня 8. Выполнение дросселей в виде струйных диодов (Лебедев И. В. и др. Элементы струйной автоматики. - М.: Машиностроение, 1973, с.247-288) производится таким профилированием их проточной части, которое обеспечивало бы возможно более значительное различие их гидравлических сопротивлений в прямом и обратном направлении за счет организации закрутки, сильной деформации обратного потока, сопровождающейся отрывами его от стенок, соударением струй и т.д. Для охлаждения узлов и элементов конструкции, а также выравнивания температуры стенок цилиндрической камеры 5 помимо рубашек 25 (фиг. 2) охлаждения и ребер 35 (фиг.3) могут использоваться также другие общеизвестные системы охлаждения - термосифонное, охлаждение с использованием тепловых труб, капельное, пористое и т.д. The design of the device depicted in figure 3, is similar to the design of the device depicted in figure 1. The only difference is that the housing 1 (Fig. 3) has one cover 4, while the upper part of the housing 1 has cooling fins 35. The device is also equipped with a gas distribution unit 36 located on the side of the cavity 6 and made in the form of a choke, which is a jet diode. The throttle is formed by installing, with the given gaps 37 and 38 of the sleeve 39 with the fitting 40 used to supply raw materials, in the housing 1. The throttle has the properties of a jet diode due to the presence of an annular recess 41 made in the wall of the housing 1. The gas distribution unit 19 is located on the side of the cavity 7, designed to start the device and cool the free piston 8, and is made in the form of a nozzle having an annular protrusion 42 on the inner surface, through which the nozzle is capable of performing the functions of a jet diode. The gas distribution unit 19 is installed along the longitudinal axis of symmetry of the device in such a way that part of it is located in the cavity 21 of the piston 8. Performing throttles in the form of jet diodes (I. Lebedev et al. Elements of jet automation. - M.: Mashinostroenie, 1973, p. .247-288) is carried out in such a profiling of their flow part that would provide the most significant difference in their hydraulic resistance in the forward and reverse direction due to the organization of swirling, strong deformation of the return flow, accompanied by its separation from tenok, impinging jets, etc. In addition to cooling jackets 25 (FIG. 2) and ribs 35 (FIG. 3), other well-known cooling systems — thermosiphon cooling, heat pipe cooling, drip, can be used to cool the nodes and structural elements, as well as to equalize the temperature of the walls of the cylindrical chamber 5 porous, etc.

Устройства, изображенные на фиг. 1-3, предназначены для проведения быстрых химических и физико-химических процессов в газовых и газодисперсных средах в режиме импульсных последовательно повторяющихся циклов сжатия-расширения. The devices shown in FIG. 1-3, are intended for carrying out fast chemical and physico-chemical processes in gas and gas-dispersed media in the mode of pulsed sequentially repeated compression-expansion cycles.

Работа устройства, изображенного на фиг. 1, начинается с запуска, осуществляемого посредством подачи сжатого толкающего газа через штуцер 24 (фиг. 1) в узел 19 газораспределения и далее в полость 7. Под давлением поступающего газа свободный поршень 8 начинает двигаться вверх и после отсечения полости 6 от отверстий 9 для ввода сырья и отверстий 10 для вывода продуктов производит сжатие газа в ней, продолжающееся вплоть до соединения полости 7 с отверстиями 11. В этот момент происходит быстрый выхлоп находящегося под давлением толкающего газа через отверстия 11 в кольцевой канал 14 коллектора 15, откуда отработанный толкающий газ удаляется через штуцер 18. Благодаря существенному различию гидравлических сопротивлений узла 19 газораспределения и отверстий 14 (у отверстий 14 оно гораздо ниже) выхлоп сопровождается скачкообразным падением давления в полости 7. В результате этого поршень 8 под давлением сжатого им в полости 6 газа резко отбрасывается вниз, вновь отсекая полость 7 от отверстий 11 и одновременно соединяя полость 6 с отверстиями 9 и 10. При этот давление в полости 7 начинает быстро расти за счет непрерывно продолжающегося поступления толкающего газа через узел 19 газораспределения и его сжатия движущимся по инерции свободным поршнем 8. После израсходования поршнем 8 всей запасенной кинетической энергии, перешедшей в потенциальную энергию сжатого в полости 7 газа, он останавливается, а затем вновь начинает двигаться вверх, и весь описанный процесс (цикл) повторяется. Однако запас энергии поршня 8, а следовательно, частота и амплитуда его колебаний с каждым новым циклом увеличиваются, пока, наконец, не достигнут постоянных значений, зависящих от целого ряда факторов - давлений толкающего газа перед узлом 19 газораспределения и в кольцевом канале 14, гидравлических характеристик узла 19 газораспределения, массы поршня 8 и т.п. Описанная процедура запуска позволяет обеспечить вывод устройства на стационарный режим работы, представляющий собой непрерывную последовательность циклов, каждый из которых включает быстрое, близкое к адиабатическому сжатие сырья свободным поршнем 8 в полости 6, химический или физико-химический процесс в условиях оптимального сочетания температуры и давления, а также последующее быстрое расширение полученных продуктов, сопровождаемое их резким охлаждением (закалкой) с одновременным переходом большей части выделившейся при этом энергии в кинетическую энергию поршня 8. Каждый цикл заканчивается продувкой, т. е. принудительным вытеснением продуктов реакций из полости 6 поступающим сырьем. Газообразное сырье при этом подается под давлением через штуцер 16 в кольцевой канал 12 и далее через отверстия 9 для вывода сырья направляется в полость 6. Жидкие компоненты сырья впрыскиваются через форсунку 10. Продукты реакций вытесняются через отверстия 10 для вывода продуктов в кольцевой канал 13, откуда затем удаляются через штуцер 17. Охлаждение свободного поршня 8 как при запуске, так и в стационарном режиме функционирования устройства осуществляется благодаря периодическому нагнетанию холодного толкающего газа в полость 21 через отверстие 22 в процессе его циклического сжатия в полости 7. Последующий быстрый выхлоп, сопровождаемый скачкообразным падением давления в полости 7, приводит к удалению нагретого газа сначала из полости 21, а затем и из полости 7 через отверстия 11. Эффект охлаждения усиливается за счет формирования отверстием 22 интенсивной направленной струи толкающего газа, обтекающей сначала наиболее теплонапряженные участки поршня 8 и приводящей к образованию мощного тороидального вихря в полости 21, осуществляющего как теплосъем, так и выравнивание температуры поршня 8. Регулирование степени охлаждения может производиться путем управления температурой или расходом толкающего газа. The operation of the device shown in FIG. 1 begins with a start by supplying compressed pushing gas through a nozzle 24 (Fig. 1) to the gas distribution unit 19 and then into the cavity 7. Under pressure of the incoming gas, the free piston 8 begins to move upward and after cutting off the cavity 6 from the injection holes 9 raw materials and openings 10 for the output of products produces compression of gas in it, continuing until the connection of the cavity 7 with the holes 11. At this point, there is a rapid exhaust of pressurized push gas through the holes 11 into the annular channel 14 of the collector 15, from where the exhausted push gas is removed through the nozzle 18. Due to the significant difference in hydraulic resistance of the gas distribution unit 19 and the openings 14 (at the openings 14 it is much lower), the exhaust is accompanied by an abrupt pressure drop in the cavity 7. As a result, the piston 8 is under pressure from the the gas cavity 6 is sharply thrown down, again cutting off the cavity 7 from the holes 11 and at the same time connecting the cavity 6 with the holes 9 and 10. At this pressure in the cavity 7 begins to grow rapidly due to the continuously continuing the pushing gas flows through the gas distribution unit 19 and is compressed by the free piston 8 moving by inertia. After the piston 8 has consumed all the stored kinetic energy that has been converted into the potential energy of the gas compressed in the cavity 7, it stops and then starts to move up again, and the whole described process (cycle) is repeated. However, the energy reserve of the piston 8, and consequently, the frequency and amplitude of its oscillations increase with each new cycle, until, finally, constant values are achieved that depend on a number of factors - pressure of the pushing gas in front of the gas distribution unit 19 and in the annular channel 14, hydraulic characteristics gas distribution unit 19, piston mass 8, etc. The described start-up procedure makes it possible to bring the device to a stationary mode of operation, which is a continuous sequence of cycles, each of which includes a quick, close to adiabatic compression of the raw material by the free piston 8 in the cavity 6, a chemical or physicochemical process under the optimal combination of temperature and pressure, as well as the subsequent rapid expansion of the products obtained, accompanied by their abrupt cooling (quenching) with the simultaneous transition of most of the ene released during this rgii into the kinetic energy of the piston 8. Each cycle ends with a purge, that is, forced displacement of the reaction products from the cavity 6 by incoming raw materials. In this case, the gaseous feed is supplied under pressure through the nozzle 16 to the annular channel 12 and then through the openings 9 for the output of raw materials is sent to the cavity 6. The liquid components of the raw materials are injected through the nozzle 10. The reaction products are displaced through the openings 10 for the output of the products into the annular channel 13, where then removed through the nozzle 17. The free piston 8 is cooled both at startup and in the stationary mode of operation of the device due to the periodic injection of cold pushing gas into the cavity 21 through the hole 22 during its cyclic compression in the cavity 7. The subsequent rapid exhaust, accompanied by an abrupt pressure drop in the cavity 7, leads to the removal of the heated gas from the cavity 21 first and then from the cavity 7 through the openings 11. The cooling effect is enhanced by the formation of the opening 22 of an intense directed jet of pushing gas flowing around the most heat-stressed sections of the piston 8 and leading to the formation of a powerful toroidal vortex in the cavity 21, which performs both heat removal and temperature equalization urs piston 8. Regulation of the degree of cooling can be carried out by controlling temperature or flow rate of pusher gas.

Устройство, изображенное на фиг. 1 может быть использовано в качестве реактора для синтеза ультрадисперсных керамических порошков нитридов кремния, алюминия и бора путем термического разложения соответствующих элементоорганических соединений в атмосфере азота. Описанный выше запуск устройства, а также последующее поддержание его в заданном режиме осуществляется с помощью сжатого до необходимого давления азота, играющего в этом примере как роль одного из компонентов сырьевой смеси, так и толкающего газа. Жидкое элементоорганическое соединение подается с помощью форсунки 20, нагретый до необходимой температуры азот под небольшим избыточным давлением поступает через штуцер 16 в кольцевой канал 12, и далее в полость 6 через отверстия 9 для ввода сырья, продукты реакции в виде взвешенных в азоте ультрадисперсных частиц нитридов размерами нанометрового диапазона выводятся через отверстия 10 для вывода продуктов в кольцевой коллектор 13, откуда затем удаляются через штуцеры 17 на сепарацию. The device shown in FIG. 1 can be used as a reactor for the synthesis of ultrafine ceramic powders of silicon, aluminum, and boron nitrides by thermal decomposition of the corresponding organoelemental compounds in a nitrogen atmosphere. The start-up of the device described above, as well as its subsequent maintenance in the specified mode, is carried out using nitrogen compressed to the required pressure, playing in this example both the role of one of the components of the raw material mixture and the pushing gas. The liquid organoelement compound is supplied using the nozzle 20, nitrogen heated to the required temperature under a slight excess pressure enters through the nozzle 16 into the annular channel 12, and then into the cavity 6 through the openings 9 for introducing raw materials, the reaction products in the form of ultrafine nitride particles suspended in nitrogen with sizes the nanometer range are discharged through openings 10 for outputting products to the annular collector 13, from where they are then removed through the fittings 17 for separation.

Устройство, изображенное на фиг. 2, предназначено преимущественно для проведения экзотермических химических реакций, тепловой эффект которых достаточен для поддержания свободного поршня 8 в заданном режиме колебаний без помощи толкающего газа. Работа данного устройства аналогична работе устройства, изображенного на фиг. 1. Отличие состоит в том, что после запуска и вывода устройства на рабочий режим, сопровождающийся протеканием химической реакции с необходимым уровнем экзотермичности в полости 6 (фиг.2), необходимость в использовании толкающего газа отпадает, а его подача прекращается. Обратный пластинчатый клапан 29 при этом закрывается, исключая потери энергии на многократное дросселирование толкающего газа диафрагмой 28, вызванное пульсацией его давления в полости 7 в процессе функционирования устройства, неизбежные при работе в подобном режиме в отсутствие клапана 29. Кроме этого, охлаждение свободного поршня 8 в данном устройстве осуществляется непрерывно, главным образом, с помощью жидкого испаряющегося хладагента, подаваемого в полость 21 форсункой 31, охлаждение за счет прокачки парогазовой смеси через полость 21 имеет второстепенное значение. Жидкий хладагент поступает в форсунку 31 через штуцер 34 и далее, закручиваясь на шнеке 32, выбрасывается в виде полого конуса через отверстие 33 на стенки полости 21, охлаждая их и испаряясь при этом. Процесс возвратно-поступательного движения поршня 8 позволяет осуществлять равномерное распределение жидкости по внутренней поверхности полости 21. Образующиеся при испарении хладагента пары удаляются из полости 21 через отверстие 22 в полость 7, а оттуда через отверстия 11, кольцевой коллектор 14 и штуцер 18 подаются на конденсацию и последующий рецикл. Устройство 30 зажигания благодаря инициированию протекающей реакции позволяет осуществить ее начало при меньшей степени сжатия сырья в полости 6, снижая тем самым необходимое для запуска давление толкающего газа. Благодаря наличию рубашки 25 охлаждения данное устройство допускает значительно более напряженные по температуре режимы работы, чем устройство на фиг. 1 и более широкий выбор материалов, вплоть до алюминиевых сплавов. The device shown in FIG. 2, is intended primarily for conducting exothermic chemical reactions, the thermal effect of which is sufficient to maintain the free piston 8 in a given oscillation mode without the aid of a push gas. The operation of this device is similar to the operation of the device depicted in FIG. 1. The difference lies in the fact that after starting and putting the device into operation, accompanied by a chemical reaction with the necessary level of exothermicity in cavity 6 (Fig. 2), the need to use pushing gas disappears, and its flow stops. The non-return valve 29 closes, excluding energy losses due to repeated throttling of the pushing gas by the diaphragm 28, caused by the pulsation of its pressure in the cavity 7 during the operation of the device, which are unavoidable when operating in a similar mode in the absence of valve 29. In addition, cooling of the free piston 8 This device is carried out continuously, mainly using liquid evaporating refrigerant supplied to the cavity 21 by the nozzle 31, cooling by pumping a gas-vapor mixture through the cavity 21 and is of secondary importance. Liquid refrigerant enters the nozzle 31 through the nozzle 34 and then, twisting on the screw 32, is discharged in the form of a hollow cone through the hole 33 onto the walls of the cavity 21, cooling them and evaporating at the same time. The process of reciprocating movement of the piston 8 allows for uniform distribution of fluid on the inner surface of the cavity 21. Vapors generated during refrigerant vapor are removed from the cavity 21 through the opening 22 into the cavity 7, and from there through the openings 11, the annular manifold 14 and the nozzle 18 are fed to the condensation and subsequent recycling. The ignition device 30, due to the initiation of the proceeding reaction, allows it to start at a lesser degree of compression of the feedstock in the cavity 6, thereby reducing the pressure of the pushing gas necessary for starting. Due to the presence of the cooling jacket 25, this device allows for significantly more temperature-intensive operating modes than the device in FIG. 1 and a wider selection of materials, up to aluminum alloys.

Устройство, изображенное на фиг. 2, может быть использовано в качестве реактора для проведения процесса фиксации атмосферного азота (синтеза окиси азота). Запуск устройства при этом может осуществляться с помощью сжатого воздуха либо водяного пара. Сырье, представляющее собой азотокислородную смесь с примесью небольшого количества водорода или метана для создания необходимого уровня изотермичности и компенсации отрицательного теплового эффекта окисления азота, подается в этом случае через штуцеры 16 и отверстия 9 в полость 6. Продукты реакции в виде газовой смеси, содержащей моноокись азота, выводятся через отверстия 10 и штуцеры 17 и поступают на дальнейшую переработку. Плазменное устройство 30 зажигания позволяет снизить давление толкающего газа, а также обеспечить зажигание весьма бедной, плохо воспламеняющейся сырьевой смеси. Охлаждение свободного поршня 8 может производиться водой, подаваемой под давлением к штуцеру 34 форсунки 31. The device shown in FIG. 2, can be used as a reactor for carrying out the process of fixing atmospheric nitrogen (synthesis of nitric oxide). Starting the device can be carried out using compressed air or water vapor. The raw material, which is a nitrogen-oxygen mixture with an admixture of a small amount of hydrogen or methane to create the required level of isothermality and compensate for the negative thermal effect of nitrogen oxidation, is supplied in this case through fittings 16 and openings 9 into the cavity 6. The reaction products in the form of a gas mixture containing nitrogen monoxide are discharged through holes 10 and fittings 17 and are sent for further processing. Plasma ignition device 30 allows to reduce the pressure of the pushing gas, as well as provide ignition of a very poor, poorly flammable raw material mixture. The free piston 8 can be cooled with water supplied under pressure to the nozzle 34 of the nozzle 31.

Работа устройства, изображенного на фиг. 3, аналогична работе устройства на фиг. 1. Отличие состоит в том, что все сырье в устройстве на фиг. 3 подается через штуцер 40 (фиг.3) в узел 39 газораспределения, а затем в полость 6. Благодаря выполнению узла 39 газораспределения в виде дросселя, представляющего собой струйный диод, его гидравлическое сопротивление в прямом направлении, т.е. от штуцера 40 к полости 6, значительно меньше, чем в обратном, что позволяет существенно снизить как потери энергии на многократное дросселирование газа, так и попадание горячих продуктов реакции в сырьевую магистраль в процессе функционирования устройства. Тем самым резко смягчаются требования к комплексу эксплуатационных характеристик материалов узла 39 за счет исключения возможности его перегрева, а также коррозионных воздействий со стороны химически реагирующего газа. Повышенное гидравлическое сопротивление узла 39 газораспределения в обратном направлении (от полости 6 к штуцеру 40) вызвано необходимостью прохода газом не только двух дросселирующих зазоров 38 и 37, но и кольцевой выточки 41, в которой происходит резкий разворот потока и последующее его сильное сжатие перед входом в зазор 37. Кроме этого, охлаждение свободного поршня 8 в процессе функционирования устройства может осуществляться не только периодически, но и непрерывно, в течение каждого цикла сжатия-расширения истекающей из узла 19 газораспределения струей холодного толкающего газа, что позволяет значительно более эффективно использовать его хладоресурс. Выполнение узла 19 газораспределения в виде расширяющегося сопла дает возможность интенсифицировать охлаждение поршня 8 благодаря формированию направленной высокоскоростной струи холодного газа, омывающей полость 21. Кольцевой выступ 42 на внутренней поверхности расширяющейся части сопла узла 19 газораспределения резко повышает его гидравлическое сопротивление в случае течения толкающего (охлаждающего) газа из полости 7 в направлении штуцера 24 за счет сильного сжатия потока острыми кромками, и тем самым превращает узел газораспределения 19 в струйный диод. Это позволяет существенно снизить либо вообще исключить потери энергии на многократное дросселирование газа, особенно при использовании устройства для проведения экзотермических реакций, а кроме этого, дополнительно интенсифицировать охлаждение поршня 8 путем недопущения перемешивания холодного газа с горячим. The operation of the device shown in FIG. 3 is similar to the operation of the device in FIG. 1. The difference is that all the raw materials in the device of FIG. 3 is supplied through the nozzle 40 (Fig. 3) to the gas distribution unit 39, and then to the cavity 6. Due to the gas distribution unit 39 being configured as a throttle, which is a jet diode, its hydraulic resistance in the forward direction, i.e. from the nozzle 40 to the cavity 6, significantly less than in the opposite, which can significantly reduce both the energy loss due to multiple throttling of the gas and the ingress of hot reaction products into the feed line during the operation of the device. Thereby, the requirements for the complex of operational characteristics of the materials of the assembly 39 are sharply mitigated by eliminating the possibility of its overheating, as well as the corrosive effects of the chemically reacting gas. The increased hydraulic resistance of the gas distribution unit 39 in the opposite direction (from the cavity 6 to the nozzle 40) is caused by the need for the gas to pass not only two throttling gaps 38 and 37, but also the annular recess 41, in which there is a sharp turn of the flow and its subsequent strong compression before entering the gap 37. In addition, the cooling of the free piston 8 during the operation of the device can be carried out not only periodically, but also continuously, during each compression-expansion cycle of the gas distribution flowing from the unit 19 a stream of cold pushing gas, which allows much more efficient use of its cold resource. The implementation of the gas distribution unit 19 in the form of an expanding nozzle makes it possible to intensify the cooling of the piston 8 due to the formation of a directed high-speed jet of cold gas washing the cavity 21. The annular protrusion 42 on the inner surface of the expanding part of the nozzle of the gas distribution unit 19 sharply increases its hydraulic resistance in the case of a pushing (cooling) flow gas from the cavity 7 in the direction of the fitting 24 due to the strong compression of the flow by sharp edges, and thereby turns the gas distribution unit I 19 Inkjet diode. This allows you to significantly reduce or completely eliminate the energy loss due to multiple throttling of the gas, especially when using a device for conducting exothermic reactions, and in addition, to further intensify the cooling of the piston 8 by preventing mixing of cold gas with hot.

Устройство, изображенное на фиг. 3, может быть использовано в качестве реактора в процессе получения синтез-газа путем высокотемпературной парокислородной конверсии метана. Реакция парокислородной конверсии обладает достаточным тепловым эффектом для обеспечения поддержания поршня 8 в заданном режиме колебаний. Запуск устройства и последующее охлаждение поршня 8 могут осуществляться с помощью водяного пара или самого синтез-газа, сжатого до необходимого давления путем подачи через узел 19 газораспределения в полость 7. Сырье в виде смеси метана, кислорода и водяного пара подается при этом под давлением через узел 19 газораспределения в полость 6, продукты реакции выводятся через отверстия 10 для вывода продуктов и штуцеры 17 и далее поступают на переработку. The device shown in FIG. 3 can be used as a reactor in the process of producing synthesis gas by high-temperature steam-oxygen conversion of methane. The reaction of steam-oxygen conversion has a sufficient thermal effect to ensure the maintenance of the piston 8 in a given vibration mode. The start-up of the device and the subsequent cooling of the piston 8 can be carried out using water vapor or the synthesis gas itself, compressed to the required pressure by supplying gas distribution through the assembly 19 to the cavity 7. Raw materials in the form of a mixture of methane, oxygen and water vapor are supplied under pressure through the assembly 19 of the gas distribution in the cavity 6, the reaction products are discharged through the holes 10 for outputting the products and fittings 17 and then go to the processing.

Таким образом, данное изобретение за счет организации охлаждения свободного поршня и заданного выполнения узлов газораспределения обеспечивает возможность поддержания оптимального теплового состояния всех элементов устройства в процессе функционирования с одновременным снижением требований к конструкционным материалам для их изготовления, что позволяет максимально расширить ассортимент указанных материалов и область применения устройства, повысить его надежность, ресурс, энергетическую эффективность. Thus, this invention, by organizing cooling of a free piston and a predetermined design of gas distribution units, makes it possible to maintain the optimal thermal state of all elements of the device during operation while reducing requirements for structural materials for their manufacture, which allows to expand the range of these materials and the scope of the device , increase its reliability, resource, energy efficiency.

Claims (7)

1. Устройство для импульсного сжатия газов, содержащее корпус, имеющий цилиндрическую камеру, разделенную на две полости размещенным внутри нее с возможностью возвратно-поступательного перемещения свободным поршнем, одна из которых предназначена для проведения химических и физико-химических процессов, продувочные отверстия, выполненные в боковой стенке корпуса, по меньшей мере один узел газораспределения, размещенный в стенке корпуса, отличающееся тем, что свободный поршень выполнен полым с открытой полостью, сообщенной с другой полостью цилиндрической камеры, предназначенной для запуска устройства и охлаждения свободного поршня, при этом узел газораспределения выполнен в виде дросселя и размещен со стороны полости цилиндрической камеры, предназначенной для запуска устройства и охлаждения свободного поршня. 1. Device for pulsed compression of gases, comprising a housing having a cylindrical chamber divided into two cavities placed inside it with the possibility of reciprocating movement by a free piston, one of which is designed for chemical and physico-chemical processes, purge holes made in the side the wall of the housing, at least one gas distribution unit located in the wall of the housing, characterized in that the free piston is made hollow with an open cavity in communication with another Tew cylindrical chamber designed to run cooling device and the free piston, wherein the valve assembly is configured as a choke, and disposed on the part of the cavity of the cylindrical chamber designed to run cooling device and the free piston. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оно снабжено по меньшей мере одной форсункой, размещенной в стенке корпуса со стороны полости цилиндрической камеры, предназначенной для запуска устройства и охлаждения свободного поршня. 2. The device according to claim 1, characterized in that it is equipped with at least one nozzle located in the wall of the housing from the side of the cavity of the cylindrical chamber, designed to start the device and cool the free piston. 3. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что узел газораспределения выполнен в виде дросселя, снабженного обратным клапаном. 3. The device according to claim 1 or 2, characterized in that the gas distribution unit is made in the form of a throttle equipped with a check valve. 4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оно снабжено по меньшей мере одним узлом газораспределения, размещенным со стороны полости, предназначенной для проведения химических и физико-химических процессов и выполненным в виде дросселя. 4. The device according to claim 1, characterized in that it is equipped with at least one gas distribution unit located on the side of the cavity, designed for chemical and physico-chemical processes and made in the form of a throttle. 5. Устройство по п.1, или п.2, или п.4, отличающееся тем, что дроссель выполнен в виде струйного диода. 5. The device according to claim 1, or claim 2, or claim 4, characterized in that the inductor is made in the form of a jet diode. 6. Устройство по п.1 или п.4, отличающееся тем, что дроссель выполнен в виде сопла. 6. The device according to claim 1 or claim 4, characterized in that the throttle is made in the form of a nozzle. 7. Устройство по п.1 или п.4, отличающееся тем, что дроссель выполнен в виде диафрагмы. 7. The device according to claim 1 or claim 4, characterized in that the throttle is made in the form of a diaphragm.
RU97119523A 1997-12-02 1997-12-02 Pulsed gas compression device RU2115467C1 (en)

Priority Applications (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU97119523A RU2115467C1 (en) 1997-12-02 1997-12-02 Pulsed gas compression device
PCT/RU1997/000407 WO1999028025A1 (en) 1997-12-02 1997-12-16 Pulsed device for gas compression
AU73520/98A AU7352098A (en) 1997-12-02 1997-12-16 Pulsed device for gas compression

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU97119523A RU2115467C1 (en) 1997-12-02 1997-12-02 Pulsed gas compression device

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2115467C1 true RU2115467C1 (en) 1998-07-20
RU97119523A RU97119523A (en) 1999-01-20

Family

ID=20199334

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU97119523A RU2115467C1 (en) 1997-12-02 1997-12-02 Pulsed gas compression device

Country Status (3)

Country Link
AU (1) AU7352098A (en)
RU (1) RU2115467C1 (en)
WO (1) WO1999028025A1 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2000059623A1 (en) * 1999-04-05 2000-10-12 Paraschuk, Dina Anatolievna Device for the pulsed compression of gases
CN111212687A (en) * 2017-10-24 2020-05-29 陶氏环球技术有限责任公司 Pulse compression reactor and method of operating the same

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102008033321B4 (en) * 2008-07-16 2011-08-25 AIST Handels- und Consulting GmbH, 17192 Method and device for the continuous production of nanoparticles
WO2024184841A1 (en) * 2023-03-07 2024-09-12 Hydrogen Enterprises (Pty) Ltd Steam reformer for down-hole application

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3574546A (en) * 1965-04-26 1971-04-13 American Cyanamid Co Manufacture of finely divided refractory oxides using controlled amounts of oxygen in plasma jet reactor
FR1467178A (en) * 1965-12-14 1967-01-27 Soc Es Energie Sa Improvements made to storage fuel injection systems, in particular for free-piston autogenerators
GB1218072A (en) * 1968-01-17 1971-01-06 Braun Campbell Engineering Ltd Improvements in or relating to free piston gasifiers
US4112683A (en) * 1977-06-20 1978-09-12 Leon Bess Controlled pulse turbine engine
SU1012965A1 (en) * 1981-04-22 1983-04-23 Предприятие П/Я М-5539 Method of investigating chemical reaction kinetics
FR2525686B1 (en) * 1982-04-23 1986-09-05 Peugeot FREE PISTON INTERNAL COMBUSTION GENERATOR
DE4210313C2 (en) * 1992-03-30 1995-09-07 Beuster Hans Uwe Gas turbine plant
RU2097121C1 (en) * 1997-01-29 1997-11-27 Паращук Дина Анатольевна Apparatus for pulse compression of gases

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
DE, 1216021 1966. DE, 1196015 1965. *
DE, 1299601 1969. US, 4112683 1978. DE, 1235668 1967. DE, 2355734 1974. GB, 1139845 1969. GB, 1218072 1971. *

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2000059623A1 (en) * 1999-04-05 2000-10-12 Paraschuk, Dina Anatolievna Device for the pulsed compression of gases
CN111212687A (en) * 2017-10-24 2020-05-29 陶氏环球技术有限责任公司 Pulse compression reactor and method of operating the same
US11446619B2 (en) 2017-10-24 2022-09-20 Dow Global Technologies Llc Pulsed compression reactors and methods for their operation
CN111212687B (en) * 2017-10-24 2022-11-01 陶氏环球技术有限责任公司 Pulse compression reactor and method of operating the same
US11925923B2 (en) 2017-10-24 2024-03-12 Dow Global Technologies Llc Pulsed compression reactors and methods for their operation

Also Published As

Publication number Publication date
AU7352098A (en) 1999-06-16
WO1999028025A1 (en) 1999-06-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Miller et al. A next-generation AUV energy system based on aluminum-seawater combustion
EP1869145B1 (en) Process and device for gasifying and quenching with a CMC liner adapted to form a protective slag layer
US7337612B2 (en) Method for the utilization of energy from cyclic thermochemical processes to produce mechanical energy and plant for this purpose
JP4643105B2 (en) Treatment of fluorocarbon feedstock
US3323304A (en) Apparatus for producing high temperature gaseous stream
US4145403A (en) Arc heater method for producing metal oxides
RU2358190C1 (en) Hydrogen high-temperature steam generator with combined evaporation cooling of mixing chamber
Chiaverini et al. Vortex thrust chamber testing and analysis for O2-H2 propulsion applications
US20090152172A1 (en) In-situ continuous coke deposit removal by catalytic steam gasification
RU2115467C1 (en) Pulsed gas compression device
CN102562310A (en) Method for reducing temperature of high-temperature metal piece of gas turbine by ammonia decomposition catalysis reaction
US6834622B2 (en) Method for generating steam, in particular ultrapure steam, and steam generator
US4594101A (en) Fine composite powder material and method and apparatus for making the same
EA036290B1 (en) High temperature quench system and process
RU2097121C1 (en) Apparatus for pulse compression of gases
EA033734B1 (en) Methane conversion apparatus and process using a supersonic flow reactor
WO2012004791A1 (en) Method and apparatus for generating hydrogen
US635919A (en) Apparatus for generating mechanical power.
RU2447363C1 (en) Method for disposition of associated gas and energy machine for its implementation
CN100381356C (en) Method for producing fullerene
US20200032703A1 (en) Supercritical water generator and reactor
US11608985B2 (en) Combustor and gas turbine including the same
RU2142844C1 (en) Device for pulsed compression of gases
Fagoaga et al. The high frequency pulse detonation (HFPD) spray process
EA031402B1 (en) Methane conversion apparatus and process using a supersonic flow reactor