RU2420674C2 - Supersonic nozzle for boiling fluid - Google Patents
Supersonic nozzle for boiling fluid Download PDFInfo
- Publication number
- RU2420674C2 RU2420674C2 RU2008138162/06A RU2008138162A RU2420674C2 RU 2420674 C2 RU2420674 C2 RU 2420674C2 RU 2008138162/06 A RU2008138162/06 A RU 2008138162/06A RU 2008138162 A RU2008138162 A RU 2008138162A RU 2420674 C2 RU2420674 C2 RU 2420674C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- nozzle
- section
- flow
- medium
- liquid
- Prior art date
Links
Abstract
Description
Изобретение относится к струйной технике, в частности к устройствам для разгона различных сред с формированием однородного двухфазного потока среды.The invention relates to inkjet technology, in particular to devices for dispersing various media with the formation of a homogeneous two-phase flow of the medium.
Известно сопло в виде сужающе-расширяющегося канала для создания сверхзвукового потока путем пропускания рабочей среды через этот канал под воздействием продольного перепада давления между входом и выходом канала (Соркин Р.Е. Газотермодинамика ракетных двигателей на твердом топливе. - М.: Наука, 1967, с.60-63).Known nozzle in the form of a narrowing-expanding channel for creating a supersonic flow by passing the working medium through this channel under the influence of a longitudinal pressure difference between the inlet and outlet of the channel (Sorkin R.E. Gas Thermodynamics of solid propellant rocket engines. - M .: Nauka, 1967, S.60-63).
Указанное сопло не позволяет эффективно преобразовать энергию давления в кинетическую энергию потока смеси сред, особенно в том случае, когда на вход в сверхзвуковое сопло подается жидкость, а двухфазная среда образуется при ее вскипании за счет снижения давления внутри сопла ниже давления насыщения.The specified nozzle does not allow efficiently converting the pressure energy into the kinetic energy of the flow of the mixture of media, especially when a liquid is supplied to the supersonic nozzle inlet and a two-phase medium is formed when it boils due to a decrease in pressure inside the nozzle below the saturation pressure.
Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является сверхзвуковое сопло для вскипающей жидкости, содержащее входной сужающийся и выходной расширяющийся по ходу среды участки, между которыми расположено минимальное сечение сопла (SU 1268867 А1, МПК F22B 3/04, 1986).The closest to the invention in terms of technical nature and the achieved result is a supersonic nozzle for boiling liquid, containing an inlet narrowing and an outlet expanding along the medium sections between which the minimum section of the nozzle is located (SU 1268867 A1, IPC F22B 3/04, 1986).
Известное сопло позволяет преобразовывать поток жидкости в двухфазный парожидкостной поток. Однако использование установленного внутри сопла парогенерирующего элемента приводит к усложнению конструкции сопла и увеличению гидравлических потерь в проточной части сопла и не оптимизирует работу сопла, оставляя профиль его в расходящейся части профилем сопла Лаваля.Known nozzle allows you to convert the fluid flow into a two-phase vapor-liquid flow. However, the use of a steam generating element installed inside the nozzle complicates the design of the nozzle and increases the hydraulic loss in the flow part of the nozzle and does not optimize the operation of the nozzle, leaving its profile in the diverging part by the profile of the Laval nozzle.
Задачей настоящего изобретения является снижение гидравлических потерь в процессе преобразования потока жидкости в газожидкостной поток и повышение эффективности преобразования в сопле тепловой энергии в механическую работу.The objective of the present invention is to reduce hydraulic losses in the process of converting a fluid stream into a gas-liquid stream and increasing the efficiency of conversion of heat energy into a nozzle into mechanical work.
Технический результат настоящего изобретения заключается в повышении эффективности преобразования энергии давления в кинетическую энергию двухфазного газожидкостного потока среды.The technical result of the present invention is to increase the efficiency of converting pressure energy into kinetic energy of a two-phase gas-liquid flow of a medium.
Решение указанной задачи достигается тем, что в сверхзвуковом сопле для вскипающей жидкости, содержащем входной сужающийся и выходной расширяющийся по ходу среды участки, между которыми расположено минимальное сечение сопла, в соответствии с настоящим изобретением, образующая начальной части расширяющегося участка сопла имеет вогнутую по отношению к оси сопла форму кривой, плавно переходящей в выпуклую по отношению к оси сопла форму в сечении сопла, в котором скорость потока равна локальной скорости звука. Другими словами (что математически более определенно), вторая производная образующей начальной части расширяющегося участка сопла по длине последнего имеет отрицательное значение, в сечении сопла, в котором скорость потока равна локальной скорости звука, эта производная равна нулю, а после этого сечения данная производная имеет положительное значение.The solution to this problem is achieved by the fact that in a supersonic nozzle for a boiling liquid containing inlet narrowing and output expanding along the medium sections between which there is a minimum section of the nozzle, in accordance with the present invention, forming the initial part of the expanding section of the nozzle is concave with respect to the axis nozzle shape is a curve that smoothly transforms into a convex shape relative to the axis of the nozzle in the nozzle section, in which the flow velocity is equal to the local speed of sound. In other words (which is mathematically more specific), the second derivative of the generatrix of the initial part of the expanding nozzle section along the length of the latter has a negative value, in the nozzle section in which the flow velocity is equal to the local speed of sound, this derivative is zero, and after this section this derivative has a positive value.
В настоящем описании в дальнейшем под "критическим" сечением сопла понимается сечение, в котором скорость потока равна локальной скорости звука, а не минимальное сечение сопла.In the present description, hereinafter, the “critical” nozzle section is understood to mean a section in which the flow velocity is equal to the local speed of sound, and not the minimum nozzle section.
Предпочтительно, чтобы текущий диаметр DS (м) в любом поперечном сечении сопла в зависимости от текущего давления P0 (кг/м2) среды в этом сечении составлялPreferably, the current diameter D S (m) in any nozzle cross-section, depending on the current pressure P 0 (kg / m 2 ) of the medium in this section, is
гдеWhere
Gs - заданный массовый расход жидкости через сопло, кг/с;G s - the given mass flow rate of the fluid through the nozzle, kg / s;
ρ - плотность среды в текущем сечении сопла, кг/м3;ρ is the density of the medium in the current section of the nozzle, kg / m 3 ;
W - скорость среды в текущем сечении сопла, м/с;W is the medium velocity in the current nozzle section, m / s;
а диаметр Ds1 (м) "критического" сечения сопла составлялand the diameter D s1 (m) of the “critical” nozzle section was
гдеWhere
Gкр - удельный критический расход среды (кг/с), определяемый из соотношенияG cr - specific critical flow rate of the medium (kg / s), determined from the ratio
gкp=ρкpap, гдеg кp = ρ кp a p , where
ρкр - плотность среды в "критическом" сечении сопла, кг/м3;ρ cr - the density of the medium in the "critical" section of the nozzle, kg / m 3 ;
аp - критическая скорость потока (м/с), равная скорости звука, определяемой из соотношенияand p is the critical flow velocity (m / s), equal to the speed of sound, determined from the relation
kp - показатель адиабаты для текущего сечения сопла.k p is the adiabatic exponent for the current nozzle section.
Кроме того, при условии, что движущаяся в сопле однородная двухфазная смесь представляет собой туманообразную среду, размеры частиц которой меньше длины их свободного пробега, а взаимодействие этих частиц является упругим, показатель адиабаты kp определен из соотношенияIn addition, provided that the homogeneous two-phase mixture moving in the nozzle is a misty medium, the particle sizes of which are smaller than their mean free path, and the interaction of these particles is elastic, the adiabatic exponent k p is determined from the relation
гдеWhere
0,5<βр<1 - объемное соотношение жидкой и газообразной фаз в потоке пароводяной среды в "критическом" сечении сопла.0.5 <β p <1 is the volume ratio of the liquid and gaseous phases in the flow of the steam-water medium in the “critical” section of the nozzle.
Приведенная зависимость для kp является аппроксимацией теоретической зависимости показателя адиабаты однородных двухфазных сред, полученной автором (см. Фисенко В.В. Критические двухфазные потоки. - М.: Атомиздат, 1978, с.50, а также Фисенко В.В. Сжимаемость теплоносителей и эффективность работы контуров циркуляции ЯЭУ. - М.: Энергоатомиздат, 1987, с.55). С помощью этой зависимости рассчитываются параметры потока в любом сечении сопла в функции давления Р0, изменяющегося от давления Ps на входе в сопло до давления Р1 на выходе из него.The given dependence for k p is an approximation of the theoretical dependence of the adiabatic exponent of homogeneous two-phase media obtained by the author (see Fisenko V.V. Critical two-phase flows. - M.: Atomizdat, 1978, p. 50, as well as Fisenko V.V. and the efficiency of the nuclear power circuits. - M.: Energoatomizdat, 1987, p. 55). Using this dependence, the flow parameters are calculated in any nozzle section as a function of pressure P 0 , which varies from pressure Ps at the nozzle inlet to pressure P 1 at the nozzle exit.
В ходе проведенных экспериментальных работ была подтверждена достоверность принятых допущений и выявлено, что представляется возможность достигнуть повышения эффективности преобразования энергии давления в кинетическую энергию потока смеси сред с вскипанием жидкости в проточной части сопла по сравнению с соплом Лаваля.In the course of the experimental work, the validity of the assumptions was confirmed and it was found that it is possible to achieve an increase in the efficiency of converting pressure energy into kinetic energy of the flow of a mixture of media with boiling of liquid in the flow part of the nozzle compared to the Laval nozzle.
Сопло по настоящему изобретению в отличие от сопла Лаваля характеризуется следующим:The nozzle of the present invention, in contrast to the Laval nozzle, is characterized by the following:
- дозвуковым настоящее сопло является не только в его сужающемся участке, но и в некоторой части расширяющегося участка;- the subsonic present nozzle is not only in its tapering section, but also in some part of the expanding section;
- в наиболее узком сечении настоящего сопла устанавливается максимальный удельный расход среды, но в этом сечении скорость потока еще не равна локальной скорости звука, и в этом смысле данное сечение не является "критическим";- in the narrowest section of the present nozzle, the maximum specific flow rate of the medium is established, but in this section the flow velocity is not equal to the local speed of sound, and in this sense this section is not "critical";
- "критическое" сечение, в котором скорость потока равна локальной скорости звука, смещается в настоящем сопле вниз по потоку и находится в расширяющемся участке сопла;- a “critical” section in which the flow velocity is equal to the local speed of sound, is shifted downstream in the present nozzle and is located in the expanding section of the nozzle;
- в "критическом" сечении настоящего сопла не первая, а вторая производная от площади сечения по длине сопла равна нулю, таким образом в "критическом" сечении зависимость площади настоящего сопла от его длины имеет не минимум, как это имеет место в сопле Лаваля, а точку перегиба этой зависимости.- in the “critical” section of the present nozzle, not the first, but the second derivative of the cross-sectional area along the length of the nozzle is zero, thus in the “critical” section the dependence of the area of the present nozzle on its length is not minimum, as is the case in the Laval nozzle, but the inflection point of this dependence.
Такой характер зависимости профиля сопла от его длины объясняется следующим. Жидкость на входе в сопло является недогретой до температуры насыщения. За счет сужения сопла скорость потока возрастает, давление в нем падает, удельный расход на единицу площади сечения увеличивается. Так продолжается до тех пор, пока давление в потоке не станет равным давлению насыщения при заданной температуре, после чего жидкость вскипает, плотность потока резко уменьшается, скорость потока резко увеличивается, а скорость звука резко падает (увеличивается сжимаемость потока), растет производная площади сечения по длине сопла. Так продолжается до тех пор, пока объемное соотношение фаз в смеси не достигнет своего значения, равного 0,5, после чего скорость потока будет продолжать расти, но начнет расти и скорость звука, темп роста производной площади сечения от длины сопла замедляется, а затем по мере того, как растет доля газа в смеси и сжимаемость ее все больше приближается к сжимаемости газа, выходной участок сверхзвуковой части сопла приближается к профилю традиционного сопла Лаваля.This nature of the dependence of the nozzle profile on its length is explained by the following. The fluid at the inlet to the nozzle is not preheated to saturation temperature. Due to the narrowing of the nozzle, the flow rate increases, the pressure in it decreases, the specific flow rate per unit cross-sectional area increases. This continues until the pressure in the stream is equal to the saturation pressure at a given temperature, after which the liquid boils, the flow density decreases sharply, the flow velocity increases sharply, and the speed of sound drops sharply (compressibility of the flow increases), the derivative of the cross-sectional area with respect to the length of the nozzle. This continues until the volume ratio of phases in the mixture reaches its value equal to 0.5, after which the flow rate will continue to grow, but the speed of sound will also increase, the growth rate of the derivative sectional area from the nozzle length will slow down, and then as the proportion of gas in the mixture grows and its compressibility approaches the compressibility of the gas more and more, the output section of the supersonic part of the nozzle approaches the profile of a traditional Laval nozzle.
В ходе построения конкретного профиля сопла выбирается базовая длина сопла Lo (мм). На этой длине текущее значение давления Р0 меняется от его максимального значения Ps на входе в сопло до его значения Р1 в выходном сечении, а отношение разности давлений между входным и выходным сечением сопла к базовой длине позволяет с помощью указанных выше математических соотношений параметров в проточной части сопла построить зависимость изменения профиля сопла от давления.During the construction of a specific nozzle profile, the base nozzle length L o (mm) is selected. At this length, the current pressure value P 0 varies from its maximum value Ps at the nozzle inlet to its value P 1 in the output section, and the ratio of the pressure difference between the input and output section of the nozzle to the base length allows using the above mathematical relations of the parameters in the flow parts of the nozzle to build the pressure profile of the nozzle.
Изобретение поясняется чертежом, на котором схематически представлен профиль проточной части сверхзвукового сопла для вскипающей жидкости.The invention is illustrated in the drawing, which schematically shows the profile of the flowing part of a supersonic nozzle for boiling liquid.
В примере, показанном на чертеже, Ps=2 МПа, a P1=0,01 МПа. Направление движения потока справа налево.In the example shown in the drawing, Ps = 2 MPa, and P 1 = 0.01 MPa. The direction of flow is from right to left.
Предложенное сверхзвуковое сопло для вскипающей жидкости содержит входной сужающийся 1 и выходной расширяющийся 2 участки по ходу среды и расположенное между ними минимальное (наиболее узкое) сечение 3 сопла, в котором устанавливается максимальный удельный расход жидкости (на чертеже показано пунктиром P01min). Образующая расширяющегося участка 2 сопла по ходу среды образована вогнутой по отношению к оси сопла кривой, плавно переходящей в выпуклую кривую в "критическом" сечении сопла, т.е. в сечении сопла, где поток достигает скорости звука (пунктир P01cr на чертеже). Текущий диаметр Ds в каждом поперечном сечении сопла по ходу среды в зависимости от текущего значения давления Р0 среды в этом сечении составляетThe proposed supersonic nozzle for boiling liquid contains an inlet tapering 1 and an outlet expanding 2 sections along the medium and the minimum (narrowest) section 3 of the nozzle located between them, in which the maximum specific flow rate of the liquid is set (shown in dotted line P01min). The generatrix of the expanding nozzle section 2 along the medium is formed by a curve concave with respect to the nozzle axis that smoothly transforms into a convex curve in the “critical” nozzle section, i.e. in the nozzle section, where the flow reaches the speed of sound (dotted line P01cr in the drawing). The current diameter D s in each cross section of the nozzle along the medium, depending on the current value of the pressure P 0 of the medium in this section is
гдеWhere
Gs - заданный расход жидкости через сопло;G s - a given flow rate of fluid through the nozzle;
ρ - плотность среды в текущем сечении сопла;ρ is the density of the medium in the current section of the nozzle;
W - скорость среды в текущем сечении сопла;W is the velocity of the medium in the current section of the nozzle;
а диаметр "критического" сечения Ds1 and the diameter of the “critical” section D s1
гдеWhere
Gкр - удельный критический расход среды, определяемый из соотношенияG cr - specific critical flow rate, determined from the ratio
gкр=ρкрар,g cr = ρ cr a p ,
гдеWhere
ρкр - плотность среды в "критическом" сечении сопла;ρ cr - the density of the medium in the "critical" section of the nozzle;
аp - критическая скорость потока, равная скорости звука, определяемой из соотношенияand p is the critical flow velocity equal to the speed of sound, determined from the relation
гдеWhere
kр - показатель адиабаты для текущего сечения сопла, определяемый из соотношенияk p - adiabatic index for the current nozzle section, determined from the ratio
гдеWhere
0,5<βp<1 - объемное соотношение жидкой и газообразной фаз в потоке пароводяной среды в "критическом" сечении сопла.0.5 <β p <1 is the volume ratio of the liquid and gaseous phases in the flow of the steam-water medium in the “critical” section of the nozzle.
При работе предложенного сверхзвукового сопла в результате геометрического воздействия на поток газа насыщенной или нагретой жидкости на входном сужающемся участке 1 и затем на выходном расширяющемся участке 2 сопла за счет преобразования подаваемого под давлением потока жидкости в скоростной поток, в котором резко понижается статическое давление, дозвуковой поток жидкости превращается в сверхзвуковой поток газожидкостной, парожидкостной или паро-газожидкостной смеси на выходе из сопла.When the proposed supersonic nozzle is operated as a result of a geometric effect on the gas stream of saturated or heated liquid in the inlet narrowing section 1 and then in the expanding outlet section 2 of the nozzle due to the conversion of the liquid stream supplied under pressure into a high-speed stream in which the static pressure sharply decreases, the subsonic stream liquid is converted into a supersonic flow of gas-liquid, vapor-liquid or vapor-gas-liquid mixture at the exit of the nozzle.
Описанное выше сверхзвуковое сопло может быть использовано в энергетике, на транспорте, в пищевой, химической, фармацевтической, нефтеперерабатывающей и в других отраслях промышленности, в которых актуальным является получение сверхзвукового потока однородной двухфазной смеси из газа насыщенной или нагретой жидкости, как с целью эффективного преобразования потенциальный энергии жидкости в кинетическою энергию смеси, так и с целью приготовления однородной смеси различных веществ и создания гомогенной смеси с сильно развитой поверхностью раздела фаз, при которой интенсивно протекают любые обменные процессы и химические реакции.The supersonic nozzle described above can be used in energy, transport, food, chemical, pharmaceutical, oil refining and other industries where it is relevant to obtain a supersonic flow of a homogeneous two-phase mixture from a gas of saturated or heated liquid, as a potential conversion liquid energy into the kinetic energy of the mixture, and in order to prepare a homogeneous mixture of various substances and create a homogeneous mixture with a highly developed surface Stu phase interface at which intensively occur any metabolic processes and chemical reactions.
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2008138162/06A RU2420674C2 (en) | 2008-09-25 | 2008-09-25 | Supersonic nozzle for boiling fluid |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2008138162/06A RU2420674C2 (en) | 2008-09-25 | 2008-09-25 | Supersonic nozzle for boiling fluid |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2008138162A RU2008138162A (en) | 2010-03-27 |
| RU2420674C2 true RU2420674C2 (en) | 2011-06-10 |
Family
ID=42138128
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2008138162/06A RU2420674C2 (en) | 2008-09-25 | 2008-09-25 | Supersonic nozzle for boiling fluid |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2420674C2 (en) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US8453997B2 (en) * | 2010-11-20 | 2013-06-04 | Fisonic Holding Limited | Supersonic nozzle |
| US8485455B2 (en) | 2010-11-20 | 2013-07-16 | Fisonic Holding Limited | Supersonic nozzle for boiling liquid |
| US8550693B2 (en) | 2009-09-30 | 2013-10-08 | Fisonic Holding Limited | Device for preparation of water-fuel emulsion |
| RU2574788C2 (en) * | 2011-03-05 | 2016-02-10 | Николай Алексеевич Шестеренко | Shesterenko(s supersonic nozzle |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US8104745B1 (en) | 2010-11-20 | 2012-01-31 | Vladimir Vladimirovich Fisenko | Heat-generating jet injection |
-
2008
- 2008-09-25 RU RU2008138162/06A patent/RU2420674C2/en not_active IP Right Cessation
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| Лопаточные машины и струйные аппараты. Сборник статей. Выпуск 5. - М.: Машиностроение, 1971, с.209-214, рис.5, 6. * |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US8550693B2 (en) | 2009-09-30 | 2013-10-08 | Fisonic Holding Limited | Device for preparation of water-fuel emulsion |
| US8453997B2 (en) * | 2010-11-20 | 2013-06-04 | Fisonic Holding Limited | Supersonic nozzle |
| US8485455B2 (en) | 2010-11-20 | 2013-07-16 | Fisonic Holding Limited | Supersonic nozzle for boiling liquid |
| RU2574788C2 (en) * | 2011-03-05 | 2016-02-10 | Николай Алексеевич Шестеренко | Shesterenko(s supersonic nozzle |
| WO2013093589A1 (en) | 2011-12-23 | 2013-06-27 | Fisonic Holding Limited | Supersonic nozzle |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2008138162A (en) | 2010-03-27 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Wu et al. | Experimental study on the condensation of supersonic steam jet submerged in quiescent subcooled water: steam plume shape and heat transfer | |
| US8387956B2 (en) | Heat-generating jet injection | |
| Chen et al. | Numerical optimization on the geometrical factors of natural gas ejectors | |
| RU2420674C2 (en) | Supersonic nozzle for boiling fluid | |
| Zhang et al. | Modeling and experimental investigation on water-driven steam injector for waste heat recovery | |
| Trela et al. | Exergy analysis of two-phase steam–water injector | |
| Chong et al. | Structural optimization and experimental investigation of supersonic ejectors for boosting low pressure natural gas | |
| Lampart et al. | Design analysis of Tesla micro-turbine operating on a low-boiling medium | |
| US8453997B2 (en) | Supersonic nozzle | |
| Rogovyi et al. | Comparative analysis of performance characteristics of jet vortex type superchages | |
| US8485455B2 (en) | Supersonic nozzle for boiling liquid | |
| US8550693B2 (en) | Device for preparation of water-fuel emulsion | |
| Khaliulin et al. | Development of the Technique for Calculating the Ejectors with Low Entrainment Ratios | |
| Tao et al. | Characteristics of static pre-cyclonic steam ejector | |
| Gazzar et al. | Numerical study of flow inside an annular jet pump | |
| Andrenko et al. | Labyrinth screw pump theory | |
| JP6866187B2 (en) | Turbine nozzle and radial turbine equipped with it | |
| Lee et al. | Studies on ejector systems for hydrogen fuel cell | |
| Mikielewicz et al. | A Simple Analytical Model of Direct-Contact Condensation from Vapour-Inert Gas Mixture in a Spray Ejector Condenser | |
| Mikielewicz et al. | Direct-contact condensation from vapour-gas mixture in a spray ejector condenser for negative CO2 power plant | |
| Guo et al. | Anti-cavitation performance of a splitter-bladed inducer under different flow rates and different inlet pressures | |
| RU2282115C1 (en) | Hydraulic heat-generator | |
| Muntean et al. | 3D numerical analysis of unsteady pressure fluctuations in a swirling flow without and with axial water jet control | |
| RU120162U1 (en) | JET PUMP | |
| Chekh et al. | Adiabated flowing streams in nozzles: influence of regular characteristics on relaxation steam formation |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20150926 |