UA77261C2

UA77261C2 - Cascade pressure exchanger

Info

Publication number: UA77261C2
Application number: UA20040806986A
Authority: UA
Inventors: Oleksandr Ivanovych Krainiuk; Andrii Oleksandrovych Krainiuk
Original assignee: East Ukrainian Volodymyr Dal N
Priority date: 2004-08-21
Filing date: 2004-08-21
Publication date: 2006-11-15

Abstract

A cascade pressure exchanger has a rotor with pressure exchange cells, a stator surrounding it with windows for supply and discharge of compressing and compressed gases, a fan, this is connected to the channel for compressed air supply. On the surface of the stator channels are provided, the outlet windows of those are connected to each other by closed channels symmetrically with respect to the window for compressing gas supply.

Description

Опис винаходуDescription of the invention

Винахід відноситься до енергетичного машинобудування, зокрема до пристроїв для наддуву двигунів 2 внутрішнього згоряння шляхом безпосереднього обміну енергій між відпрацьованими газами і наддувним повітрям і може бути використане в системах утилізації теплоти.The invention relates to power engineering, in particular to devices for supercharging internal combustion engines 2 by direct energy exchange between exhaust gases and supercharged air and can be used in heat recovery systems.

Відомо обмінник тиску |див. патент США Мо2780405, кл. 417-64, опубл. 1957, бюл.Мо2), що містить ротор з подовжніми осередками і нерухомі торцеві плити, постачені вікнами для підведення і відведення стискаючого газу і стиснутого повітря. 70 Недоліком відомого пристрою є чутливість продувки осередків повітрям до гідравлічного опору трактів низького тиску і відхиленню частоти обертання ротора від розрахункових значень.A known pressure exchanger | see US patent Mo2780405, cl. 417-64, publ. 1957, bull. Mo2), containing a rotor with longitudinal cells and fixed end plates, supplied with windows for the supply and discharge of compressive gas and compressed air. 70 The disadvantage of the known device is the sensitivity of blowing the cells with air to the hydraulic resistance of the low-pressure tracts and the deviation of the rotor rotation frequency from the calculated values.

За прототип приймається обмінник тиску, що містить ротор з напорообмінними осередками, охоплюючий його статор з вікнами підведення і відведення стискаючого і стиснутого газів та вентилятор, підключений до каналу підведення стиснутого газу |див. Ас. СРСР Мо1573239, РО4811/00, опубл. 23.06.90, бюл.Мо23). Примусове 72 вентилювання осередків при підключенні до вікон низького тиску сприяє інтенсифікації продувки повітрям, у тому числі на нерозрахованих швидкісних режимах, однак не робить принципового впливу на обмінні процеси на ділянці високого тиску. На нерозрахованих швидкісних режимах неузгодженість відображення первинних хвиль у напорообмінних каналах з фазами підключення їх до вікон високого тиску призводить до значного погіршенняThe prototype is a pressure exchanger containing a rotor with pressure exchange cells, a stator covering it with supply and discharge windows for compressing and compressed gases, and a fan connected to the compressed gas supply channel | see Ass. USSR Mo1573239, RO4811/00, publ. 23.06.90, Bul. Mo23). Forced 72 ventilation of cells when connected to low-pressure windows contributes to the intensification of air blowing, including at uncalculated speed modes, but does not fundamentally affect the exchange processes in the high-pressure area. At uncalculated speed modes, the inconsistency of the display of primary waves in the pressure exchange channels with the phases of their connection to the high-pressure windows leads to a significant deterioration

ККД обмінника. Крім того, неминучі дисипативні явища в процесах формування і взаємодії ударних хвиль і сильно обурених хвиль розрідження обмежують ККД кращих зразків хвильових обмінників тиску на розрахункових режимах значеннями 0,55...0,57.Exchanger efficiency. In addition, the inevitable dissipative phenomena in the processes of formation and interaction of shock waves and strongly disturbed rarefaction waves limit the efficiency of the best samples of pressure wave exchangers at the calculated modes by values of 0.55...0.57.

Технічним результатом винаходу є підвищення ККД обмінника і зниження його чутливості до неузгодженості частоти обертання ротора шляхом організації каскадно-статичного стиску робочого тіла у напорообмінних осередках і нівелювання хвильової складової обміну енергією між стискаючим і стиснутим газами. с 29 Це досягається тим, що в обміннику тиску, що містить ротор з напорообмінними осередками, охоплюючий Го) його статор з вікнами підведення і відведення стискаючого і стиснутого газів та вентилятор, підключений до каналу підведення стиснутого газу, відповідно до винаходу, на поверхні статора виконано канали, вихідні вікна яких розміщені на поверхні, що сполучається з вхідними перетинами напорообмінних осередків ротора симетрично щодо вікна підведення стиснутого газу. -- 30 Перераховані вище конструктивні рішення дозволяють практично цілком використовувати залишковий тиску «о кожнім з осередків після роз'єднання з вікнами високого тиску (підведення стискаючого газу і відведення стиснутого газу) для попереднього підвищення тиску в осередках до значення близького до тиску стискаючого с газу. Таким чином, основне підвищення тиску в осередку здійснюється в процесі каскадного стиску в період, що че передує його підключенню до вікон високого тиску. При підключенні осередку до вікон високого тиску енергія 35 стискаючого газу витрачається в основному на витиснення вже стиснутого газу (повітря), що, у кінцевому - рахунку, забезпечує зниження витрати стискаючого газу і підвищення ККД обмінника. Виключення в енергообмінному процесі сильних ударних хвиль, у свою чергу, дозволяє не тільки зменшити дисипацію енергообмінного процесу, але й істотно знизити чутливість обмінника до неузгодженості частоти обертання « ротора з фазами газорозподільчих вікон. З 50 Завдяки симетричному розміщенню по обидва боки вікна підведення стискаючого газу рядів вікон с досягається каскадно-ступінчастий стиск робочого тіла, причому зі збільшенням кількості цих вікон залишковий з» тиск в осередку в момент сполучення його з продувними вікнами наближається до атмосферного, при цьому продувка осередку здійснюється не за рахунок хвильових процесів, а за рахунок енергетично більш раціонального стаціонарного вентилювання, завдяки надлишковому тискові в каналі підведення стиснутого газу, 45 підтримуваному підключеним до цього каналу вентилятором. це. Сутність винаходу пояснюється кресленням: на Фіг.1 - каскадний обмінник тиску, загальний вигляд; на Фіг.2 -і - схематичне розгорнення ротора щодо вікон статора.The technical result of the invention is to increase the efficiency of the exchanger and reduce its sensitivity to the inconsistency of the rotor rotation frequency by organizing the cascade-static compression of the working fluid in the pressure exchange cells and leveling the wave component of the energy exchange between the compressing and compressed gases. c 29 This is achieved by the fact that in a pressure exchanger containing a rotor with pressure exchange cells, covering Го) its stator with supply and discharge windows of compressed and compressed gases and a fan connected to the supply channel of compressed gas, according to the invention, on the surface of the stator is made channels, the output windows of which are located on the surface that communicates with the input sections of the pressure exchange cells of the rotor symmetrically with respect to the compressed gas supply window. -- 30 The structural solutions listed above allow almost complete use of the residual pressure "o in each of the cells after disconnection from the high-pressure windows (input of compressive gas and discharge of compressed gas) to pre-increase the pressure in the cells to a value close to the pressure of the compressive gas. Thus, the main pressure increase in the cell is carried out in the process of cascade compression in the period that precedes its connection to the high-pressure windows. When the cell is connected to the high-pressure windows, the energy 35 of the compressing gas is spent mainly on pushing out the already compressed gas (air), which, ultimately, provides a reduction in the consumption of compressing gas and an increase in the efficiency of the exchanger. The exclusion of strong shock waves in the energy exchange process, in turn, allows not only to reduce the dissipation of the energy exchange process, but also to significantly reduce the sensitivity of the exchanger to the inconsistency of the rotation frequency of the rotor with the phases of the gas distribution windows. With 50 Thanks to the symmetrical placement on both sides of the window of the supply of compressive gas, the rows of windows c achieve a cascade-step compression of the working body, and with an increase in the number of these windows, the residual c" pressure in the cell at the time of its connection with the purge windows approaches atmospheric, while the cell is blown is carried out not at the expense of wave processes, but at the expense of energetically more rational stationary ventilation, thanks to the excess pressure in the compressed gas supply channel 45 supported by the fan connected to this channel. it. The essence of the invention is explained by the drawing: in Fig. 1 - cascade pressure exchanger, general view; in Fig. 2 - and - schematic deployment of the rotor with respect to the stator windows.

Каскадний обмінник тиску містить ротор 1 з напорообмінними осередками 2, охоплюючий його статор З з о діаметрально оппозитно розміщеними вікном 4 підведення стискаючого газу високого тиску (ПВТ) і вікном 5The cascade pressure exchanger contains a rotor 1 with pressure exchange cells 2, covering its stator З with o diametrically oppositely located window 4 for the supply of high-pressure compressive gas (PVT) and window 5

Ге»! 20 відведення стискаючого газу низького тиску (ВНТ), на поверхні статора, що сполучається з вхідними перетинами осередків 2, розміщено вікна 6 каскадного обміну, сполучені попарно між собою за допомогою замкнутих каналів та 7. На суміжній поверхні статора 3, сполученої із суміжними вихідними перетинами осередків 2 ротора 1, розташовано вікно 8 відведення стиснутого газу високого тиску (ВВТ) і вікно 9 підведення стиснутого газу низького тиску (ПНТ), підключене до каналу 10 з розташованим у ньому вентилятором 11.Gee! 20 discharge of low-pressure compressive gas (BNT), on the surface of the stator, connected to the input sections of cells 2, there are windows 6 of cascade exchange, connected in pairs with each other by means of closed channels and 7. On the adjacent surface of the stator 3, connected to the adjacent output sections cells 2 of the rotor 1, there is a window 8 of high-pressure compressed gas removal (VVT) and a window 9 of low-pressure compressed gas supply (PNT), connected to channel 10 with a fan 11 located in it.

Каскадний обмінник тиску працює наступним чином.The cascade pressure exchanger works as follows.

ГФ) При обертанні ротора і кожен з осередків 2 з попередньо стиснутим газом (повітрям; сполучається з вікнами юю 4 ПВТ і 8 ВВТ, у першому з яких підтримується тиск трохи перевищуючий тиск у вікні 8 ВВТ. У результаті, під дією перепаду тисків між цими вікнами, стискаючий газ, надходячи в осередок 2, витісняє з нього попередньо стиснутий газ (повітря; у вікно 8, звідки останній відводиться до споживача. Оскільки тиск стискаючого газу у 60 вікні 4 ПВТ несуттєво перевищує тиск попереднього стиску газу (повітря; в осередку 2. у його вхідному перетині формується хвиля ущільнення малої інтенсивності, незначно підвищуюча тиск в осередку 2. У зв'язку практичної відсутності процесу стиску в період сполучення осередку 2 з вікнами високого тиску об'ємна витрата стискаючого газу у вікні 4 ПВТ приблизно дорівнює об'ємній витраті стиснутого газу (повітря) у вікні 8 ВВТ, а відношення масових витрат у першому наближенні дорівнює зворотному відношенню температур цих газів. бо Після роз'єднання з вікнами високого тиску в осередку 2 зберігається залишковий тиск, що дорівнює тискові стискаючого газу у вікні 4 ПВТ.GF) When the rotor rotates and each of the cells 2 with pre-compressed gas (air; connects with windows 4 PVT and 8 VVT, in the first of which a pressure slightly exceeding the pressure in the window 8 VVT is maintained. As a result, under the influence of the pressure difference between these windows, the compressing gas, entering cell 2, displaces the pre-compressed gas (air; in cell 8) from it, from where the latter is delivered to the consumer. Since the pressure of the compressing gas in window 60 4 of the HVT is insignificantly higher than the pressure of the pre-compressed gas (air; in cell 2 . a compression wave of low intensity is formed in its inlet section, which slightly increases the pressure in cell 2. Due to the practical absence of the compression process during the period of connection of cell 2 with the high-pressure windows, the volume flow rate of the compressive gas in window 4 of the PVT is approximately equal to the volume to the flow of compressed gas (air) in the window 8 VVT, and the mass flow ratio in the first approximation is equal to the inverse ratio of the temperatures of these gases. Because after disconnection from the windows of high pressure in the cell 2, the residual pressure is stored, which is equal to the pressure of the compressing gas in the window 4 of the HVT.

У процесі обертання ротора осередок 2 послідовно сполучається з вікнами 6 каналів 7, крізь які частина стиснутого газу відводиться в суміжні щодо цих каналів 7 осередки, стискаючи газ (повітря), що знаходиться в до НИХ. Внаслідок цього в міру наближення до вікна 5 залишковий тиск в осередку 2 поступово знижується.In the process of rotation of the rotor, the cell 2 is sequentially connected to the windows 6 of the channels 7, through which part of the compressed gas is diverted to cells adjacent to these channels 7, compressing the gas (air) located in the THEM. As a result, as we approach window 5, the residual pressure in cell 2 gradually decreases.

У первісний момент сполучення з вікном 5 ВНТ тиск в осередку 2 зберігає деякий надлишковий потенціал, тим менший, чим більша кількість каналів 7 і, відповідно, пар вікон 6 розміщених в статорі З обмінника. При цьому у вихідному перетині осередку 2, що сполучається з вікном 5 ВНТ, формується слабка хвиля розрідження, недостатня для організації продувного імпульсу. При наступному підключенні до вікна 9 здійснюється продувка /о осередку 2 газом (повітрям), в основному, за рахунок надлишкового тиску в каналі 10, підтримуваним вентилятором 11.At the initial moment of connection with the window 5 of the VNT, the pressure in the cell 2 retains some excess potential, the smaller the greater the number of channels 7 and, accordingly, pairs of windows 6 located in the stator Z of the exchanger. At the same time, a weak rarefaction wave is formed in the output cross-section of cell 2, which is connected to window 5 of the VNT, which is insufficient for the organization of a blow-by pulse. At the next connection to the window 9, the cell 2 is blown with gas (air), mainly due to the excess pressure in the channel 10, supported by the fan 11.

При подальшому обертанні ротора 1 осередок 2 послідовно сполучається з протилежними вікнами 6 каналів 7, через які забезпечується підведення робочого тіла із суміжних осередків, що супроводжується ступінчастим підвищенням тиску в ньому. Перед сполученням з вікном 4 ПВТ в осередку 2 встановлюється тиск попереднього /5 бтиску, близький до тиску газів у вікні 4 ПВТ, і далі цикл відновляється.During the further rotation of the rotor 1, the cell 2 is sequentially connected to the opposite windows 6 of the channels 7, through which the supply of the working fluid from the adjacent cells is ensured, which is accompanied by a gradual increase in pressure in it. Before connecting to window 4 of the HVT in cell 2, the pressure of the previous /5 blow is set, close to the gas pressure in window 4 of the HVT, and then the cycle is resumed.

Описаний процес здійснюється послідовно в кожнім осередку, що забезпечує безперервну роботу обмінника.The described process is carried out sequentially in each cell, which ensures continuous operation of the exchanger.

Таким чином, у каскадному обміннику досягається підвищення ККД завдяки практично повному використанню залишкового тиску у процесі каскадного обміну енергією між суміжними осередками на ділянках стиску і розширення, а також виключенню в робочому процесі умов формування хвиль великої інтенсивності.Thus, in the cascade exchanger, an increase in efficiency is achieved due to the almost complete use of the residual pressure in the process of cascade energy exchange between adjacent cells in the compression and expansion sections, as well as the exclusion of high-intensity wave formation conditions in the work process.

До переваг запропонованого технічного рішення, у порівнянні з прототипом, відноситься наступне: - підвищення ефективності обмінних процесів у вигляді наявності процесу стиску робочого тіла до підключення осередку до вікна підведення стискаючого газу за рахунок енергії залишкового тиску, а також зниження дисипативних явищ внаслідок істотної зміни хвильової складової обмінних процесів циклу; - зниження чутливості до відхилення частоти обертання ротора від розрахункового значення завдяки с відсутності необхідності узгодження моментів підключення напорообмінних осередків до газорозподільчих вікон із тривалістю поширення первинних хвиль у високонапорній і низьконапорній частинах робочого циклу. і)The advantages of the proposed technical solution, in comparison with the prototype, include the following: - an increase in the efficiency of exchange processes in the form of the presence of a process of compression of the working body before connecting the cell to the supply window of the compressive gas due to the energy of the residual pressure, as well as a decrease in dissipative phenomena due to a significant change in the wave component exchange processes of the cycle; - reduction of sensitivity to the deviation of the rotor rotation frequency from the calculated value due to the absence of the need to coordinate the moments of connecting the pressure exchange cells to the gas distribution windows with the duration of the propagation of primary waves in the high-pressure and low-pressure parts of the operating cycle. and)

Економічний ефект від використання запропонованого технічного рішення досягається за рахунок зниження витрат стискаючого газу і розширення області ефективної роботи обмінника у вигляді високої пристосовності до км ож зміннуійБР5?"лбертання ротора. - (Се)The economic effect of using the proposed technical solution is achieved due to the reduction of compressive gas consumption and the expansion of the area of effective operation of the exchanger in the form of high adaptability to km or variable rotation of the rotor. - (Se)

Claims

The formula of the invention is a cascade pressure exchanger containing a rotor with pressure exchange cells, covering its stator with inlet and outlet windows for compressing and compressed gases, a fan connected to the supply channel for compressed gas, which is distinguished by the fact that channels are made on the surface of the stator, the output windows of which are placed on the surface that communicates with the input sections of the pressure exchange cells of the rotor symmetrically with respect to the window of the supply of compressive gas. "

- and? -i -i ime) (o) - ime) 60 b5