RU2218526C2

RU2218526C2 - Impulse gas cooler

Info

Publication number: RU2218526C2
Application number: RU2001128827A
Authority: RU
Inventors: Владимир Федорович Гетманец; Рем Сергеевич Михальченко; Сергей Егорович Ковалёв; Леонид Гаврилович Гончаренко
Original assignee: Владимир Федорович Гетманец; Рем Сергеевич Михальченко; Сергей Егорович Ковалёв; Леонид Гаврилович Гончаренко
Priority date: 2000-10-24
Filing date: 2001-10-25
Publication date: 2003-12-10
Also published as: UA39582A

Abstract

FIELD: cooling and cryogenic equipment, particularly for gas cooling and separating. SUBSTANCE: gas cooler has body with inlet and outlet joining pipes, gas-distribution device and heat removing system. Gas-distribution device comprises rotating slide having nozzles and inlet pipes arranged at an angle to slide radius. Heat removing system is made as fan arranged on slide shaft in receiving pipes and collector hot ends. Thin- walled receiving pipes have rectangular cross-section and arranged close to each other. Walls contact area is not more then 10% of receiving pipes cross-section area. Gas-distribution device body cold parts and pipes are heat-insulated. EFFECT: increased thermodynamic efficiency. 4 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к холодильной и криогенной технике, в частности к устройствам для охлаждения или разделения газов. The invention relates to refrigeration and cryogenic engineering, in particular to devices for cooling or gas separation.

На протяжении последних 20 лет ведутся исследования в области альтернативного источника холода на базе пульсационных (волновых) генераторов холода, в основе которых лежит использование работы расширения сжатого газа в пульсационной (резонансной) трубе с преобразованием ее в тепло и последующим отводом его во внешнюю среду. Преимуществом таких источников холода является возможность получения высокого КПД при простоте устройства и большом ресурсе работы благодаря отсутствию в них механически нагруженных движущихся элементов. Единственным перемещаемым элементом в пульсационном генераторе является вращающийся со скоростью 3-6 тыс. об/мин золотник с соплами для периодической подачи сжатого газа в резонансные (приемные) трубки и периодического выпуска из них холодного газа. Over the past 20 years, research has been conducted in the field of an alternative source of cold based on pulsed (wave) cold generators, which are based on the use of the expansion of compressed gas in a pulsed (resonant) pipe with its conversion to heat and its subsequent removal into the external environment. The advantage of such cold sources is the possibility of obtaining high efficiency with the simplicity of the device and the long service life due to the absence of mechanically loaded moving elements in them. The only moving element in the pulsation generator is a spool rotating at a speed of 3-6 thousand rpm with nozzles for periodically supplying compressed gas to resonant (receiving) tubes and periodically releasing cold gas from them.

Известен пульсационный охладитель [1], который содержит корпус, газораспределитель с радиальными соплами и приемные трубки. В корпусе установлена внутренняя обечайка, которая делит его на две полости. Внешняя полость сообщена с патрубками подвода и отвода отепленного газа низкого давления и заполнена приемными трубками, выполненными в виде змеевиков, а во внутреннюю полость помещены трубы коллектора охлажденного газа и привод вращения. Как и заявляемое изобретение, известное решение содержит корпус, в котором размещены газораспределитель с соплами, установленный с возможностью вращения, приемные трубки, один конец которых сообщен с соплами, коллектор и систему отвода тепла. Known pulsation cooler [1], which contains a housing, a gas distributor with radial nozzles and receiving tubes. An inner shell is installed in the housing, which divides it into two cavities. The external cavity is in communication with the nozzles for supplying and discharging low-pressure heated gas and is filled with receiving tubes made in the form of coils, and pipes of the cooled gas manifold and a rotation drive are placed in the internal cavity. Like the claimed invention, the known solution comprises a housing in which a gas distributor with nozzles is placed, mounted for rotation, receiving tubes, one end of which is in communication with the nozzles, a collector and a heat removal system.

Причиной, препятствующей получению технического результата, является отвод тепла с помощью прокачки отепленного газа низкого давления, что осуществляет устройство, размещенное за пределами корпуса. Для обеспечения работы устройства необходимы затраты энергии, что снижает КПД газоохладителя. The reason preventing the obtaining of a technical result is the removal of heat by pumping a low-pressure heated gas, which is carried out by a device located outside the housing. To ensure the operation of the device requires energy costs, which reduces the efficiency of the gas cooler.

В качестве прототипа выбран пульсационный газоохладитель [2], который содержит корпус с подводящими и отводящими патрубками, газораспределитель, включающий установленный с возможностью вращения золотник с соплами и приемные трубки, оси которых расположены под углом к радиусу золотника. Приемные трубки сообщены с камерой, соединенной с отводящими патрубками. Для осуществления автономного привода золотника его канал выполнен с изгибом, что дает возможность осуществлять вращение золотника под действием реактивной силы. As a prototype, a pulsating gas cooler [2] was selected, which contains a housing with inlet and outlet pipes, a gas distributor, including a rotary valve with nozzles and receiving tubes, the axes of which are located at an angle to the radius of the valve. The receiving tubes are in communication with the camera connected to the outlet pipes. To implement an autonomous drive of the spool, its channel is made with a bend, which makes it possible to rotate the spool under the action of reactive force.

Как и заявляемое изобретение, прототип содержит корпус с подводящим и отводящим патрубками, газораспределитель, включающий установленный с возможностью вращения золотник с соплами и приемные трубки, расположенные под углом к радиусу золотника, и систему теплоотвода. Like the claimed invention, the prototype comprises a housing with inlet and outlet pipes, a gas distributor including a rotary valve with nozzles and receiving tubes located at an angle to the radius of the valve, and a heat sink system.

Причиной, препятствующей получению технического результата, является неэффективное использование работы расширения газа и неэффективный отвод тепла от горячих концов приемных трубок, что снижает термодинамический КПД устройства. The reason that impedes the achievement of a technical result is the inefficient use of the gas expansion work and the inefficient heat removal from the hot ends of the receiving tubes, which reduces the thermodynamic efficiency of the device.

Технической задачей, решаемой изобретением, является создание пульсационного газоохладителя - альтернативного источника холода. The technical problem solved by the invention is the creation of a pulsating gas cooler - an alternative source of cold.

Технический результат, который может быть достигнут в результате осуществления изобретения, состоит в повышении термодинамического КПД газоохладителя. The technical result that can be achieved as a result of the invention is to increase the thermodynamic efficiency of the gas cooler.

Сущность изобретения заключается в том, что в пульсационном газоохладителе, содержащем корпус с подводящим и отводящим патрубками, газораспределитель, включающий установленный с возможностью вращения золотник с соплами и приемные трубки, расположенные под углом к радиусу золотника, и систему теплоотвода, система теплоотвода выполнена в виде вентилятора, установленного на оси золотника в зоне горячих концов приемных трубок и коллектора. The essence of the invention lies in the fact that in a pulsating gas cooler containing a housing with inlet and outlet pipes, a gas distributor comprising a rotary valve with nozzles and receiving tubes located at an angle to the radius of the valve, and a heat sink, the heat sink system is made in the form of a fan mounted on the axis of the spool in the area of the hot ends of the receiving tubes and manifold.

Сущность изобретения заключается также в том, что приемные трубки выполнены прямоугольными с утоненными стенками, размещенными впритык друг к другу. The essence of the invention also lies in the fact that the receiving tubes are made rectangular with thinned walls placed close to each other.

Сущность изобретения заключается также в том, что площадь стенок в зоне их контакта не превышает 10% площади поперечного сечения приемных трубок. The invention also lies in the fact that the area of the walls in the area of their contact does not exceed 10% of the cross-sectional area of the receiving tubes.

Сущность изобретения заключается также в том, что на холодных частях пульсационного газоохладителя размещен слой теплоизоляции. The essence of the invention also lies in the fact that on the cold parts of the pulsation gas cooler placed a layer of thermal insulation.

Заявляемое изобретение отличается от прототипа тем, что система теплоотвода выполнена в виде вентилятора, установленного на оси золотника в зоне горячих концов приемных трубок и коллектора. The claimed invention differs from the prototype in that the heat sink system is made in the form of a fan mounted on the axis of the spool in the area of the hot ends of the receiving tubes and manifold.

Заявляемое изобретение отличается от прототипа тем, что для уменьшения перетечки сжатого газа в полость выходного патрубка приемные трубки выполнены прямоугольными с утоненными стенками, размещенными впритык друг к другу. The claimed invention differs from the prototype in that in order to reduce the flow of compressed gas into the cavity of the outlet pipe, the receiving tubes are made rectangular with thinned walls placed close to each other.

Заявляемое изобретение отличается от прототипа тем, что оптимальная площадь стенок в зоне их контакта не превышает 10% площади поперечного сечения приемных трубок. The claimed invention differs from the prototype in that the optimal area of the walls in the area of their contact does not exceed 10% of the cross-sectional area of the receiving tubes.

Заявляемое изобретение отличается от прототипа тем, что для уменьшения холодопотерь в зонах прохождения холодного газа на холодных частях пульсационного газоохладителя размещен слой теплоизоляции. The claimed invention differs from the prototype in that in order to reduce cold losses in the cold gas passage zones, a thermal insulation layer is placed on the cold parts of the pulsating gas cooler.

Между совокупностью существенных признаков изобретения, что заявляется, и технической задачей, что достигается, существует такая причинно-следственная связь. Between the totality of the essential features of the invention that is claimed, and the technical task that is achieved, there is such a causal relationship.

Достижение технического результата обеспечивается тем, что вращение вентилятора, размещенного на валу золотника, осуществляется за счет энергии сжатого газа. Вентилятор создает эффект торможения золотника, переводя часть потенциальной энергии сжатого газа в механическую. Одновременно вентилятор обеспечивает обдув воздухом горячих концов приемных трубок и коллектора, снижая их температуру. Оба эти факторы ведут к повышению термодинамического КПД газоохладителя. The achievement of the technical result is ensured by the fact that the rotation of the fan located on the spool shaft is carried out due to the energy of the compressed gas. The fan creates the braking effect of the spool, translating part of the potential energy of the compressed gas into mechanical. At the same time, the fan provides air blowing to the hot ends of the receiving tubes and the manifold, reducing their temperature. Both of these factors lead to an increase in the thermodynamic efficiency of the gas cooler.

Приемные трубки газоохладителя со стороны вдуваемого газа выполнены прямоугольными с малой толщиной стенки. В таком выполнении при стыковке трубок друг к другу площадь "мертвой зоны" сводится к минимальным значениям и может составлять менее 10% площади поперечного сечения приемной трубки. Столь низкое значение площади "мертвой зоны" практически исключает увеличение давления истекающего газа из сопла золотника, что в свою очередь ведет к снижению величины перетечек газа в зазоре между золотником и приемными трубками. Указанный фактор снижения утечек газа в зазоре повышает термодинамический КПД газоохладителя. The receiving tubes of the gas cooler from the side of the blown gas are made rectangular with a small wall thickness. In this embodiment, when connecting the tubes to each other, the area of the "dead zone" is reduced to the minimum values and may be less than 10% of the cross-sectional area of the receiving tube. Such a low value of the area of the "dead zone" virtually eliminates the increase in pressure of the outflowing gas from the nozzle of the spool, which in turn leads to a decrease in the amount of gas leakage in the gap between the spool and the receiving tubes. The specified factor of reducing gas leaks in the gap increases the thermodynamic efficiency of the gas cooler.

На холодных элементах пульсационного газоохладителя - газораспределителе, холодной поверхности приемных трубок, нижней части корпуса газоохладителя, выходном патрубке холодного газа размещен слой теплоизоляционного материала. Это уменьшает холодопотери в окружающую среду, что позволяет получить более низкую температуру на выходе газоохладителя. A layer of heat-insulating material is placed on the cold elements of the pulsating gas cooler — the gas distributor, the cold surface of the receiving tubes, the lower part of the gas cooler body, and the outlet pipe of the cold gas. This reduces cold loss to the environment, which allows to obtain a lower temperature at the outlet of the gas cooler.

На чертежах изображена схема заявляемого изобретения, что подтверждает возможность его реализации. На фиг. 1 изображен общий вид устройства (поперечный разрез), на фиг.2 - разрез по А-А, на фиг.3 - разрез по Б-Б. The drawings depict a diagram of the claimed invention, which confirms the possibility of its implementation. In FIG. 1 shows a General view of the device (cross section), figure 2 is a section along aa, figure 3 is a section along bb.

Пульсационный газоохладитель содержит корпус 1 с подводящим 2 и отводящим 3 патрубками, газораспределитель 4 с золотником 5 и приемными трубками 6. Золотник 5 имеет два сопла 7, оси которых смещены относительно оси вращения золотника 5 и расположены под углом α к радиусу золотника 5. The pulsating gas cooler comprises a housing 1 with inlet 2 and outlet 3 nozzles, a gas distributor 4 with a spool 5 and receiving tubes 6. The spool 5 has two nozzles 7, the axes of which are offset from the axis of rotation of the spool 5 and are located at an angle α to the radius of the spool 5.

Приемные трубки 6 направлены в сторону поступающего газа и размещены под углом β относительно радиуса золотника 5. Углы α и β рассчитываются при конструировании и зависят от плотности газа, скорости вращения золотника и некоторых других факторов. В данном примере реализации изобретения углы α и β совпадают. Такое размещение приемных трубок 6 и сопел 7 при вдуве газа из сопла 7 в приемную трубку 6 за счет реактивной силы создает условия для вращения золотника 5. Сопла 7 соединены с каналом 8, размещенным в валу 9 золотника 5, и сообщены с входным патрубком 2. Вал 9 золотника 5 закреплен на двух подшипниках 10 и 11. С целью устранения перетечки газа вал 9 золотника 5 имеет уплотнение 12 и 13, которые могут быть лабиринтными. На конце вала 9 размещен вентилятор 14, прием холодного воздуха осуществляется с помощью окон 15, а выброс горячего воздуха - с помощью окон 16. Вентилятор 14 размещен в зоне горячих концов приемных трубок 6 и коллектора 17. Газораспределитель имеет приемную полость 18, где происходит расширение сжатого газа, и коллектор 19, соединенный с приемной полостью 18 отверстием 20. На холодных элементах газоохладителя - газораспределителе 4, холодных частях приемных трубок 6, нижней части корпуса газоохладителя и на отводящем патрубке 3 размещен слой теплоизоляции 21. The receiving tubes 6 are directed towards the incoming gas and placed at an angle β relative to the radius of the spool 5. The angles α and β are calculated during construction and depend on the gas density, the rotation speed of the spool and some other factors. In this example implementation of the invention, the angles α and β coincide. This arrangement of the receiving tubes 6 and nozzles 7 when blowing gas from the nozzle 7 into the receiving tube 6 due to the reactive force creates the conditions for rotation of the spool 5. The nozzles 7 are connected to the channel 8, located in the shaft 9 of the spool 5, and communicated with the inlet pipe 2. The shaft 9 of the spool 5 is mounted on two bearings 10 and 11. In order to eliminate gas overflow, the shaft 9 of the spool 5 has a seal 12 and 13, which can be labyrinth. A fan 14 is located at the end of the shaft 9, cold air is received using the windows 15, and hot air is ejected using the windows 16. The fan 14 is placed in the hot end zone of the receiving tubes 6 and the manifold 17. The gas distributor has a receiving cavity 18, where the expansion compressed gas, and a manifold 19 connected to the receiving cavity 18 by an opening 20. On the cold elements of the gas cooler - gas distributor 4, cold parts of the receiving tubes 6, the lower part of the gas cooler body and on the outlet pipe 3 there is a layer of heat insulation yatsii 21.

Работа пульсационного газоохладителя осуществляется следующим образом. Сжатый газ, который нужно охладить, по подводящему патрубку 2, каналу 8 золотника 5 направляют к соплу 7. Из сопла 7, расположенного в золотнике 5, который вращается под действием реактивной силы со скоростью 500-6000 об/мин, выходит сжатый газ со звуковой скоростью, попадает в открытый торец приемной трубки 6 и ударной волной сжимает газ, который в ней находится. В процессе сжатия газа в трубке 6 газ, который подается, отдает последнему свою кинетическую энергию, охлаждается, останавливается и приобретает скорость в обратном направлении, а нагретый газ в трубке отдает эту энергию во внешнюю среду сквозь стенки в зоне прокачки воздуха вентилятором 14. The operation of the pulsating gas cooler is as follows. The compressed gas that needs to be cooled is sent to the nozzle 7 through the inlet pipe 2, channel 8 of the spool 5. From the nozzle 7 located in the spool 5, which rotates under the action of a reactive force at a speed of 500-6000 rpm, compressed gas comes out with sound speed, it enters the open end of the receiving tube 6 and the shock wave compresses the gas that is in it. In the process of gas compression in the tube 6, the gas that is supplied gives off its kinetic energy to the latter, cools, stops and acquires speed in the opposite direction, and the heated gas in the tube gives off this energy to the external medium through the walls in the zone of air pumping by the fan 14.

Газ, который вытекает из сопел 7, часть своей кинетической энергии расходует на вращение золотника 5 с установленным на его валу вентилятором 14, вследствие чего имеет место снижения уровня температуры газа, который входит в открытый торец трубки 6. Кроме того, принудительный обдув вентилятором 14 горячих концов трубок 14 и коллектора 17 улучшают теплосъем с них. Оба эти фактора понижают уровень температуры газа, который пульсирует внутри трубок 6 при возрастании его плотности, что приводит к возрастанию холодопроизводительности газоохладителя. The gas that flows from the nozzles 7, part of its kinetic energy is spent on the rotation of the spool 5 with a fan 14 mounted on its shaft, as a result of which there is a decrease in the temperature of the gas that enters the open end of the tube 6. In addition, the fan blows 14 hot the ends of the tubes 14 and the collector 17 improve heat removal from them. Both of these factors lower the temperature of the gas, which pulsates inside the tubes 6 as its density increases, which leads to an increase in the cooling capacity of the gas cooler.

После расширения и выхода холодного газа из открытого торца трубки 6 через приемную полость 18 и отверстие 20 газ поступает в коллектор 19 и на выход через отводящий патрубок 3. After expansion and the exit of cold gas from the open end of the tube 6 through the receiving cavity 18 and the hole 20, the gas enters the manifold 19 and exits through the outlet pipe 3.

Выполнение газоохладителя согласно изобретению позволяет повысить его термодинамический КПД на 10-15%. The implementation of the gas cooler according to the invention allows to increase its thermodynamic efficiency by 10-15%.

Источники информации
1. Пат. Российской Федерации 2050515, кл. F 25 B 9/00, от 21.07.93.Sources of information
1. Pat. Russian Federation 2050515, cl. F 25 B 9/00, dated July 21, 93.

2. Воронин Г.Г. Конструирование систем и агрегатов систем кондиционирования, 14, 1978, 176-182 (прототип). 2. Voronin G.G. The design of systems and units of air conditioning systems, 14, 1978, 176-182 (prototype).

Claims

1. A pulsating gas cooler comprising a housing with inlet and outlet pipes, a gas distributor including a rotary valve with nozzles and receiving tubes arranged at an angle to the radius of the valve, and a heat supply system, characterized in that the heat removal system is made in the form of a fan installed on the axis of the spool in the area of the hot ends of the receiving tubes and manifold.

2. The pulsation gas cooler according to claim 1, characterized in that the receiving tubes are made rectangular with thinned walls placed close to each other.

3. The pulsation gas cooler according to claim 2, characterized in that the wall area in the zone of their contact does not exceed 10% of the cross-sectional area of the receiving tubes.

4. The pulsation gas cooler according to any one of claims 1 to 3, characterized in that a thermal insulation layer is placed on the cold parts of the gas distributor body and the tubes.