RU2142844C1 - Device for pulsed compression of gases - Google Patents
Device for pulsed compression of gases Download PDFInfo
- Publication number
- RU2142844C1 RU2142844C1 RU99106124A RU99106124A RU2142844C1 RU 2142844 C1 RU2142844 C1 RU 2142844C1 RU 99106124 A RU99106124 A RU 99106124A RU 99106124 A RU99106124 A RU 99106124A RU 2142844 C1 RU2142844 C1 RU 2142844C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- gas
- cavity
- piston
- compressed
- housing
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- 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
- B01J12/00—Chemical processes in general for reacting gaseous media with gaseous media; Apparatus specially adapted therefor
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Furnace Details (AREA)
- Feeding, Discharge, Calcimining, Fusing, And Gas-Generation Devices (AREA)
Abstract
Description
Данное изобретение относится к устройствам, специально предназначенным для проведения общих химических способов взаимодействия газообразных сред, а более точно касается устройства для импульсного сжатия газов. This 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.
Настоящее изобретение может быть использовано в химической технологии и металлургии в качестве реактора для проведения быстрых химических и физико-химических процессов в газовых средах и газовзвесях ультрадисперсных частиц в условиях высоких температур и/или давлений, достигаемых за счет очень быстрого, близкого к адиабатическому (импульсного) сжатия соответствующего сырья свободным поршнем. Кроме этого, возможно использование изобретения в различных областях техники в качестве устройства для получения сжатых горячих газов, а также в качестве мощного, компактного источника вибраций. The present invention can be used in chemical technology and metallurgy as a reactor for carrying out fast chemical and physico-chemical processes in gaseous media and gas-suspended ultrafine particles under conditions of high temperatures and / or pressures achieved due to very fast, close to adiabatic (pulsed) compressing the corresponding raw material with a free piston. In addition, it is possible to use the invention in various fields of technology as a device for producing compressed hot gases, and also as a powerful, compact source of vibration.
Известно устройство для импульсного сжатия газов (RU, A, 2097121), содержащее корпус, имеющий цилиндрическую камеру с продувочными отверстиями в боковой стенке. Внутри камеры размещен свободный поршень с возможностью возвратно-поступательного перемещения вдоль ее оси. Поршень делит камеру на две аналогичные по своим функциям полости - верхнюю и нижнюю, объемы которых зависят от его текущего положения в камере, так что любое перемещение поршня сопровождается сжатием газа в одной полости и, одновременно, расширением в другой. Нижняя полость снабжена узлом запуска, размещенным в стенке корпуса и выполненным в виде щелевого дросселя. Устройство предназначено для проведения экзотермических химических и физико-химических реакций. Реакции протекают в условиях высоких температур и давлений, достигаемых за счет импульсного сжатия соответствующего сырья свободным поршнем попеременно в обеих полостях в процессе быстрого возвратно-поступательного перемещения поршня в камере. Обеспечение непрерывной работы устройства реализуется с помощью попеременной продувки обеих полостей, то есть периодического вытеснения продуктов реакций через одну группу продувочных отверстий сырьем, поступающим через другую группу. Запуск устройства осуществляется при крайнем нижнем положении поршня путем подачи специально подобранного для данного конкретного процесса и сжатого до необходимого давления толкающего газа через узел запуска в нижнюю полость. Под давлением поступающего толкающего газа поршень начинает двигаться вверх, отсекая верхнюю полость от продувочных отверстий и сжимая газ в ней. Двигаясь дальше и продолжая сжимать газ в верхней полости, поршень сообщает нижнюю полость с продувочными отверстиями. При этом происходит быстрый выхлоп сжатого толкающего газа из нижней полости и, как следствие, резкое падение давления в ней, обусловленное несоизмеримо более высоким гидравлическим сопротивлением узла запуска по сравнению с гидравлическим сопротивлением продувочных отверстий. В результате, под давлением сжатого в верхней полости газа поршень мгновенно отбрасывается вниз навстречу непрерывно поступающему толкающему газу, сжимает его, постепенно останавливаясь, а затем вновь начинает двигаться вверх, и описанный выше цикл повторяется. При этом частота и амплитуда колебаний поршня, а следовательно, и запас его кинетической энергии от цикла к циклу увеличиваются. Через некоторое время устройство выходит на стационарный, заданный режим, при котором кинетическая энергия поршня достаточна для получения при сжатии сырья сочетаний температур и давлений, обеспечивающих устойчивое протекание целевых реакций. После этого начинается подача сырья и вывод продуктов реакций. Дальнейшее поддержание поршня в заданном режиме колебаний осуществляется за счет использования тепловых эффектов протекающих экзотермических реакций. При этом подача сжатого толкающего газа через узел запуска прекращается. Таким образом, в процессе запуска происходит постепенное преобразование внутренней энергии сжатого толкающего газа в кинетическую энергию поршня. Однако, выполнение узла запуска в виде щелевого дросселя приводит к исключительно нерациональному использованию внутренней энергии толкающего газа. Во-первых, значительная часть этой энергии теряется в процессе дросселирования толкающего газа в узле запуска. Во-вторых, прирост кинетической энергии поршня происходит только в период его движения от крайнего нижнего положения до момента сообщения нижней полости с продувочными отверстиями. Подача же толкающего газа в нижнюю полость на протяжении всей оставшейся части цикла приводит лишь к бесполезному рассеянию его энергии. В результате, обеспечение запуска превращается в серьезную техническую проблему, так как требует создания очень больших запасов толкающего газа высокого либо даже сверхвысокого давления, то есть, наличия значительного ассортимента соответствующего нестандартного вспомогательного оборудования - многоступенчатых компрессоров, трубопроводов, запорной и регулирующей арматуры, ресиверов большой емкости, систем тонкой очистки от пыли, влаги и масла и так далее. Все это, в свою очередь, приводит к снижению надежности и безопасности эксплуатации и устройства. A device for pulse compression of gases (RU, A, 2097121), comprising a housing having a cylindrical chamber with purge holes in the side wall. 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 of similar function — the upper and lower cavities, the volumes of which depend on its current position in the chamber, so that any movement of the piston is accompanied by compression of the gas in one cavity and, at the same time, expansion in the other. The lower cavity is equipped with a launch unit located in the wall of the housing and made in the form of a slit choke. The device is intended for conducting exothermic chemical and physico-chemical reactions. Reactions proceed under conditions of high temperatures and pressures achieved by pulsating compression of the corresponding feedstock with a free piston alternately in both cavities during rapid reciprocating movement of the piston in the chamber. Ensuring the continuous operation of the device is implemented by alternately blowing both cavities, that is, periodically displacing the reaction products through one group of purge holes with raw materials entering through another group. Starting the device is carried out at the extreme lower position of the piston by supplying specially selected for this particular process and compressed to the required pressure of the pushing gas through the launch unit in the lower cavity. Under the pressure of the incoming pushing gas, the piston begins to move upward, cutting off the upper cavity from the purge holes and compressing the gas in it. Moving on and continuing to compress the gas in the upper cavity, the piston communicates the lower cavity with purge holes. In this case, there is a quick exhaust of compressed pushing gas from the lower cavity and, as a result, a sharp drop in pressure in it, caused by the disproportionately higher hydraulic resistance of the launch unit compared to the hydraulic resistance of the purge holes. As a result, under the pressure of the gas compressed in the upper cavity, the piston is instantly thrown down towards the continuously incoming pushing gas, compresses it, gradually stopping, and then starts to move up again, and the above cycle repeats. In this case, the frequency and amplitude of the oscillations of the piston, and hence the supply of its kinetic energy, increase from cycle to cycle. After some time, the device enters a stationary, predetermined mode, in which the kinetic energy of the piston is sufficient to obtain combinations of temperatures and pressures during compression of the raw materials that ensure the steady-state course of the target reactions. After this, the supply of raw materials and the withdrawal of reaction products begins. Further maintenance of the piston in a given oscillation mode is carried out through the use of thermal effects of ongoing exothermic reactions. In this case, the supply of compressed pushing gas through the start unit is stopped. Thus, during the start-up process, the internal energy of the compressed push gas is gradually converted into the kinetic energy of the piston. However, the implementation of the launch site in the form of a slit choke leads to an extremely inefficient use of the internal energy of the push gas. Firstly, a significant part of this energy is lost in the process of throttling the push gas in the launch site. Secondly, the increase in the kinetic energy of the piston occurs only during its movement from the extreme lower position until the lower cavity communicates with the purge holes. The supply of pushing gas to the lower cavity throughout the remainder of the cycle only leads to useless dissipation of its energy. As a result, launching becomes a serious technical problem, as it requires the creation of very large reserves of pushing gas of high or even ultrahigh pressure, that is, a significant assortment of appropriate non-standard auxiliary equipment - multistage compressors, pipelines, shutoff and control valves, high-capacity receivers , systems of fine cleaning from dust, moisture and oil and so on. All this, in turn, leads to a decrease in the reliability and safety of operation and device.
В основу изобретения положена задача создания устройства для импульсного сжатия газов с таким конструктивным его выполнением, которое позволило бы снизить необходимые для обеспечения запуска давление и объем толкающего газа и, тем самым, исключить необходимость использования нестандартного вспомогательного оборудования высокого давления и, одновременно, повысить надежность и безопасность эксплуатации устройства. The basis of the invention is the creation of a device for pulsed compression of gases with such a constructive implementation thereof, which would reduce the pressure and volume of the pushing gas necessary to ensure start-up and, thereby, eliminate the need to use non-standard auxiliary equipment of high pressure and, at the same time, increase reliability and safety operation of the device.
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, продувочные отверстия, выполненные в боковой стенке корпуса, узел запуска, размещенный в стенке корпуса, согласно изобретению узел запуска выполнен в виде быстродействующего импульсного газового клапана. The problem is solved in that in a device for pulse 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, purge holes made in the side wall of the housing, a launch unit located in the wall of the housing, according to the invention, the launch unit is made in the form of a high-speed pulse gas valve.
Данное устройство для импульсного сжатия газов может быть использовано в химической технологии и металлургии в качестве реактора для проведения быстрых химических и физико-химических процессов в условиях высоких температур и давлений, достигаемых за счет быстрого, близкого к адиабатическому (импульсного) сжатия соответствующего сырья свободным поршнем, в частности, в процессах получения водорода, синтез-газа, окиси азота, ультрадисперсных керамических порошков и так далее. Кроме этого, возможно также использование устройства в различных областях техники в качестве генератора газов, автономного компактного источника вибрации большой мощности и так далее. Реализуемый устройством цикл является исключительно энергетически выгодным, так как сжатие и нагрев сырья, а также последующее расширение, охлаждение и утилизация энергии продуктов осуществляются наиболее термодинамически рациональным способом - почти изоэнтропически, то есть без серьезнейших потерь энергии и эксергии, характерных для соответствующих традиционных типовых, операций химической технологии - сжатия компрессорами, нагрева и охлаждения с помощью теплообмена и так далее. Малая продолжительность каждого отдельного цикла позволяет обеспечивать получение в реакционном объеме сочетаний температур и давлений, выходящих далеко за пределы, обусловленные жаропрочностью, жаростойкостью и коррозионной стойкостью любых конструкционных материалов, и потому недостижимых в стационарных процессах современной промышленной химии. Еще одним следствием малой продолжительности цикла являются экстремально высокие скорости роста и спада температур и давлений реакционной смеси, позволяющие оказывать влияние на механизмы и направление протекающих в реакционном объеме процессов, управлять селективностью химических реакций и так далее. Вместе с тем, реализованная в данном изобретении конструкция узла запуска дает возможность наиболее оптимально использовать запас энергии сжатого толкающего газа в процессе запуска и тем самым резко снизить необходимые для обеспечения запуска давление и расход толкающего газа. В результате, эксплуатация устройства не требует операций, связанных с использованием больших объемов сжатого газа высокого давления. Это позволяет значительно повысить надежность и безопасность его эксплуатации и, одновременно, исключить необходимость в применении нестандартного вспомогательного оборудования высокого давления. This device for pulsed compression of gases can be used in chemical technology and metallurgy as a reactor for carrying out fast chemical and physicochemical processes at high temperatures and pressures achieved by fast, close to adiabatic (pulsed) compression of the corresponding raw material with a free piston, in particular, in the processes of producing hydrogen, synthesis gas, nitric oxide, ultrafine ceramic powders and so on. In addition, it is also possible to use the device in various fields of technology as a gas generator, an autonomous compact source of high-power vibration, and so on. The cycle realized by the device is extremely energy-efficient, since the compression and heating of the raw materials, as well as the subsequent expansion, cooling and utilization of the energy of the products are carried out in the most thermodynamically rational way - almost isentropically, that is, without the most serious energy and exergy losses characteristic of the corresponding traditional standard operations chemical technology - compression by compressors, heating and cooling through heat transfer and so on. The short duration of each individual cycle makes it possible to obtain in the reaction volume combinations of temperatures and pressures that go far beyond the limits due to the heat resistance, heat resistance, and corrosion resistance of any structural materials, and therefore unattainable in stationary processes of modern industrial chemistry. Another consequence of the short cycle time is the extremely high growth and decrease rates of the temperatures and pressures of the reaction mixture, which allow influencing the mechanisms and direction of the processes occurring in the reaction volume, controlling the selectivity of chemical reactions, and so on. At the same time, the design of the launch unit realized in the present invention makes it possible to optimally use the energy reserve of the compressed push gas during the start-up process and thereby drastically reduce the pressure and flow rate of the push gas necessary to ensure the launch. As a result, the operation of the device does not require operations associated with the use of large volumes of compressed high-pressure gas. This can significantly improve the reliability and safety of its operation and, at the same time, eliminate the need for non-standard auxiliary equipment of high pressure.
В дальнейшем изобретение поясняется конкретными примерами выполнения и чертежами, на которых:
фиг. 1 изображает общий вид устройства для импульсного сжатия газов, продольный разрез, с узлом запуска, выполненным в виде быстродействующего импульсного газового клапана с электрическим (индукционно-динамическим) приводом, согласно изобретению;
фиг. 2 изображает общий вид устройства для импульсного сжатия газов, продольный разрез, с узлом запуска, выполненным в виде быстродействующего импульсного газового клапана с пневматическим (электропневматическим) приводом, согласно изобретению.The invention is further illustrated by specific examples and drawings, in which:
FIG. 1 shows a general view of a device for pulse compression of gases, a longitudinal section, with a start-up unit made in the form of a high-speed pulse gas valve with an electric (induction-dynamic) actuator, according to the invention;
FIG. 2 shows a general view of a device for pulse compression of gases, a longitudinal section, with a start-up unit made in the form of a high-speed pulse gas valve with a pneumatic (electro-pneumatic) actuator, 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, 4. При этом внутри цилиндра 2 образуется цилиндрическая камера 5. Внутри камеры 5 размещен свободный поршень 6 с возможностью возвратно-поступательного перемещения. Поршень 6 делит камеру 5 на две полости 7, 8, предназначенные для проведения химических и/или физико-химических процессов. В стенке цилиндра 2 попарно-симметрично относительно его продольной оси выполнены два продувочных отверстия 9, предназначенных для ввода сырья, и два продувочных отверстия 10, предназначенных для вывода продуктов реакции. Кроме этого, корпус 1 содержит охватывающую цилиндр 2 снаружи кольцевую деталь 11 с двумя штуцерами 12 для ввода сырья и двумя штуцерами 13 для вывода продуктов реакций. Штуцеры 12, 13 также расположены попарно-симметрично относительно продольной оси цилиндра 2. В крышке 4 размещен узел запуска, выполненный в виде быстродействующего импульсного газового клапана 14 с индукционно-динамическим приводом. A device for pulse compression of gases contains a housing. 1 (Fig. 1), mounted vertically and made in the form of a
Быстродействующий импульсный газовый клапан 14 - это устройство, позволяющее осуществить подачу порции сжатого толкающего газа в виде газового импульса заданной формы с крутым передним и задним фронтами и участком постоянной подачи газа заданной длительности (В.Г. Бакута и др. "Синтез элементов быстродействующих импульсных газовых клапанов", Известия высших учебных заведений, Электромеханика 1991, N 7, с. 68-74). Таким образом, быстродействующий импульсный газовый клапан 14 обеспечивает создание достаточно высокого давления толкающего газа в полости 8 еще до начала движения поршня 6, поддержание высокого давления толкающего газа и полости 8 в процессе движения поршня 6 и практически мгновенную отсечку подачи толкающего газа непосредственно после достижения поршнем 6 заданной скорости. Тем самым осуществляется наиболее оптимальное использование энергии сжатого толкающего газа, что позволяет резко снизить его давление и расход в процессе запуска. High-speed pulse gas valve 14 is a device that allows you to feed a portion of compressed pushing gas in the form of a gas pulse of a given shape with steep leading and trailing edges and a section of a constant gas supply of a given duration (VG Bakuta et al. "Synthesis of high-speed pulse gas elements valves ", News of higher educational institutions, Electromechanics 1991, N 7, p. 68-74). Thus, the high-speed pulse gas valve 14 provides a sufficiently high pressure of the pushing gas in the
Быстродействующий импульсный газовый клапан 14 содержит корпус 15, имеющий полость 16 для сжатого толкающего газа. Корпус 15 имеет также отверстие 17 и штуцер 18, предназначенные для подачи сжатого толкающего газа в полость 16. В корпусе 15 размещен тарельчатый клапан 19, включающий выполненные за одно целое головку 20 и стержень 21. Отверстие 22, выполненное и стенке корпуса 15, играет роль направляющей для стержня 21. Головка 20 прижимается к запрессованному в корпус 15 седлу 23 под давлением пружины 24, удерживаемой в сжатом состоянии посредством тарелки 25, закрепленной на конце стержня 21 с помощью гайки 26. В корпусе 15 установлен демпфер 27, выполненный в виде кольца из полимерного материала. В торце корпуса 15 закреплен стакан 28, имеющий отверстие 29, предназначенное для отвода утечек сжатого толкающего газа через зазор между стержнем 21 и отверстием 22. В стакане 28 установлена спиральная электрическая катушка-индуктор 30, изолированная от стенок стакана 28 полимерным компаундом 31. На боковой поверхности стержня 21 выполнены лабиринтные канавки 32, предназначенные для снижения утечек сжатого толкающего газа из полости 16 через зазор между стержнем 21 и отверстием 22. The high-speed pulse gas valve 14 comprises a housing 15 having a cavity 16 for compressed push gas. The housing 15 also has an opening 17 and a fitting 18 for supplying compressed push gas to the cavity 16. A poppet valve 19 is placed in the housing 15, including a single head 20 and a stem 21. The hole 22, made also to the wall of the housing 15, plays a role a guide for the rod 21. The head 20 is pressed against the seat 23 pressed into the housing 15 under the pressure of the spring 24, which is held in compression by the plate 25, mounted on the end of the rod 21 with the nut 26. A damper 27 is installed in the housing 15, made in the form of a ring and polymeric material. At the end of the housing 15 there is fixed a cup 28 having an opening 29 designed to drain leaks of compressed pushing gas through the gap between the rod 21 and the hole 22. A spiral electric coil-inductor 30 is installed in the glass 28, isolated from the walls of the glass 28 by a polymer compound 31. On the side the surface of the rod 21 made labyrinth grooves 32, designed to reduce leakage of compressed pushing gas from the cavity 16 through the gap between the rod 21 and the hole 22.
На боковой поверхности поршня 6 выполнены элементы 33 лабиринтно-щелевого подвеса, обеспечивающие уплотнение и, одновременно, бесконтактное возвратно-поступательное перемещение поршня 6 в цилиндре 2. В общем случае, организация лабиринтно-щелевого подвеса поршня 6 может осуществляться с помощью специального профилирования его боковой поверхности и/или внутренней поверхности цилиндра 2, то есть выполнения конусности, дросселирующих ступеней, канавок и так далее ("Криогенные поршневые детандеры", под ред. Архарова М.А.; Москва, Машиностроение, 1974 г., с. 146-162). Кроме этого, бесконтактный режим работы может осуществляться за счет газостатического подвеса поршня 6 путем вдува сжатого газа в зазор между поршнем 6 и цилиндром 2 через отверстия, выполненные в боковой стенке цилиндра 2 (Гринблат В.Л., "Поршневые компрессоры с газостатическим подвесом поршня СГСПП", Омск, ОмПи 1984 г). On the side surface of the piston 6,
Для повышения несущей способности лабиринтно-щелевого (газостатического) подвеса поршня 6 на внутренней поверхности цилиндра 2 могут выполняться специальные дренажные канавки с отверстиями для сброса газа за пределы устройства (на фигуре не показаны). В данном случае поршень 6 выполнен из керамики. В общем случае, элементы корпуса 1, например цилиндр 2, крышки 3, 4, также могут выполняться из керамических материалов, в частности, с металлическими покрытиями, металлических материалов с термобарьерными покрытиями и так далее. Кроме этого, с целью инициирования протекающих химических реакций устройство может снабжаться установленными в корпусе 1 общеизвестными узлами зажигания (на фигуре не показаны) - калоризаторными свечами накаливания (В. К. Уланов, Свечи накаливания для автомобильных двигателей, подогревателей и отопителей, Москва, НИИавтопром, 1976, с. 30), искровыми или плазменными свечами зажигания (Нефтегазовые технологии 1995 N 1, с. 34-36) и так далее. To increase the bearing capacity of the labyrinth-slit (gas-static) suspension of the piston 6, special drainage grooves with holes for discharging gas outside the device (not shown) can be made on the inner surface of the
Конструкция устройства для импульсного сжатия газов, изображенного на фиг. 2, аналогична конструкции устройства для импульсного сжатия газов, изображенного на фиг. 1. Отличие заключается в том, что корпус 1 (фиг. 2) имеет лишь одну крышку 3. Кроме этого, лишь одна из двух полостей 7, 8, а именно полость 7, используется для проведения химических и/или физико-химических процессов. При этом полость 8 является вспомогательной, играя роль газовой пружины. Крышка 3 имеет дроссель 34 (Нагорный B.C. и др. "Устройства автоматики гидро- и пневмосистем", Москва, "Высшая школа". 1991 г., с. 50-68), образованный посредством установки в полость 35, выполненную в крышке 3, втулки 36 с заданными зазорами 37, 38. В общем случае дроссель 34 может представлять собой калиброванное отверстие, сопло и так далее (на фигуре не показано). Возможно также использование в качестве дросселя 34 регулируемого дроссельного клапана с изменяемым проходным сечением (на фигуре не показано). В данном случае, за счет наличия кольцевой выточки 39, выполненной в стенке крышки 3, дроссель 34 приобретает свойства струйного диода (аэродинамического клапана), то есть устройства с резко различающимися гидравлическими сопротивлениями потоку газа в прямом и обратном направлении (Лебедев И.В. и. др., "Элементы струйной автоматики", Москва; "Машиностроение" 1973 г., с. 247-288). В общем случае, выполнение дросселя 34 в виде струйного диода производится с помощью специального профилирования его проточной части с целью обеспечения возможно более значительного различия его гидравлического сопротивления потоку жидкости или газа в прямом и обратном направлениях за счет организации закрутки, деформации потока, соударения струй и так далее. В данном случае дроссель 34 предназначен для ввода сырья в полость 7. В общем случае дросселей 34, в частности, выполненных в виде струйных диодов, может быть несколько, и они могут использоваться как для ввода сырья или его компонентов, так и для вывода продуктов реакции. Крышка 3 имеет также отверстие 40 и штуцер 41, предназначенные для подачи сырья к дросселю 34. В боковой стенке цилиндра 2 выполнены четыре продувочных отверстия 10, предназначенных для вывода продуктов реакций из полости 7 и два продувочных отверстия 42, предназначенных для выхлопа толкающего газа из полости 8. Продувочные отверстия 10 выходят в кольцевой коллектор 43, продувочные отверстия 42 - в кольцевой коллектор 44. Кольцевые коллекторы 43, 44 образованы между кольцевой деталью 45, охватывающей цилиндр 2, и наружной поверхностью цилиндра 2. Кольцевая деталь 45 имеет штуцер 46 для вывода продуктов реакций из коллектора 43 и штуцер 47 для вывода отработанного толкающего газа из коллектора 44. Узел запуска выполнен в виде быстродействующего импульсного газового клапана 48 с электропневматическим приводом и размещен в стенке цилиндра 2 со стороны полости 8. Быстродействующий импульсный газовый клапан 48 имеет корпус 49 с двумя полостями 50, 51 для сжатого толкающего газа. В корпусе 49 размещен тарельчатый клапан 52, включающий выполненные за одно целое головку 53 и ступенчатый стержень 54. Головка 53 прижимается к запрессованному в корпусе 49 седлу 55 под давлением пружины 56, удерживаемой в сжатом состоянии посредством тарелки 57, закрепленной на конце ступенчатого стержня 54 с помощью гайки 58. Ступенчатое отверстие 59, выполненное в стенке корпуса 49, играет роль направляющей для ступенчатого стержня 54. Между боковыми поверхностями ступенчатого стержня 54 и ступенчатого отверстия 59 образуется кольцевая полость 60, соединенная с полостью 51 каналом 61. В корпусе 49 закреплен электромагнитный клапан 62, запорный элемент 63 которого перекрывает канал 61, отсекая полость 51 от кольцевой полости 60. Корпус 49 имеет отверстие 64 и штуцер 65, предназначенные для подачи сжатого толкающего газа в полость 50, отверстие 66 и штуцер 67, предназначенные для подачи сжатого толкающего газа в полость 51, а также отверстие 68 и штуцер 69, предназначенные для выхлопа отработанного толкающего газа из кольцевой полости 60. На боковой поверхности ступенчатого стержня 54 выполнены лабиринтные канавки 70, обеспечивающие снижение утечек сжатого толкающего газа через зазоры между ступенчатым отверстием 59 и ступенчатым стержнем 54. Лабиринтные канавки 70 играют также роль дренажа, препятствующего проникновению сжатого толкающего газа из полости 50 в кольцевую полость 60. В общем случае, дренаж может выполняться и на поверхности седла 55 и/или головки 53 в виде кольцевой канавки с отверстием для отвода утечек толкающего газа за пределы устройства (на фигуре не показано). Кроме этого, в общем случае, для эффективного уплотнения зазора между ступенчатым стержнем 54 и ступенчатым отверстием 59 могут быть использованы общеизвестные контактные уплотнения (на фигуре не показаны) в виде колец, манжет из полимерных материалов и так далее. Полимерные материалы могут быть использованы также для уплотнения пары головка 53 - седло 55 ("Уплотнения и уплотнительная техника", Справочник/ Л.А. Кондаков и др. Москва, "Машиностроение". 1986). Для снижения веса поршень 6 в общем случае может выполняться полым. При этом полость в поршне 6 может сообщаться со вспомогательной полостью 8 и использоваться для организации газового либо жидкостного испарительного охлаждения поршня 6. Для этой цели в корпусе 1 со стороны вспомогательной полости 8 могут устанавливаться дроссели (на фигуре не показаны), в частности, выполненные в виде струйных диодов, либо общеизвестные жидкостные форсунки (Пажи Д.Т. и др. "Основы техники распыливания жидкостей". Москва, "Химия", 1984). Элементы корпуса 1 и быстродействующего импульсного газового клапана 48 в общем случае также могут снабжаться различными общественными системами охлаждения - жидкостными, газовыми, термосифонными и так далее (на фигуре не показаны). The design of the device for pulse compression of gases shown in FIG. 2 is similar to the design of the device for pulse compression of gases depicted in FIG. 1. The difference is that the housing 1 (Fig. 2) has only one
Кроме этого, помимо индукционно-динамического и пневматического привода, быстродействующий импульсный газовый клапан 48 в общем случае может иметь и другие общеизвестные типы приводов - электродинамический, электромагнитный, гидравлический и так далее. При этом запорный элемент быстродействующего импульсного газового клапана 48 в общем случае может выполняться не только в виде тарельчатого клапана 52, но и в виде общеизвестного золотиникового клапана (возвратно-поступательного либо поворотного действия). In addition, in addition to the induction-dynamic and pneumatic actuator, the high-speed
Устройства, изображенные на фиг. 1, 2, предназначены для проведения экзотермических, химических и физико-химических реакций в режиме быстрых, последовательно повторяющихся циклов сжатия-расширения. Работа устройства, изображенного на фиг. 1, начинается при крайнем нижнем положении поршня 6 (фиг. 1) с подачи сырья через штуцеры 12 и отверстия 9 в полость 7, а также заполнения полости 16 сжатым толкающим газом. После этого организуется запуск посредством разряда источника питания, представляющего собой батарею конденсаторов (на фигуре не показано) на катушку-индуктор 30. При этом генерируется мощное импульсное магнитное поле, индуцирующее на поверхности тарелки 25 ток противоположного направления. За счет взаимодействия токов в катушке-индукторе 30 и тарелке 25 между ними возникает сила отталкивания, под действием которой тарельчатый клапан 19 с высокой скоростью перемещается вверх, сообщая полость 16 с полостью 8. При этом начинается подача сжатого толкающего газа из полости 16 в полость 8. После столкновения тарелки 25 с демпфером 27 дальнейший подъем тарельчатого клапана 19 прекращается, а затем под действием сил упругости демпфера 27 и пружины 24 тарельчатый клапан 19 отбрасывается в исходное положение и подача толкающего газа в полость 8 прекращается. Таким образом, в течение промежутка времени с момента открытия тарельчатого клапана 19 и вплоть до момента его закрытия в полость 8 поступает сжатый толкающий газ в виде газового импульса почти прямоугольной формы. Подобная форма импульса обеспечивается за счет быстрого открытия тарельчатого клапана 19, зависания его в открытом состоянии в процессе смятия демпфера 27 тарелкой 25 и последующего быстрого закрытия. Под давлением поступающего газа поршень 6 с сильным ускорением движется вверх, отсекая полость 7 от продувочных отверстий 9, 10 и сжимая находящееся в ней сырье. Двигаясь дальше и продолжая сжимать сырье в полости 7, поршень 6 сообщает полость 8 с продувочными отверстиями 9, 10 (к этому моменту быстродействующий импульсный газовый клапан 14 уже закрыт). При этом происходит быстрый выхлоп сжатого толкающего газа из полости 8 через продувочные отверстия 10, предназначенные для вывода продуктов реакций. Выхлоп сопровождается резким падением давления в полости 8, после чего полость 8 заполняется сырьем, поступающим через продувочные отверстия 9. Благодаря эффективному использованию энергии сжатого толкающего газа, кинетическая энергия поршня 6 достаточна для сжатия сырья в полости 7 до температур и давлений, обеспечивающих индуцирование и практически мгновенное протекание целевой экзотермической реакции. Под давлением продуктов реакции поршень 6 мгновенно отбрасывается вниз, сжимая порцию сырья в полости 8 и одновременно сообщая полость 7 с продувочными отверстиями 9, 10. Цикл завершается продувкой полости 7, то есть вытеснением продуктов реакции через продувочные отверстия 10 сырьем, поступающим через продувочные отверстия 9. Далее, под давлением продуктов реакции в полости 8 поршень 6 вновь начинает двигаться вверх и описанный выше цикл повторяется. Дальнейшее функционирование устройства представляет собой непрерывную последовательность подобных циклов с попеременной продувкой обеих полостей 7, 8. При этом поддержание поршня 6 - в заданном режиме колебаний осуществляется за счет тепла протекающих экзотермических реакций. Устройство, изображенное на фиг. 1, может быть использовано в качестве реактора для синтеза окиси азота прямым окислением азота кислородом. При этом описанный выше запуск устройства может осуществляться сжатым до необходимого давления воздухом, а в качестве сырья может использоваться смесь азота, кислорода и водорода заданного состава. Продукты реакций в этом случае будут представлять собой смесь полученной окиси азота, остатков непрореагировавших кислорода и азота, а также паров воды. The devices shown in FIG. 1, 2, are intended for conducting exothermic, chemical, and physicochemical reactions in the regime of fast, sequentially repeated compression-expansion cycles. The operation of the device shown in FIG. 1, begins at the lowermost position of the piston 6 (Fig. 1) with the supply of raw materials through the fittings 12 and the holes 9 into the cavity 7, as well as filling the cavity 16 with compressed pushing gas. After that, a start is organized by discharging a power source, which is a capacitor bank (not shown in the figure) to the inductor coil 30. In this case, a powerful pulsed magnetic field is generated that induces an opposite direction current on the surface of the plate 25. Due to the interaction of currents in the inductor coil 30 and the plate 25, a repulsive force arises between them, under the action of which the poppet valve 19 moves with high speed upward, communicating the cavity 16 with the
Работа устройства, изображенного на фиг. 2, аналогична работе устройства, изображенного на фиг. 1. Отличие состоит в том, что сырье поступает в полость 7 через дроссель 34, к которому оно, в свою очередь, подается через штуцер 41 и отверстие 40. Продукты реакций выводятся через продувочные отверстия 10 в кольцевой коллектор 43, откуда удаляются через штуцер 46 на дальнейшую переработку. За счет выполнения дросселя 34 в виде струйного диода его гидравлическое сопротивление в прямом направлении (то есть при течении газа от штуцера 41 к полости 7) значительно меньше, чем в обратном, что позволяет существенно снизить потери энергии на многократное дросселирование газа и, одновременно, исключить попадание продуктов реакций из полости 7 в сырьевую магистраль в процессе функционирования устройства. Запуск устройства осуществляется непосредственно после заполнения полостей 50, 5] сжатым толкающим газом. Вслед за этим срабатывает электромагнитный клапан 62, запорный элемент 63 которого открывает канал 61, обеспечивая поступление сжатого толкающего газа из полости 51 в кольцевую полость 60. Под давлением сжатого толкающего газа тарельчатый клапан 52 начинает быстро подниматься, обеспечивая, в свою очередь, поступление сжатого толкающего газа из полости 50 в полость 8. При дальнейшем подъеме тарельчатого клапана 52 ступенчатый стержень 54 сообщает кольцевую полость 60 с отверстием 68. При этом происходит выхлоп сжатого толкающего газа из кольцевой полости 60, канала 61 и полости 51 через отверстие 68. В результате под давлением пружины 56 тарельчатый клапан 52 быстро отбрасывается в исходное положение и поступление сжатого толкающего газа в полость прекращается. Таким образом, в течение промежутка времени с момента открытия тарельчатого клапана 52 и вплоть до момента его закрытия обеспечивается поступление сжатого газа в полость 8 в виде газового импульса близкой к прямоугольной формы. Такая форма импульса обеспечивается за счет быстрого открытия тарельчатого клапана 52, зависания его в открытом положении в процессе выхлопа толкающего газа из кольцевой полости 60, канала 61 и полости 51 через отверстие 68 и последующего быстрого закрытия. Отработанный толкающий газ из полости 8 выбрасывается через продувочные отверстия 42 в кольцевой коллектор 44 и далее через штуцер 47 удаляется из устройства. Устройство, изображенное на фиг. 2, может быть использовано в качестве реактора для получения синтез-газа путем паровоздушной конверсии природного газа. Сырьем при этом может служить метано-паро-воздушная смесь заданного состава, а описанный выше запуск может осуществляться водяным паром либо сжатым до необходимого давления воздухом. The operation of the device shown in FIG. 2 is similar to the operation of the device depicted in FIG. 1. The difference is that the raw material enters the cavity 7 through the
Таким образом, данное изобретение за счет определенного конструктивного выполнения узла запуска позволяет снизить необходимые для обеспечения запуска давление и объем толкающего газа и тем самым повысить надежность и безопасность эксплуатации устройства, а также исключить необходимость в использовании нестандартного вспомогательного оборудования высокого давления. Thus, this invention, due to a certain structural embodiment of the launch unit, allows to reduce the pressure and volume of the pushing gas necessary to ensure the launch, and thereby increase the reliability and safety of operation of the device, as well as eliminate the need for non-standard auxiliary equipment of high pressure.
Claims (1)
Priority Applications (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU99106124A RU2142844C1 (en) | 1999-04-05 | 1999-04-05 | Device for pulsed compression of gases |
AU10867/00A AU1086700A (en) | 1999-04-05 | 1999-04-28 | Device for the pulsed compression of gases |
PCT/RU1999/000140 WO2000059623A1 (en) | 1999-04-05 | 1999-04-28 | Device for the pulsed compression of gases |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU99106124A RU2142844C1 (en) | 1999-04-05 | 1999-04-05 | Device for pulsed compression of gases |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2142844C1 true RU2142844C1 (en) | 1999-12-20 |
Family
ID=20217681
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU99106124A RU2142844C1 (en) | 1999-04-05 | 1999-04-05 | Device for pulsed compression of gases |
Country Status (3)
Country | Link |
---|---|
AU (1) | AU1086700A (en) |
RU (1) | RU2142844C1 (en) |
WO (1) | WO2000059623A1 (en) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2536500C2 (en) * | 2013-01-29 | 2014-12-27 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт теоретической и прикладной механики им. С.А. Христиановича Сибирского отделения Российской академии наук (ИТПМ СО РАН) | Device of adiabatic-compression (versions) |
US11446619B2 (en) | 2017-10-24 | 2022-09-20 | Dow Global Technologies Llc | Pulsed compression reactors and methods for their operation |
Family Cites Families (3)
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 |
FI85748C (en) * | 1990-10-19 | 1992-05-25 | Sampower Oy | Method and apparatus for hydraulically starting a free-piston engine |
RU2115467C1 (en) * | 1997-12-02 | 1998-07-20 | Глушенков Максим Юрьевич | Pulsed gas compression device |
-
1999
- 1999-04-05 RU RU99106124A patent/RU2142844C1/en active
- 1999-04-28 WO PCT/RU1999/000140 patent/WO2000059623A1/en active Application Filing
- 1999-04-28 AU AU10867/00A patent/AU1086700A/en not_active Abandoned
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
Бакута В.Г. и др. Синтез элементов быстродействующих импульсных клапанов. Известия высших учебных заведений. Электромеханика. 1991, N 7, с.68-74. * |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2536500C2 (en) * | 2013-01-29 | 2014-12-27 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт теоретической и прикладной механики им. С.А. Христиановича Сибирского отделения Российской академии наук (ИТПМ СО РАН) | Device of adiabatic-compression (versions) |
US11446619B2 (en) | 2017-10-24 | 2022-09-20 | Dow Global Technologies Llc | Pulsed compression reactors and methods for their operation |
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 |
---|---|
AU1086700A (en) | 2000-10-23 |
WO2000059623A1 (en) | 2000-10-12 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US7191738B2 (en) | Liquid piston internal combustion power system | |
US9917497B2 (en) | Linear power generator | |
RU2142844C1 (en) | Device for pulsed compression of gases | |
JP3644964B2 (en) | Improvement of internal combustion engine | |
US4601170A (en) | Explosive evaporation motor | |
KR20050105186A (en) | Device for injection of a pulsed supersonic gas stream | |
US3077868A (en) | Internal combustion engines | |
Acharya et al. | Experimental investigation of water spray cooling for temperature reduction in liquid piston compressor | |
CN113685265B (en) | Microminiature straight line scavenge device | |
RU2115467C1 (en) | Pulsed gas compression device | |
EP0195913B1 (en) | Sleeve valve for a pulsed gas generator | |
WO2007080394A2 (en) | Cryogenic engines | |
CN101321928A (en) | Water explosion engine, method, and device | |
RU2097121C1 (en) | Apparatus for pulse compression of gases | |
JP2006090143A (en) | Engine | |
FI65312C (en) | PNEUMATIC VERKTYG | |
KR20140050719A (en) | A piston of a free piston engine generator | |
Reggiori et al. | Experiments with the CNPM gas gun for minimizing piston wear and propellant gas flow | |
US1019790A (en) | Expansion-engine for producing low temperatures. | |
WO1997034079A1 (en) | A free-piston gas generator | |
SU1670173A1 (en) | Thermocompressor | |
US3741227A (en) | Fluid pressure regenerator and process | |
SU1079882A1 (en) | Piston compressor gas distributing device | |
JP2004051439A (en) | Hydrogen generator | |
CN114001063A (en) | Material steam explosion control device and control method |