RU2672457C1 - Method of temperature gas stratification - Google Patents
Method of temperature gas stratification Download PDFInfo
- Publication number
- RU2672457C1 RU2672457C1 RU2017132878A RU2017132878A RU2672457C1 RU 2672457 C1 RU2672457 C1 RU 2672457C1 RU 2017132878 A RU2017132878 A RU 2017132878A RU 2017132878 A RU2017132878 A RU 2017132878A RU 2672457 C1 RU2672457 C1 RU 2672457C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- gas
- separation chamber
- channel
- stream
- flow
- Prior art date
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 21
- 238000013517 stratification Methods 0.000 title claims abstract description 18
- 238000000926 separation method Methods 0.000 claims abstract description 43
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims abstract description 6
- 230000001133 acceleration Effects 0.000 claims abstract description 3
- 238000001816 cooling Methods 0.000 claims description 3
- 239000007787 solid Substances 0.000 claims description 3
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims description 2
- 239000002245 particle Substances 0.000 claims description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 9
- 206010022000 influenza Diseases 0.000 abstract description 2
- 238000005057 refrigeration Methods 0.000 abstract description 2
- 238000010276 construction Methods 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 71
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 4
- 238000011084 recovery Methods 0.000 description 4
- 239000012530 fluid Substances 0.000 description 3
- 230000005764 inhibitory process Effects 0.000 description 3
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 2
- 238000009413 insulation Methods 0.000 description 2
- 239000000463 material Substances 0.000 description 2
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- CFQGDIWRTHFZMQ-UHFFFAOYSA-N argon helium Chemical compound [He].[Ar] CFQGDIWRTHFZMQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000005494 condensation Effects 0.000 description 1
- 238000009833 condensation Methods 0.000 description 1
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 1
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 description 1
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 description 1
- 230000004907 flux Effects 0.000 description 1
- AFAUWLCCQOEICZ-UHFFFAOYSA-N helium xenon Chemical compound [He].[Xe] AFAUWLCCQOEICZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 1
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 1
- 238000011835 investigation Methods 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 239000003345 natural gas Substances 0.000 description 1
- 238000005192 partition Methods 0.000 description 1
- 230000002093 peripheral effect Effects 0.000 description 1
- 238000012552 review Methods 0.000 description 1
- 229910001220 stainless steel Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010935 stainless steel Substances 0.000 description 1
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 1
- 229910052724 xenon Inorganic materials 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
- F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
- F25B9/00—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point
- F25B9/02—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point using Joule-Thompson effect; using vortex effect
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Thermal Sciences (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Physical Or Chemical Processes And Apparatus (AREA)
Abstract
Description
Область техникиTechnical field
Изобретение относится к промышленной теплотехнике и может быть использовано при создании холодильно-нагревательных аппаратов, в основе действия которых лежит механизм безмашинного разделения газового потока с начальным избыточным давлением на охлажденный и подогретый потоки на выходе.The invention relates to industrial heat engineering and can be used to create refrigeration and heating devices, the basis of which is the mechanism of machine-less separation of the gas stream with an initial excess pressure on the cooled and heated flows at the outlet.
Уровень техникиState of the art
Известен способ температурной стратификации газа, основанный на вихревом эффекте (трубка Ранка-Хилша). Принцип действия устройства заключается в подаче сжатого воздуха тангенциально в цилиндрическую камеру через сопловой вход, формирование в трубе закрученного потока и отбор горячего потока воздуха с периферийного сечения, а холодного потока - через центральное отверстие в трубе (Меркулов А.П. «Вихревой эффект и его применение в технике» / Самара: Оптима, 1997. 346 с. [1]).A known method of temperature gas stratification based on the vortex effect (Rank-Hills tube). The principle of operation of the device is to supply compressed air tangentially into the cylindrical chamber through the nozzle inlet, the formation of a swirling flow in the pipe and the selection of the hot air stream from the peripheral section, and the cold stream through the central hole in the pipe (A. Merkulov, “Vortex effect and its application in technology ”/ Samara: Optima, 1997. 346 p. [1]).
Основными недостатками известного технического решения являются низкий термодинамический КПД (меньше 30%) и большие потери полного давления как по холодному, так и по горячему потокам.The main disadvantages of the known technical solutions are low thermodynamic efficiency (less than 30%) and large losses of total pressure in both cold and hot flows.
Известен резонансный метод температурной стратификации в газовых потоках (труба Гартмана-Шпренгера). В соответствии с известным методом газовая струя направляется в трубку с заглушенным торцом, температура поверхности торца при определенных режимах может в несколько раз (до 4-х) превышать начальную температуру торможения потока. При этом температура газа, вытекающего из трубки с закрытым торцом, снижается (Бурцев С.А., Леонтьев А.И. «Исследование влияния диссипативных эффектов на температурную стратификацию в потоках газа (обзор)» // Теплофизика высоких температур. Т. 52, №2, 2014. С. 310-322. [2]).The known resonant method of temperature stratification in gas flows (Hartmann-Sprenger pipe). In accordance with the known method, a gas jet is directed into a tube with a plugged end face, the surface temperature of the end face under certain conditions can be several times (up to 4) higher than the initial flow inhibition temperature. In this case, the temperature of the gas flowing out of the tube with the closed end decreases (Burtsev SA, Leontiev AI “Investigation of the influence of dissipative effects on the temperature stratification in gas flows (review)” // Thermophysics of high temperatures. V. 52, No. 2, 2014. S. 310-322. [2]).
Основными недостатками известного решения являются большие потери полного давления газового потока и малая эффективность охлаждения потока (меньше 10 градусов).The main disadvantages of the known solutions are large losses of the total pressure of the gas stream and low efficiency of cooling the stream (less than 10 degrees).
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является способ температурной стратификации газа с использованием трубы Леонтьева, включающий подачу газа в разделительную камеру, вывод холодного и горячего газов через отдельные газоходы, при этом газовый поток после разделительной камеры направляют по внутренней трубе и внешнему кольцевому каналу, при этом по внутренней трубе газ через профилированное сопло разгоняют до сверхзвуковой скорости, по внешнему кольцевому каналу газ пропускают с дозвуковой скоростью (патент РФ №2106581). Разделяющая каналы стенка выполнена из теплопроводного материала, через которую происходит теплопередача от дозвукового потока к сверхзвуковому.The closest in technical essence to the claimed invention is a method of temperature stratification of gas using a Leontief pipe, comprising supplying gas to the separation chamber, the discharge of cold and hot gases through separate gas ducts, while the gas stream after the separation chamber is directed through the inner pipe and the outer annular channel, in this case, gas is accelerated through a profiled nozzle to a supersonic speed through a profiled nozzle, gas is passed through an external annular channel at a subsonic speed (p RF patent No. 2106581). The wall separating the channels is made of a heat-conducting material, through which heat transfer occurs from a subsonic flow to a supersonic one.
Недостатком известного способа является функционирование за счет обеспечения сверхзвуковых скоростей течения потока, что требует дополнительного избыточного давления на входе. Наличие теплового сопротивления в виде непроницаемой перегородки между дозвуковым и сверхзвуковым потоками снижает эффективность данного способа температурной стратификации. Также наличие на входе двух потоков, обменивающихся теплом, увеличивает габариты устройства.The disadvantage of this method is the operation due to the provision of supersonic flow rates, which requires additional overpressure at the inlet. The presence of thermal resistance in the form of an impermeable partition between subsonic and supersonic flows reduces the effectiveness of this method of temperature stratification. Also, the presence of two streams exchanging heat at the inlet increases the dimensions of the device.
Технической проблемой является необходимость обеспечения большого начального давления газа для достижения сверхзвуковых скоростей в устройствах подобного типа, а также связанные с этим значительные потери полного давления при последующем торможении газового потока.A technical problem is the need to provide a large initial gas pressure in order to achieve supersonic speeds in devices of this type, as well as the significant total pressure loss associated with the subsequent gas flow inhibition.
Раскрытие сущности изобретенияDisclosure of the invention
Техническим результатом, достигаемым при использовании заявляемого изобретения, является разделение потока посредством обеспечения возможности отсоса газа из исходного потока через проницаемую стенку устройства. Кроме того, способ может быть реализован в устройстве с меньшими габаритами по сравнению с устройствами аналогичного назначения за счет подачи газа в разделительную камеру через один газоход, и обеспечением разделения потока путем отсоса газа из исходного потока через проницаемую стенку.The technical result achieved by using the claimed invention is the separation of the stream by allowing suction of gas from the original stream through the permeable wall of the device. In addition, the method can be implemented in a device with smaller dimensions compared to devices of a similar purpose by supplying gas to the separation chamber through a single gas duct, and by ensuring the separation of the stream by suctioning the gas from the original stream through a permeable wall.
Поставленная задача решается тем, что в способе температурной стратификации газа, включающий подачу исходного газового потока с избыточным давлением на вход внутреннего канала разделительной камеры с обеспечением его разгона и подогрева, подачу газового потока во внешний канал разделительной камеры с обеспечением его охлаждения, вывод подогретого и охлажденного газовых потоков из внутреннего и внешнего каналов разделительной камеры, соответственно, через отдельные газоходы, согласно техническому решению, подачу газового потока во внешний канал разделительной камеры осуществляют через проницаемые стенки внутреннего канала, при этом на входе во внутренний канал обеспечивают достижение потоком скорости, равной или большей скорости звука, при этом давление газового потока на входе внутреннего канала обеспечивают не менее 190 кПа. Достижение потоком скорости звука можно обеспечить за счет работы сил трения посредством направления исходного газового потока в канал постоянного сечения перед разделительной камерой или посредством геометрического воздействия на поток в сужающемся или сужающемся-расширяющемся сопле.The problem is solved in that in the method of temperature stratification of gas, including supplying an initial gas stream with excess pressure to the inlet of the internal channel of the separation chamber to ensure its acceleration and heating, supplying a gas stream to the external channel of the separation chamber to ensure its cooling, output of the heated and cooled gas flows from the internal and external channels of the separation chamber, respectively, through separate gas ducts, according to the technical solution, the gas flow in The external channel of the separation chamber is carried out through the permeable walls of the internal channel, while at the entrance to the internal channel the flow reaches a speed equal to or greater than the speed of sound, while the pressure of the gas stream at the input of the internal channel provides at least 190 kPa. Achieving the speed of sound by the flow can be achieved by working the friction forces by directing the initial gas flow into a constant-cross-section channel in front of the separation chamber or by geometrically affecting the flow in a tapering or tapering-expanding nozzle.
В качестве исходного газового потока может быть использован двухфазный поток с растворенными в нем жидкими или твердыми частицами, при этом эффект температурной стратификации возрастает за счет выпадения конденсата на стенку канала разделительной камеры.As the initial gas stream, a two-phase stream with liquid or solid particles dissolved in it can be used, and the effect of temperature stratification increases due to condensation falling on the channel wall of the separation chamber.
Иными словами, технический результат достигается за счет имеющегося давления исходного потока не меньше 190 кПа, что позволяет разогнать поток до скорости, равной или больше скорости звука, обеспечить перераспределение температуры торможения в пограничном слое и формирование охлажденного пристенного слоя газа, который затем отсасывают через проницаемую стенку и организуют, таким образом, вторичный поток охлажденного газа, при этом повысив среднемассовую температуру первоначального потока.In other words, the technical result is achieved due to the available pressure of the initial flow of at least 190 kPa, which allows the flow to be accelerated to a speed equal to or greater than the speed of sound, to ensure the redistribution of the braking temperature in the boundary layer and the formation of a cooled wall gas layer, which is then sucked out through the permeable wall and organize, thus, a secondary stream of chilled gas, while increasing the mass-average temperature of the initial stream.
Краткое описание чертежейBrief Description of the Drawings
На фиг. 1 схематично изображено устройство температурной стратификации газа.In FIG. 1 schematically shows a device for temperature gas stratification.
На фиг. 2 схематично отражен принцип действия устройства температурной стратификации, реализующего заявляемый способ, показывающий распределение температуры торможения в пограничном слое высокоскоростного потока сжимаемого газа при обтекании проницаемой стенки.In FIG. 2 schematically reflects the principle of operation of a temperature stratification device that implements the inventive method, showing the distribution of the braking temperature in the boundary layer of a high-speed stream of compressible gas when flowing around a permeable wall.
Позициями на чертеже обозначены:The positions in the drawing indicate:
1 - ресивер со сжатым газом, имеющим давление не меньше 190 кПа;1 - receiver with compressed gas having a pressure of at least 190 kPa;
2 - сужающееся сопло;2 - tapering nozzle;
3 - внутренний канал разделительной камеры с проницаемыми (пористыми) стенками;3 - the internal channel of the separation chamber with permeable (porous) walls;
4 - внешний (кольцевой) канал разделительной камеры;4 - external (annular) channel of the separation chamber;
5 - внешняя теплоизоляция разделительной камеры и отводящих газоходов;5 - external thermal insulation of the separation chamber and exhaust gas ducts;
6 - выходной сверхзвуковой диффузор для торможения подогретого потока, выходящего из внутренней трубки разделительной камеры;6 - output supersonic diffuser for braking the heated stream leaving the inner tube of the separation chamber;
7 - газоход сбора охлажденного газа;7 - chimney gas collection duct;
8 - газоход сбора подогретого газа;8 - a flue for collecting heated gas;
9 - исходный газовый поток с избыточным давлением, подаваемый в разделительную камеру и имеющий скорость на входе, равную скорости звука (М=1);9 - source gas flow with excess pressure supplied to the separation chamber and having an inlet velocity equal to the speed of sound (M = 1);
10 - проницаемая (пористая) стенка разделительной камеры;10 - permeable (porous) wall of the separation chamber;
11 - непроницаемая стенка разделительной камеры;11 - impermeable wall of the separation chamber;
12 - выходящий из разделительной камеры охлажденный поток;12 - chilled stream leaving the separation chamber;
13 - выходящий из разделительной камеры подогретый поток.13 - heated stream exiting the separation chamber.
Осуществление изобретенияThe implementation of the invention
Сущность изобретения поясняется следующим.The invention is illustrated as follows.
Температура торможения в пограничном слое сжимаемого газа распределяется неравномерно. Температура внутри пограничного слоя оказывается ниже, а во внешней части - выше, чем температура торможения в ядре потока (при числе Прандтля рабочего тела, меньшем 1, что характерно для большинства газов). Определяющей тепловой поток температурой в данном случае является адиабатная температура стенки The braking temperature in the boundary layer of the compressible gas is not evenly distributed. The temperature inside the boundary layer is lower, and in the outer part it is higher than the stagnation temperature in the flow core (with the Prandtl number of the working fluid less than 1, which is typical for most gases). The temperature determining the heat flux in this case is the adiabatic wall temperature
где: - начальная температура торможения потока, K;Where: - initial flow inhibition temperature, K;
k - показатель адиабаты рабочего тела (k=1.4 для воздуха);k is the adiabatic index of the working fluid (k = 1.4 for air);
М - число Маха в потоке;M is the Mach number in the stream;
r - коэффициент восстановления температуры.r is the coefficient of temperature recovery.
Параметр r оказывает наибольшее влияние на адиабатную температуру стенки и показывает долю энергии потока, переходящей в тепло на стенке. Коэффициент восстановления температуры находится в наибольшей зависимости от рода газа - числа Прандтля рабочего телам - Pr:The parameter r exerts the greatest influence on the adiabatic temperature of the wall and shows the fraction of the energy of the flow that goes into heat on the wall. The temperature recovery coefficient is most dependent on the type of gas - the Prandtl number for the working medium - Pr:
где n=1/2 (ламинарный режим течения), n=1/3 (турбулентный режим - чаще всего реализуется на практике).where n = 1/2 (laminar flow regime), n = 1/3 (turbulent regime - most often implemented in practice).
Для воздуха (Pr=0.7) коэффициент восстановления температуры г при турбулентном безотрывном обтекании плоской стенки (а также цилиндрической и конической в продольном направлении), согласно экспериментальным данным [4] - (Шлихтинг Г. «Теория пограничного слоя» // М: Наука, 1974, 711 с.) равен 0.885±0.01. Для газовых смесей гелий-ксенон, гелий-аргон, аргон-водород, водород-ксенон и т.д. (Pr=0.1-0.4) значение r может уменьшаться до 0.3-0.4. Соответственно, согласно (1), уменьшается адиабатная температура стенки и, таким образом, повышается потенциал температурной стратификации газа.For air (Pr = 0.7), the temperature recovery coefficient r for a continuous turbulent continuous flow around a flat wall (as well as cylindrical and conical in the longitudinal direction), according to experimental data [4] - (Schlichting G. “Theory of the boundary layer” // M: Science, 1974, 711 p.) Is equal to 0.885 ± 0.01. For gas mixtures helium-xenon, helium-argon, argon-hydrogen, hydrogen-xenon, etc. (Pr = 0.1-0.4) the value of r can decrease to 0.3-0.4. Accordingly, according to (1), the adiabatic wall temperature decreases and, thus, the temperature stratification potential of the gas increases.
Низкие значения коэффициента восстановления температуры (вплоть до нуля) реализуются при выпадении конденсата на стенку, обтекаемую высокоскоростным потоком двухфазного рабочего тела (например, влажного воздуха или природного газа). При течении высокоскоростного потока подъемная сила Сэфмана приводит к осаждению капель на твердую стенку. В работе [5] (Леонтьев А.И., Осипцов А.Н., Рыбдылова О.Д. «Пограничный слой на плоской пластине в сверхзвуковом газокапельном потоке. Влияние испаряющихся капель на температуру адиабатической стенки» // Теплофизика высоких температур. Т. 53, №6, 2015. С. 910-917) показано, что наличие даже очень малой концентрации капель может приводить к значительному снижению адиабатной температуры стенки.Low values of the temperature recovery coefficient (up to zero) are realized when condensate falls onto a wall streamlined by a high-speed stream of a two-phase working fluid (for example, moist air or natural gas). During high-speed flow, the Sefman lifting force leads to the deposition of droplets on a solid wall. In [5] (Leont'ev AI, Osiptsov AN, Rybdylova OD “The boundary layer on a flat plate in a supersonic gas-droplet flow. The effect of evaporating droplets on the temperature of the adiabatic wall” // Thermal physics of high temperatures. T. 53, No. 6, 2015. S. 910-917) it is shown that the presence of even a very low concentration of drops can lead to a significant decrease in the adiabatic temperature of the wall.
Для осуществления температурной стратификации газа необходимо предварительно осуществить разгон потока до скорости не ниже скорости звука. Согласно теории термодинамики газовых потоков [6] - (Вулис Л.А. «Термодинамика газовых потоков» / Госэнергоиздат, Москва, 1950, 304 с.), при наличии геометрического воздействия в виде сужения канала или работы сил трения в канале постоянного сечения возникает ускоренное движение газа вплоть до критического состояния (скорости звука). Во внутреннем канале разделительной камеры с проницаемыми стенками поток, движущийся со скоростью звука или со сверхзвуковой скоростью, испытывает расходное воздействие - отсос через проницаемую стенку при условии более низкого давления с обратной стороны стенки (например, атмосферного давления). В этом случае разделительная камера представляет собой сверхзвуковой участок расходного сопла, в котором происходит выпуск (отсос) пристенного охлажденного слоя газа через проницаемые стенки канала. Согласно закону сохранения энергии, среднемассовая температура остальной части газа повышается. Длина канала и пористость материала стенок лимитируется только значением рабочего давления на входе в устройство и обеспечением требуемого запаса прочности. При этом эффективное торможение сверхзвукового потока, выходящего из внутреннего канала с проницаемыми стенками, может позволить сохранить полное давление подогретого потока.For the implementation of temperature stratification of gas, it is necessary to first accelerate the flow to a speed not lower than the speed of sound. According to the theory of thermodynamics of gas flows [6] - (L. Vulis “Thermodynamics of gas flows” / Gosenergoizdat, Moscow, 1950, 304 pp.), In the presence of a geometric effect in the form of a narrowing of the channel or the work of friction forces in the constant section channel, an accelerated gas movement up to a critical state (speed of sound). In the internal channel of a separation chamber with permeable walls, a stream moving at the speed of sound or at a supersonic speed experiences a expenditure effect - suction through the permeable wall under the condition of lower pressure from the back of the wall (for example, atmospheric pressure). In this case, the separation chamber is a supersonic section of the flow nozzle in which the wall cooled gas layer is released (suction) through the permeable channel walls. According to the law of conservation of energy, the mass-average temperature of the rest of the gas rises. The length of the channel and the porosity of the wall material is limited only by the value of the working pressure at the inlet to the device and by ensuring the required margin of safety. In this case, effective braking of the supersonic flow exiting from the internal channel with permeable walls may allow maintaining the full pressure of the heated flow.
Также, как следует из (1), при увеличении полной температуры набегающего потока разность между температурой в ядре потока и адиабатной температурой стенки (температурой пристенных слоев газа) увеличивается. Таким образом, повышается потенциал для осуществления температурной стратификации и, соответственно, разность между температурами подогретого и охлажденного потоков на выходе из разделительной камеры.Also, as follows from (1), with an increase in the total free-stream temperature, the difference between the temperature in the flow core and the adiabatic wall temperature (the temperature of the wall layers of the gas) increases. Thus, the potential for the implementation of temperature stratification and, accordingly, the difference between the temperatures of the heated and cooled flows at the outlet of the separation chamber are increased.
Реализация заявляемого способа температурной стратификации газа показана на примере работы устройства, представленного на фиг. 1. Устройство содержит сужающееся сопло 2, разделительную камеру, обеспечивающую прием и температурное разделение газовых потоков, и газоходы 7 и 8 для вывода потоков охлажденного и подогретого газов. Разделительная камера состоит из внутреннего (цилиндрического) 3 и внешнего (кольцевого) 4 каналов. Сужающееся сопло предназначено для разгона до скорости звука подаваемого газового потока и расположено на входе разделительной камеры таким образом, что выход его является входом внутреннего канала. Соответственно, выходной диаметр сопла 2 равен диаметру внутреннего канала 3 камеры. Внутренний канал 3 соединен с газоходом 8 вывода подогретого газа, а внешний 4 - с газоходом 7 вывода охлажденного газа. Внутренний 3 и внешний 4 каналы размещены коаксиально друг другу. Внутренний канал 3 предназначен для подачи газа в разделительную камеру. Внешний канал 4 служит для сбора охлажденного газа, отбираемого из внутреннего канала 3. Стенки 10 внутреннего канала 3 выполнены проницаемыми (пористыми). На выходе внутреннего канала размещен сверхзвуковой диффузор 6, предназначенный для торможения подогретого потока. Наружные стенки внешнего канала 4 выполнены непроницаемыми из материала с малым коэффициентом теплопроводности, например, из нержавеющей стали (λ=16 Вт/(мК)), часто используемой при изготовлении трубопроводов. Наружная поверхность разделительной камеры и отводящих газоходов 7 и 8 снабжены слоем теплоизоляции 5.The implementation of the proposed method of temperature gas stratification is shown by the example of the operation of the device shown in FIG. 1. The device contains a tapering
Сжатый газ с исходным давлением торможения и соответствующим массовым расходом G0 (определяемым критическим сечением сопла) подают, например, из ресивера 1 в заявляемое устройство через сужающееся сопло 2, которое переходит во внутренний цилиндрический канал 3 с пористыми стенками 10. Для обеспечения звуковой скорости потока 9 на выходе из сопла 2 необходим запас полного давления в ресивере 1 не меньше 190 кПа (при атмосферном давлении на выходе из установки и во внешнем кольцевом канале 4). При этом в пристенной области высокоскоростного потока формируется искривленный профиль температуры торможения Т*. Под воздействием диссипативных процессов в пограничном слое адиабатная температура стенки оказывается ниже среднемассовой температуры торможения . Пристенный слой высокоскоростного потока газа, имеющий более низкую температуру, за счет имеющегося избыточного давления отсасывается через проницаемую стенку 10 (dGхол) и формирует с обратной стороны стенки вторичный поток суммарным расходом Gхол с температурой ниже исходной температуры . Данный вторичный поток выходит по отдельному газоходу 7, образуя отводимый охлажденный поток газа 12. При этом среднемассовая температура первичного потока становится выше исходной температуры , а его массовый расход становится равным Gгop=G0-Gхол. За счет расходного воздействия (отсос через проницаемую стенку 10) газ разгоняется по ходу движения по внутреннему каналу 3 до сверхзвуковых скоростей. Подогретый в центральном канале газ поступает в выходной сверхзвуковой диффузор 6 и далее отводится через отдельный газоход 8, образуя выходящий подогретый поток 13.Compressed gas with initial braking pressure and the corresponding mass flow rate G 0 (determined by the critical section of the nozzle) is fed, for example, from the
Заявляемый способ может быть реализован посредством любого другого устройства, допускающего отсос пристенного слоя высокоскоростного газового потока через проницаемые стенки канала разделительной камеры.The inventive method can be implemented by any other device that allows the suction of the wall layer of a high-speed gas stream through the permeable walls of the channel of the separation chamber.
Таким образом, заявленный способ позволяет осуществить температурную стратификации газа и получить на выходе два потока - охлажденный поток газа, отсасываемый через проницаемую стенку, и подогретый начальный поток, разогнанный до сверхзвуковой скорости. Способ температурной стратификации требует для эффективного функционирования меньший запас начального избыточного давления за счет отсутствия необходимости сверхзвукового режима течения на входе в устройство. Кроме того, способ может быть реализован в устройстве с меньшими габаритами по сравнению с устройствами аналогичного назначения за счет подачи газа в разделительную камеру через один газоход и обеспечение разделения потока путем отсоса газа из первичного потока через проницаемую стенку.Thus, the claimed method allows for temperature stratification of the gas and to obtain two flows at the outlet - a cooled gas stream, sucked out through the permeable wall, and a heated initial stream, accelerated to supersonic speed. The method of temperature stratification requires for effective functioning a smaller margin of initial overpressure due to the absence of the need for a supersonic flow regime at the inlet of the device. In addition, the method can be implemented in a device with smaller dimensions compared to devices of similar purpose by supplying gas to the separation chamber through one gas duct and providing separation of the stream by suctioning the gas from the primary stream through the permeable wall.
Claims (4)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2017132878A RU2672457C1 (en) | 2017-09-20 | 2017-09-20 | Method of temperature gas stratification |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2017132878A RU2672457C1 (en) | 2017-09-20 | 2017-09-20 | Method of temperature gas stratification |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2672457C1 true RU2672457C1 (en) | 2018-11-14 |
Family
ID=64328042
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2017132878A RU2672457C1 (en) | 2017-09-20 | 2017-09-20 | Method of temperature gas stratification |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2672457C1 (en) |
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5359966A (en) * | 1992-06-10 | 1994-11-01 | Jensen Donald C | Energy converter using imploding plasma vortex heating |
RU2106581C1 (en) * | 1996-05-23 | 1998-03-10 | Акционерное общество закрытого типа "Грааль" | Method and device for thermal stratification of gas |
RU2468309C1 (en) * | 2011-04-15 | 2012-11-27 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Ульяновский государственный технический университет" | Pipe of temperature lamination |
-
2017
- 2017-09-20 RU RU2017132878A patent/RU2672457C1/en active
Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5359966A (en) * | 1992-06-10 | 1994-11-01 | Jensen Donald C | Energy converter using imploding plasma vortex heating |
RU2106581C1 (en) * | 1996-05-23 | 1998-03-10 | Акционерное общество закрытого типа "Грааль" | Method and device for thermal stratification of gas |
RU2468309C1 (en) * | 2011-04-15 | 2012-11-27 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Ульяновский государственный технический университет" | Pipe of temperature lamination |
Non-Patent Citations (3)
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US2741899A (en) | Cooling of compressed gas | |
RU2672457C1 (en) | Method of temperature gas stratification | |
RU2713551C1 (en) | Method of reducing pressure of natural gas | |
Leont'ev | Gas-dynamic methods of temperature stratification (a review) | |
RU181270U1 (en) | GAS TEMPERATURE STRATIFICATION DEVICE | |
CN104121716B (en) | Vortex tube | |
RU2106581C1 (en) | Method and device for thermal stratification of gas | |
Leontiev et al. | Device for separation of vortex gas-dynamic energy | |
RU2484405C1 (en) | Heat exchanger | |
Panse et al. | Air-based cooling in high porosity, aluminum foams for compact electronics cooling | |
bin Yusof et al. | Mixing temperature measurement of swirl cold flow exiting cold exit of vortex tube | |
RU194263U1 (en) | Natural gas pressure reducing device | |
Sankar Ram et al. | An experimental performance study of vortex tube refrigeration system | |
Attalla et al. | An experimental investigation of the optimum geometry for energy separation of the Ranque-Hilsch vortex tube | |
RU2366493C1 (en) | Air cleaner | |
Noor et al. | Numerical study of flow and thermal field on a parallel flow vortex tube | |
Novruzova et al. | Possibility of vortex separation ejector application in the collection and separation of gas | |
SU853313A1 (en) | Vortex pipe | |
Hamdan et al. | Feasibility of vortex tube air-conditioning system | |
CN109550417A (en) | Drop generating device | |
Brodov et al. | Gas dynamics and heat-and-mass transfer in multistage steam jet pumps with intermediate condensers | |
Makarov et al. | Numerical modeling of energy-separation in cascaded Leontiev tubes with a central body | |
Kumar et al. | Effect of V Cuts In Perforated Twisted Tape Insert Fitted In Heat Exchanger Tube | |
Uysal et al. | Investigation on the Changes in the Temperature that is Caused in Vortex Tube | |
Nyaz et al. | An experimental investigation of the geometric parameters on the performance for the counter-flow vortex tubes |