RU2526505C1 - Method of gas flow creation in aerodynamic tunnel and aerodynamic tunnel - Google Patents
Method of gas flow creation in aerodynamic tunnel and aerodynamic tunnel Download PDFInfo
- Publication number
- RU2526505C1 RU2526505C1 RU2013115012/28A RU2013115012A RU2526505C1 RU 2526505 C1 RU2526505 C1 RU 2526505C1 RU 2013115012/28 A RU2013115012/28 A RU 2013115012/28A RU 2013115012 A RU2013115012 A RU 2013115012A RU 2526505 C1 RU2526505 C1 RU 2526505C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- gas
- vacuum chamber
- cryopanels
- pressure
- tank
- Prior art date
Links
Landscapes
- Compressors, Vaccum Pumps And Other Relevant Systems (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области промышленной аэродинамики, в частности к гиперзвуковым аэродинамическим трубам (АДТ).The invention relates to the field of industrial aerodynamics, in particular to hypersonic wind tunnels (ADT).
Отличительной особенностью этих АДТ является необходимость при больших числах Maxa M>4 нагревать поток для предотвращения конденсации газа, причем, чем больше скорость, тем выше уровень предварительного подогрева.A distinctive feature of these ADTs is the need for large numbers of Maxa M> 4 to heat the flow to prevent gas condensation, and the higher the speed, the higher the preheating level.
Другой особенностью гиперзвуковых АДТ является то, что для реализации течения в гиперзвуковом сопле необходимо, например, для числа M=12 обеспечить отношение давлений в форкамере сопла и в рабочей части трубы порядка 106.Another feature of hypersonic ADTs is that for the flow to occur in a hypersonic nozzle, it is necessary, for example, for the number M = 12, to provide a pressure ratio in the nozzle chamber and in the working part of the pipe of the order of 10 6 .
В промышленных трубах такие перепады давления получают как за счет высокого давления порядка 10÷100 МПа в форкамере сопла для получения натурных чисел Маха и Рейнольдса, так и понижения давления в рабочей части трубы.In industrial pipes, such pressure drops are obtained both due to high pressure of the order of 10 ÷ 100 MPa in the nozzle chamber for obtaining full-scale Mach and Reynolds numbers, as well as lowering the pressure in the working part of the pipe.
Любая гиперзвуковая АДТ включает 4 основные системы: систему снабжения газом высокого давления, систему подогрева газа перед подачей в сопло, систему охлаждения газа после рабочей части и систему вакуумирования газа из рабочей части АДТ.Any hypersonic ADT includes 4 main systems: a high pressure gas supply system, a gas heating system before being fed into the nozzle, a gas cooling system after the working part, and a gas evacuation system from the working part of the ADT.
Газ высокого давления получают в основном с помощью многоступенчатых компрессоров, которые предварительно нагнетают газ в соответствующие резервуары, в системе подогрева газа обычно используют электрические или кауперные нагреватели, в системе охлаждения используется вода, а вакуумирование производится с помощью системы многоступенчатых эжекторов или вакуумных насосов.High-pressure gas is obtained mainly with the help of multistage compressors, which pre-pump gas into the respective tanks, electric or cooler heaters are usually used in the gas heating system, water is used in the cooling system, and evacuation is carried out using a system of multistage ejectors or vacuum pumps.
Описание стандартной гиперзвуковой АДТ и способа создания в ней потока приведено в книге "ЦАГИ - центр авиационной науки", авторов Г.С.Бюшгенса, Е.Л.Бедржицкого, М., Наука, 1993, с. 224-226.A description of the standard hypersonic ADT and the method of creating a stream in it is given in the book TsAGI - Center for Aviation Science, by G.S.Byushgens, E.L. Bedrzhitsky, M., Nauka, 1993, p. 224-226.
Недостатками стандартных гиперзвуковых АДТ, использующих компрессоры, являются малый период действия АДТ ~ 1÷300с, большие энергетические затраты на получение сжатого газа для работы сопла и на вакуумирование рабочей части, особенно, когда оно производится с помощью многоступенчатых эжекторов, потребляющих большое количество газа высокого давления. Кроме того, для охвата всего гиперзвукового диапазона скоростей 4≤М≤25 приходится строить 2-3 таких АДТ.The disadvantages of standard hypersonic ADTs using compressors are the short duration of the ADT ~ 1 ÷ 300 s, the high energy costs of obtaining compressed gas for the nozzle and the evacuation of the working part, especially when it is done using multi-stage ejectors that consume a large amount of high-pressure gas . In addition, to cover the entire hypersonic speed range of 4≤M≤25, it is necessary to build 2-3 such ADTs.
В тех практических задачах, где возникает потребность в создании разрежения в пределах 102÷10-5 Па, что соответствуют числам М≥18, обычно используется один из трех типов насосов: масляный диффузионный насос, турбомолекулярный насос и криогенный конденсационный насос (ККН). На заключительных этапах вакуумирования в гиперзвуковых АДТ с числами М≥20 и расходах газа через сопло m≥1 кг/с для получения стационарного потока, необходимой продолжительности в зависимости от числа М и типа испытаний (весовые, тепловые, распределения давлений и т.д.) обычно используются ККН.In those practical problems where there is a need to create a vacuum within 10 2 ÷ 10 -5 Pa, which corresponds to numbers M≥18, one of three types of pumps is usually used: an oil diffusion pump, a turbomolecular pump and a cryogenic condensation pump (KKN). At the final stages of evacuation in hypersonic ADT with numbers M≥20 and gas flow rates through the nozzle m≥1 kg / s to obtain a stationary flow, the required duration depending on the number M and the type of tests (weight, thermal, pressure distributions, etc. ) KKN are usually used.
Примером такой установки является гиперзвуковая вакуумная аэродинамическая труба (Метод и результаты исследований моделей ВКС со струями в гиперзвуковой криогенно-вакуумной аэродинамической трубе. В.И.Благосклонов, В.А.Жохов, В.Г.Кехваянц и др., "Ученые записки ЦАГИ", т. XXX, № 1-2, 1999 г.), где используют запасенный в баллонах сжатый газ, нагревают его для создания гиперзвукового потока, а затем в ККН на предварительно охлажденных криопанелях напускаемый газ после обтекания модели конденсируют в твердую фазу.An example of such a setup is a hypersonic vacuum wind tunnel (Method and results of studies of VKS models with jets in a hypersonic cryogenic-vacuum wind tunnel. V.I. Blagosklonov, V. A. Zhokhov, V. G. Kekhvayants and others, "TsAGI Scientific Notes ", v. XXX, No. 1-2, 1999), where compressed gas stored in cylinders is used, it is heated to create a hypersonic flow, and then in the air pump on precooled cryopanels, the injected gas after flowing around the model is condensed into the solid phase.
Основным недостатком этой АДТ и способа создания потока в ней является совмещение рабочей части трубы с вакуумной камерой и с ККН, что приводит при каждой перестановке модели к существенным потерям времени и увеличению энергозатрат, связанных с повторным вакуумированием рабочей части и захолаживанием криопанелей. Кроме того, из-за расположения криопанели на периферии рабочей части, на нее из внешней среды воздействуют тепловые потоки, соизмеримые с тепловой нагрузкой, создаваемой теплотой конденсации газа. Существенные тепловые нагрузки на криопанель возникают еще и из-за того, что горячий газ конденсируется без предварительного охлаждения из-за вышеупомянутого размещения ККН на периферии рабочей части АДТ. Твердофазный газ, накопленный на криопанелях, не используется в дальнейшем для пополнения запасов газа высокого давления АДТ.The main disadvantage of this ADT and the method of creating a flow in it is the combination of the working part of the pipe with a vacuum chamber and with an SCC, which leads to significant time losses and an increase in energy costs associated with re-evacuation of the working part and cooling of cryopanels at each rearrangement of the model. In addition, due to the location of the cryopanel on the periphery of the working part, heat fluxes that are comparable to the heat load created by the heat of condensation of the gas act on it from the external environment. Significant thermal loads on the cryopanel also arise due to the fact that the hot gas condenses without preliminary cooling due to the aforementioned placement of SCC on the periphery of the working part of the ADT. The solid-phase gas accumulated on cryopanels is not used in the future to replenish the reserves of high pressure gas ADT.
Наиболее близким аналогом является азотная гиперзвуковая АДТ НИЦ им. Лэнгли США ("Аэродинамические трубы для исследований при больших числах Рейнольдса", обзор ЦАГИ, № 353, 1971, с. 11-12) и способ создания потока в ней, где вместо компрессора для получения газа высокого давления используют запасаемый в резервуаре жидкий азот, который по мере необходимости газифицируют и заполняют резервуары газа высокого давления, для уменьшения нагрузки на вакуумные насосы рабочий газ перед поступлением в вакуумную камеру охлаждают.The closest analogue is nitrogen hypersonic ADT SIC them. Langley USA ("Wind tunnels for research at high Reynolds numbers", TsAGI review, No. 353, 1971, p. 11-12) and a method for creating a flow in it, where instead of a compressor, liquid nitrogen stored in the tank is used to produce high pressure gas, which, as necessary, gasify and fill the reservoirs of high pressure gas, to reduce the load on the vacuum pumps, the working gas is cooled before entering the vacuum chamber.
Недостатками этой АДТ и способа создания потока в ней являются малая продолжительность эксперимента, связанная с ограниченным запасом жидкого газа, затраты дополнительной энергии на газификацию жидкого газа, использование воды в качестве хладагента в газоохладителе, использование обычных вакуумных насосов вместо ККН.The disadvantages of this ADT and the method of creating a flow in it are the short duration of the experiment, associated with a limited supply of liquid gas, the cost of additional energy for gasification of liquid gas, the use of water as a refrigerant in a gas cooler, the use of conventional vacuum pumps instead of KKN.
Задачей изобретения является создание компактной, дешевой в строительстве и экономичной в эксплуатации АДТ непрерывного действия, охватывающей весь гиперзвуковой диапазон скоростей с числами Маха 4≤М≤25.The objective of the invention is to create a compact, cheap in construction and economical in operation, continuous-flow ADT, covering the entire hypersonic speed range with Mach numbers 4≤M≤25.
Техническим результатом настоящего изобретения является увеличение расхода откачиваемого газа, снижение энергозатрат на получение газа высокого давления, на газификацию жидкого газа, нагрев и охлаждение рабочего газа, получение термоэлектрической энергии, увеличение времени работы АДТ, уменьшение ее габаритов.The technical result of the present invention is to increase the flow rate of pumped gas, reduce energy costs for producing high pressure gas, for gasification of liquid gas, heating and cooling the working gas, producing thermoelectric energy, increasing the operating time of ADT, reducing its size.
Указанный технический результат достигается тем, что в способе создания потока в гиперзвуковой вакуумной аэродинамической трубе, включающем генерацию газа высокого давления из жидкого газа путем его газификации, регулирование давления и нагрев газа, охлаждение стенок сопла, рабочей части и диффузора, охлаждение рабочего газа в газоохладителе, создание разрежения в вакуумной камере, откачку газа из вакуумной камеры производят с помощью криогенных конденсационных насосов (ККН), вымораживая рабочий газ на криопанелях в твердую фазу, при превышении предельной толщины слоя конденсата производят регенерацию криопанелей, напуская осушенный атмосферный воздух в изолированную полость ККН, полученный в результате регенерации сжиженный газ откачивают для хранения в резервуаре, откуда частично отбирают для газификации и охлаждения рабочего газа в газоохладителе, а полученный газ высокой температуры и давления направляют в резервуар газа высокого давления и (или) используют в газификаторе, кроме того, газ из резервуара высокого давления используют в качестве эжектирующего в многоступенчатом эжекторе при превышении допустимого давления в вакуумной камере, получают термоэлектрическую энергию за счет разницы температур стенок элементов АДТ, омываемых горячим (Т=1500÷3000К) и холодным (Т≈100К) газом.The specified technical result is achieved by the fact that in the method of creating a flow in a hypersonic vacuum wind tunnel, including the generation of high pressure gas from liquid gas by gasifying it, regulating the pressure and heating the gas, cooling the walls of the nozzle, working part and diffuser, cooling the working gas in the gas cooler, creating a vacuum in the vacuum chamber, pumping gas from the vacuum chamber is carried out using cryogenic condensation pumps (KKN), freezing the working gas on cryopanels in the solid phase, with To increase the maximum thickness of the condensate layer, cryopanels are regenerated by letting dried atmospheric air into an isolated KKN cavity, the liquefied gas obtained as a result of regeneration is pumped out for storage in a tank, from where it is partially taken away for gasification and cooling of the working gas in the gas cooler, and the resulting high-temperature and pressure gas is sent in the reservoir of high pressure gas and (or) is used in the gasifier, in addition, gas from the reservoir of high pressure is used as ejecting in Multistage ejector when exceeding the allowable pressure in the vacuum chamber obtained thermoelectric energy due to temperature differences wall elements ADT, washed with hot (T = 1500 ÷ 3000 K) and cold (T≈100K) gas.
Указанный технический результат достигается также тем, что в способе создания потока в гиперзвуковой вакуумной аэродинамической трубе криогенный конденсационный насос работает в импульсном режиме.The specified technical result is also achieved by the fact that in the method of creating a flow in a hypersonic vacuum wind tunnel, the cryogenic condensation pump operates in a pulsed mode.
Указанный технический результат достигается также и тем, что в гиперзвуковой аэродинамической трубе, содержащей резервуар с жидким газом, газификатор жидкого газа, резервуар газа высокого давления, регулятор давления, подогреватель газа, гиперзвуковое сопло, рабочую часть, диффузор, газоохладитель, вакуумную камеру, насосы для откачки газа из вакуумной камеры, применяют для откачки вакуумной камеры криогенные конденсационные насосы (ККН), осушитель атмосферного воздуха, используемого для газификации жидкого газа и регенерации криопанелей, с резервуаром для хранения и насосом для его перекачки в газификатор, насосы для перекачки жидкого газа, полученного при регенерации криопанелей в резервуар жидкого газа, в газификатор и в газоохладитель, кроме того, АДТ содержит многоступенчатый эжектор для создания разрежения в вакуумной камере, клапаны и затворы для изоляции вакуумной камеры от газонагревателя, криогенных насосов и эжектора, термопары для получения электроэнергии за счет разницы температур стенок элементов АДТ, омываемых горячим (Т=1500÷3000 K) и холодным (Т≈100 K) газом.The specified technical result is also achieved by the fact that in a hypersonic wind tunnel containing a tank with liquid gas, a gasifier for gas, a high pressure gas tank, a pressure regulator, a gas heater, a hypersonic nozzle, a working part, a diffuser, a gas cooler, a vacuum chamber, pumps for gas evacuation from the vacuum chamber, cryogenic condensation pumps (KKN) are used to evacuate the vacuum chamber, the dehumidifier of atmospheric air used for gasification of liquid gas and cryopan regeneration lei, with a storage tank and a pump for its transfer to the gasifier, pumps for pumping liquid gas obtained during the regeneration of cryopanels into the liquid gas tank, into the gasifier and gas cooler, in addition, the ADT contains a multi-stage ejector to create a vacuum in the vacuum chamber, valves and gates for isolating the vacuum chamber from the gas heater, cryogenic pumps and ejector, thermocouples for generating electricity due to the temperature difference between the walls of the ADT elements washed by hot (T = 1500 ÷ 3000 K) and cold (T≈100 K) gas m
Указанный технический результат достигается также и тем, что в гиперзвуковой аэродинамической трубе криогенный конденсационный насос выполнен в виде пакета вложенных друг в друга с зазором перфорированных криопанелей, выполненных из пористого металла с открытой системой пор.The specified technical result is also achieved by the fact that in a hypersonic wind tunnel, the cryogenic condensation pump is made in the form of a package of perforated cryopanels nested into each other with a gap made of porous metal with an open pore system.
На фиг.1 представлена схема предлагаемой гиперзвуковой аэродинамической трубы с основными элементами (АДТ). АДТ включает систему регулирования газа высокого давления (1), газонагреватель (2), сопло (3), рабочую часть с моделью (4), диффузор (5), газоохладитель (6), вакуумную камеру (7), осушитель атмосферного воздуха с резервуаром для его хранения (8), криогенные конденсационные насосы (9), насосы перекачки жидкого газа (10), линию (11) подвода жидкого газа к газоохладителю и отвода получившегося газа к газификатору и резервуару высокого давления (12), резервуар для хранения жидкого газа (13), газификатор (14), резервуар газа высокого давления (15), линию (16) подачи высоконапорного газа к многоступенчатому эжектору (17), линию (18) подачи осушенного атмосферного воздуха в газификатор с помощью насоса (19), клапаны и затворы (20-26).Figure 1 presents a diagram of the proposed hypersonic wind tunnel with the main elements (ADT). ADT includes a high-pressure gas control system (1), a gas heater (2), a nozzle (3), a working part with a model (4), a diffuser (5), a gas cooler (6), a vacuum chamber (7), an air dryer with a reservoir for its storage (8), cryogenic condensation pumps (9), liquid gas transfer pumps (10), a line (11) for supplying liquid gas to a gas cooler and for removing the resulting gas to a gasifier and a high pressure tank (12), a tank for storing liquid gas (13), gasifier (14), high pressure gas tank (15), high-pressure line (16) onapornogo multistage gas to the ejector (17), a line (18) feeding the dried air to the gasifier with a pump (19), valves and gates (20-26).
Способ создания потока в гиперзвуковой аэродинамической трубе рассмотрим на примере работы приведенной выше АДТ (фиг.1), когда в вакуумной камере, рабочей части и полостях крионасосов газ находится в атмосферных условиях. Число KKH в системе вакуумирования выбирается с учетом расхода газа через гиперзвуковое сопло, объема вакуумной камеры, продолжительности эксперимента и производительности KKH.The way to create a flow in a hypersonic wind tunnel will be considered on the example of the above ADT (Fig. 1), when the gas is in atmospheric conditions in the vacuum chamber, working part and cavities of cryopumps. The KKH number in the evacuation system is selected taking into account the gas flow through the hypersonic nozzle, the volume of the vacuum chamber, the duration of the experiment, and KKH productivity.
Перед началом работы АДТ в этом случае закрывают клапаны (20-22) и изолируют ККН (9) от АДТ и приводят в рабочее состояние первый из ККН, т.е. обеспечивают соответствующие давление в полости ККН и температуру криопанелей Т=10÷25 К, достаточные для вымораживания в твердую фазу поступающего из вакуумной камеры газа. Криопанели ККН (9) охлаждают рефрижераторами на базе гелиевых компрессоров (на рисунке не показаны), вырабатывающих жидкий или газообразный гелий. Далее с помощью первого ККН последовательно откачивают полости остальных ККН и с помощью жидкого или газообразного гелия охлаждают криопанели всех ККН до температур Т=10÷25 K. После этого открывают клапан (20) и при закрытых клапанах (24) и (25) начинают откачку пространства АДТ от вакуумной камеры (7) до сопла (3) всеми ККН.Before starting work, the ADT in this case, close the valves (20-22) and isolate the KKN (9) from the ADT and bring into operation the first of the KKN, i.e. provide the appropriate pressure in the cavity of the CCV and the temperature of the cryopanels T = 10 ÷ 25 K, sufficient to freeze the gas coming from the vacuum chamber into the solid phase. KKN cryopanels (9) are cooled by refrigerators based on helium compressors (not shown in the figure) that produce liquid or gaseous helium. Then, using the first KKN, the cavities of the remaining KKN are sequentially pumped out and, using liquid or gaseous helium, the cryopanels of all KKN are cooled to temperatures T = 10 ÷ 25 K. After this, valve (20) is opened and pumping is started with valves (24) and (25) closed ADT spaces from the vacuum chamber (7) to the nozzle (3) by all KKN.
Далее производят запуск сопла и измерение необходимых параметров при обтекании потоком исследуемой модели, размещенной в рабочей части АДТ. Соответствующий уровень давления в вакуумной камере и в рабочей части АДТ поддерживают при помощи ККН, что обеспечивает стационарный режим истечения газа из сопла необходимой продолжительности в зависимости от числа М и типа испытаний (весовые, тепловые, распределения давлений и т.д.). Описанная процедура самая напряженная для работы крионасосов: вакуумирование начинается с атмосферного давления в вакуумной камере и в полостях ККН; в последующих пусках ККН начинают работать с уже достигнутого уровня разрежения в вакуумной камере и с охлажденными до Т=10÷25 К криопанелями, так как после окончания эксперимента закрывают клапан (23), изолируя вакуумную камеру и ККН от остальной части АДТ.Next, the nozzle is launched and the necessary parameters are measured when flowing over the flow of the investigated model, located in the working part of the ADT. The corresponding pressure level in the vacuum chamber and in the working part of the pressure transformer is supported by the SCC, which provides a stationary mode of gas outflow from the nozzle of the required duration, depending on the number M and type of tests (weight, thermal, pressure distributions, etc.). The described procedure is the most stressful for the operation of cryopumps: evacuation begins with atmospheric pressure in the vacuum chamber and in the cavities of the pump chamber; in subsequent launches, KKN start working from the already achieved vacuum level in the vacuum chamber and with cryopanels cooled to T = 10 ÷ 25 K, since after the experiment the valve (23) is closed, isolating the vacuum chamber and KKN from the rest of the ADT.
При образовании на криопанели толстого слоя твердофазного газа, препятствующего дальнейшей конденсации газа, производят операцию регенерации ККН, т.е. удаления налипшего слоя. Рационально эту процедуру совместить по времени с технологическими перерывами в работе АДТ.When a thick layer of solid-phase gas is formed on the cryopanel that impedes further gas condensation, an SCC regeneration operation is performed, i.e. removal of the adherent layer. It is rational to combine this procedure in time with technological interruptions in the operation of ADT.
Для этого перестают охлаждать соответствующий ККН, открывают клапан (21) и напускают в изолированную полость ККН атмосферный воздух, очищенный от паров воды с помощью осушителя (8). Твердофазный газ в результате нагрева плавится и переходит в жидкую фазу, а напускаемый воздух охлаждается и частично конденсируется в жидкую фазу. Таким образом, после каждой регенерации масса жидкого газа увеличивается по сравнению с массой сконденсированного на криопанели твердого газа, так как, во-первых, плавится весь твердофазный газ, во-вторых, часть осушенного атмосферного воздуха из резервуара (8), отправленная в полость ККН для плавления твердофазного газа, сама превращается в жидкий газ.To do this, they stop cooling the corresponding KKN, open the valve (21) and let in atmospheric air purified from water vapor using a desiccant (8) into the insulated KKN cavity. The solid-phase gas, as a result of heating, melts and passes into the liquid phase, and the let-in air cools and partially condenses into the liquid phase. Thus, after each regeneration, the mass of liquid gas increases in comparison with the mass of solid gas condensed on the cryopanel, since, firstly, all solid-phase gas melts, and secondly, part of the dried atmospheric air from the tank (8) sent to the CCV cavity for melting solid-phase gas, it itself turns into liquid gas.
Из уравнений баланса энергии, затрачиваемой массой m2 осушенного воздуха с температурой T2 на нагрев массы m1 твердого газа от начальной температуры T1 до температуры конденсации газа Tконд, включая теплоту плавления λ этой массы m1, можно вычислить:From the equations of the balance of energy expended by the mass m 2 of dried air with temperature T 2 to heat the mass m 1 of solid gas from the initial temperature T 1 to the gas condensation temperature T cond , including the heat of fusion λ of this mass m 1 , we can calculate:
m2=m1(Cг(Tконд-T1)+λ)/(Cв(T2-Tконд)+q),m 2 = m 1 (C g (T cond -T 1 ) + λ) / (C in (T 2 -T cond ) + q),
где Сг - средняя теплоемкость газа в интервале температур T1÷Тконд, а Cв - средняя теплоемкость воздуха в интервале температур Т2÷Тконд; q - теплота конденсации воздуха.where C g is the average heat capacity of the gas in the temperature range T 1 ÷ T cond , and C in is the average heat capacity of the air in the temperature range T 2 ÷ T cond ; q is the heat of condensation of air.
В зависимости от исходных параметров увеличение массы жидкого газа после регенерации криопанелей может составить 20-30% от первоначальной массы твердого газа.Depending on the initial parameters, the increase in the mass of liquid gas after the regeneration of cryopanels can be 20-30% of the initial mass of solid gas.
Жидкий газ из полости ККН при закрытом клапане (21) откачивают с помощью насоса (10) в резервуар жидкого газа (13), охлаждают криопанели до Т=10÷25 K, и ККН снова готов к работе. Жидкий газ из резервуара (13) направляют в газификатор (14), а полученный газ высокого давления направляют для поддержания постоянного давления в резервуаре (15). Кроме того, жидкий газ из резервуара (13) насосом (10) через систему (11) подают в газоохладитель (6) для охлаждения рабочего газа перед запуском в вакуумную камеру (7). При этом жидкий газ, охлаждающий рабочий газ в газоохладителе (6), превращается в газ высокого давления и температуры и по линии (12) поступает с помощью клапана (26) в резервуар газа высокого давления (15) и (или) в газификатор (14).When the valve (21) is closed, liquid gas is pumped out of the CCV cavity with the pump (10) into the liquid gas reservoir (13), the cryopanels are cooled to T = 10 ÷ 25 K, and the SCC is again ready for operation. Liquid gas from the tank (13) is sent to the gasifier (14), and the resulting high pressure gas is sent to maintain a constant pressure in the tank (15). In addition, liquid gas from the tank (13) is pumped (10) through the system (11) to the gas cooler (6) to cool the working gas before being launched into the vacuum chamber (7). In this case, the liquid gas cooling the working gas in the gas cooler (6) is converted into high pressure and temperature gas and, via line (12), enters through the valve (26) into the high pressure gas reservoir (15) and (or) into the gasifier (14 )
В упрощенном виде можно выделить следующую непрерывную технологическую цепочку работы АДТ: газ высокого давления из резервуара (15) подается через систему регулирования газа высокого давления (1) в газонагреватель (2) и далее в сопло (3), после обтекания модели в рабочей части (4) газ проходит через газоохладитель (6) в вакуумную камеру, откуда откачивается ККН (9) и конденсируется в твердую фазу на предварительно охлажденных криопанелях, при регенерации криопанелей получается жидкий газ, который запасается в резервуаре (13), часть жидкого газа отбирается в газификатор (14), откуда полученный газ высокого давления вновь оказывается в резервуаре (15) и т.д.In simplified form, one can distinguish the following continuous technological chain of operation of ADT: high-pressure gas from the reservoir (15) is supplied through the high-pressure gas control system (1) to the gas heater (2) and then to the nozzle (3), after flowing around the model in the working part ( 4) the gas passes through the gas cooler (6) into the vacuum chamber, from where the SCC (9) is pumped out and condenses into the solid phase on the pre-cooled cryopanels; during the regeneration of the cryopanels, liquid gas is obtained, which is stored in the tank (13), part of the liquid gas from iraetsya the gasifier (14), where high pressure gas is again received in the reservoir (15) etc.
В случае, когда ККН не справляются с вакуумированием, открывается затвор (24) между вакуумной камерой (7) и эжектором (17) и начинается дополнительное вакуумирование камеры (7), причем в качестве эжектирующего газа используется газ высокого давления из резервуара (15).In the case where the CCVs cannot cope with evacuation, a shutter (24) opens between the vacuum chamber (7) and the ejector (17) and additional evacuation of the chamber (7) begins, and high pressure gas from the reservoir (15) is used as the ejecting gas.
В варианте способа создания потока газа в гиперзвуковой аэродинамической трубе предлагается использовать ККН в импульсном режиме работы. В отличие от стационарного в импульсном режиме работы криопанелей теплота конденсации в период напуска не отводится от криопанелей, а аккумулируется в них за счет их собственной теплоемкости и теплоемкости осевшего на них конденсата. Другими словами, импульсный режим заключается в том, что предварительно захолаживаются большие массы криопанелей с развитой поверхностью, в ходе пуска они выступают в роли аккумуляторов холода. Здесь можно провести аналогию с импульсными АДТ, где осуществляется аккумулирование газа высокого давления в резервуарах с помощью длительной работы компрессоров. Переход от стационарного к теплоаккумуляционному принципу работы ККН, далее называемому импульсным, позволяет кардинальным образом решить проблему увеличения расходов в криогенно-вакуумных АДТ при неизменной производительности рефрижератора и расширить диапазон моделируемых чисел Маха и Рейнольдса. Производительность крионасоса после начала работы увеличивается, так как увеличивается суммарная масса криопанели и налипшего на нее конденсата, но при определенной толщине конденсата из-за его низкого коэффициента теплопроводности по сравнению с материалом криопанели рефрижератор не справляется с охлаждением внешней поверхности конденсата и соответственно уменьшается, а затем прекращается и криозахват молекул газа, т.е. его откачка. Для восстановления работы крионасоса требуется регенерация криопанелей, т.е. освобождение от слоя твердофазного конденсата.In a variant of the method of creating a gas flow in a hypersonic wind tunnel, it is proposed to use an SCV in a pulsed operation mode. Unlike stationary cryopanels operating in a pulsed mode, the condensation heat during the filling period is not removed from the cryopanels, but is accumulated in them due to their own heat capacity and the heat capacity of the condensate deposited on them. In other words, the pulse mode consists in the fact that large masses of cryopanels with a developed surface are pre-cooled, during the start-up they act as cold accumulators. Here we can draw an analogy with pulsed ADTs, where high-pressure gas is accumulated in tanks using long-term operation of compressors. The transition from the stationary to the heat-storage principle of operation of the KKN, hereinafter referred to as the pulsed, allows to radically solve the problem of increasing costs in cryogenic-vacuum ADT with constant productivity of the refrigerator and expand the range of simulated Mach and Reynolds numbers. After the start of operation, the productivity of the cryopump increases, since the total mass of the cryopanel and the condensate adhering to it increases, but at a certain condensate thickness due to its low thermal conductivity compared to the cryopanel material, the refrigerator cannot cope with the cooling of the external surface of the condensate and, accordingly, decreases, and then cryo capture of gas molecules also ceases, i.e. its pumping. To restore the operation of the cryopump, regeneration of cryopanels is required, i.e. solid phase condensate exemption.
В одном из вариантов гиперзвуковой аэродинамической трубы ККН выполнен в виде пакета вложенных друг в друга с зазором перфорированных криопанелей, причем сами криопанели выполнены из пористого металла с открытой системой пор. ККН являются насосами поверхностного действия, т.е., чем больше поверхность контакта газа с панелью ККН, тем выше скорость откачки газа. Пора считается открытой, если она сообщается с поверхностями пористого тела и проницаема для газа при наличии градиента давления на пористом теле. Удельная поверхность (отношение суммарной поверхности тела к его массе) пористого металла, полученного методами порошковой металлургии, в зависимости от степени пористости составляет порядка 0,05÷1 м2/г (см. Е.Л.Шведков, Э.Т.Денисенко, Н.Н.Ковенский. "Словарь-справочник по порошковой металлургии", Киев, 1982 и С.В. Белов. "Пористые металлы в машиностроении", М., 1976). Для пластин из компактных металлов, используемых в качестве криопанели, эта величина порядка 10-4 м2/г. Из приведенных данных видно, что площадь контакта с откачиваемым газом пористой криопанели по сравнению с криопанелью из сплошного металла увеличивается на 2-4 порядка, что позволяет увеличить производительность ККН. При использовании пакета концентрических (вложенные с зазором друг в друга цилиндрические криопанели) перфорированных криопанелей производительность ККН возрастает дополнительно из-за увеличения эффективной площади контакта газа с поверхностью криопанели, связанной, в том числе с тем, что при перетекании газа между криопанелями работают обе стороны криопанели. Кроме того, внешние криопанели пакета выступают в роли теплозащитных экранов от проникновения тепловых потоков снаружи.In one embodiment of the hypersonic wind tunnel, the KKN is made in the form of a package of perforated cryopanels nested into each other with a gap, and the cryopanels themselves are made of porous metal with an open pore system. KKN are surface-acting pumps, i.e., the larger the contact surface of the gas with the KKN panel, the higher the gas pumping rate. The pore is considered open if it communicates with the surfaces of the porous body and is permeable to gas in the presence of a pressure gradient on the porous body. The specific surface (the ratio of the total surface of the body to its mass) of a porous metal obtained by powder metallurgy methods, depending on the degree of porosity, is of the order of 0.05 ÷ 1 m 2 / g (see E.L. Shvedkov, E.T. Denisenko, NN Kovensky. "Dictionary-reference for powder metallurgy", Kiev, 1982, and S. V. Belov. "Porous metals in mechanical engineering", M., 1976). For plates of compact metals used as a cryopanel, this value is of the order of 10 -4 m 2 / g. It can be seen from the above data that the contact area with the pumped gas of the porous cryopanel increases by 2–4 orders of magnitude compared with the cryopanel from solid metal, which allows increasing the capacity of the SCC. When using a package of concentric (cylindrical cryopanels inserted with a gap into each other) perforated cryopanels, the KKN productivity increases additionally due to an increase in the effective gas contact area with the cryopanel surface, due to the fact that both sides of the cryopanel work when gas flows between the cryopanels . In addition, the external cryopanels of the package act as heat shields from the penetration of heat fluxes from the outside.
Использование концентрического пакета перфорированных криопанелей из пористого металла и импульсного режима работы ККН позволяют откачать практически любой расход газа через гиперзвуковое сопло.The use of a concentric package of perforated cryopanels made of porous metal and a pulsed operating mode of the CCV allow pumping out almost any gas flow rate through a hypersonic nozzle.
В заключение сравним энергозатраты на работу предлагаемой АДТ и аналогов.In conclusion, we compare the energy costs of the proposed ADT and its analogues.
В прототипах и предлагаемом варианте АДТ энергия в основном тратится на работу по получению газа высокого давления, на подогрев и вакуумирование газа.In the prototypes and the proposed version of ADT, energy is mainly spent on the work of producing high-pressure gas, on heating and evacuating the gas.
На подогрев газа и его вакуумирование в аналогах и в предложенном варианте АДТ затрачивается примерно одинаковая энергия, причем стоимость и характеристики энергопотребления ККН и традиционных вакуумных насосов, используемых в гиперзвуковых АДТ, примерно одинаковы.Approximately the same energy is spent on heating the gas and evacuating it in the analogs and in the proposed ADT variant, moreover, the cost and energy consumption characteristics of the KKN and traditional vacuum pumps used in hypersonic ADTs are approximately the same.
Предлагаемое изобретение дает существенный энергетический выигрыш на этапе регенерации криопанелей, когда за счет энергии окружающей среды твердофазный газ превращается сначала в жидкий газ, далее в газификаторе - газ высокого давления (порядка 800-1000 атм для различных типов газов), причем масса и давление вновь получаемого газа превосходит массу и давление первоначального газа, использованного в АДТ, за счет дополнительной конденсации газа, напускаемого в полость крионасоса для регенерации криопанелей. В аналогах регенерация производится обычно с помощью электронагревателей, а полученный газ удаляется в атмосферу.The present invention gives a significant energy gain at the stage of cryopanel regeneration, when, due to environmental energy, the solid-phase gas is first converted to liquid gas, then to high-pressure gas (about 800-1000 atm for various types of gases) in the gasifier, and the mass and pressure of the newly obtained gas exceeds the mass and pressure of the original gas used in the ADT due to the additional condensation of the gas introduced into the cavity of the cryopump for the regeneration of cryopanels. In analogues, regeneration is usually carried out using electric heaters, and the resulting gas is removed into the atmosphere.
ККН в предлагаемой схеме не только откачивают вакуумную камеру, но и являются источником газа высокого давления, не требующим дополнительных затрат электроэнергии.KKN in the proposed scheme not only pump out the vacuum chamber, but also are a source of high pressure gas that does not require additional energy costs.
Для сравнения приведем пример затрат энергии на получение газа высокого давления: в гиперзвуковой АДТ непрерывного действия с замкнутым контуром (CHFT) НИЦ им. Ленгли NASA. При М=10-11 мощность привода многоступенчатого компрессора составляет 17,7 МВт (Аэродинамические трубы и газодинамические установки зарубежных стран. Том 2. Трансзвуковые и гиперзвуковые аэродинамические трубы, обзор ЦАГИ № 664-86, 1986, с. 185).For comparison, we give an example of the energy consumption for producing high-pressure gas: in a closed-loop hypersonic continuous pressure transformer (CHFT) of the Scientific Research Center named after Langley NASA. At M = 10-11, the drive power of a multistage compressor is 17.7 MW (Wind tunnels and gas-dynamic installations of foreign countries. Volume 2. Transonic and hypersonic wind tunnels, TsAGI review No. 664-86, 1986, p. 185).
ККН потребляет энергию порядка 10÷5 кВт при холодопроизводительности ≈1 кВт на уровне температур Т=10÷25 К. Другие вакуумные насосы потребляют примерно такую же энергию, как ККН, но они откачивают вакуумную камеру, а газ выбрасывают в атмосферу.KKN consumes energy of the order of 10 ÷ 5 kW at a cooling capacity of ≈1 kW at a temperature level of T = 10 ÷ 25 K. Other vacuum pumps consume about the same energy as KKN, but they pump out the vacuum chamber and emit gas into the atmosphere.
Использование вместо воды жидкого газа в газоохладителе (6) рабочего газа также дает положительный эффект. Во-первых, хладоресурс жидкого газа, имеющего начальную температуру Т≈100 К, превышает этот показатель у воды и соответственно можно уменьшить габариты газоохладителя; во-вторых, полученный газ высокого давления и температуры можно использовать в системе газоснабжения АДТ, частично экономя энергию на нагрев рабочего газа в газонагревателе (2). Кроме того, в прототипе вода нагревается и надо тратить энергию для ее охлаждения, чтобы использовать вновь.The use of liquid gas instead of water in the gas cooler (6) of the working gas also gives a positive effect. Firstly, the cold resource of a liquid gas having an initial temperature of T≈100 K exceeds this indicator for water and, accordingly, the dimensions of the gas cooler can be reduced; secondly, the obtained gas of high pressure and temperature can be used in the gas supply system of ADT, partially saving energy for heating the working gas in the gas heater (2). In addition, in the prototype, the water is heated and it is necessary to spend energy to cool it in order to use it again.
Используя большие площади нагретых стенок (Т=1500÷3000 К) газонагревателя (2), сопла (3), диффузора (5), газоохладителя (6), куда можно поместить горячие спаи термопар (на рисунке не показаны), и объем резервуара (13) жидкого газа, имеющего температуру Т≈100 К, куда можно опустить холодные спаи термопар, получим термоэлектричество для работы элементов АДТ.Using large areas of heated walls (T = 1500 ÷ 3000 K) of a gas heater (2), nozzle (3), diffuser (5), gas cooler (6), where hot thermocouple junctions (not shown) can be placed, and the tank volume ( 13) liquid gas having a temperature of T≈100 K, where cold thermocouple junctions can be lowered, we obtain thermoelectricity for the operation of ADT elements.
Отсутствие многоступенчатых компрессоров и многочисленных резервуаров для хранения газа высокого давления существенно уменьшает габариты предлагаемой АДТ.The lack of multi-stage compressors and numerous tanks for storing high-pressure gas significantly reduces the size of the proposed ADT.
Кроме экономии при эксплуатации АДТ есть существенная экономия, связанная с ее строительством: предлагаемая АДТ охватывает весь гиперзвуковой диапазон с числами Маха М=4÷25, а обычно для этих целей строится 2-3 различных АДТ. Действительно, наличие ККН позволяет в области больших чисел М≥20 получить необходимые для работы АДТ степени разрежения, недоступные другим вакуумным насосам. С другой стороны, те же ККН в области умеренных и малых чисел 4≤М≤10, когда требуется обеспечить большие расходы высоконапорного газа через сопло АДТ, позволяют сделать это непрерывно и экономично.In addition to the savings in the operation of the ADT, there is a significant saving associated with its construction: the proposed ADT covers the entire hypersonic range with Mach numbers M = 4 ÷ 25, and usually for this purpose 2-3 different ADTs are built. Indeed, the presence of an SCC allows, in the region of large numbers M≥20, to obtain the degree of vacuum necessary for the operation of the ADT, inaccessible to other vacuum pumps. On the other hand, the same KKN in the field of moderate and small numbers 4≤M≤10, when it is required to ensure high costs of high-pressure gas through an ADT nozzle, allow this to be done continuously and economically.
Claims (4)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2013115012/28A RU2526505C1 (en) | 2013-04-04 | 2013-04-04 | Method of gas flow creation in aerodynamic tunnel and aerodynamic tunnel |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2013115012/28A RU2526505C1 (en) | 2013-04-04 | 2013-04-04 | Method of gas flow creation in aerodynamic tunnel and aerodynamic tunnel |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2526505C1 true RU2526505C1 (en) | 2014-08-20 |
Family
ID=51384880
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2013115012/28A RU2526505C1 (en) | 2013-04-04 | 2013-04-04 | Method of gas flow creation in aerodynamic tunnel and aerodynamic tunnel |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2526505C1 (en) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN106525379A (en) * | 2016-11-14 | 2017-03-22 | 北京航天长征飞行器研究所 | Air exhausting device and method employed by two sets of high-temperature supersonic wind tunnels jointly |
| CN106959201A (en) * | 2017-05-18 | 2017-07-18 | 西北工业大学 | Continuous high-speed wind-tunnel liquid nitrogen cooling supplies air distribution system |
| CN110395406A (en) * | 2019-07-11 | 2019-11-01 | 中国空气动力研究与发展中心低速空气动力研究所 | The anti-deicing of icing wind tunnel supplies control system |
| CN113484534A (en) * | 2021-07-05 | 2021-10-08 | 中国人民解放军国防科技大学 | Supersonic flow field characteristic testing system and method based on image processing |
Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2451274C1 (en) * | 2010-12-16 | 2012-05-20 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный аэрогидродинамический институт имени профессора Н.Е. Жуковского" (ФГУП "ЦАГИ") | Method of generating gas flow in working section of wind tunnel and wind tunnel |
-
2013
- 2013-04-04 RU RU2013115012/28A patent/RU2526505C1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2451274C1 (en) * | 2010-12-16 | 2012-05-20 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный аэрогидродинамический институт имени профессора Н.Е. Жуковского" (ФГУП "ЦАГИ") | Method of generating gas flow in working section of wind tunnel and wind tunnel |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| "Аэродинамические трубы для исследований при больших числах Рейнольдса", обзор ЦАГИ, N 353, 1971, с. 11-12; . Метод и результаты исследований моделей ВКС со струями в гиперзвуковой криогенно-вакуумной аэродинамической трубе. В.И.Благосклонов, В.А.Жохов, В.Г.Кехваянц и др., Ученые записки ЦАГИ, т. XXX, N1-2, 1999 г. Henshall В. and Brower Е.ACryogenic Hupersonic Low-Density Wind Tunnel. Advances in Cryogenic Engineering, v 7. Proceedings of the 1961 Cryogenic Engineering Conference, August 15-17 at the University of Michigan, Michigan, 1962. * |
Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN106525379A (en) * | 2016-11-14 | 2017-03-22 | 北京航天长征飞行器研究所 | Air exhausting device and method employed by two sets of high-temperature supersonic wind tunnels jointly |
| CN106525379B (en) * | 2016-11-14 | 2019-01-15 | 北京航天长征飞行器研究所 | A kind of exhaust apparatus and method that two sets of high temperature ultrasonics speed wind-tunnel is shared |
| CN106959201A (en) * | 2017-05-18 | 2017-07-18 | 西北工业大学 | Continuous high-speed wind-tunnel liquid nitrogen cooling supplies air distribution system |
| CN106959201B (en) * | 2017-05-18 | 2023-02-28 | 西北工业大学 | Continuous high-speed wind tunnel liquid nitrogen cooling gas supply and distribution system |
| CN110395406A (en) * | 2019-07-11 | 2019-11-01 | 中国空气动力研究与发展中心低速空气动力研究所 | The anti-deicing of icing wind tunnel supplies control system |
| CN113484534A (en) * | 2021-07-05 | 2021-10-08 | 中国人民解放军国防科技大学 | Supersonic flow field characteristic testing system and method based on image processing |
| CN113484534B (en) * | 2021-07-05 | 2024-04-09 | 中国人民解放军国防科技大学 | Supersonic flow field characteristic test system and method based on image processing |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| RU2482457C1 (en) | Method of generating gas stream in hypersonic rarefied-air wind tunnel and wind tunnel | |
| RU2526505C1 (en) | Method of gas flow creation in aerodynamic tunnel and aerodynamic tunnel | |
| JP2017067274A (en) | Gas supply device and gas supply method | |
| RU2451274C1 (en) | Method of generating gas flow in working section of wind tunnel and wind tunnel | |
| RU2730129C1 (en) | Method for cryogenic-strength test of hydrogen tank | |
| US20120130549A1 (en) | Plant for storing and supplying compressed gas | |
| CN111527354A (en) | Method for transferring heat between two or more media and system for performing said method | |
| CN112303476B (en) | Vacuum pumping system and method for tank container for freezing liquefied gas | |
| JP6959425B2 (en) | Systems and methods for controlling the pressure of cryogenic energy storage systems | |
| CN114739055A (en) | Liquid oxygen/liquid methane comprehensive supercooling system and method based on liquid oxygen refrigeration capacity | |
| US6029473A (en) | Process and installation for filling a reservoir under pressure | |
| Muthukumar et al. | Performance tests on a thermally operated hydrogen compressor | |
| US3252291A (en) | Cryo-pumps | |
| JPWO2007040033A1 (en) | Cooling system, operating method thereof, and plasma processing system using the cooling system | |
| CN104763873A (en) | Low-temperature liquid storage tank cover subsystem and low-temperature liquid storage tank | |
| CN102829569B (en) | Refrigeration equipment | |
| RU2577904C1 (en) | Method of transporting gas in liquefied state | |
| US20200408463A1 (en) | Liquid air storage device and method, and air liquefaction apparatus | |
| JP4859711B2 (en) | Hydrogen supply station | |
| CN102797943A (en) | Vacuumizing technology for vacuum low-temperature thermal insulation pipeline | |
| CN209894733U (en) | Submerged gas liquefaction deep cooling experimental device | |
| JP5269006B2 (en) | Power generator that reuses liquid air | |
| KR102677754B1 (en) | A device that implements a cryogenic space environment that uses room temperature nitrogen gas and controls temperature | |
| JP4304450B2 (en) | Vacuum exhaust device | |
| JP2016118372A (en) | Cryogenic temperature refrigerator and operation method of cryogenic temperature refrigerator |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20150405 |
|
| NF4A | Reinstatement of patent |
Effective date: 20160310 |
|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20170405 |
|
| NF4A | Reinstatement of patent |
Effective date: 20180913 |
|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20200405 |