RU2227878C1

RU2227878C1 - Method of and device for vortex energy separation of flow

Info

Publication number: RU2227878C1
Application number: RU2002121186/06A
Authority: RU
Inventors: С.С. Комаров; В.В. Гайдукевич
Original assignee: Комаров Сергей Сергеевич; Гайдукевич Вадим Владиславович
Priority date: 2002-08-05
Filing date: 2002-08-05
Publication date: 2004-04-27
Also published as: RU2002121186A

Abstract

FIELD: gas industry. SUBSTANCE: invention relates to vortex converters of pressure differential energy on gas-distributing stations of trunks. According to proposed method, compressed gas is delivered into separating chamber of vortex pipe through pulsator and tangential multinozzle input where it is divided into near-axis and peripheral flows and is brought out through diaphragm and diffuser with swirler, respectively. Additional flow of compressed gas is delivered through second pulsator into near-axis zone of separating chamber at f₁ = 0,4-4kHz. Recirculated part of peripheral flow is ejected by means of pulsating flow in separation chamber. Volume oscillations at frequency of f₂ - 8-32 kHz are created in pulsator of main gas flow and preset temperature and frequency of volume oscillations of main flow and those of additional flow swirler flow ω₁ is set as multiple to speed of rotation ω₂ of near- axis main flow, and external energy of additional flow is subsequently depleted in one or more stages of ejector by adding gas of additional flow. EFFECT: improved efficiency of vortex energy divider.

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 периферийном (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 by means of acoustic radiation emitted by sound generators installed in a peripheral (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 along gas flows and generating additional vortices over the entire volume of the energy separator, thereby increasing the efficiency of the process gas mixing and vortex tube efficiency / 1 /.

Недостатком известного способа является требование перенастройки самой автоколебательной системы, что существенно ограничивает область его рационального применения, т.к. система является автоколебательной и ее перенастройка требует существенного изменения конструкции конкретной вихревой трубы.The disadvantage of this method is the requirement to reconfigure the self-oscillating system itself, which significantly limits the field of its rational use, because the system is self-oscillating and its reconfiguration requires a significant change in 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 приосевого потока потребителю /2/. Для осуществления указанного способа служит устройство, содержащее коаксиально размещенные на общей оси две вихревых 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/.Closest to the proposed invention by technical essence is a method of vortex energy separation, which consists in installing coaxially, one into 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 to the consumer / 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. Основное 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. 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.The process of energy separation in vortex tubes, according to modern concepts, is carried out by some turbulent gas particles that retain their individuality for a certain period of time, which undergo turbulent radial displacement. At the same time, adiabatically contracting and expanding (depending on the direction of movement), they transfer energy in the form of heat from the axial zone of low pressure to the peripheral zone of higher static pressure. The main 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. 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 that intensify oscillatory processes in vortex energy separation chambers is very relevant.

Техническая задача изобретения - повышение термодинамической эффективности вихревого энергоразделителя потока газа путем организации рациональной схемы взаимодействия вихрей в энергоразделительной камере и использования свойства крупномасштабных вихревых структур, имеющих место в вихревых трубах.The technical task of the 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 энергоразделения 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, подогревают его в теплообменнике периферийным потоком, задают его пульсирующим с частотой колебаний f₁=0.4-4 кГц, эжектируют им рециркулируемую часть периферийного потока, подогревают в теплообменнике периферийным потоком и создают объемные колебания давления с частотой f₂=8-32 кГц в потоке газа на входе в тангенциальный сопловой ввод и согласуют его частоту колебаний, температуру и давление с частотой колебаний, температурой и давлением сжатого газа дополнительного потока. Причем частоту вращения дополнительного закрученного потока ω₁ задают кратной частоте вращения ω₂ 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 энергоразделительной камере. При этом направление вращения дополнительного потока задают не совпадающим с направлением вращения основного потока в энергоразделительной камере, а соотношение расходов, направляемых в дополнительный и основной потоки, задают равным Q_доп/Q_осн=0.25-0.08, при соотношении расходов приосевого и основного потоков газа в вихревом энергоразделители, равном μ’=0.7-0.95. Причем газ в приемную камеру эжектора подводят от приосевого потока на выходе из энергоразделительной камеры, а активный газ в сопла эжектора подают в виде подогретого дополнительного потока от внешнего источника энергии. При этом замеряют температуру газа основного потока на входе и в диффузоре вихревой энергоразделительной камеры, сравнивают в блоке согласования, выдают сигнал на управляемые редукторы, подают горячий периферийный поток или часть его из энергоразделительной камеры в теплообменники, нагревают основной и дополнительные потоки сжатого газа до оптимального соотношения температур.To solve the technical problem in a method of vortex energy separation of a stream, including tangential nozzle gas injection, its separation into axial and peripheral flows, the introduction of 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, heat it in a peripheral heat exchanger the flow, set it to pulsating with an oscillation frequency f ₁ = 0.4-4 kHz, eject it the recirculated part of the peripheral flow, heat it up In this case, they create a peripheral flow and create volumetric pressure fluctuations with a frequency f ₂ = 8-32 kHz in the gas stream at the entrance to the tangential nozzle inlet and coordinate its oscillation frequency, temperature and pressure with the oscillation frequency, temperature and pressure of the compressed gas of the additional stream. Moreover, the rotation frequency of the additional swirling flow ω _{1 is} set to a multiple of the rotation frequency ω _{2 of the} axial flow of the main flow, 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 external energy source with a part of the peripheral gas stream recycled in the energy separation the camera. 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 set to Q _additional / Q _main = 0.25-0.08, with the ratio of the costs of the axial and main gas flows in vortex energy separators equal to μ '= 0.7-0.95. Moreover, the gas in the receiving chamber of the ejector is supplied from the axial flow at the outlet of the energy separation chamber, and the active gas is supplied to the ejector nozzles in the form of a heated additional flow from an external energy source. In this case, the temperature of the gas of the main stream at the inlet and in the diffuser of the vortex energy separation chamber is measured, compared in the matching unit, a signal is supplied to the controlled reducers, a hot peripheral stream or part of it from the energy separation chamber is fed to heat exchangers, the main and additional compressed gas flows are heated to the optimum ratio temperatures.

Устройство, реализующее способ, содержащее разделительную камеру с многосопловым тангенциальным вводом газа, диафрагму вывода приосевого потока, диффузор вывода периферийного потока, трубу дополнительного ввода завихренного потока газа, развихритель, отличается тем, что оно снабжено эжектором, блоками согласования, первым, вторым теплообменниками и пульсаторами основного и дополнительного потоков, причем первый теплообменник установлен на входе многосоплового тангенциального ввода газа, а эжектор - на оси разделительной камеры со стороны диффузора, пульсатор расхода и второй теплообменник закреплены на трубе дополнительного ввода потока сжатого газа, которая заканчивается рабочим соплом эжектора, камера смешения которого выполнена в виде патрубка, установленного коаксиально перед развихрителем, а блоки согласования функционально связаны, с одной стороны, датчиками замера регулируемых параметров, а с другой, - с исполнительными механизмами.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 pipe, a swirl, is characterized in that it is equipped with an ejector, matching units, the first, second heat exchangers and pulsators main and additional flows, the first heat exchanger installed at the inlet of the multi-nozzle tangential gas inlet, and the ejector on the axis of the separation chamber with the diffuser orons, the flow pulsator and the second heat exchanger are fixed on the additional input pipe of the compressed gas flow, which ends with the ejector working nozzle, the mixing chamber of which is made in the form of a pipe mounted coaxially in front of the expander, and matching units are functionally connected, on the one hand, by measuring sensors of adjustable parameters , and on the other, with actuators.

Кроме того, эжектор выполнен многоступенчатым, причем количество ступеней определяется геометрическими размерами энергоразделительной камеры 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 труба дополнительного ввода газа выполнена в виде приемной камеры эжектора. Кроме того, введены блоки согласования, первый из которых переключает стволы подвода активного газа эжектора, второй - сопла тангенциального ввода газа, третий - режим работы теплообменников, четвертый - соотношение давлений основного и дополнительного потоков.In addition, the ejector is multi-stage, and the number of stages is determined by the geometric dimensions of the energy separation chamber and ranges from 2 to 4, equipped with interchangeable nozzles and multi-jet nozzles with the 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 a multi-barrel system active gas supply, and a multi-position switch for introducing active gas supply shafts into operation, and the mixing chamber is installed at a distance equal to five diameters working 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 a damper and actuator assembly, and the additional gas inlet pipe is made in the form of a receiving chamber of the ejector. In addition, matching blocks were introduced, the first of which switches the ejector active gas supply shafts, the second switches the tangential gas inlet nozzles, the third switches the operation modes of heat exchangers, and the fourth relates the pressure ratios of the main and secondary flows.

Введение подпитки дополнительного потока от автономного источника внешней энергии, придание ему согласованного давления и пульсирующего режима с частотой колебаний, равной f₁=0,4–4 кГц, эжектирование рециркулирующей части периферийного потока и организация во входном потоке газа согласованных объемных колебаний давления с частотой f₂=8–32 кГц обеспечивает повышение термодинамической эффективности вихревого энергоразделителя газа.The introduction of additional flow from an autonomous source of external energy, giving it a consistent pressure and pulsating mode with an oscillation frequency equal to f ₁ = 0.4–4 kHz, ejecting the recirculating part of the peripheral flow and arranging coordinated volumetric pressure fluctuations with a frequency f in the gas inlet stream ₂ = 8–32 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 can 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, равными Q_доп/q_och=0.25-0.08, при соотношении расходов приосевого и периферийного потоков равного μ’=0.7-0.95.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 axial velocity change. 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 _extra / q _och = 0.25-0.08, with a ratio of flow rates of the axial and peripheral flows equal to μ '= 0.7- 0.95.

Введение дополнительного потока оказывает существенное влияние на величину μ’=(Q_х+Q_доп)/Q_осн. Известно, что с изменением μ’ меняются основные параметры горячего потока: давление Р_г и температура Т_г, причем, чем выше μ’, тем больше температура Т_г и давление Р_г горячего потока, выходящего из вихревого энергоразделителя. Оптимальное количество рециркулируемого газа, соответствующее максимальному температурному эффекту нагрева горячего потока, определяется опытным путем и зависит, для заданной конструктивной схемы, от величины μ=Q_x/q_och и P_BX. С их увеличением температура и количество рециркулируемого газа возрастает и, следовательно, температура Т_г, но при этом необходимо увеличить расход газа дополнительного потока Q_доп.The introduction of an additional flow has a significant effect on the value of μ '= (Q _x + Q _add ) / Q _main . It is known that with a change in μ 'the main parameters of the hot flow change: pressure P _g and temperature T _g , and the higher μ', the higher the temperature T _g and pressure P _{g of the} hot stream leaving the vortex energy separator. The optimal amount of recirculated gas corresponding to the maximum temperature effect of heating the hot stream is determined empirically and depends, for a given design scheme, on the values μ = Q _x / q _och and P _BX . With their increase, the temperature and the amount of recirculated gas increases and, therefore, the temperature T _g , but it is necessary to increase the gas flow rate of the additional flow Q _add .

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.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 process have a decisive influence on the transfer processes and, therefore, on the efficiency of energy separation of gas.

Анализ спектров пульсаций давлений показал, что для вихревых труб характерно существование двух основных видов колебаний: низкочастотных периодических пульсаций давления с частотой f₁=0,4-4 кГц и высокочастотных периодических пульсаций давления с f₂=8-32 кГц, причем основной вклад в энергетический спектр пульсаций давлений вносят низкочастотные колебания.Analysis of the spectra of pressure pulsations showed that vortex tubes are characterized by the existence of two main types of oscillations: low-frequency periodic pressure pulsations with a frequency f ₁ = 0.4-4 kHz and high-frequency periodic pressure pulsations with f ₂ = 8-32 kHz, and the main contribution to The energy spectrum of pressure pulsations is introduced by low-frequency oscillations.

Низкочастотные пульсации давления в вихревых трубах являются следствием прецессионной гидродинамической неустойчивости трехмерного закрученного потока газа.Low-frequency pressure pulsations in vortex tubes are a consequence of the precession hydrodynamic instability of a three-dimensional swirling gas flow.

Суть механизма такой гидродинамической неустойчивости течения состоит в том, что в процессе передачи момента количества движения от периферийного свободного вихря к приосевому 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.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 near-axis 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 supporting precession self-oscillations [9].

Введение пульсирующего режима течения подогретого дополнительного потока с частотой f₁=0,4–4 кГц позволяет управлять коэффициентом расхода μ и степенью разделения потока, что ведет к увеличению кпд вихревого знергоразделителя на 10-20% и росту на 40-50°С температуры периферийного потока газа.The introduction of a pulsating flow regime of a heated additional stream with a frequency f ₁ = 0.4–4 kHz allows controlling the flow coefficient μ and the degree of separation of the flow, which leads to an increase in the efficiency of the vortex energy separator by 10–20% and an increase in the peripheral temperature by 40–50 ° С gas flow.

Введение режима объемных колебаний давления во входном подогретом потоке газа с частотой f₂=8-32 кГц позволяет за счет интенсификации высокочастотных колебаний периферийного (свободного) вихря на 8-10% увеличить кпд вихревого энергоразделителя и на 20-30°С поднять температуру периферийного потока газа.The introduction of the regime of volumetric pressure fluctuations in the inlet heated gas stream with a frequency of f ₂ = 8-32 kHz 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 increase the temperature of the peripheral stream by 20-30 ° C gas.

Введение режима смешанных колебаний с частотами f₂=0,4–4 кГц и f₂=8-32 кГц позволит за счет приведения автоколебательной системы, в данном случае вихревой трубы, в режим параметрического резонанса на 20-40% повысить кпд вихревого энергоразделителя и на 50-80°С 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 a mode of mixed oscillations with frequencies f ₂ = 0.4–4 kHz and f ₂ = 8–32 kHz will allow increasing the efficiency of the vortex energy separator by 20–40% by bringing the self-oscillating system, in this case the vortex tube, to the parametric resonance mode raise the temperature of the peripheral gas flow by 50-80 ° C. 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 турбулентность 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 make it possible to intensify turbulence in the vortex energy separator.

Введение подогрева основного и дополнительного потоков сжатого газа, направляемых в энергоразделительную камеру, позволяет повысить их термодинамическую эффективность, так как перепад температур ΔТ=Т_х-Т_г пропорционален температуре сжатого газа на входе в энергоразделительную камеру.The introduction of heating of the main and additional flows of compressed gas directed to the energy separation chamber allows to increase their thermodynamic efficiency, since the temperature difference ΔT = T _x -T _{g is} proportional to the temperature of the compressed gas at the entrance to the energy separation chamber.

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 stream 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 переключателя 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 a multi-position switch 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 thereby 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 мелкодисперсностъ 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 the block matching the switching sequence of the shafts of the active gas supply of the ejector with the order of the introduction of the nozzles of the tangential gas input or the area of its bore allows you to implement the optimal frequency modes of the separation chamber.

Введение первого и второго теплообменников позволяет осуществить подвод тепла от горячего потока энергоразделительной камеры к основному и дополнительному потокам сжатого газа.The introduction of the first and second heat exchangers allows the supply of heat from the hot stream of the energy separation chamber to the main and additional flows of compressed gas.

Введение блоков согласования температур и соотношения давлений основного и дополнительного потоков позволяет расширить диапазон параметров, обеспечивающих достижение оптимальных режимов работы энергоразделительных камер.The introduction of temperature matching blocks and the ratio of the pressures of the main and additional flows allows us to expand the range of parameters ensuring the achievement of optimal operating modes of energy separation chambers.

Сопоставительный анализ с прототипом [2] показал, что заявляемый способ вихревого энергоразделения потока и устройство, его реализующее, существенно отличается от известного способа и устройства, его реализующего, интегрированным введением оптимальных режимов динамического взаимодействия вынужденных колебаний внешнего источника энергии с автоколебательной системой, какой является вихревая труба, путем подбора основных регулируемых параметров, степени и направления вращения дополнительного потока (вынужденного вихря), а также степени эжектирования дополнительного потока, позволяющего интенсифицировать массотемпературный обмен рециркулирующих в энергоразделительной камере потоков.Comparative analysis with the prototype [2] showed that the claimed method of vortex energy separation of the flow and the device that implements it, differs significantly from the known method and device that implements it, by integrated introduction of optimal modes of dynamic interaction of forced oscillations of an external energy source with a self-oscillating system, which is a vortex system pipe, by selecting the main adjustable parameters, the degree and direction of rotation of the additional flow (forced vortex), as well as the step nor ejection of an additional stream, which allows intensifying the mass-temperature exchange of flows recirculating in the energy separation chamber.

Таким образом, заявляемый способ и устройство, его реализующее, соответствуют критерию “новизна”.Thus, the claimed method and device that implements it, meet 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 заключается 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 for improving the thermodynamic efficiency of vortex tubes is to correctly organize 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.The increase in thermodynamic efficiency in known vortex tubes [10] is mainly carried out by means of regeneration of cycles and utilization of the energy of the heated stream.

Известен способ повышения эффективности вихревых труб с помощью регенерации энергии горячего потока к поступающему в вихревую трубу сжатому газу [13]. Особенностью регенеративных циклов в вихревых трубах является то, что на нагрев направляют потоки в количестве (1-μ) от расхода сжатого газа. Последнее существенно ограничивает уровень достижимых температур нагреваемых потоков. В регенеративном цикле температура сжатого газа повышается с ростом μ, а разность температур ΔT=Т_х-Т_г уменьшается. В режиме подогрева, особенно при высоких значениях Т_г, подогрев газа происходит в основном в вихревой трубе и роль теплообменников становится незначительной. То есть повышение термодинамической эффективности вихревых труб в известном способе происходит в рамках одной конкретной автоколебательной системы (вихревой трубы).There is a method of increasing the efficiency of vortex tubes by regenerating the energy of the hot stream to the compressed gas entering the vortex tube [13]. A feature of regenerative cycles in vortex tubes is that they direct flows to the heating in an amount of (1-μ) from the flow of compressed gas. The latter significantly limits the level of attainable temperatures of heated streams. In the regenerative cycle, the temperature of the compressed gas increases with increasing μ, and the temperature difference ΔT = T _x -T _g decreases. In the heating mode, especially at high values of T _g , gas heating occurs mainly in the vortex tube and the role of heat exchangers becomes insignificant. That is, the increase in the thermodynamic efficiency of vortex tubes in the known method occurs within the framework of one specific self-oscillating system (vortex tube).

В предлагаемом способе реализован совершенно иной подход к повышению термодинамической эффективности, а именно организация оптимальной вихревой структуры внутри разделительной камеры.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 a stream, using the influence of external influences on the vortex system of an 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 воздействие 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 energy potential of the external 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 незавихренного 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 a non-vortex 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 at the same time the energy gain is an insignificant part of the initial energy of the main the flow flowing from the gas nozzles, and therefore weakly affects the energy exchange processes between the 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=М(ω₁-ω₂), где М - момент количества движения потока, ω₁ -угловая скорость приосевых слоев газа, ω₂ - угловая скорость периферийных слоев газа, то есть, если ω₁>ω₂ - то передача энергии идет от оси к периферии (L>0), при этом осевые слои охлаждаются, периферийные - подогреваются.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 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 L = M (ω ₁ -ω ₂ ), where M is the angular momentum of the flow, ω ₁ is the angular velocity of the axial gas layers, ω ₂ is the angular velocity of the peripheral gas layers, i.e., if ω ₁ > ω ₂ - then the energy transfer goes from the axis to the periphery (L> 0), while the axial layers are cooled, the peripheral layers are heated.

При ω₁<ω₂ энергия передается от периферии к оси и L<0 - реверс вихревого эффекта Ранка [9].When ω ₁ <ω _{2, the} energy is transferred from the periphery to the axis and L <0 is 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 внутри камеры 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 compressed gas is converted into heat and cold during the turbulent interaction of flows inside 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 anomalously high level in the region of separation of vortices and much 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 an oscillating system is exposed to a periodic exciting force, various oscillatory processes occur [5]. Depending on the difference between 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 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 изображен вихревой энергоразделитель потока; на фиг.2 - механизм частотного изменения площади проходного сечения в многосопловом тангенциальном вводе газа; на фиг.3 - многосопловой (порциальный) тангенциальный ввод газа и схема включения его в работу; на фиг.4 - многоствольный вариант исполнения рабочих сопел эжектора и схема включения стволов в работу; на фиг.5 -многоструйный насадок рабочих сопел эжектора; на фиг.6 представлен вихревой энергоразделитель потока с приемной камерой эжектора.Figure 1 shows a vortex energy separator flow; figure 2 - the mechanism of frequency changes in the area of the bore in a multi-nozzle tangential gas inlet; figure 3 - multi-nozzle (partial) tangential gas injection and the circuit for its inclusion in the work; figure 4 is a multi-barrel embodiment of the working nozzles of the ejector and the circuit for the inclusion of barrels in the work; figure 5 - multi-nozzle nozzles of the working nozzles of the ejector; figure 6 presents the vortex energy separator flow with the receiving chamber of the ejector.

Вихревой энергоразделитель (фиг.1) содержит энергоразделительную камеру 1 с регулятором входного давления 2, пульсатором с исполнительным механизмом 3, многофункциональным датчиком замера параметров потока 4, теплообменником 5 и многосопловым тангенциальным вводом газа 6, диафрагмой 7 вывода приосевого потока, диффузором 8 вывода периферийного потока, развихрителем 9 периферийного потока, рабочим соплом 10 ввода через пульсатор расхода 11 с регулятором давления 12 и теплообменником 13 дополнительного потока сжатого газа и снабжен сменными насадками 14, одной или более камерами смешения эжектора 15 со сменными завихрителями 16, датчиками замера пульсаций потока 17 и температуры 18, блоками согласования 19, 20, обеспечивающими заданные режимы работы как пульсаторов 3 и 11, так и через регулятор расхода 21 регулировочные 22, 23 и отсечные 24 клапаны теплообменников 5 и 13. Исполнительные механизмы пульсаторов 3 и 11 могут быть выполнены по разным схемам. Например, в виде механизма изменения площади проходного сечения многосоплового тангенциального ввода газа 25, включающего одну или более клиновидных заслонок 26, штоков 27 и мембран агрегатов 28 (фиг.2). Причем один конец штоков 27 соединен с клиновидными заслонками 26, перекрывающими тангенциальные сопловые вводы 6 энергоразделительного устройства, а другой соединен с мембранами агрегатов 28, надмембранная полость которых, через пульсатор 3, соединена трубопроводом горячего потока с диффузором 8. Частоты колебаний давлений на входе в мембраны агрегатов 28 пульсаторов 3 и 11 задают блоками согласования 19 и 30 путем сравнения сигналов от датчиков замера пульсаций давления 17 в камере смешения эжектора и датчиков замера пульсаций давления 31 внутри энергоразделительной камеры 1. Исполнительный механизм пульсатора 3 может быть выполнен и по другой схеме. Например, исполнительный механизм 32 пульсатора 3 в виде закольцованных в различных сочетаниях сопел тангенциального ввода газа 33, управляемых отсечными клапанами 34, и многопозиционного переключателя 35 введения в работу выделенного сочетания сопел (фиг.3).The vortex energy separator (Fig. 1) contains an energy separation chamber 1 with an input pressure regulator 2, a pulsator with an actuator 3, a multifunctional sensor for measuring flow parameters 4, a heat exchanger 5 and a multi-nozzle tangential gas inlet 6, a diaphragm 7 for the output of the axial flow, a diffuser 8 for the output of the peripheral flow , a peripheral flow reamer 9, an input working nozzle 10 through a flow pulsator 11 with a pressure regulator 12 and a heat exchanger 13 of an additional compressed gas stream and is equipped with replaceable adka 14, one or more mixing chambers of the ejector 15 with interchangeable swirlers 16, sensors for measuring the pulsations of the flow 17 and temperature 18, matching units 19, 20, providing specified operating modes of both pulsators 3 and 11, and through the flow regulator 21 adjustment 22, 23 and shut-off valves 24 of the heat exchangers 5 and 13. The actuators of the pulsators 3 and 11 can be performed in different ways. For example, in the form of a mechanism for changing the area of the bore of a multi-nozzle tangential gas inlet 25, including one or more wedge-shaped dampers 26, rods 27 and membranes of the aggregates 28 (Fig. 2). Moreover, one end of the rods 27 is connected to the wedge-shaped shutters 26, overlapping the tangential nozzle inlets 6 of the energy separation device, and the other is connected to the membranes of the units 28, the supmembrane cavity of which, through the pulsator 3, is connected by a hot flow pipe to the diffuser 8. The frequencies of the pressure fluctuations at the inlet to the membranes of the units 28 of the pulsators 3 and 11 are set by the matching units 19 and 30 by comparing the signals from the sensors for measuring pressure pulsations 17 in the mixing chamber of the ejector and the sensors for measuring pressure pulsations 31 int and energorazdelitelnoy chamber 1. The actuator pulsator 3 may be made for another circuit. For example, the actuator 32 of the pulsator 3 in the form of tangential gas inlet nozzles 33 looped in various combinations controlled by shut-off valves 34 and a multi-position switch 35 for commissioning the selected combination of nozzles (Fig. 3).

Кроме того, пульсатор 11 также может иметь различное исполнение. Например, если устройство снабжено многоствольной системой подвода активного газа 36 (фиг.4), то исполнительный механизм пульсатора 11 состоит из многопозиционного переключателя 37 введения в работу стволов подвода активного газа, управляемого сигналом от блока согласования 19. Труба дополнительного подвода газа может быть выполнена в виде приемной камеры эжектора 38 (фиг.6) пневматически, через трубопровод 39, связанной с заборником 40 газа из приосевого потока, выходящего через диафрагму 7 с рабочим соплом 10, а насадки рабочих сопел выполнены многоструйными 41 (фиг.5) с осями микросопел, параллельными продольной оси энергоразделительной камеры 1. Кроме того, регуляторы давлений основного 2 и дополнительного 12 потоков пневматически, через трубопровод 42, связаны с блоком согласования 43, который с помощью задатчика давления 44 отрабатывает оптимальное соотношение давлений в основном и дополнительном потоках сжатого газа.In addition, the pulsator 11 may also have a different design. For example, if the device is equipped with a multi-barrel active gas supply system 36 (Fig. 4), then the actuator of the pulsator 11 consists of a multi-position switch 37 for putting the active gas supply shafts into operation, controlled by a signal from the matching unit 19. An additional gas supply pipe can be made in in the form of the receiving chamber of the ejector 38 (Fig.6) pneumatically, through a pipeline 39 connected to a gas intake 40 from the axial flow exiting through the diaphragm 7 with the working nozzle 10, and the nozzles of the working nozzles are made m foot-blast 41 (figure 5) with the axes of microsopel parallel to the longitudinal axis of the energy separation chamber 1. In addition, the pressure regulators of the main 2 and additional 12 flows pneumatically, through the pipe 42, are connected to the matching unit 43, which, using the pressure adjuster 44, fulfills the optimal ratio pressure in the main and additional flows of compressed gas.

Способ вихревого энергоразделения потока осуществляется в устройстве следующим образом.The method of vortex energy separation of the stream is carried out in the device as follows.

Газ от источника высокого давления стабилизируют до заданной величины регулятором входного давления 2, создают объемные колебания давления потока с частотой f₂=8-32 кГц, нагревают в теплообменнике 5, вводят через тангенциальный сопловой ввод 6 в энергоразделительную камеру 1, разделяют его на приосевой и периферийный потоки.The gas from the high pressure source is stabilized to a predetermined value by the inlet pressure regulator 2, volumetric fluctuations in the flow pressure are created with a frequency f ₂ = 8-32 kHz, heated in the heat exchanger 5, introduced through the tangential nozzle inlet 6 into the energy separation chamber 1, divided into axial and peripheral flows.

При этом свободный пульсирующий вихрь, возникающий во входном сечении энергоразделительной камеры 1, преобразуют в вынужденный приосевой 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 одной или более камер смешения эжектора 15.In this case, a free pulsating vortex arising in the inlet section of the energy separation chamber 1 is converted into a forced paraxial 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 emerging from one or more ejector mixing chambers 15.

Газ дополнительного потока с расходом, равным Q_доп=0.08-0.25 Q_осн, подают, через регулятор давления 12 и теплообменник 13, создают в нем колебания давления с частотой f₁=0.4-4 кГц пульсатором 11 и направляют в рабочее сопло 10, срабатывают энергию подогретого дополнительного потока в камерах смешения 15 эжектора, закручивают образованный поток в завихрителях 16 и отдают при движении к диафрагме 7 энергию вынужденному вихрю, а через него периферийному потоку. Энергию горячего потока газа, выходящего из разделительной камеры 1, используют для интенсификации массотемпературного обмена в ней путем подбора оптимального соотношения температур сжатого газа в основном и дополнительном потоках. При этом температуру газа фиксируют датчиками 17 и 31, которые выдают сигнал на вход блока согласования 20, сравнивают с данными, полученными от датчика 4, управляют через регулятор расхода 21 и клапаны 22, 23, 24 режимами работы теплообменников 5 и 13.An additional flow gas with a flow rate equal to Q _add = 0.08-0.25 Q _main , is supplied through a pressure regulator 12 and a heat exchanger 13, create pressure fluctuations in it with a frequency f ₁ = 0.4-4 kHz by the pulsator 11 and direct it to the working nozzle 10, the energy of the heated additional flow in the mixing chambers 15 of the ejector, twist the formed flow in the swirls 16 and give the energy to the forced vortex, and through it to the peripheral flow, when moving to the diaphragm 7. The energy of the hot gas stream leaving the separation chamber 1 is used to intensify the mass-temperature exchange in it by selecting the optimal ratio of the temperatures of the compressed gas in the main and additional flows. At the same time, the gas temperature is fixed by sensors 17 and 31, which provide a signal to the input of the matching unit 20, compared with the data received from sensor 4, and through the flow regulator 21 and valves 22, 23, 24, the operation modes of heat exchangers 5 and 13 are controlled.

Пульсации давления в камерах смешения 15 эжектора фиксируют датчиком 17, который подает сигнал на вход блока согласования 19, сравнивают с сигналом от многофункционального датчика 4. В случае рассогласования сигналов блок согласования 19 выдает команду исполнительным механизмам, которые меняют режим работы пульсаторов 3 и 11.The pressure pulsations in the mixing chambers 15 of the ejector are fixed by a sensor 17, which supplies a signal to the input of the matching unit 19, and is compared with the signal from the multifunction sensor 4. In the case of a mismatch of signals, the matching unit 19 gives an instruction to the actuators that change the operating mode of the pulsators 3 and 11.

Таким образом противоточное движение периферийного и приосевого потоков вызывает эффект температурного разделения. Изменение температуры периферийных слоев газа при их движении от тангенциальных сопловых вводов 6 до диффузора 8 зависит от количества энергии, подведенной со стороны приосевых слоев газа к периферийным, от перепада давлений на участке движения газа от диффузора 8 к диафрагме 7.Thus, the countercurrent movement of the peripheral and axial flows causes the effect of temperature separation. The temperature change of the peripheral gas layers during their movement from the tangential nozzle inlets 6 to the diffuser 8 depends on the amount of energy supplied from the side of the axial gas layers to the peripheral ones, on the pressure difference in the gas movement section from the diffuser 8 to the diaphragm 7.

Ниже, в качестве примера реализации способа, приведены основные параметры вихревого устройства: Р_вх=6 МПа; Р_вых=2.4 МПа; Q_осн=48 кг/с; Т_г =435 К; Т_х=228 К; f₁=1.2 кГц; f₂=24 кГц; Q_доп=9.6 кг/с; μ’=0.95.Below, as an example of the implementation of the method, the main parameters of the vortex device are given: P _in = 6 MPa; P _out = 2.4 MPa; Q _DOS = 48 kg / s; T _g = 435 K; T _x = 228 K; f ₁ = 1.2 kHz; f ₂ = 24 kHz; Q _add = 9.6 kg / s; μ '= 0.95.

Предлагаемый вихревой энергоразделитель потока работает по двум совмещенным принципам работы отдельных вихревых устройств, а именно противоточного вихревого эжектора и противоточной вихревой трубы с аксиальным и тангенциальными сопловыми вводами. Однако его оптимальный режим работы не является суперпозицией этих принципов и зависит от большого количества факторов, и определяется экспериментально.The proposed vortex flow energy separator operates according to two combined principles of operation of individual vortex devices, namely a countercurrent vortex ejector and a countercurrent vortex tube with axial and tangential nozzle inputs. However, its optimal mode of operation is not a superposition of these principles and depends on a large number of factors, and is determined experimentally.

Вихревой эжекторный поток, создаваемый дополнительным закрученным потоком газа, увеличивает степень его расширения в вихревой трубе и скорости истечения его из осесимметричных сопловых насадков, что, в свою очередь, увеличивает турбулизацию газа в энергоразделительной камере и соответственно характеристики заявляемого вихревого энергоразделителя.The vortex ejector flow created by the additional swirling gas flow increases the degree of expansion in the vortex tube and the rate of its expiration from the axisymmetric nozzle nozzles, which, in turn, increases the turbulization of the gas in the energy separation chamber and, accordingly, the characteristics of the claimed vortex energy separator.

Рассмотрение интенсификации вихревых процессов, происходящих в энергоразделительной камере, 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 an energy separation chamber from the standpoint of the external periodic exciting force acting on a self-oscillating system, such as a vortex tube, allows implementing 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 согласованной 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 the regulated coordinated pressure pulsation, allows for efficient temperature separation of the gas flow.

Введение системы авторегулирования режимов работы энергоразделительных камер позволяет новым способом организовать вихревые структуры и поддерживать оптимальный режим их работы при различных изменениях внешних условий.The introduction of a system of automatic control of the operating modes of energy separation chambers allows a new way to organize vortex structures and maintain an optimal mode of their 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 the processes of mixing the peripheral and forced vortices in the energy separation chamber.

Введение эжекторов, работающих в пульсирующем режиме от дополнительного потока, позволяет увеличить диссипацию кинетической энергии периферийного потока за счет организации радиальной пульсации внутреннего потока, которая вызывает ее необратимость.The introduction of ejectors operating in a pulsed mode from an additional flow allows one to increase the dissipation of the kinetic energy of the peripheral flow due to the organization of the radial pulsation of the internal flow, which causes its irreversibility.

Из описания предлагаемого способа и устройства, его реализующего, следует, что в них имеет место два различных по назначению потока газа на выходе в камеру энергоразделения: один, основной, входит через сопловой ввод тангенциально для создания вращательного движения газа вокруг ее продольной оси, а другой - с другого конца аксиально или закручено через сопла многокаскадного эжектора для создания острого струйного дутья. Пересечение этих двух потоков в энергоразделительной камере создает высокую турбулентность, способствующую повышению эффективности процесса энергорасширения. При этом в камере энергорасширения, при наличии небольших значений гидравлических и тепловых сопротивлений в тракте рециркуляции, создается практически постоянное статическое давление газа по радиусу камеры по всей длине, очень близкое по величине к периферийному статическому давлению, т.е. к статическому давлению горячего потока на периферии камеры энергоразделения. Следовательно, статическое давление холодного потока и скорость истечения его из камеры энергоразделения выше, чем в других известных вихревых трубах, и для срабатывания энергии требуются меньшие перепады давления на входе в энергоразделительную камеру и выходе из нее.From the description of the proposed method and the device that implements it, it follows that they have two different gas flows at the outlet of the energy separation chamber: one, the main one, enters tangentially through the nozzle inlet to create a rotational motion of the gas around its longitudinal axis, and the other - from the other end axially or twisted through the nozzles of a multistage ejector to create a sharp jet blast. The intersection of these two flows in the energy separation chamber creates high turbulence, contributing to an increase in the efficiency of the energy expansion process. Moreover, in the energy expansion chamber, in the presence of small values of hydraulic and thermal resistances in the recirculation path, an almost constant static gas pressure is created along the radius of the chamber along the entire length, very close in magnitude to the peripheral static pressure, i.e. to the static pressure of the hot stream at the periphery of the energy separation chamber. Therefore, the static pressure of the cold stream and its outflow rate from the energy separation chamber are higher than in other known vortex tubes, and lower pressure drops at the inlet and outlet of the energy separation chamber are required for energy activation.

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 signs 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: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:

- введения взаимодействия автоколебательной системы (вихревой трубы) с вынужденными колебаниями от внешнего дополнительного источника энергии;- introducing the interaction of a self-oscillating system (vortex tube) with forced oscillations from an external additional energy source;

- полного, ступенчатого срабатывания энергии дополнительного потока в зоне взаимодействия вынужденного и свободного вихрей;- full, stepwise actuation of the energy of the additional flow in the zone of interaction of the forced and free vortices;

- подбора оптимального режима работы вихревого энергоразделителя при организованных смешанных колебаниях;- selection of the optimal operating mode of the vortex energy separator with organized mixed vibrations;

- введения системы саморегулирования заданных режимов работы вихревого энергоразделителя потока газа;- introducing a system of self-regulation of specified operating modes of the vortex energy separator of the gas stream;

- 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.- the introduction of a system of deep regulation of the work of energy separation chambers by directed influence on the vortex processes occurring in them, which is not obvious in the known methods and devices that implement them.

Источники информацииSources of information

1. Патент РФ №2114358,1996, МКИ F 25 В 9/04.1. RF patent No. 214358,1996, MKI F 25 V 9/04.

2. А.с. СССР №517756,1975, МКИ F 25 В 9/02.2. A.S. USSR No. 517756.1975, MKI F 25 V 9/02.

3. Патент РФ №2067266,1989, МКИ F 25 В 9/02.3. RF patent No. 2067266.1989, MKI F 25 V 9/02.

4. Патент РФ №2154230,1999, МКИ F 25 В 9/02.4. RF patent №2154230,1999, MKI F 25 V 9/02.

5. Алифанов А.А., Фролов К.В. Взаимодействие нелинейных колебательных систем с источниками энергии -М.: Наука. 1985. -328 с.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 p.

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.-p. 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. Investigation of unstable regimes of gas flow in Ranka vortex tubes // IFZh, XLI, v.5, 1981. -C. 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. The gas flow in the Rank tube and its visualization // Mater. VI All-Union. NTK, Samara. 1990.-p. 34-36.

10. Суслов А.Д. и др. Вихревые аппараты. -М.: Машиностроение, 1985.-256 с.10. Suslov A.D. and other vortex devices. -M.: Engineering, 1985.-256 p.

11. А.с. СССР №1219883, 1985, МКИ F 25 В 9/02.11. A.S. USSR No. 1219883, 1985, MKI F 25 V 9/02.

12. Соколов Е.Я., Зингер Н.М. Струйные аппараты. -М.: Энергоатомиздат, 1989. -352 с.12. Sokolov E.Ya., Singer N.M. Inkjet apparatus. -M .: Energoatomizdat, 1989. -352 p.

13. Меркулов А.Н. Вихревой эффект и его применение в технике. -М.: Машиностроение, 1969.-184 с.13. Merkulov A.N. Vortex effect and its application in technology. -M.: Engineering, 1969.-184 p.

Claims

1. A method of vortex energy separation of a stream by tangential nozzle gas injection, separating it into axial and peripheral flows, introducing an additional swirling gas stream into the near-axis zone, characterized in that they feed an additional gas stream from an autonomous external energy source, heat it in a heat exchanger with a peripheral stream, set with its pulsating vibration frequency f ₁ = 0.4-4 kHz eject them recirculating portion of the peripheral stream is preheated in a heat exchanger and a peripheral flow CPNS dissolved volumetric pressure oscillations with a frequency f ₂ = 8-32 kHz in the gas stream entering the tangential entry nozzle and coordinate its oscillation frequency, temperature and pressure with the oscillation frequency of the external additive fluid, the temperature and pressure of the compressed gas secondary flow.

2. The method according to claim 1, characterized in that the rotation frequency ω _{1 of the} additional swirling flow is set to a multiple of the rotation frequency ω _{2 of the} axial flow of the main stream.

3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the energy of the additional stream is sequentially triggered in one or more stages of the ejector, by regularly mixing the gas from an additional external energy source with a part of the peripheral gas stream recirculated in the vortex separation chamber.

4. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the direction of rotation of the additional stream is set not matching the direction of rotation of the main stream in the energy separation chamber.

5. The method according to claim 1 or 3, characterized in that the ratio of the costs directed to the additional and main flows is set equal to Q _additional / Q _main = 0.25-0.08 with the ratio of the costs of the axial and main gas flows in the vortex energy separator equal to μ '= 0.7-0.95.

6. The method of operation according to any one of claims 1, 3, 5, characterized in that the gas in the receiving chamber of the ejector is supplied from the axial stream at the outlet of the energy separation chamber, and the active gas is supplied to the ejector nozzles in the form of a heated additional stream from an external energy source .

7. The method of operation according to any one of claims 1, 3, 5 and 6, characterized in that the gas temperature of the main stream at the inlet and in the diffuser of the vortex energy separation chamber is measured, compared in the matching unit, a signal is supplied to the controlled gearboxes, and a hot peripheral stream is supplied or part of it from the energy separation chamber to the heat exchangers, heat the main and additional flows of compressed gas to the optimum temperature ratio.

8. A device for vortex energy separation of a gas stream containing an energy separation chamber with a multi-nozzle tangential inlet of compressed gas, an axial flow outlet diaphragm, a peripheral flow output diffuser, an additional swirl gas flow inlet pipe, a swirl, characterized in that it is equipped with an ejector, matching units, the first , the second heat exchangers and pulsators of the input and additional gas flows, sensors for measuring temperature and pulsations of the flow, and the first heat exchanger is installed on the tangential nozzle inlet input, and the ejector is located on the axis of the energy separation chamber from the diffuser side, the flow pulsator and the second heat exchanger are fixed to the additional gas inlet pipe, which ends with the ejector working nozzle, the mixing chamber of which is made in the form of a pipe mounted coaxially in front of the expander, and the blocks coordination is functionally connected on the one hand with sensors for measuring adjustable flow parameters, and on the other hand, with actuators.

9. The device according to claim 8, characterized in that the ejector is multi-stage, and the number of steps is determined by the geometric dimensions of the energy separation chamber and ranges from 2 to 4.

10. The device according to claim 8 or 9, characterized in that the ejector is equipped with replaceable working nozzles.

11. The device according to claim 8, characterized in that at the entrance to the vortex energy separator there is a multi-position switch for switching on the operation of the tangential gas inlet nozzles.

12. The device according to claim 8, characterized in that at the entrance to the vortex energy separator, a mechanism for changing the area of the passage section of the multi-nozzle tangential gas input is introduced, including a damper and a drive unit.

13. The device according to claim 8 or 9, characterized in that the mixing chamber of the ejector is equipped with interchangeable flow swirls and is installed at a distance equal to five to ten diameters of the working nozzle.

14. The device according to claim 8, characterized in that the additional gas supply tube is made in the form of a receiving chamber of the ejector.

15. The device according to claim 8, characterized in that the output channel behind the diffuser is pneumatically connected to the receiving chamber of the ejector by a pipeline.

16. The device according to any one of paragraphs.8, 9, 11, characterized in that the ejector is equipped with a multi-barrel active gas supply system.

17. A device according to any one of claims 8, 9, 13 and 14, characterized in that the ejector is equipped with a multi-position switch for introducing active gas supply shafts into operation.

18. The device according to any one of paragraphs.8, 9, 13, 16 and 17, characterized in that the nozzles of the working nozzles of the ejector are multi-jet with the number of nozzles from 6 to 15, and the axis of the nozzles are parallel to the longitudinal axis of the energy separation chamber.

19. The device according to claim 8, characterized in that the sensors for measuring parameters, namely, pressure pulsations, temperatures and pressures, are connected to the inputs of the matching units, and their outputs are pneumatically connected through the pressure regulators to pulsators and heat exchangers, as well as to the supply barrel switch active gas ejector and with a mechanism for introducing into the work of the nozzles of the tangential gas injection.