RU2213914C1 - Method for vortex energy separation of gas flow and apparatus for performing the same - Google Patents
Method for vortex energy separation of gas flow and apparatus for performing the same Download PDFInfo
- Publication number
- RU2213914C1 RU2213914C1 RU2002104112/06A RU2002104112A RU2213914C1 RU 2213914 C1 RU2213914 C1 RU 2213914C1 RU 2002104112/06 A RU2002104112/06 A RU 2002104112/06A RU 2002104112 A RU2002104112 A RU 2002104112A RU 2213914 C1 RU2213914 C1 RU 2213914C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- flow
- gas
- additional
- ejector
- vortex
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к газовой промышленности, в частности к вихревым преобразователям энергии перепада давлений на газораспределительных станциях магистральных трубопроводов. The invention relates to the gas industry, in particular to vortex transducers of energy of differential pressure at gas distribution stations of pipelines.
Известен способ вихревого энергоразделения потока с помощью акустического воздействия, излучаемого звуковыми генераторами, установленными в горячем потоке газа, выходящем из вихревых труб и превращающих потенциальную энергию рециркулирующего периферийного потока газа в энергию звуковых и ультразвуковых колебаний или в непрерывно действующие механические импульсы, распространяющиеся по газовым потокам и генерирующие дополнительные вихри по всему объему энергоразделителя, повышая тем самым эффективность процесса перемешивания газа и КПД вихревой трубы /1/. A known method of vortex energy separation of a stream using acoustic radiation emitted by sound generators installed in a hot gas stream exiting from the vortex tubes and converting the potential energy of the recirculating peripheral gas stream into the energy of sound and ultrasonic vibrations or into continuously acting mechanical pulses propagating through gas flows and generating additional vortices over the entire volume of the energy separator, thereby increasing the efficiency of the mixing process for and the efficiency of the vortex tube / 1 /.
Недостатком известного способа является требование настройки самой автоколебательной системы, что существенно ограничивает область его рационального применения, т.к. система является автоколебательной и ее настройка зависит от конструкции конкретной вихревой трубы. The disadvantage of this method is the requirement to configure the self-oscillating system itself, which significantly limits the scope of its rational use, because the system is self-oscillating and its tuning depends on the design of a particular vortex tube.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности является способ вихревого энергоразделения, заключающийся в установке коаксиально, одной в другую, двух камер энергоразделения, направлении сжатого газа в тангенциальный сопловой ввод наружной камеры, разделения его на приосевой и периферийный потоки, подачи периферийного потока газа в тангенциальный сопловой ввод внутренней камеры, разделении его на приосевой и периферийный потоки газа, подачи закрученного периферийного потока в качестве дополнительного в приосевую зону наружной трубы, а приосевой поток направляют потребителю. Closest to the proposed invention in technical essence is a method of vortex energy separation, which consists in installing coaxially, one in the other, two energy separation chambers, directing the compressed gas into the tangential nozzle inlet of the outer chamber, separating it into axial and peripheral flows, supplying a peripheral gas flow to the tangential nozzle input of the inner chamber, separating it into axial and peripheral gas flows, supplying a swirling peripheral stream as an additional in the prios the outer zone of the outer pipe, and the axial flow is directed to the consumer.
Для осуществления указанного способа служит устройство, содержащее коаксиально размещенные на общей оси две вихревые трубы с раздельными тангенциальными сопловыми вводами противоположного вращения, причем внутренняя из них частично введена открытым горячим концом в наружную со стороны ее горячего конца, а в кольце между ними в месте установки развихрителя, на холодном конце внутренней трубы установлена дроссельная заслонка /2/. To implement this method, there is a device containing two vortex tubes coaxially placed on a common axis with separate tangential nozzle entries of opposite rotation, the inner one being partially inserted by the open hot end into the outer one from the side of its hot end, and in the ring between them at the installation of the reamer , a throttle valve / 2 / is installed on the cold end of the inner pipe.
Недостатком данного способа и устройства, его реализующего, является относительно низкая термодинамическая эффективность происходящего в ней процесса энергоразделения, вызванная нештатными условиями эксплуатации одной из двух (внутренней) вихревой трубы, что снижает ее КПД и ограничивает возможности по регулированию процесса взаимодействия свободного и вынужденного вихрей. Кроме того, фиксированное задание направления тангенциального ввода сжатого газа ограничивает диапазон применения таких энергоразделителей. The disadvantage of this method and the device that implements it is the relatively low thermodynamic efficiency of the energy separation process occurring in it, caused by abnormal operating conditions of one of the two (internal) vortex tubes, which reduces its efficiency and limits the ability to regulate the interaction of free and forced vortices. In addition, the fixed direction of the tangential input of compressed gas limits the range of application of such energy separators.
Процесс энергоразделения в вихревых трубах согласно современным представлениям осуществляется некоторыми турбулентными частицами газа, сохраняющими в течение определенного промежутка времени свою индивидуальность, которые претерпевают турбулентное радиальное смещение. При этом, адиабатно сжимаясь и расширяясь (в зависимости от направления движения), они переносят энергию в форме тепла из приосевой зоны низкого давления в периферийную зону более высокого статического давления. Свойство закрученного потока - способность к самопроизвольному возбуждению интенсивных регулярных пульсаций скоростей и давлений. Экспериментальные исследования показали, что эти автоколебания тесно связаны с процессами переноса. На режимах с максимальной амплитудой пульсаций наблюдается наибольшая скорость энергообмена и значительное снижение пропускной способности вихревых труб. The energy separation process in vortex tubes, according to modern concepts, is carried out by some turbulent gas particles that retain their identity for a certain period of time, which undergo turbulent radial displacement. At the same time, adiabatically contracting and expanding (depending on the direction of motion), they transfer energy in the form of heat from the axial zone of low pressure to the peripheral zone of higher static pressure. The property of a swirling flow is the ability to spontaneously excite intense regular pulsations of velocities and pressures. Experimental studies have shown that these self-oscillations are closely related to transfer processes. In regimes with a maximum amplitude of pulsations, the highest energy exchange rate and a significant decrease in the throughput of vortex tubes are observed.
Также показано /5/, что процессы динамического взаимодействия вынужденных колебаний внешнего источника энергии с такой автоколебательной системой находятся в числе важнейших факторов, определяющих ускорение тепломассообмена в вихревых трубах. Поэтому разработка способов интенсифицирующих колебательные процессы в вихревых энергоразделительных камерах весьма актуальна. It was also shown / 5 / that the processes of dynamic interaction of forced oscillations of an external energy source with such a self-oscillating system are among the most important factors determining the acceleration of heat and mass transfer in vortex tubes. Therefore, the development of methods of intensifying oscillatory processes in vortex energy separation chambers is very relevant.
Техническая задача, решаемая заявляемым изобретением - повышение термодинамической эффективности вихревого энергоразделителя потока газа путем организации рациональной схемы взаимодействия вихрей в энергоразделительной камере и использования свойств крупномасштабных вихревых структур, имеющих место в вихревых трубах. The technical problem solved by the claimed invention is to increase the thermodynamic efficiency of the vortex energy separator of a gas stream by organizing a rational scheme for the interaction of vortices in the energy separation chamber and using the properties of large-scale vortex structures that take place in vortex tubes.
Для решения технической задачи в способе вихревого энергоразделителя потока, включающем тангенциальный сопловой ввод газа, разделение его на приосевой и периферийные потоки, введение дополнительного закрученного потока газа в околоосевую зону, согласно изобретению запитывают дополнительный поток газа от автономного внешнего источника энергии, выполняют его пульсирующим с частотой колебаний f=0,2-2 кГц, эжектируют им рециркулируемую часть периферийного потока, создают объемные колебания давления с частотой f= 4-20 кГц в потоке газа, подводимому к тангенциальному сопловому вводу и настраивают заданную частоту объемных колебаний с частотой колебаний дополнительного потока. Причем частоту вращения дополнительного закрученного потока w задают не совпадающей с частотой вращения w приосевого течения основного потока, а внешнюю энергию дополнительного потока последовательно срабатывают в одной или более ступенях эжектора, путем регулярного подмешивания газа от дополнительного источника внешней энергии с частью периферийного потока газа, рециркулируемой в вихревой разделительной камере. При этом направление вращения дополнительного потока задают не совпадающей с направлением вращения основного потока в энергоразделительной камере, а соотношение расходов направляемых в дополнительный и основной потоки равно Q/Q= 0,1-0,05, при соотношении расходов приосевого и периферийного потоков газа в вихревом энергоразделители, равном m=0,4-0,7. To solve the technical problem in a method of a vortex energy separator flow, including tangential nozzle gas injection, separating it into axial and peripheral flows, introducing an additional swirling gas stream into the near-axis zone, according to the invention, they feed an additional gas stream from an autonomous external energy source, make it pulsating with a frequency oscillations f = 0.2-2 kHz, they eject the recirculated part of the peripheral flow, create volumetric pressure fluctuations with a frequency f = 4-20 kHz in the gas flow, imomu tangential to the nozzle entry and set a predetermined oscillation frequency by volume with the oscillation frequency additional flow. Moreover, the rotation frequency of the additional swirling flow w is set not coinciding with the rotation speed w of the axial flow of the main stream, and the external energy of the additional flow is sequentially activated in one or more stages of the ejector by regularly mixing gas from an additional source of external energy with a part of the peripheral gas stream recycled to swirl separation chamber. In this case, the direction of rotation of the additional stream is set not coinciding with the direction of rotation of the main stream in the energy separation chamber, and the ratio of the costs directed to the additional and main flows is Q / Q = 0.1-0.05, with the ratio of the costs of the axial and peripheral gas flows in the vortex energy separators equal to m = 0.4-0.7.
Устройство, реализующее способ, содержащее разделительную камеру с многосопловым тангенциальным вводом газа, диафрагму вывода приосевого потока, диффузор вывода периферийного потока, трубку дополнительного ввода завихренного потока газа, развихритель отличающееся тем, что оно снабжено эжектором, блоком согласования, пульсатором расхода дополнительного потока газа, механизмом объемных колебаний потока перед многосопловым тангенциальным вводом газа, причем эжектор установлен на оси разделительной камеры со стороны диффузора, пульсатор расхода закреплен на входе трубы дополнительного ввода потока газа, которая является рабочим соплом эжектора, камера смешения которого выполнена в виде трубы, установленной коаксиально перед развихрителем, а блок согласования функционально связан с механизмом объемных колебаний потока перед многосопловым тангенциальным вводом и с пульсатором расхода дополнительного ввода завихренного потока газа. A device that implements a separation chamber with a multi-nozzle tangential gas inlet, an axial flow output diaphragm, a peripheral flow output diffuser, an additional swirl gas input inlet tube, a swirler characterized in that it is equipped with an ejector, a matching unit, an additional gas flow pulsator, a mechanism volumetric oscillations of the flow in front of the multi-nozzle tangential gas injection, the ejector being mounted on the axis of the separation chamber from the diffuser side, the pulse a flow torus is fixed at the inlet of the additional gas flow inlet pipe, which is the working nozzle of the ejector, the mixing chamber of which is made in the form of a pipe mounted coaxially in front of the expander, and the matching unit is functionally connected with the volumetric flow oscillation mechanism in front of the multi-nozzle tangential inlet and with the additional input swirling gas flow.
Кроме того, эжектор выполнен многоступенчатым, причем количество ступеней определяется геометрическими размерами камеры вихревого разделения и составляет от 2 до 4, снабжен сменными рабочими соплами и многоструйными насадками с количеством сопел от 6 до 15, причем оси сопел расположены параллельно продольной оси камеры энергоразделения, и многоствольной системой подвода активного газа, и многопозиционным переключателем введения в работу стволов подвода активного газа, а камера смешения установлена на расстоянии, равном пяти диаметрам рабочих сопел. Причем на входе в вихревой энергоразделитель установлен либо многопозиционный переключатель последовательности включения в работу сопел тангенциального ввода газа, либо механизм изменения площади проходного сечения многосоплового тангенциального ввода газа, включающий заслонку и приводной узел, а трубка дополнительного ввода газа выполнена в виде приемной камеры эжектора. Введен блок согласования, переключающий стволы подвода активного газа эжектора и сопла тангенциального ввода газа. In addition, the ejector is multi-stage, and the number of stages is determined by the geometric dimensions of the vortex separation chamber and ranges from 2 to 4, is equipped with interchangeable nozzles and multi-jet nozzles with a number of nozzles from 6 to 15, and the axis of the nozzles are parallel to the longitudinal axis of the energy separation chamber, and multi-barrel active gas supply system, and a multi-position switch for introducing active gas supply barrels into operation, and the mixing chamber is installed at a distance equal to five diameters Static preparation nozzles. Moreover, at the entrance to the vortex energy separator, either a multi-position switch for switching the tangential gas inlet nozzles into operation is installed, or a mechanism for changing the cross-sectional area of the multi-nozzle tangential gas inlet including the damper and actuator assembly, and the additional gas inlet tube is made in the form of a receiving chamber of the ejector. A matching unit has been introduced, switching the trunks for supplying the active gas of the ejector and the nozzle of the tangential gas input.
Ведение подпитки дополнительного потока от автономного источника внешней энергии, придание ему согласованного пульсирующего режима с частотой колебаний, равной f=0,2-2 кГц, эжектирование рециркулирующей части периферийного потока и организация во входном потоке газа согласованных объемных колебаний давления, с частотой f=4-20 кГц, обеспечивает повышение термодинамической эффективности вихревого энергоразделителя газа. Maintaining additional feed from an autonomous source of external energy, giving it a consistent pulsating mode with an oscillation frequency equal to f = 0.2-2 kHz, ejecting the recirculating part of the peripheral stream and arranging coordinated volumetric pressure fluctuations in the gas input stream with a frequency f = 4 -20 kHz, provides an increase in the thermodynamic efficiency of the vortex gas energy separator.
Введение автономного источника внешней энергии для дополнительного закрученного потока газа позволяет существенно расширить диапазон работы предлагаемого энергоразделителя. The introduction of an autonomous source of external energy for an additional swirling gas flow allows you to significantly expand the range of the proposed energy separator.
Исследования, проведенные авторами показали, что наибольший вклад в энергетическое разделение вносит турбулентная теплопередача, а процесс энергетического разделения вызывается главным образом адиабатическим сжатием и расширением турбулентных вихрей в поле течения с центробежными силами при наличии неадиабатического распределения температуры и радиального изменения осевой скорости. Причем наибольшей эффективностью, с точки зрения температурного разделения потоков, обладают вихревые энергоразделители с соотношением расходов, направляемых в дополнительный и основной потоки, равным Q/Q= 0,1-0,05, при соотношении расходов приосевого и периферийного потоков, равного m=0,4-0,7. The studies conducted by the authors showed that turbulent heat transfer makes the largest contribution to energy separation, and the energy separation process is mainly caused by adiabatic compression and expansion of turbulent eddies in the flow field with centrifugal forces in the presence of a non-adiabatic temperature distribution and radial change in axial velocity. Moreover, from the point of view of temperature separation of flows, the greatest efficiency is achieved by vortex energy separators with a ratio of flows directed to the additional and main flows equal to Q / Q = 0.1-0.05, with a ratio of flow rates of the axial and peripheral flows equal to m = 0 4-0.7.
Исследования течений в вихревых энергоразделителях /8/ показали, что вращающиеся потоки склонны к различного рода неустойчивости течения, а образующиеся при этом регулярные колебания давления оказывают решающее влияние на процессы переноса и, следовательно, на эффективность энергетического разделения газа. Анализ спектров пульсаций давлений показал, что для вихревых труб характерно наличие двух основных видов колебаний: низкочастотных периодических пульсаций давления с частотой f=1-2 кГц и высокочастоных периодических пульсаций давления с f=12-20 кГц, причем основной вклад в энергетический спектр пульсаций давлений вносят низкочастотные колебания. Низкочастотные пульсации давления в вихревых трубах являются следствием прецессионной гидродинамической неустойчивости трехмерного закрученного потока газа. Суть механизма такой гидродинамической неустойчивости течения состоит в том, что в процессе передачи момента количества движения от периферийного свободного вихря к проосевому противотоку последний отклоняется от оси трубы и начинает прецессировать вокруг нее, периодически деформируя границу периферийного вихря и вызывая тем самым регулярные пульсации скорости и давления в нем. Studies of flows in vortex energy separators / 8 / showed that rotating flows are prone to various kinds of flow instabilities, and the regular pressure fluctuations formed in this case have a decisive influence on the transfer processes and, therefore, on the efficiency of energy gas separation. Analysis of the spectra of pressure pulsations showed that vortex tubes are characterized by the presence of two main types of oscillations: low-frequency periodic pressure pulsations with a frequency f = 1-2 kHz and high-frequency periodic pressure pulsations with f = 12-20 kHz, the main contribution to the energy spectrum of pressure pulsations make low-frequency vibrations. Low-frequency pressure pulsations in vortex tubes are a consequence of the precession hydrodynamic instability of a three-dimensional swirling gas flow. The essence of the mechanism of such hydrodynamic flow instability is that during the moment of momentum transfer from the peripheral free vortex to the axial countercurrent, the latter deviates from the pipe axis and begins to precess around it, periodically deforming the boundary of the peripheral vortex and thereby causing regular pulsations of velocity and pressure in him.
Частота этих пульсаций равна частоте прецессии вынужденного вихря и определяется объемным расходом рабочего тела через вихревой энергоразделитель и степенью закрутки потока (отношением момента количества движения периферийного вихря к моменту количества движения подпитывающего потока). Резкое увеличение амплитуды низкочастотных колебаний при больших значениях m объясняется достижением оптимального для развития колебательного процесса соотношением масс свободного и вынужденного вихрей. Кинетическая энергия периферийного потока является источником энергии, поддерживающей прецессионные автоколебания /9/. The frequency of these pulsations is equal to the precession frequency of the forced vortex and is determined by the volumetric flow rate of the working fluid through the vortex energy separator and the degree of swirling the flow (the ratio of the angular momentum of the peripheral vortex to the angular momentum of the feed stream). A sharp increase in the amplitude of low-frequency oscillations at large values of m is explained by the achievement of the ratio of the masses of free and forced vortices that is optimal for the development of the oscillatory process. The kinetic energy of the peripheral flow is a source of energy that supports precession self-oscillations / 9 /.
Введение пульсирующего режима течения дополнительного потока с частотой f= 4-20 кГц позволяет за счет интенсификации низкочастотных колебаний околоосевого (вынужденного) вихря на 10-20% увеличить КПД вихревого знергоразделителя и на 40-50oС поднять температуру периферийного потока газа.The introduction of a pulsating flow regime of the additional flow with a frequency of f = 4-20 kHz allows, due to the intensification of low-frequency oscillations of the near-axis (forced) vortex, a 10-20% increase in the efficiency of the vortex energy separator and a rise in the temperature of the peripheral gas flow by 40-50 ° С.
Введение режима объемных колебаний давления во входном потоке газа позволяет за счет интенсификации высокочастотных колебаний периферийного (свободного) вихря на 8-10% увеличить КПД вихревого энергоразделителя и на 20-30oС поднять температуру периферийного потока газа. Введение режима смешанных колебаний позволит за счет приведения автоколебательной системы, в данном случае вихревой трубы в режим параметрического резонанса на 20-40% повысить КПД вихревого энергоразделителя и на 50-80oС поднять температуру периферийного потока газа. Рост КПД объясняется влиянием радиальных пульсаций частиц газа в радиальном направлении на процесс энергетического разделения, то есть на интенсивность энергообмена между приосевым и периферийными потоками.The introduction of the regime of volumetric pressure fluctuations in the gas inlet stream allows, due to the intensification of high-frequency oscillations of the peripheral (free) vortex, to increase the efficiency of the vortex energy separator by 8-10% and raise the temperature of the peripheral gas stream by 20-30 o С. The introduction of the mode of mixed oscillations will make it possible to increase the efficiency of the vortex energy separator by 20–40% by bringing the self-oscillating system, in this case the vortex tube into parametric resonance mode, and increase the temperature of the peripheral gas flow by 50–80 ° С. The increase in efficiency is explained by the influence of radial pulsations of gas particles in the radial direction on the process of energy separation, that is, on the intensity of energy exchange between axial and peripheral flows.
Введение эжектирования путем регулярного подмешивания газа от дополнительного источника энергии с частью периферийного потока, рециркулируемой в энегоразделительной камере, позволит интенсифицировать массотеплообмен в вихревом энергоразделителе. The introduction of ejection by regularly mixing gas from an additional energy source with a part of the peripheral stream recirculated in the energy separation chamber will allow intensifying mass heat transfer in the vortex energy separator.
Введение многоступенчатого эжектора с многоствольной системой подвода активного газа в виде дополнительного потока позволит упорядочить энергообмен между свободным и вынужденным вихрями в разделительной камере. The introduction of a multi-stage ejector with a multi-barrel system for supplying active gas in the form of an additional flow will make it possible to regulate the energy exchange between free and forced vortices in the separation chamber.
Введение пульсатора расхода в трубку дополнительного ввода газа позволяет существенно улучшить процесс турбулизации потоков в разделительной камере. The introduction of a flow pulsator into the additional gas inlet tube can significantly improve the process of turbulization of flows in the separation chamber.
Введение многопозиционного переключателей введения в работу стволов подвода активного газа от дополнительного подвода и сопел тангенциального ввода газа позволяет менять частотный режим работы разделительной камеры. The introduction of multi-position switches for introducing active gas supply shafts from the additional supply and tangential gas injection nozzles into operation allows changing the frequency mode of operation of the separation chamber.
Введение сменного завихрителя потока в камеру смешения эжектора позволит придать потоку вращательное движение с заданной частотой колебаний и, тем самым, реализовать схему с противоточным по направлению вращения подвода момента количества движения тангенциальных потоков и существенно расширить диапазон регулирования вихревого энергоразделителя. The introduction of a replaceable flow swirler into the mixing chamber of the ejector will allow the flow to be given rotational motion with a given oscillation frequency and, thus, implement a circuit with a countercurrent in the direction of rotation of the supply of angular momentum of tangential flows and significantly expand the control range of the vortex energy separator.
Введение сменных, многоструйных насадков рабочих сопел позволяет придать дополнительному потоку мелкодисперсность и, тем самым, улучшить перемешивание потоков в камерах разделительной и смешения. The introduction of interchangeable, multi-jet nozzles of the working nozzles makes it possible to impart fine dispersion to the additional flow and, thereby, improve mixing of the flows in the separation and mixing chambers.
Введение блока согласования последовательности переключения стволов подвода активного газа эжектора с очередностью введения в работу сопел тангенциального ввода газа или площади его проходного сечения позволяет реализовать оптимальные частотные режимы работы разделительной камеры. The introduction of a block matching the sequence of switching the shafts of the active gas supply of the ejector with the sequence of introducing into the work of the nozzles of the tangential gas input or the area of its passage section allows to realize the optimal frequency modes of operation of the separation chamber.
Сопоставительный анализ с прототипом /2/ показал, что заявляемый способ вихревого энергоразделения потока и устройства, его реализующего, существенно отличается от известного способа и устройства, его реализующего, интегрированым введением заданных режимов динамического взаимодействия вынужденных колебаний внешнего источника энергии с автоколебательной системой, какой является вихревая труба, путем подбора степени и направлением вращения дополнительного потока (вынужденного вихря) и степени эжектирования дополнительного потока, позволяющего интенсифицировать массотемпературного обмена рециркулирующих в энергоразделительной камере. Comparative analysis with the prototype / 2 / showed that the inventive method of vortex energy separation of a stream and a device that implements it, differs significantly from the known method and device that implements it, by integrated introduction of predetermined modes of dynamic interaction of forced vibrations of an external energy source with a self-oscillating system, which is a vortex pipe, by selecting the degree and direction of rotation of the additional flow (forced vortex) and the degree of ejection of the additional flow, p that enable you to intensify the exchange massotemperaturnogo energorazdelitelnoy recirculated in the chamber.
Таким образом, заявляемый способ и устройство, его реализующее соответствуют критерию "новизна". Thus, the claimed method and device that implements it meets the criterion of "novelty."
Известен способ вихревого энергоразделения потока, использующий влияние акустического поля на турбулентную струю /4/. Генерацию турбулентности принято объяснять наличием в исходном потоке периодических структур и взаимодействия звука со струей, имеющей характер резонансного взаимодействия со структурами соответствующей частоты. Так как в вихревых трубах присутствие таких структур ярко выражено, то подобные эффекты наблюдаются. Следует отметить /7/, что акустическое воздействие является вторичным явлением по отношению к гидродинамической картине течения. Хотя исследования и показывают на тот факт, что при установке в вихревую трубу акустического демпфера определенной частоты абсолютный эффект температурного разделения можно увеличить на 30%, но основное направление улучшения термодинамической эффективности вихревых труб в правильной организации самой гидродинамической картины течения. A known method of vortex energy separation of a stream using the influence of an acoustic field on a turbulent jet / 4 /. It is customary to explain the generation of turbulence by the presence in the initial stream of periodic structures and the interaction of sound with the jet, which has the nature of a resonant interaction with structures of the corresponding frequency. Since the presence of such structures is pronounced in vortex tubes, similar effects are observed. It should be noted / 7 / that the acoustic effect is a secondary phenomenon with respect to the hydrodynamic flow pattern. Although studies show the fact that when an acoustic damper of a certain frequency is installed in a vortex tube, the absolute effect of temperature separation can be increased by 30%, the main direction of improving the thermodynamic efficiency of vortex tubes is in the correct organization of the hydrodynamic picture of the flow.
Повышение термодинамической эффективности в известных вихревых трубах /10/ в основном осуществляется с помощью регенерации циклов и утилизации энергии нагретого потока. Однако все это решается в рамках одной конкретной автоколебательной системы (вихревой трубы) и не затрагивает самого главного - вихревого механизма перераспределения энергии внутри трубы. В предлагаемом способе реализован совершенно иной подход к повышению термодинамической эффективности, а именно организация оптимальной вихревой структуры внутри разделительной камеры. The increase in thermodynamic efficiency in the known vortex tubes / 10 / is mainly carried out by means of regeneration of cycles and utilization of the energy of the heated stream. However, all this is solved within the framework of one specific self-oscillating system (vortex tube) and does not affect the most important thing - the vortex mechanism of energy redistribution inside the tube. The proposed method implements a completely different approach to increasing thermodynamic efficiency, namely the organization of the optimal vortex structure inside the separation chamber.
Известен способ вихревого энергоразделения потока, использующий влияние внешнего воздействия на вихревую систему энергоразделительной камеры /4/. Формирование приосевого (вынужденного) вихря происходит по всей длине камеры энергоразделения путем перетока элементов периферийного (свободного) вихря в радиальном направлении. Однако закрутка основного потока создает положительный градиент момента количества движения, который приводит к подавлению пульсаций и к стабилизации течения в приосевой области. Введение же внешнего воздействия от дополнительного закрученного потока обеспечивает подпитку энергией вынужденный вихрь, что компенсирует влияние основного (периферийного) потока и ведет к интенсификации пульсаций и дестабилизации течений в приосевой зоне. A known method of vortex energy separation of the stream, using the influence of external influences on the vortex system of the energy separation chamber / 4 /. The formation of an axial (forced) vortex occurs along the entire length of the energy separation chamber by overflowing the elements of the peripheral (free) vortex in the radial direction. However, the swirl of the main flow creates a positive gradient of the angular momentum, which leads to the suppression of pulsations and to stabilize the flow in the axial region. The introduction of external influence from an additional swirling flow provides a forced vortex with energy, which compensates for the influence of the main (peripheral) flow and leads to intensification of pulsations and destabilization of flows in the axial zone.
Недостатком этого способа вихревого энергоразделения потока являются ограниченные возможности по энергии внешнего воздействия на вихревую систему, так как это воздействии носит узконаправленный характер, выражающийся в заранее заданном направлении вращения вынужденного вихря. The disadvantage of this method of vortex energy separation of the flow is the limited potential for external energy impact on the vortex system, since this effect is narrowly oriented, expressed in a predetermined direction of rotation of the forced vortex.
Другой разновидностью этого способа является введение в камеру разделения дополнительного потока сжатого газа от постороннего источника /11/, что увеличивает кинетическую энергию приосевого потока и ведет к перераспределению соотношения расходов горячего и холодного потоков газа, но при этом прирост энергии составляет незначительную часть первоначальной энергии основного потока, вытекающего из сопел газа, и поэтому слабо влияет на процессы энергообмена между вихрями в разделительной камере. Another variation of this method is the introduction into the separation chamber of an additional stream of compressed gas from an extraneous source / 11 /, which increases the kinetic energy of the axial stream and leads to a redistribution of the ratio of the flow rates of hot and cold gas flows, but the increase in energy is an insignificant part of the initial energy of the main stream flowing out of gas nozzles, and therefore weakly affects the energy exchange processes between vortices in the separation chamber.
Вообще вихревая труба является антиподом эжектора, так как все процессы в ней идут наоборот. В эжекторе два газовых потока смешиваются в один со средней энергией, тогда как в вихревой трубе один газовый поток разделяется на два потока с различной энергией (полная температура одного потока выше полной температуры первоначального, а другого - ниже) /12/. In general, a vortex tube is the antipode of the ejector, since all processes in it go the other way around. In an ejector, two gas flows are mixed into one with medium energy, while in a vortex tube one gas stream is divided into two flows with different energies (the total temperature of one stream is higher than the full temperature of the initial one and the other is lower) / 12 /.
В эжекторе энергия передается от высокоэнергетического тела к низкоэнергетическому силами вязкости за счет разности линейных скоростей, в вихревой трубе энергия передается от низкоэнергетического газа к высокоэнергетическому газу силами вязкости за счет разных угловых скоростей. В связи с этим вихревую трубу можно назвать антиэжектором, работающим на разности угловых скоростей. Исследования показали, что энергообмен между внутриосевыми и периферийными слоями газа в вихревой трубе может осуществляться при наличии у них разных угловых скоростей под действием сил вязкости. Энергия, передаваемая между слоями газа, равна L=M(w1-w2), где М - момент количества движения потока; w1 - угловая скорость приосевых слоев газа; w2 - угловая скорость периферийных слоев газа, то есть, если w1>w2, то передача энергии идет от оси к периферии (L>0), при этом осевые слои охлаждаются, периферийные подогреваются. При w1<w2 - энергия передается от периферии к оси и L<0 - реверс вихревого эффекта Ранка /9/.In an ejector, energy is transferred from a high-energy body to a low-energy viscosity due to the difference in linear velocities; in a vortex tube, energy is transferred from a low-energy gas to a high-energy gas by viscosity due to different angular velocities. In this regard, the vortex tube can be called an anti-ejector operating at a difference in angular velocities. Studies have shown that the energy exchange between the axial and peripheral layers of the gas in the vortex tube can be carried out if they have different angular velocities under the action of viscosity forces. The energy transferred between the gas layers is equal to L = M (w 1 -w 2 ), where M is the moment of momentum of the flow; w 1 is the angular velocity of the axial layers of the gas; w 2 is the angular velocity of the peripheral layers of the gas, that is, if w 1 > w 2 , then the energy is transferred from the axis to the periphery (L> 0), while the axial layers are cooled, the peripheral ones are heated. When w 1 <w 2 - the energy is transferred from the periphery to the axis and L <0 - the reverse of the Rank vortex effect / 9 /.
Все вихревые энергоразделители относятся к классу автоколебательных систем, так как подводимая сжатым газом энергия преобразуется в тепло и холод при турбулентном взаимодействии потоков внутрикамеры разделения. Турбулентность в вихревых трубах носит ярко выраженный анизотропный характер, проявляющийся, во-первых, в преобладании пульсаций скорости в радиальном направлении и, во-вторых, аномально высоким ее уровнем в области разделения вихрей и значительно более низким в центральной части вихревой трубы. All vortex energy separators belong to the class of self-oscillating systems, since the energy supplied by the compressed gas is converted into heat and cold during the turbulent interaction of the flows of the separation chamber. Turbulence in vortex tubes has a pronounced anisotropic character, manifested, firstly, in the predominance of velocity pulsations in the radial direction and, secondly, its abnormally high level in the region of vortex separation and significantly lower in the central part of the vortex tube.
Известно, что при воздействии на автоколебательную систему периодической возбуждающей силы возникают различные колебательные процессы /5/. В зависимости от разности частот автоколебаний и периодической силы в системе возбуждаются либо периодические (захватываемые), либо почти периодические колебания, что ведет либо к интенсификации температурного разделения, либо к улучшению процесса сепарации газа. Данный подход и лежит в основе предлагаемого способа энергоразделения потока газа. It is known that when exposed to a self-oscillating system of a periodic exciting force, various oscillatory processes occur / 5 /. Depending on the difference in the frequencies of self-oscillations and the periodic force, either periodic (trapped) or almost periodic oscillations are excited in the system, which leads either to an intensification of the temperature separation or to an improvement in the gas separation process. This approach is the basis of the proposed method of energy separation of the gas stream.
Таким образом, заявляемый способ вихревого энергоразделения потока и устройство, его реализующее, соответствуют критерию изобретения "изобретательский уровень". Thus, the claimed method of vortex energy separation of the stream and the device that implements it, meet the criteria of the invention "inventive step".
На фиг. 1-6 изображен вихревой энергоразделитель. Вихревой энергоразделитель (см. фиг.1) содержит разделительную камеру 1 с пульсатором 2, датчиком замера пульсаций потока 3 и многосопловым тангенциальным вводом газа 4, диафрагму 5 для вывода приосевого потока, диффузор 6 для вывода периферийного потока, развихритель 7 периферийного потока, рабочее сопло 8 ввода дополнительного потока газа с пульсатором расхода 9 и сменным насадком 10, камеры смешения эжектора 11 со сменными завихрителями 12 и датчиком замера пульсаций потока 13, блоком согласования 14, обеспечивающим заданный режим работы пульсаторов 2 и 9. Пульсатор 2 может быть выполнен по разной схеме (см. фиг. 2). Например, в виде механизма изменения площади проходного сечения 15 многосоплового тангенциального ввода газа, включающего заслонку 16 и приводной агрегат 17, или в виде многорежимного сопла 18, состоящего из многопозиционного переключателя 19 последовательности введения в работу сопел тангенциального ввода газа 4 (см. фиг.3). Кроме того, пульсатор 9 может иметь различное исполнение, например, если устройство снабжено многоствольной системой подвода активного газа 20, то пульсатор 9 состоит из многопозиционного переключателя 21 введения в работу стволов подвода активного газа, а трубка дополнительного подвода газа выполнена в виде приемной камеры эжектора 22, пневматически через трубопровод 23 связанной с заборником 24 газа из приосевого потока и с рабочим соплом 8, а насадки рабочих сопел выполнены многоструйными 25 с осями микросопел параллельными оси камеры энергоразделения (см. фиг.1 и 5). In FIG. 1-6 shows a vortex energy separator. The vortex energy separator (see Fig. 1) contains a separation chamber 1 with a pulsator 2, a pulsation meter 3 and a multi-nozzle tangential gas inlet 4, a diaphragm 5 for outputting the axial flow, a diffuser 6 for outputting the peripheral flow, a peripheral flow swirl 7, and a working
Способ вихревого энергоразделения потока осуществляется в устройстве следующим образом. Газ от источника высокого давления подается в разделительную камеру 1 через пульсатор 2, приемник датчика замера пульсаций потока 3 и многосопловой тангенциальный ввод 4, разделяется на приосевой и периферийные потоки. При этом свободный пульсирующий вихрь, возникающий во входном сечении камеры энергоразделения 1, преобразуется в вынужденный вихрь, вращающийся по закону твердого тела. Формирование в приосевом потоке вынужденного вихря происходит по всей длине камеры энергоразделения 1 путем, с одной стороны, перетока элементов периферийного (свободного) вихря в радиальном направлении, а с другой, от дополнительного закрученного пульсирующего потока, выходящего из камеры смешения эжектора 11. При этом дополнительный поток газа подается через вибратор 9 в рабочее сопло 8 эжектора от автономного источника внешней энергии. Сформированный таким образом внутренний вихрь, при движении к диафрагме 5, участвует в энергообмене с внешними слоями газа так, что постепенно превращается в квазитвердый под действием струи, выходящей из сопла и движущейся в осевом направлении противотоком. Обратный осевой поток газа представляет собой часть периферийного основного потока, перешедшую с большего радиуса на меньший. Внутренняя часть обратного потока, имеющая наиболее низкую температуру, выталкивается через диафрагму 5, а остальная присоединяется к потоку, выходящему из тангенциальных сопел 4, таким образом противоточное движение периферийного и приосевого потоков вызывает эффект температурного разделения. Изменение температуры периферийных слоев газа при их движении от входного сопла 1 до диффузора 6 зависит от количества энергии, подведенной со стороны приосевых слоев газа к периферийным, от перепада давлений на участке движения газа от диффузора до диафрагмы. Газ дополнительного потока подают через пульсатор 9 в рабочее сопло 8, при расширении в камере смешения 11 эжектора, он отдает свою энергию вынужденному вихрю и далее периферийному потоку. Причем пульсации давления в камере смешения эжектора фиксируются датчиком 13, который подает сигнал на вход блока согласования 14, где его сравнивают с сигналом от датчика 3. При рассогласовании сигналов блок согласования 14 выдает команду на изменение режима работы вибраторов 2 и 9. The method of vortex energy separation of the stream is carried out in the device as follows. Gas from the high pressure source is supplied to the separation chamber 1 through the pulsator 2, the receiver of the pulsation meter 3 and multi-nozzle tangential inlet 4, is divided into axial and peripheral flows. In this case, a free pulsating vortex arising in the input section of the energy separation chamber 1 is converted into a forced vortex rotating according to the law of a solid. The formation of a forced vortex in the axial flow takes place along the entire length of the energy separation chamber 1 by, on the one hand, the flow of peripheral (free) vortex elements in the radial direction, and on the other hand, from an additional swirling pulsating flow exiting the mixing chamber of the
Рассмотрение интенсификации вихревых процессов, происходящих в энергоразделительных камерах с позиции воздействия на автоколебательную систему, какой является вихревая труба, внешней периодической возбуждающей силы, позволяет реализовать принципиально новые способы и устройства энергоразделения потоков в вихревых потоках. Consideration of the intensification of vortex processes occurring in energy separation chambers from the position of exposure to a self-oscillating system, such as a vortex tube, of an external periodic exciting force, makes it possible to implement fundamentally new methods and devices for the energy separation of flows in vortex flows.
Одновременная реализация в предлагаемом способе двух подходов интенсификации вихревых процессов, происходящих в энергоразделительной камере, а именно дополнительной закрутки вынужденного вихря и регулируемой пульсации давления, позволяет обеспечить эффективное температурное разделение потока газа. The simultaneous implementation in the proposed method of two approaches to intensify the vortex processes occurring in the energy separation chamber, namely the additional twist of the forced vortex and adjustable pressure pulsation, allows for efficient temperature separation of the gas flow.
Введение системы авторегулирования работы энергоразделительных камер позволяет новым способом организовать вихревые структуры и поддерживать оптимальный режим их работы при различных изменениях внешних условий. The introduction of a self-regulating system for the operation of energy separation chambers allows a new way to organize vortex structures and maintain their optimal mode of operation under various changes in external conditions.
Использование различных устройств, улучшающих турбулизацию потока, подпитывающего вынужденный вихрь, позволяет повысить эффективность процессов перемешивания периферийного и вынужденного вихрей в энергоразделительной камере. The use of various devices that improve the turbulization of the flow feeding the forced vortex allows one to increase the efficiency of mixing processes of the peripheral and forced vortices in the energy separation chamber.
Введение эжекторов, работающих в пульсирующем режиме на входе в дополнительный поток, позволяет увеличить диссипацию кинетической энергии периферийного потока за счет организации радиальной пульсации внутреннего потока, которая вызывает необратимость процессов передачи энергии от одних слоев к другим. The introduction of ejectors operating in a pulsating mode at the entrance to the additional stream allows one to increase the dissipation of the kinetic energy of the peripheral stream due to the organization of the radial pulsation of the internal stream, which causes irreversibility of the processes of energy transfer from one layer to another.
Все приведенные признаки являются существенными, так как каждый из них влияет на соответствующий фрагмент технического результата, совокупность же их позволяет получить требуемый технический результат. All of the above characteristics are significant, since each of them affects the corresponding fragment of the technical result, but their combination allows you to get the desired technical result.
Использование предлагаемого способа вихревого энергоразделения потока и устройства, его реализующего, позволит, по сравнению с прототипом /2/, повысить термодинамическую эффективность вихревых энергоразделителей потока газа за счет:
- введения взаимодействия автоколебательной системы (вихревой трубы) с вынужденными колебаниями от внешнего дополнительного источника энергии;
- полного, ступенчатого срабатывания энергии дополнительного потока в зоне взаимодействия вынужденного и свободного вихрей;
- подбора оптимального режима работы вихревого энергоразделителя при организованных смешанных колебаниях;
- введения системы саморегулирования заданных режимов работы вихревого энергоразделителя потока газа;
- введения системы глубокого регулирования работы энергоразделительных камер, путем направленного воздействия на вихревые процессы, происходящие в них, что неочевидно в известных способах и устройствах, их реализующих.Using the proposed method of vortex energy separation of the stream and the device that implements it, will allow, in comparison with the prototype / 2 /, to increase the thermodynamic efficiency of the vortex energy separators of the gas stream due to:
- introducing the interaction of a self-oscillating system (vortex tube) with forced oscillations from an external additional energy source;
- full, stepwise activation of the energy of the additional flow in the zone of interaction of the forced and free vortices;
- selection of the optimal operating mode of the vortex energy separator with organized mixed vibrations;
- introducing a system of self-regulation of specified operating modes of the vortex energy separator of the gas stream;
- the introduction of a system of deep regulation of the operation of energy separation chambers, by means of directed influence on the vortex processes occurring in them, which is not obvious in the known methods and devices that implement them.
Источники информации
1. Патент РФ 2114358, 1996 г., М. кл. F 25 В 9/04.Sources of information
1. RF patent 2114358, 1996, M. cl. F 25 V 9/04.
2. А.с. 517756, 1975 г., М. кл. F 25 В 9/02. 2. A.S. 517756, 1975, M. cl. F 25B 9/02.
3. Патент РФ 2067266, 1989 г., М. кл. F 25 В 9/02. 3. RF patent 2067266, 1989, M. cl. F 25B 9/02.
4. Патент РФ 2154230, 1999 г., М. кл. F 25 В 9/02
5. Алифанов А. А., Фролов К.В. Взаимодействие нелинейных колебательных систем с источниками энергии -М.: Наука. 1985, -328 с.4. RF patent 2154230, 1999, M. cl. F 25V 9/02
5. Alifanov A. A., Frolov K.V. Interaction of nonlinear oscillatory systems with energy sources -M.: Science. 1985, -328 p.
6. Гупта А. и др. Закрученные потоки -М.: Мир. 1987, -588 с. 6. Gupta A. et al. Swirling streams -M.: Mir. 1987, -588 s.
7. Власов В.В., Гиневский А.С. О двухстороннем характере акустического влияния на свободные турбулентные струи//Турбулентные течения. -М.: Наука, 1974. -С.149-153. 7. Vlasov V.V., Ginevsky A.S. On the bilateral nature of the acoustic effect on free turbulent jets // Turbulent flows. -M .: Nauka, 1974.-S. 149-153.
8. Лукачев С.В. Исследование неустойчивых режимов течения газа в вихревых трубах Ранка// ИФЖ, XLI, т.5, 1981. -С.784-790. 8. Lukachev S.V. The study of unstable regimes of gas flow in vortex tubes Ranka // IFZh, XLI, t.5, 1981. -P.784-790.
9. Кузнецов В.И. Течение газа в трубке Ранка и его
визуализация// Матер. VI Всесоюз. НТК, Самара, 1990. -С.34-36.9. Kuznetsov V.I. Gas flow in Rank’s tube and its
visualization // Mater. VI All-Union. NTK, Samara, 1990.-S. 34-36.
10. Суслов А.Д. и др. Вихревые аппараты. -М.: Машиностроение, 1985, 256 с. 10. Suslov A.D. and other vortex devices. -M .: Mechanical Engineering, 1985, 256 pp.
11. А.с. 1219883, 1985 г., кл. F 25 В 9/02/12. Соколов Е.Я., Зингер Н.М. Струйные аппараты.- М.: Энергоатомиздат, 1989, 352 с. 11. A.S. 1219883, 1985, class F 25B 9/02/12. Sokolov E.Ya., Singer N.M. Inkjet devices. - M.: Energoatomizdat, 1989, 352 p.
Claims (18)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2002104112/06A RU2213914C1 (en) | 2002-02-19 | 2002-02-19 | Method for vortex energy separation of gas flow and apparatus for performing the same |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2002104112/06A RU2213914C1 (en) | 2002-02-19 | 2002-02-19 | Method for vortex energy separation of gas flow and apparatus for performing the same |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2213914C1 true RU2213914C1 (en) | 2003-10-10 |
| RU2002104112A RU2002104112A (en) | 2003-10-20 |
Family
ID=31988827
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2002104112/06A RU2213914C1 (en) | 2002-02-19 | 2002-02-19 | Method for vortex energy separation of gas flow and apparatus for performing the same |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2213914C1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2541299C2 (en) * | 2013-03-07 | 2015-02-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Рыбинский государственный авиационный технический университет имени П.А. Соловьева" | Hydraulic heat generator and liquid heating device |
-
2002
- 2002-02-19 RU RU2002104112/06A patent/RU2213914C1/en not_active IP Right Cessation
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2541299C2 (en) * | 2013-03-07 | 2015-02-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Рыбинский государственный авиационный технический университет имени П.А. Соловьева" | Hydraulic heat generator and liquid heating device |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US20080099410A1 (en) | Liquid treatment apparatus and methods | |
| US6974305B2 (en) | Roto-dynamic fluidic systems | |
| WO2006068537A1 (en) | Method for heat-mass-energy exchange and device for carrying out said method | |
| WO2014151243A1 (en) | Pulse cavitation processor and method of using same | |
| RU2213914C1 (en) | Method for vortex energy separation of gas flow and apparatus for performing the same | |
| RU2344356C1 (en) | Method of heat-mass-power exchange and device for this effect | |
| RU2227878C1 (en) | Method of and device for vortex energy separation of flow | |
| CN109225115B (en) | Impinging stream reactor with adjustable nozzle spacing | |
| RU2462301C1 (en) | Device for heat-mass-power exchange | |
| RU2371642C1 (en) | Method and device for vortex energy division of working fluid flow | |
| RU2392046C2 (en) | Hydrocarbon destruction device and application thereof | |
| US3731877A (en) | Apparatus for generating sonic and ultra-sonic vibrations in fluids | |
| RU47770U1 (en) | MIXER FOR LIQUIDS AND GASES | |
| RU2350856C1 (en) | Heat and mass and energy exchange method and device for realisation thereof | |
| WO2008051115A1 (en) | Heat-mass-and-energy exchange method and a device for carrying out said method | |
| US20060029491A1 (en) | Roto-dynamic fluidic systems | |
| RU2319076C2 (en) | Mode of gas dynamic ignition and an arrangement for its execution | |
| RU2503896C2 (en) | Device for heating liquids | |
| RU2331465C1 (en) | Device for heat, mass and energy exchange | |
| RU2658057C1 (en) | Heat and mass energy exchange device | |
| RU2043584C1 (en) | Vortex tube | |
| US10233097B2 (en) | Liquid treatment apparatus with ring vortex processor and method of using same | |
| RU2304261C1 (en) | Method and device for heat and mass exchange | |
| RU2575285C2 (en) | Device with combined effect on productive formation and bottom-hole zone | |
| SU1588993A1 (en) | Gas burner |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20040220 |