RU2142844C1

RU2142844C1 - Device for pulsed compression of gases

Info

Publication number: RU2142844C1
Application number: RU99106124A
Authority: RU
Inventors: М.Ю. Глушенков
Original assignee: Глушенков Максим Юрьевич; Паращук Дина Анатольевна
Priority date: 1999-04-05
Filing date: 1999-04-05
Publication date: 1999-12-20
Also published as: WO2000059623A1; AU1086700A

Abstract

FIELD: chemical methods of interaction of gaseous atmospheres. SUBSTANCE: the device comprises a body having a cylinder-shaped chamber separated into two cavities by a free piston located inside it for reciprocating motion, blow-off holes made in the body peripheral wall, start-up assembly located in the body wall. The start-up assembly is made as a quick-acting pulse gas valve. EFFECT: reduced pressure and volume of pushing gas required for start-up of the device, enhanced reliability and safety of device operation. 2 dwg

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 cylinder 2 with caps 3, 4 fixed on its ends. A cylindrical chamber 5 is formed inside the cylinder 2. A free piston 6 is placed inside the chamber 5 with the possibility of reciprocating movement. The piston 6 divides the chamber 5 into two cavities 7, 8, designed for chemical and / or physico-chemical processes. In the wall of the cylinder 2, two purge openings 9 for inputting raw materials and two purge openings 10 for outputting reaction products are made pairwise symmetrically with respect to its longitudinal axis. In addition, the housing 1 comprises an annular part 11 enclosing the cylinder 2 from the outside with two fittings 12 for inputting raw materials and two fittings 13 for outputting reaction products. The fittings 12, 13 are also arranged pairwise-symmetrically relative to the longitudinal axis of the cylinder 2. In the cover 4 there is a launch unit made in the form of a high-speed pulse gas valve 14 with an induction-dynamic drive.

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 cavity 8 even before the piston 6 starts to move, maintaining a high pressure of the pushing gas and the cavity 8 during the movement of the piston 6 and an almost instantaneous shut-off of the pushing gas supply immediately after reaching the piston 6 set speed. Thus, the most optimal use of the energy of the compressed pushing gas is realized, which makes it possible to sharply reduce its pressure and flow rate during the start-up process.

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, elements 33 of the labyrinth-slit suspension are made, which provide sealing and, at the same time, non-contact reciprocating movement of the piston 6 in the cylinder 2. In general, the organization of the labyrinth-slot suspension of the piston 6 can be carried out using special profiling of its side surface and / or the inner surface of the cylinder 2, that is, the implementation of tapering, throttling stages, grooves and so on ("Cryogenic piston expanders", under the editorship of MA Arkharov; Moscow, Mechanical Engineering e, 1974, p. 146-162). In addition, non-contact operation can be carried out due to the gas-static suspension of the piston 6 by blowing compressed gas into the gap between the piston 6 and the cylinder 2 through openings made in the side wall of the cylinder 2 (Greenblatt V.L., “Piston compressors with a gas-static suspension of the SGSPP piston ", Omsk, OmPi 1984 g).

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 cylinder 2. In this case, the piston 6 is made of ceramic. In the General case, the elements of the housing 1, for example, cylinder 2, covers 3, 4, can also be made of ceramic materials, in particular, with metal coatings, metal materials with thermal barrier coatings and so on. In addition, in order to initiate chemical reactions that occur, the device can be equipped with well-known ignition units (not shown in the figure) installed in the housing 1 - calorific glow plugs (V.K.Ulanov, Glow plugs for automobile engines, heaters and heaters, Moscow, NIIavtoprom, 1976, p. 30), spark or plasma spark plugs (Oil and gas technology 1995 N 1, p. 34-36) and so on.

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 cover 3. In addition, only one of the two cavities 7, 8, namely the cavity 7, is used for chemical and / or physico-chemical processes. In this case, the cavity 8 is auxiliary, playing the role of a gas spring. The cover 3 has a throttle 34 (Nagorny BC, etc. "Devices of automation of hydraulic and pneumatic systems", Moscow, "Higher School". 1991, S. 50-68), formed by installation in the cavity 35, made in the cover 3, bushings 36 with predetermined gaps 37, 38. In general, the throttle 34 may be a calibrated hole, nozzle, and so on (not shown in the figure). It is also possible to use as an orifice 34 an adjustable orifice valve with a variable flow area (not shown in the figure). In this case, due to the presence of an annular recess 39 made in the wall of the cover 3, the throttle 34 acquires the properties of a jet diode (aerodynamic valve), that is, devices with sharply different hydraulic resistances to gas flow in the forward and reverse directions (I. Lebedev and etc., "Elements of inkjet automation", Moscow; "Engineering" 1973, S. 247-288). In the General case, the throttle 34 in the form of a jet diode is performed using a special profiling of its flow part in order to provide the most significant difference in its hydraulic resistance to the flow of liquid or gas in the forward and reverse directions due to the organization of swirling, deformation of the flow, collision of the jets, and so on. Further. In this case, the inductor 34 is designed to introduce raw materials into the cavity 7. In general, there can be several chokes 34, in particular, made in the form of jet diodes, and they can be used both for introducing raw materials or its components, and for outputting reaction products . The cover 3 also has an opening 40 and a fitting 41 for supplying raw materials to the throttle 34. In the side wall of the cylinder 2 there are four purge openings 10 for discharging reaction products from the cavity 7 and two purge openings 42 for exhausting the pushing gas from the cavity 8. The purge openings 10 extend into the annular manifold 43, the purge openings 42 into the annular manifold 44. The annular collectors 43, 44 are formed between the annular part 45 covering the cylinder 2 and the outer surface of the cylinder 2. The ring I detail 45 has a nozzle 46 for withdrawing reaction products from the collector 43 and a nozzle 47 for withdrawing spent push gas from the collector 44. The start-up unit is made in the form of a high-speed pulse gas valve 48 with an electropneumatic actuator and is placed in the wall of the cylinder 2 from the side of the cavity 8. High-speed The pulse gas valve 48 has a housing 49 with two cavities 50, 51 for compressed push gas. A poppet valve 52 is placed in the housing 49, including a single-head head 53 and a stepped shaft 54. The head 53 is pressed against the seat 55 pressed into the body 49 under the pressure of the spring 56, which is held in compression by the plate 57, mounted on the end of the stepped shaft 54 s using a nut 58. The stepped hole 59, made in the wall of the housing 49, plays the role of a guide for the stepped rod 54. An annular cavity 60 is formed between the lateral surfaces of the stepped rod 54 and the stepped hole 59 displaced with a cavity 51 by a channel 61. An electromagnetic valve 62 is fixed in the housing 49, a locking element 63 of which closes the channel 61, cutting off the cavity 51 from the annular cavity 60. The housing 49 has an opening 64 and a nozzle 65 for supplying compressed push gas to the cavity 50, a hole 66 and a fitting 67 for supplying compressed push gas to the cavity 51, as well as a hole 68 and a fitting 69 for exhausting the spent push gas from the annular cavity 60. Labyrinths are made on the side surface of the step rod 54 grooves 70, which reduce the leakage of compressed push gas through the gaps between the stepped hole 59 and the stepped shaft 54. The labyrinth grooves 70 also play the role of drainage that prevents the compressed push gas from entering the cavity 50 into the annular cavity 60. In general, drainage can also be performed on the surface of the saddle 55 and / or head 53 in the form of an annular groove with an opening for the removal of push gas leaks outside the device (not shown in the figure). In addition, in the General case, for effective sealing of the gap between the stepped rod 54 and the stepped hole 59 can be used well-known contact seals (not shown) in the form of rings, cuffs of polymeric materials and so on. Polymer materials can also be used to seal a pair of head 53 - saddle 55 ("Seals and sealing equipment", Handbook / L.A. Kondakov and others. Moscow, "Engineering". 1986). To reduce weight, the piston 6 can generally be hollow. In this case, the cavity in the piston 6 can communicate with the auxiliary cavity 8 and be used to organize gas or liquid evaporative cooling of the piston 6. For this purpose, chokes (not shown) can be installed in the housing 1 from the side of the auxiliary cavity 8, in particular, made in in the form of jet diodes, or well-known liquid nozzles (Pazhi DT et al. "Fundamentals of spraying liquids. Moscow," Chemistry ", 1984). The elements of the housing 1 and the high-speed pulse gas valve 48 in the general case can also be equipped with various public cooling systems - liquid, gas, thermosiphon and so on (not shown in the figure).

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 pulse gas valve 48 in the general case can have other well-known types of actuators - electrodynamic, electromagnetic, hydraulic, and so on. In this case, the locking element of the high-speed pulse gas valve 48 in the general case can be performed not only in the form of a poppet valve 52, but also in the form of a well-known spool valve (reciprocating or rotary action).

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 cavity 8. This starts the supply of compressed pushing gas from the cavity 16 to the cavity 8 . After the collision of the plate 25 with the damper 27, the further rise of the poppet valve 19 is stopped, and then, under the action of the elastic forces of the damper 27 and the spring 24, the poppet valve 19 is thrown back to its original position and the push gas is supplied to the cavity 8 p is stopping. Thus, during the period from the moment of opening the poppet valve 19 and up to the moment of its closing, compressed pushing gas enters the cavity 8 in the form of a gas pulse of almost rectangular shape. This shape of the pulse is ensured by the quick opening of the poppet valve 19, its freezing in the open state in the process of squeezing the damper 27 plate 25 and the subsequent rapid closure. Under the pressure of the incoming gas, the piston 6 with strong acceleration moves upward, cutting off the cavity 7 from the purge holes 9, 10 and compressing the raw materials contained in it. Moving on and continuing to compress the raw materials in the cavity 7, the piston 6 communicates the cavity 8 with the purge holes 9, 10 (by this time, the high-speed pulse gas valve 14 is already closed). When this occurs, a quick exhaust of compressed pushing gas from the cavity 8 through the purge holes 10, designed to output the reaction products. The exhaust is accompanied by a sharp drop in pressure in the cavity 8, after which the cavity 8 is filled with raw materials entering through the purge holes 9. Due to the efficient use of the energy of the compressed pushing gas, the kinetic energy of the piston 6 is sufficient to compress the raw materials in the cavity 7 to temperatures and pressures that induce and practically instant flow of the target exothermic reaction. Under the pressure of the reaction products, the piston 6 is instantly thrown down, compressing a portion of the raw material in the cavity 8 and at the same time communicating the cavity 7 with the purge holes 9, 10. The cycle is completed by purging the cavity 7, that is, by displacing the reaction products through the purge holes 10 with raw material entering through the purge holes 9 Further, under the pressure of the reaction products in the cavity 8, the piston 6 starts to move up again and the cycle described above is repeated. The further operation of the device is a continuous sequence of such cycles with alternately blowing both cavities 7, 8. At the same time, the piston 6 is maintained in a predetermined mode of oscillation due to the heat of the exothermic reactions proceeding. The device shown in FIG. 1, can be used as a reactor for the synthesis of nitric oxide by direct oxidation of nitrogen with oxygen. Moreover, the device described above can be started with compressed air to the required pressure, and a mixture of nitrogen, oxygen and hydrogen of a given composition can be used as raw material. The reaction products in this case will be a mixture of the obtained nitric oxide, residues of unreacted oxygen and nitrogen, as well as water vapor.

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 throttle 34, to which it, in turn, is fed through the nozzle 41 and the hole 40. The reaction products are discharged through the purge holes 10 into the annular collector 43, from where they are removed through the nozzle 46 for further processing. Due to the design of the inductor 34 in the form of a jet diode, its hydraulic resistance in the forward direction (i.e., when the gas flows from the nozzle 41 to the cavity 7) is significantly less than in the opposite direction, which can significantly reduce energy losses due to multiple throttling of the gas and, at the same time, eliminate ingress of reaction products from cavity 7 into the feed line during the operation of the device. The device is started immediately after filling the cavities 50, 5] with compressed pushing gas. Following this, the solenoid valve 62 is activated, the shut-off element 63 of which opens the channel 61, ensuring the flow of compressed pushing gas from the cavity 51 into the annular cavity 60. Under the pressure of the compressed pushing gas, the poppet valve 52 starts to rise rapidly, providing, in turn, the flow of the compressed pushing gas from the cavity 50 to the cavity 8. With a further rise of the poppet valve 52, the stepped rod 54 communicates the annular cavity 60 with the opening 68. In this case, the compressed pushing gas is exhausted from the annular Lost 60, channel 61 and cavity 51 through the opening 68. As a result, pressure spring 56 the poppet valve 52 is rapidly discarded in the starting position and delivery of compressed gas to a cavity of the pushing is stopped. Thus, during the period from the moment of opening the poppet valve 52 and up to the moment of its closure, the compressed gas enters the cavity 8 in the form of a gas pulse close to a rectangular shape. This pulse shape is ensured by the quick opening of the poppet valve 52, its freezing in the open position during the exhaust of the pushing gas from the annular cavity 60, the channel 61 and the cavity 51 through the opening 68 and subsequent rapid closure. Exhaust pushing gas from the cavity 8 is ejected through the purge holes 42 into the annular collector 44 and then through the nozzle 47 is removed from the device. The device shown in FIG. 2, can be used as a reactor for producing synthesis gas by steam-air conversion of natural gas. The raw material in this case can be a methane-steam-air mixture of a given composition, and the launch described above can be carried out with water vapor or compressed air to the required pressure.

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

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, characterized in that the launch unit is made in the form of a high-speed pulse gas valve.