RU2765107C1 - Method for heating the gas flow by aerodynamic braking of jets - Google Patents

Method for heating the gas flow by aerodynamic braking of jets Download PDF

Info

Publication number
RU2765107C1
RU2765107C1 RU2021106354A RU2021106354A RU2765107C1 RU 2765107 C1 RU2765107 C1 RU 2765107C1 RU 2021106354 A RU2021106354 A RU 2021106354A RU 2021106354 A RU2021106354 A RU 2021106354A RU 2765107 C1 RU2765107 C1 RU 2765107C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
gas
jets
pressure
heating
gas flow
Prior art date
Application number
RU2021106354A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Дмитрий Юрьевич Рожников
Original Assignee
Дмитрий Юрьевич Рожников
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Дмитрий Юрьевич Рожников filed Critical Дмитрий Юрьевич Рожников
Priority to RU2021106354A priority Critical patent/RU2765107C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2765107C1 publication Critical patent/RU2765107C1/en

Links

Images

Classifications

    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24VCOLLECTION, PRODUCTION OR USE OF HEAT NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F24V40/00Production or use of heat resulting from internal friction of moving fluids or from friction between fluids and moving bodies

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)

Abstract

FIELD: thermal engineering.
SUBSTANCE: proposed method for heating a gas flow by aerodynamic braking of jets relates to gas dynamics and thermal engineering, or rather, to methods for heating high-pressure gas due to its own potential gas energy, which is converted into thermal gas energy when aerodynamic braking effects occur at the intersection and collision of gas jets, and the so-called aerodynamic gas heating. In the claimed method, before dividing the gas flow into two jets, using a gas-dynamic generator of gas pressure fluctuations that have no moving parts, fluctuations of pressure and velocity that does not reach supersonic speed of movement are created, while the gas flow is divided into two jets at least once, and before the collision, the jets are directed into expanding channels forming areas of primary collision and aerodynamic braking of the jets, and then into the zone in front of the exit channel.
EFFECT: expansion of the range of solutions for heating the gas flow by aerodynamic braking of jets.
1 cl, 12 dwg

Description

Область техники, к которой относится изобретениеThe technical field to which the invention belongs

Предложенный мной способ подогрева газового потока аэродинамическим торможением струй (далее «способ») относится к газодинамике и теплотехнике, а точнее - к методам и способам подогрева газа повышенного давления за счет собственной потенциальной энергии газа, которая преобразовывается в тепловую энергию газа при реализации аэродинамических эффектов торможения, происходящих при пересечении и столкновении газовых струй, и так называемого аэродинамического нагрева газа.The method proposed by me for heating a gas flow by aerodynamic deceleration of jets (hereinafter referred to as the “method”) refers to gas dynamics and heat engineering, and more precisely, to methods and methods for heating high-pressure gas due to its own potential energy of the gas, which is converted into thermal energy of the gas during the implementation of aerodynamic deceleration effects occurring at the intersection and collision of gas jets, and the so-called aerodynamic gas heating.

Предложенный мной способ может быть применен для газа любого типа газа (одноатомные газы, многоатомные газы, смеси газов - в том числе: азот, водород, аргон, углекислый газ, кислород, воздух, природный газ, сварочные газовые смеси и т.п.).The method proposed by me can be applied to gas of any type of gas (monatomic gases, polyatomic gases, mixtures of gases - including: nitrogen, hydrogen, argon, carbon dioxide, oxygen, air, natural gas, welding gas mixtures, etc.) .

Возможные области применения предложенного мной способа (не ограничиваясь перечисленными):Possible areas of application of the method proposed by me (not limited to those listed):

- подогрев сжатого газа перед редуцированием (от значения давления хранения в емкости/баллоне до давления использования) для исключения обмерзания редуктора и газопроводов,- heating of compressed gas before reduction (from the value of storage pressure in the tank/cylinder to the pressure of use) to prevent freezing of the reducer and gas pipelines,

- подогрев природного газа в магистральных сетях высокого давления и газорегулирующих станциях для исключения гидратообразования в природном газе,- heating of natural gas in high-pressure main networks and gas control stations to prevent hydrate formation in natural gas,

- подогрев газа принудительной циркуляцией этого газа по замкнутому контуру.- gas heating by forced circulation of this gas in a closed circuit.

Уровень техникиState of the art

Наиболее близкими к предлагаемому мной способу по техническим принципам является «Способ подогрева газового потока» патент СССР SU 1790724 A3 (автор В.Е.Финько). В указанном известном способе также используется принцип нагрева движущегося с высокой скоростью газа при его аэродинамическом торможении и аэродинамическом нагреве.The closest to the method proposed by me in terms of technical principles is the “Method of heating the gas stream” USSR patent SU 1790724 A3 (author V.E. Finko). This known method also uses the principle of heating a gas moving at high speed during its aerodynamic braking and aerodynamic heating.

Однако известный способ имеет ряд недостатков, связанных в основном с использованием сверхзвуковой скорости движения газа, которая приводит к быстрому износу и эрозии элементов нагревателя, что обуславливает использование при производстве нагревателя высококачественных и дорогостоящих материалов. Впрочем, даже при использовании высококачественных материалов в процессе аэродинамического торможения и воздействия сверхзвукового потока напрямую на элементы конструкции (ускоритель, конусообразные сопла, решетка торможения) все равно происходит их быстрое эксплуатационное изнашивание, и элементы значительно изменяются: истираются, теряют первоначальную геометрическую форму, в результате чего перестают выполнять необходимую функцию или полностью разрушаются.However, the known method has a number of disadvantages, mainly associated with the use of supersonic gas velocity, which leads to rapid wear and erosion of the heater elements, which leads to the use of high-quality and expensive materials in the manufacture of the heater. However, even when high-quality materials are used in the process of aerodynamic braking and the impact of a supersonic flow directly on structural elements (accelerator, cone-shaped nozzles, braking grid), they still wear out quickly, and the elements change significantly: they wear out, lose their original geometric shape, as a result which cease to perform the necessary function or are completely destroyed.

Раскрытие сущности изобретенияDisclosure of the essence of the invention

Целью предлагаемого мной изобретения является создание нового способа, лишенного недостатков известного способа, указанного выше, при реализации широко известного принципа аэродинамического торможения и нагрева газа.The purpose of my invention is to create a new method, devoid of the disadvantages of the known method mentioned above, while implementing the well-known principle of aerodynamic braking and gas heating.

В предложенном мной способе используется дозвуковая скорость потока газа, а аэродинамическое торможение и аэродинамический нагрев газа производятся в результате столкновения и взаимного торможения газовых струй без прямого столкновения газа с неподвижными элементами конструкции нагревателя. В этом случае эрозия и истирание поверхности внутренних элементов устройства незначительны, поэтому для изготовления нагревателя и устройств, предназначенных для реализации предлагаемого мной способа, не требуются высокопрочные материалы и возможно применять недорогие сорта стали, керамические, композитные или иные материалы. При этом в процессе длительной эксплуатации подобного нагревателя или устройства с постоянным течением газовых потоков все же неизбежно медленное постепенное истирание поверхности газовых каналов. Предложенная в моем способе геометрия газовых каналов, истираясь, существенно не изменяется, сохраняя геометрическое подобие и полную работоспособность длительный срок эксплуатации.The method proposed by me uses a subsonic gas flow velocity, and aerodynamic braking and aerodynamic heating of the gas are produced as a result of collision and mutual braking of gas jets without a direct collision of gas with fixed elements of the heater structure. In this case, erosion and abrasion of the surface of the internal elements of the device are insignificant, therefore, high-strength materials are not required for the manufacture of the heater and devices intended for the implementation of the method I propose, and it is possible to use inexpensive grades of steel, ceramic, composite or other materials. At the same time, during long-term operation of such a heater or device with a constant flow of gas flows, a slow gradual abrasion of the surface of the gas channels is still inevitable. The geometry of the gas channels proposed in my method, when worn, does not change significantly, while maintaining the geometric similarity and full performance for a long service life.

Для реализации способа подогрева потока газа используется доступный перепад давления газа. Перепад давления газа должен быть достаточным для образования скоростной струи газа. В зависимости от типа газа (его молекулярной массы, теплотехнических и иных характеристик) для осуществления предлагаемого способа существует минимально необходимый перепад давления газа, который находится экспериментально. Для реализации способа возможно использовать любое значение перепада давления газа выше минимального.To implement the method of heating the gas flow, the available pressure drop of the gas is used. The pressure drop of the gas must be sufficient to form a high-speed gas jet. Depending on the type of gas (its molecular weight, thermal and other characteristics) for the implementation of the proposed method, there is a minimum required gas pressure drop, which is found experimentally. To implement the method, it is possible to use any value of the gas pressure drop above the minimum.

Указанный выше известный способ подогрева газа также требует перепада давления, который используется для ускорения газа выше скорости звука, при этом для достижения сверхзвуковой скорости требуется гораздо большее значение перепада давления, чем необходимо в предлагаемом мной способе для дозвукового движения газа. Поэтому предлагаемый мной способ может быть более широко использован в промышленности, так как применим и в тех технологических процессах, где доступный перепад давления газа недостаточен для достижения сверхзвуковой скорости газа и не позволяет осуществить указанный выше известный способ.The above known method of gas heating also requires a pressure drop, which is used to accelerate the gas above the speed of sound, while achieving supersonic speed requires a much larger pressure drop than is necessary in my method for subsonic gas movement. Therefore, the method proposed by me can be more widely used in industry, as it is also applicable in those technological processes where the available gas pressure drop is insufficient to achieve supersonic gas velocity and does not allow the implementation of the above known method.

Не следует путать предлагаемый мной способ с принципиально иными способами и конструкциями газодинамических ударно-волновых и резонаторно-акустических нагревателей, основанными на эффекте Гетмана-Спрингера, в которых производится преобразование энергии сверхзвукового потока газа в ударно-волновые или акустические колебания газа в резонаторной камере, приводящие к нагреву стенок самой камеры, а газ при этом отводится холодным.The method proposed by me should not be confused with fundamentally different methods and designs of gas-dynamic shock-wave and resonator-acoustic heaters based on the Hetman-Springer effect, in which the energy of a supersonic gas flow is converted into shock-wave or acoustic gas oscillations in a resonator chamber, leading to to heating the walls of the chamber itself, while the gas is discharged cold.

Также не следует путать предлагаемый мной способ со способами, использующими вихревые трубки с эффектом Ранка-Хилша, который основан на разделении основного потока газа на «горячую» и «холодную» составляющую.Also, the method proposed by me should not be confused with methods using vortex tubes with the Ranque-Hilsch effect, which is based on the separation of the main gas flow into a “hot” and “cold” component.

Технические и физические принципы этих способов и устройств категорически отличаются от принципов, используемых в предлагаемом мной способе.The technical and physical principles of these methods and devices are categorically different from the principles used in the proposed method.

В предлагаемом мной способе можно выделить следующие существенные признаки и принципы работы:In the method I propose, the following essential features and principles of operation can be distinguished:

1. Подогрев газового потока производится путем преобразования собственной потенциальной энергии газа (давление газа) в тепловую энергию газа (кинетическая энергия молекул газа). То есть увеличение температуры газа происходит без подвода к газу извне дополнительной энергии (полная внутренняя энергия газа остается постоянной), при рассматриваемом процессе преобразования энергий и увеличения температуры газа соответственно снижается давление газа (то есть уменьшается потенциальная энергия газа, ранее полученная газом от механических устройств повышения давления/компрессоров).1. The gas flow is heated by converting the intrinsic potential energy of the gas (gas pressure) into the thermal energy of the gas (the kinetic energy of the gas molecules). That is, an increase in the gas temperature occurs without additional energy being supplied to the gas from the outside (the total internal energy of the gas remains constant), in the process of energy conversion and increase in the gas temperature under consideration, the gas pressure decreases accordingly (that is, the potential energy of the gas previously received by the gas from mechanical devices for increasing pressure/compressors).

2. Преобразование внутренней энергии газа производится при создании из единого потока газа с помощью симметричных газовых каналов двух одинаковых струй, ускорении этих струй в газовых каналах за счет разницы давления газа на входе и выходе этих газовых каналов, подведении струй к сопловым устройствам, фронтально размещенным друг напротив друга. При выходе струй из двух фронтально размещенных друг напротив друга сопловых устройств, струи газа попадают в расширяющиеся каналы и сталкиваются между собой («лоб в лоб»). Так как струи газа не являются плотными телами - после столкновения струи газа проходят друг в друга («на встречных курсах») с удвоенной относительной скоростью, увеличивая плотность друг друга и механически взаимодействуя друг с другом на молекулярном уровне. В результате столкновений и взаимодействий молекул в областях первичного столкновения наблюдается аэродинамическое торможение и остановка этих струй газа, характеризуемые увеличением скорости и хаотичности движения отдельных молекул газа (то есть увеличением кинетической энергии молекул газа), что в итоге наблюдается, как увеличение температуры газа. Поступающие последующие порции газа, выталкивают рассматриваемые выше остановившиеся и подогретые порции газа из областей первичного столкновения в зону перед выходным каналом, в которой они смешиваются, усредняются по температуре и единым потоком поступают на выходной канал, имея остаточное давление для последующего движения по выходному каналу.2. The transformation of the internal energy of the gas is carried out when creating two identical jets from a single gas flow using symmetrical gas channels, accelerating these jets in the gas channels due to the difference in gas pressure at the inlet and outlet of these gas channels, bringing the jets to nozzle devices located frontally opposite a friend. When the jets exit from two nozzle devices located frontally opposite each other, the gas jets enter the expanding channels and collide with each other ("head-on"). Since gas jets are not dense bodies, after a collision, gas jets pass into each other ("on a collision course") with a double relative speed, increasing each other's density and mechanically interacting with each other at the molecular level. As a result of collisions and interactions of molecules in the areas of primary collision, aerodynamic braking and stopping of these gas jets is observed, characterized by an increase in the speed and randomness of the movement of individual gas molecules (that is, an increase in the kinetic energy of gas molecules), which is ultimately observed as an increase in gas temperature. The incoming subsequent portions of gas push out the above stopped and heated portions of gas from the areas of primary collision into the zone in front of the outlet channel, in which they are mixed, averaged in temperature and enter the outlet channel as a single flow, having a residual pressure for subsequent movement through the outlet channel.

3. Перед разделением потока газа на струи предусматривается создание в потоке газа колебаний давления газа, которые обеспечивают импульсное увеличение (с некоторой периодичностью/частотой) перепада давления газа, и соответственно - увеличение скорости струй газа и «ударное» их взаимодействие. Колебания давления газа создаются в газодинамическом генераторе колебаний давления газа, не имеющем подвижных частей, основанном на известном ранее принципе работы пневмоаппаратов и струйных автоматов. Частота колебаний зависит от параметров и размеров элементов газодинамического генератора и может быть подобрана экспериментально для обеспечения достаточных колебаний давления газа при известном входном давлении газа. Без применения генератора колебаний давления газа поток газа, стабильно поступающий для разделения его на струи, не создаст достаточного перепада давления, не обеспечит ускорение струй и их «ударное» взаимодействие, что исключит аэродинамическое торможение струй и подогрев газа, а вместо этого будет наблюдаться равномерное течение газа по газовым каналам без какого-либо нагрева.3. Before the separation of the gas flow into jets, it is planned to create gas pressure fluctuations in the gas flow, which provide an impulse increase (with some periodicity/frequency) of the gas pressure drop, and, accordingly, an increase in the speed of the gas jets and their “shock” interaction. Fluctuations in gas pressure are created in a gas-dynamic generator of gas pressure oscillations, which does not have moving parts, based on the previously known principle of operation of pneumatic devices and jet machines. The oscillation frequency depends on the parameters and dimensions of the elements of the gas-dynamic generator and can be selected experimentally to ensure sufficient fluctuations in gas pressure at a known inlet gas pressure. Without the use of a gas pressure oscillation generator, a gas flow stably flowing to separate it into jets will not create a sufficient pressure drop, will not provide jet acceleration and their “shock” interaction, which will exclude aerodynamic deceleration of the jets and gas heating, but instead a uniform flow will be observed gas through gas channels without any heating.

Краткое описание чертежейBrief description of the drawings

На Фиг. 1 изображен общий вид газодинамического генератора колебаний давления газа в составе устройства подогрева газового потока аэродинамическим торможением струй.On FIG. 1 shows a general view of a gas-dynamic generator of gas pressure fluctuations as part of a device for heating a gas flow by aerodynamic deceleration of jets.

На Фиг. 2 изображен общий вид базового модуля в составе устройства подогрева газового потока аэродинамическим торможением струй.On FIG. 2 shows a general view of the base module as part of the device for heating the gas flow by aerodynamic deceleration of the jets.

На Фиг. 3 изображен минимальный комплект элементов в устройстве подогрева газового потока аэродинамическим торможением струй.On FIG. 3 shows the minimum set of elements in the device for heating the gas flow by aerodynamic deceleration of the jets.

На Фиг. 4 изображен возможный вариант комплекта элементов в устройстве подогрева газового потока аэродинамическим торможением струй.On FIG. 4 shows a possible variant of the set of elements in the device for heating the gas flow by aerodynamic deceleration of the jets.

На Фиг. 5 изображен газодинамический генератор колебаний давления газа, в котором можно выделить следующие элементы: входной канал с соплом 1, рабочая полость 2, профилированная стенка 3, сопло 4, камера 5, выходной канал 6.On FIG. 5 shows a gas-dynamic generator of gas pressure oscillations, in which the following elements can be distinguished: inlet channel with nozzle 1, working cavity 2, profiled wall 3, nozzle 4, chamber 5, outlet channel 6.

На Фиг. 6 изображен первый этап работы газодинамического генератора колебаний давления газа.On FIG. 6 shows the first stage of operation of the gas-dynamic generator of gas pressure oscillations.

На Фиг. 7 изображен второй этап работы газодинамического генератора колебаний давления газа.On FIG. 7 shows the second stage of operation of the gas-dynamic generator of gas pressure fluctuations.

На Фиг. 8 изображены графики изменения во времени входного и выходного давления газа в результате работы газодинамического генератора колебаний давления газа.On FIG. 8 shows graphs of changes in time of the inlet and outlet gas pressure as a result of the operation of the gas-dynamic generator of gas pressure fluctuations.

На Фиг. 9 изображен базовый модуль, в котором можно выделить следующие составляющие элементы: входной канал 7, два одинаковых симметричных струйных канала 8, два одинаковых симметричных сопла 9, два одинаковых симметричных расширяющихся канала, образующих области 10 и зону 11 перед выходным каналом 12.On FIG. 9 shows the basic module, in which the following constituent elements can be distinguished: inlet channel 7, two identical symmetrical jet channels 8, two identical symmetrical nozzles 9, two identical symmetrical expanding channels forming regions 10 and zone 11 in front of the outlet channel 12.

На Фиг. 10 изображен первый этап работы базового модуля.On FIG. 10 shows the first stage of operation of the basic module.

На Фиг. 11 изображен второй этап работы базового модуля.On FIG. 11 shows the second stage of the basic module.

На Фиг. 12 изображены графики изменения во времени входного и выходного давления газа в результате работы базового модуля.On FIG. 12 shows graphs of changes in time of the inlet and outlet gas pressure as a result of the operation of the basic module.

Осуществление изобретенияImplementation of the invention

Предлагаемый мной способ может быть реализован технически с помощью устройства подогрева газового потока аэродинамическим торможением струй (далее «устройство»), состоящего как минимум из газодинамического генератора колебаний давления газа (см. Фиг. 1) и базового модуля (см. Фиг. 2), в которых методом литья, штамповки или фрезерованием выполнены рабочие полости и газовые каналы. Рабочие полости и газовые каналы газодинамического генератора образуют рабочую струю газа и подают её на вход базового модуля. По газовым каналам базового модуля рабочая струя газа разделяется на две ускоряющиеся струи газа, которые направляются друг на друга и сталкиваются, что обеспечивает эффект аэродинамического нагрева газа при его торможении во встречных газовых струях. При этом отсутствует прямое ударное воздействие струй на элементы устройства.The method I propose can be implemented technically using a device for heating a gas flow by aerodynamic braking of jets (hereinafter referred to as the "device"), consisting of at least a gas-dynamic generator of gas pressure oscillations (see Fig. 1) and a base module (see Fig. 2), in which working cavities and gas channels are made by casting, stamping or milling. The working cavities and gas channels of the gas-dynamic generator form a working gas jet and feed it to the input of the base module. Through the gas channels of the base module, the working gas jet is divided into two accelerating gas jets, which are directed at each other and collide, which provides the effect of aerodynamic heating of the gas during its deceleration in the oncoming gas jets. In this case, there is no direct impact of the jets on the elements of the device.

Сечения газовых каналов могут быть как круглыми и овальными, так и прямоугольными. Гладкость и округлость стенок канала уменьшает вихреобразование при формировании и течении струй газа, что увеличивает их скорость и повышается эффективность нагрева газа.
Устройство может быть выполнено из различных материалов (нержавеющей стали, углеродистой стали, керамики, стекла и других материалов) в зависимости от их химической совместимости с подогреваемым газом и требований прочности конструкции устройства при работе с газами высоких давлений.
Cross-sections of gas channels can be both round and oval, and rectangular. The smoothness and roundness of the channel walls reduces vortex formation during the formation and flow of gas jets, which increases their speed and increases the efficiency of gas heating.
The device can be made of various materials (stainless steel, carbon steel, ceramics, glass and other materials) depending on their chemical compatibility with the heated gas and the strength requirements of the device design when working with high pressure gases.

На Фиг. 3 представлен минимальный комплект элементов устройства, в котором реализовывается предложенный мной способ.On FIG. 3 shows the minimum set of elements of the device in which the method proposed by me is implemented.

При необходимости подогрева газа до более высоких температур возможно многократное (более одного раза) последовательное применение предлагаемого мной способа, что ограничено только располагаемым перепадом давления (то есть потенциальной энергией давления газа, которую возможно преобразовать в тепловую энергию) нагреваемого газа. На Фиг.4 представлен вариант комплекта элементов устройства, в котором реализуется многократное последовательное применение предлагаемого мной способа.If it is necessary to heat the gas to higher temperatures, it is possible to repeatedly (more than once) sequentially apply the method I propose, which is limited only by the available pressure drop (that is, the potential energy of gas pressure that can be converted into thermal energy) of the heated gas. Figure 4 shows a variant of the set of elements of the device, which implements multiple sequential application of the proposed method.

Газодинамический генератор колебаний давления газа (см. Фиг. 1) основан на известном принципе пневмоавтоматов, описанных и использовавшихся в СССР (например, «Пневмоника» Л.А. Залманзон, Издательство «Наука», Москва, 1965г.). В газодинамическом генераторе колебаний давления газа используется свойство струи газа «прилипать» к стенке газового канала и распространяться компактной струёй без значимого рассеивания даже после попадания из газового канала в рабочую полость.The gas-dynamic generator of gas pressure fluctuations (see Fig. 1) is based on the well-known principle of pneumatic machines described and used in the USSR (for example, "Pneumonica" L.A. Zalmanzon, Nauka Publishing House, Moscow, 1965). The gas-dynamic generator of gas pressure fluctuations uses the property of a gas jet to “stick” to the wall of the gas channel and spread in a compact jet without significant dispersion even after it enters the working cavity from the gas channel.

На Фиг. 5 изображен газодинамический генератор колебаний давления газа, в котором можно выделить следующие элементы: входной канал с соплом 1, рабочая полость 2, профилированная стенка 3, сопло 4, камера 5, выходной канал 6.On FIG. 5 shows a gas-dynamic generator of gas pressure oscillations, in which the following elements can be distinguished: inlet channel with nozzle 1, working cavity 2, profiled wall 3, nozzle 4, chamber 5, outlet channel 6.

На Фиг. 6 изображен первый этап работы газодинамического генератора колебаний давления газа, у которого после подачи на Вход постоянного давления газа с помощью сопла 1 образуется струя исходного газа, попадающая в рабочую полость 2 с профилированной стенкой 3. Поток газа, прижимающийся к профилированной стенке 3, попадает в сопло 4 и поступает в камеру 5. Камера 5 заполняется поступающим газом, который соответственно в этот момент не поступает в выходной канал, и давление газа на Выходе снижается.On FIG. 6 shows the first stage of operation of a gas-dynamic generator of gas pressure oscillations, in which, after applying a constant gas pressure to the Inlet, a jet of the source gas is formed using nozzle 1, which enters the working cavity 2 with a profiled wall 3. The gas flow, which is pressed against the profiled wall 3, enters nozzle 4 and enters chamber 5. Chamber 5 is filled with incoming gas, which, accordingly, does not enter the outlet channel at this moment, and the gas pressure at the outlet decreases.

На Фиг. 7 изображен второй этап работы газодинамического генератора колебаний давления газа, у которого после заполнения камеры 5 до рабочего давления, в ней создается противодавление, и обратный поток газа из камеры 5 через сопло 4 отталкивает струю исходного газа от профилированной стенки 3 и направляет её в выходной канал 6. Струя, не теряя форму и не создавая вихрей в рабочей полости 2 «прилипает» к выходному каналу 6. Давление газа на Выходе повышается. Некоторое время проходящая транзитом через рабочую полость 2 струя газа способом эжекции откачивает газ из камеры 5, понижая в ней давление. В определенный момент давление в камере 5 станет настолько низким (относительно давления струи исходного газа), что сопло 4 подсосёт основной поток газа к профилированной стенке 3. Струя исходного газа прижмется к профилированной стенке 3 и начнет заполнять камеру 5, при этом давление газа на Выходе снижается. Таким образом, цикл замыкается - имеет место автоколебательный процесс изменения давления газа на Выходе (см. Рвых на Фиг. 8). Частота колебаний зависит от объема камеры 5 и свойств газа, а их амплитуда зависит от входного давления газа и свойств газа.On FIG. 7 shows the second stage of operation of the gas-dynamic generator of gas pressure oscillations, in which, after chamber 5 is filled to operating pressure, back pressure is created in it, and the reverse gas flow from chamber 5 through nozzle 4 repels the source gas jet from the profiled wall 3 and directs it to the outlet channel 6. The jet, without losing its shape and without creating vortices in the working cavity 2, “sticks” to the outlet channel 6. The gas pressure at the outlet rises. For some time, a gas jet passing through the working cavity 2 by means of ejection pumps the gas out of the chamber 5, lowering the pressure in it. At a certain moment, the pressure in chamber 5 will become so low (relative to the pressure of the source gas jet) that the nozzle 4 will suck the main gas flow to the profiled wall 3. The source gas jet will press against the profiled wall 3 and begin to fill the chamber 5, while the gas pressure at the outlet decreases. Thus, the cycle closes - there is a self-oscillatory process of changing the gas pressure at the outlet (see P out in Fig. 8). The oscillation frequency depends on the volume of the chamber 5 and the properties of the gas, and their amplitude depends on the inlet pressure of the gas and the properties of the gas.

Базовый модуль (см. Фиг. 2) реализует технологию разделения газового потока на две струи, ускорение струй, подведение струй к сопловым устройствам, фронтально размещенным друг напротив друга, организацию областей первичного столкновения и аэродинамического торможения струй, организацию области вторичного столкновения и объединения струй, отвод объединенного подогретого потока для дальнейшего использования.The base module (see Fig. 2) implements the technology of splitting the gas flow into two jets, jet acceleration, bringing jets to nozzle devices located frontally opposite each other, organizing areas of primary collision and aerodynamic deceleration of jets, organizing the area of secondary collision and combining jets, diversion of the combined heated stream for further use.

Принцип повышения температуры газов при прямом соударении открытых газовых струй описан в работах сотрудников Кафедры тепловых электрических станций Уральского Федерального Университета, например статья «Особенности термомеханического взаимодействия встречных газовых струй» в журнале «Современные проблемы науки и образования», номер 2, 2014г. Однако в указанной статье и подобных работах об этом исследовании не рассматриваются условия прямого столкновения газовых струй в ограниченном пространстве газовых каналов (то есть «замкнутых струй»), кроме этого нигде не анонсируется и не заявляется какой-либо вариант использования подобного механизма струйного взаимодействия для подогрева потока газа.The principle of increasing the temperature of gases in the direct impact of open gas jets is described in the works of employees of the Department of Thermal Power Plants of the Ural Federal University, for example, the article "Features of the thermomechanical interaction of oncoming gas jets" in the journal "Modern problems of science and education", number 2, 2014. However, this article and similar papers about this study do not consider the conditions for a direct collision of gas jets in a limited space of gas channels (that is, "closed jets"), except for this, no option is announced or claimed anywhere to use such a jet interaction mechanism for heating gas flow.

В дополнение к взаимодействию струй, текущих при постоянном давлении с постоянной скоростью, в предложенном мной способе применяется условие колебаний давления газа, непостоянство скоростей струй и соударение струй в условиях нестационарного ударного воздействия друг на друга, которое увеличивает относительную скорость струй и увеличивает эффективность вихреобразования, аэродинамического торможения и аэродинамического нагрева газа.In addition to the interaction of jets flowing at a constant pressure at a constant speed, the method proposed by me uses the condition of fluctuations in gas pressure, the variability of the velocities of the jets and the collision of the jets under conditions of unsteady impact on each other, which increases the relative velocity of the jets and increases the efficiency of vortex formation, aerodynamic deceleration and aerodynamic gas heating.

Так как базовый модуль устанавливается последовательно за газодинамическим генератором колебаний давления газа, то на Вход базового модуля подается переменное выходное давление из газодинамического генератора колебаний давления газа (см. Рвых на Фиг. 8).Since the base module is installed in series behind the gas-dynamic generator of gas pressure oscillations, then the input of the base module is supplied with a variable output pressure from the gas-dynamic generator of gas pressure oscillations (see Pout in Fig. 8).

На Фиг. 9 изображен базовый модуль, в котором можно выделить следующие составляющие элементы: входной канал 7, два одинаковых симметричных струйных канала 8, два одинаковых симметричных сопла 9, два одинаковых симметричных расширяющихся канала, образующих области 10 и зону 11 перед выходным каналом 12.On FIG. 9 shows the basic module, in which the following constituent elements can be distinguished: inlet channel 7, two identical symmetrical jet channels 8, two identical symmetrical nozzles 9, two identical symmetrical expanding channels forming regions 10 and zone 11 in front of the outlet channel 12.

На Фиг. 10 изображен этап подачи импульса давления рабочего газа на Вход, прохождение по входному каналу 7, разделение на две струи, ускорение струй при прохождении по газовым каналам 8 и через сопла 9.On FIG. 10 shows the stage of applying a pressure pulse of the working gas to the Inlet, passing through the inlet channel 7, splitting into two jets, and accelerating the jets when passing through gas channels 8 and through nozzles 9.

На Фиг. 11 изображен этап снижения давления на Входе согласно циклу работы газодинамического генератора колебаний давления газа, в этот момент происходит взаимное проникновение струй друг в друга в зоне 11, которые на высокой (но дозвуковой) скорости проскакивают отверстие выходного канала 12 и проходят в области 10 - первичного столкновения и аэродинамического торможения струй. Так как в этих зонах струи и молекулы газа двигаются навстречу друг другу, то их относительная скорость суммируется, происходит трение слоев газа друг о друга, вихреобразование, торможение молекул газа друг о друга, и их остановка, что приводит к аэродинамическому нагреву газа и образованию локальных областей повышенного давления газа (за счет его полной остановки). В этой области достигается температура торможения:On FIG. 11 shows the stage of reducing the pressure at the Inlet according to the cycle of operation of the gas-dynamic generator of gas pressure fluctuations, at this moment there is a mutual penetration of the jets into each other in zone 11, which at high (but subsonic) speed slip through the opening of the outlet channel 12 and pass in the region 10 - the primary collision and aerodynamic braking of jets. Since in these zones the jets and gas molecules move towards each other, their relative velocity is summed up, the layers of gas rub against each other, vortex formation, deceleration of gas molecules against each other, and their stop, which leads to aerodynamic heating of the gas and the formation of local areas of high gas pressure (due to its complete stop). In this region, the stagnation temperature is reached:

Figure 00000001
(где Т - температура газа, К; W - скорость газа, м/с; Ср - удельная теплоемкость газа, Дж/кг·К).
Figure 00000001
(where T is the gas temperature, K; W is the gas velocity, m/s; Cp is the specific heat of the gas, J/kg K).

Тепло, передаваемое нагретым газом корпусу устройства, также участвует в подогреве последующих холодных порций газа. Корпус устройства теплоизолируется снаружи для снижения потерь тепла в окружающую среду.The heat transferred by the heated gas to the body of the device is also involved in heating the subsequent cold portions of the gas. The body of the device is thermally insulated from the outside to reduce heat loss to the environment.

После остановки струи газа из областей 11, подпираемые давлением новых порций газа из сопел 9, направляются в сторону зоны 10 - происходит вторичное столкновение, перемешивание и объединение струй газа в общий поток, который выходит через выходной канал 12 и далее - на Выход устройства. В это время на Вход поступает новый импульс давления, и цикл замыкается: при поступлении следующей порции газа - на Выход базового модуля отводится порция подогретого газа. Таким образом, давление газа на Выходе также подвержено пульсации, но несколько сглаживается задержками и вихрями в потоке газа, образующимися в процессе столкновений струй (см. Фиг. 12).After stopping the gas jet from areas 11, supported by the pressure of new portions of gas from nozzles 9, they are directed towards zone 10 - a secondary collision occurs, mixing and combining gas jets into a common stream that exits through the outlet channel 12 and further - to the outlet of the device. At this time, a new pressure pulse arrives at the Inlet, and the cycle closes: when the next portion of gas arrives, a portion of the heated gas is discharged to the Outlet of the base module. Thus, the gas pressure at the Outlet is also subject to pulsation, but is somewhat smoothed out by delays and eddies in the gas flow, which are formed during the collision of jets (see Fig. 12).

Так как ожидается небольшое увеличение температуры и падение давления исходного газа за один цикл столкновения в одном базовом модуле, и при прохождении базового модуля сохраняется пульсация давления газа, то предложенный мной способ предусматривает возможность прохождения потоком газа последовательно нескольких базовых модулей, то есть несколько циклов аэродинамического торможения с целью более полного преобразования потенциальной энергии сжатого газа в тепловую энергию и подогрева газа. Количество повторений зависит от типа и свойств газа, и определяется остаточным уровнем давления и пульсациями давления, которые должны быть достаточными для образования высокоскоростных струй и условий для аэродинамического торможения и нагрева газа. В итоге, в процессе последовательного прохождения потока через несколько базовых модулей произойдет усреднение и нивелирование импульсов давления газа, которые были получены в результате работы газодинамического генератора колебаний давления газа - выходящий подогретый пониженного давления газ может быть использован потребителем без дополнительной компенсации пульсаций давления. На Фиг. 4 изображен вариант комплекта элементов в устройстве, в котором реализовывается предложенный мной способ.Since a slight increase in temperature and a drop in pressure of the source gas are expected for one collision cycle in one base module, and gas pressure pulsation is maintained during the passage of the base module, the method proposed by me provides for the possibility of the gas flow passing successively several base modules, that is, several cycles of aerodynamic braking for the purpose of more complete conversion of the potential energy of compressed gas into thermal energy and gas heating. The number of repetitions depends on the type and properties of the gas, and is determined by the residual pressure level and pressure fluctuations, which must be sufficient for the formation of high-speed jets and conditions for aerodynamic braking and heating of the gas. As a result, in the process of sequential passage of the flow through several basic modules, the gas pressure pulses will be averaged and leveled, which were obtained as a result of the operation of the gas-dynamic generator of gas pressure fluctuations - the outgoing heated reduced pressure gas can be used by the consumer without additional pressure fluctuation compensation. On FIG. 4 shows a variant of a set of elements in a device in which the method proposed by me is implemented.

Claims (2)

1. Способ подогрева газового потока, путем преобразования собственной потенциальной энергии давления газа в тепловую энергию газа, заключающийся в разделении потока газа на две струи, ускорении этих струй, подведении этих струй к сопловым устройствам, фронтально размещенным друг напротив друга, столкновении этих струй, их взаимном торможении перед выходом и отведении объединенного подогретого потока для дальнейшего использования, отличающийся тем, что перед разделением газового потока на две струи в нем с помощью газодинамического генератора колебаний давления газа, не имеющего подвижных частей, создают колебания давления и скорости, не достигающей сверхзвуковой скорости движения, при этом разделение потока газа на две струи осуществляют по меньшей мере один раз, причем перед столкновением струи направляют в расширяющиеся каналы, образующие области первичного столкновения и аэродинамического торможения струй, и затем в зону перед выходным каналом.1. A method for heating a gas flow by converting the self-potential energy of gas pressure into thermal energy of the gas, which consists in dividing the gas flow into two jets, accelerating these jets, bringing these jets to nozzle devices that are frontally placed opposite each other, colliding these jets, their mutual deceleration before exiting and diverting the combined heated flow for further use, characterized in that before the separation of the gas flow into two jets in it, using a gas-dynamic generator of gas pressure fluctuations that does not have moving parts, pressure and speed fluctuations are created that do not reach supersonic speed , wherein the separation of the gas flow into two jets is carried out at least once, and before the collision, the jets are directed into expanding channels forming the areas of primary collision and aerodynamic deceleration of the jets, and then into the zone in front of the outlet channel. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что после газодинамического генератора колебаний давления газа производится последовательное повторение (более 1 раза) разделения потока газа на две струи с направлением их в расширяющиеся каналы, образующие области первичного столкновения этих струй и аэродинамического торможения струй, то есть производится многократная реализация способа по п. 1, что в конечном итоге приводит к более полному преобразованию потенциальной энергии давления газа в тепловую энергию газа и более эффективному подогреву потока газа.2. The method according to claim 1, characterized in that after the gas-dynamic generator of gas pressure fluctuations, a sequential repetition (more than 1 time) of the separation of the gas flow into two jets is performed with their direction into expanding channels, forming areas of primary collision of these jets and aerodynamic deceleration of the jets, that is, the method according to claim 1 is repeatedly implemented, which ultimately leads to a more complete conversion of the potential energy of gas pressure into thermal energy of the gas and more efficient heating of the gas flow.
RU2021106354A 2021-03-11 2021-03-11 Method for heating the gas flow by aerodynamic braking of jets RU2765107C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2021106354A RU2765107C1 (en) 2021-03-11 2021-03-11 Method for heating the gas flow by aerodynamic braking of jets

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2021106354A RU2765107C1 (en) 2021-03-11 2021-03-11 Method for heating the gas flow by aerodynamic braking of jets

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2765107C1 true RU2765107C1 (en) 2022-01-25

Family

ID=80445326

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2021106354A RU2765107C1 (en) 2021-03-11 2021-03-11 Method for heating the gas flow by aerodynamic braking of jets

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2765107C1 (en)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB1202895A (en) * 1967-03-01 1970-08-19 John Alan Charles Kentfield Improvements in or relating to fluid rectifiers
RU2379859C1 (en) * 2008-06-16 2010-01-20 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Московский государственный университет дизайна и технологии (МГУДТ) Gas flow heater
CN108344194A (en) * 2017-12-13 2018-07-31 西安航天化学动力厂 Vessel is less than 1m3Air force heating furnace
RU2708006C1 (en) * 2018-10-04 2019-12-03 Леонид Степанович Кузило Reverse aerodynamic heater with increased length rotor

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB1202895A (en) * 1967-03-01 1970-08-19 John Alan Charles Kentfield Improvements in or relating to fluid rectifiers
RU2379859C1 (en) * 2008-06-16 2010-01-20 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Московский государственный университет дизайна и технологии (МГУДТ) Gas flow heater
CN108344194A (en) * 2017-12-13 2018-07-31 西安航天化学动力厂 Vessel is less than 1m3Air force heating furnace
RU2708006C1 (en) * 2018-10-04 2019-12-03 Леонид Степанович Кузило Reverse aerodynamic heater with increased length rotor

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US6308740B1 (en) Method and system of pulsed or unsteady ejector
RU2287118C1 (en) Method for liberation of energy by means of rotary-translational motion of liquid and device for conversion and liberation of energy in liquid media
US5083429A (en) Method of and compression tube for increasing pressure of a flowing gaseous medium, and power machine applying the compression tube
JPS60208684A (en) Method of stabilizing flow of fluid on expansion when kinetic energy simultaneously lower and valve and decompression device for executing said method
JP2014511121A (en) Thermally generated jet injection
Zhao et al. Effects of a jet turbulator upon flame acceleration in a detonation tube
RU2765107C1 (en) Method for heating the gas flow by aerodynamic braking of jets
Zhilin et al. Numerical study of thermal effects in an acoustic-convective flow in a two-channel system
Solomon et al. Design and Characterization of Nozzle-Injection Assemblies Integrated with High-Frequency Microactuators
RU2714582C1 (en) Method for arrangement of working process in straight-flow air-jet engine with continuous-detonation combustion chamber and device for implementation thereof
JP2007016608A (en) Pulse-detonation rotary driving unit
RU2296876C2 (en) Method and device for producing thrust
RU2578236C1 (en) Method of generating engine thrust and engine design
WO2014058354A1 (en) Method for producing reactive thrust, and reactive engine
RU2750125C1 (en) Multi-nozzle gas ejector
RU2313403C2 (en) Thermal head
Zamuraev et al. Control of the formation of a transonic region in an axisymmetric supersonic flow with the use of a jet and a near-wall energy supply
Dvořák et al. Experimental investigation into flow in an ejector with four synthetic jets
Raoelison et al. A Concept of Aerospike Nozzle for Cold Spray Additive Manufacturing—Towards a Potential Solution for Preventing the Issue of Clogging
RU2201329C1 (en) Method for thermoabrasive cleaning of article surfaces and apparatus for performing the same
RU2618183C2 (en) Heat exchanger heating method of the houses heating system and other objects and device for the method implementation
Kochetkov et al. Famous trumpet effects
RU2272225C2 (en) Method of heating liquid
Cuciuc et al. Valveless Pulsed Detonation Chamber Controlled by Hartmann Oscillators
RU2649491C2 (en) Method for forming continuous detonation without deflagration in a combustion chamber