Способ смешения сверхзвуковых газовых потоков в разреженной среде
СПОСОБ СМЕНШНИЯ СВЕРХЗВУКОВЫХ ГАЗОВЫХ ПОТОКОВ В РАЗРЕЖЕННОЙ If t СРЕДЕ путем подачи в камеру смешения через сопло центрального потока основного газа при статическом давлении в камере смешения, меньшем, чем на срезе сопла, и концентричного потока подмешиваемого газа, о тличающийся тем, что, с целью повышения эффективности процесса смешения, подачу потока подмешиваемого газа в разреженную среду осуществляют при значениях статического давления на срезе сопла, равных статическому давлению в камере смешения, и подачу потока основного газа осуществляют при значениях критерия разi реженности равных
COOS СОВЕТСКИХ
РЕСПУБЛИК зш В О1 F 3/02
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР
IlO ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3545809/23-26 (22) 25.01.83 (46) 23.08.84. Бюл.У31 (72) С.А.Сенковенко и Г.Е.Скворцов (53) 66.063(088.8) (56) 1. Крошко В.Н., Солоухина P.È., Фомина Н.А., Газодинамический лазер со смешением в сверхзвуковом потоке.
Газодинамические лазеры. М., "Наука", Сибирское Отделение АН СССР, 1977, с.59.
2. Теоретическая и прикладная плазмохимия. Под ред. Л.С Полака
М., "Наука", 1975, с.637.
3. Гросс Дж. и Батт Дж. Химичес кие лазеры,M., "Мир", 1980, с.314 (прототип). (54) (57) СПОСОБ СМЕШЕНИЯ СВЕРХЗВУКОВЫХ ГАЗОВЫХ ПОТОКОВ В РАЗРЕЖЕННОЙ
„„Я0„„1109185 A
СРЕДЕ путем подачи в камеру смешения через сопло центрального потока основного газа при статическом давлении в камере смешения, меньшем, чем на срезе сопла, и концентричного потока подмешиваемого газа, о тл и ч а ю шийся тем, что, с целью повышения эффективности процесса смешения, подачу потока подмешиваемого газа в разреженную среду осуществляют при значениях статического давления на срезе сопла, равных статическому давлению в камере смешения, и подачу потока основного газа осуществляют при значениях критерия раз" реженности Kn< 1109 Изобретение относится к способам и устройствам общего назначения для осуществления различных физико-химических процессов, в частности процессов смешения, и может быть использовано в широком классе устройств, в которых производится смешение сверхзвуковых потоков в разреженной среде, в плазмохимической, электронной и других отраслях промьппленности для полу- 10 чения сверхчистых веществ, порошков, пленок и пр.„ а также в газовых и химических квантовых генераторах ° Известны способы смешения высокоскоростных разреженных газовых пото- 15 ков в газодинамических лазерах «1). Инверсная заселенность уровней в диффузионных химических лазерах создается при смешении высокоскоростных или параллельных потоков реагирующих 20 между собой компонентов, истекающих в расчетном (Рд=Рв), где Р„ — статическое давление на срезе сопла, P — давление в камере смешения) или в недорасширенном режимах течения 25 (P > Рв) . Для эффективной работы химического лазера необходимо, чтобы время смешения компонентов и время химической реакции были меньше времени столкновительной релаксации, 30 а перемешанный поток газов был однородным (безградиентным). Мощность химического лазера (энергосъем с единицы объема газа) и его полный энергетический КПД (< =2-47) в большой степени зависят от расхода реагентов (давления смеси), полноты преобразования колебательной энергии в энергию излучения и от типа смешения (диффузионного, ламинарного или 40 турбулентного). Диффузионный режим смешения не позволяет получать высокоскоростные потоки большой плотности, из-за чего снижается эффективность энергетических устройств. При лами- 4g нарном и турбулентном смешении ско— рость перемешивания увеличивается, но вместе с этим в потоке возникают газодинамические возмущения, существенным образом влияющие на оптические свойства инверсной среды в лазере или выход исходного продукта в плазмохимическом реакторе. Размер и интенсивность газодинамических возмущений в основном опре- 5 деляются режимом течения смешивающихся потоков. Так, при молекулярном режиме истечения отсутствуют ударные 185 2 волны в потоке и течение носит безградиентный характер, но плотность потока для многих технических устройств оказывается недостаточной. Увеличение расхода газа приводит к режиму истечения с недорасширением (давление на срезе выходного отверстия или сопла больше давления в среде, в которую истекает газ), когда в потоке формируется струя, содержащая систему из висячих и замыкающего скачков уплотнения. Проникновение газа из внешней среды за систему скачков уплотнения становится невозможным, и перемешивание газов происходит в изобарическом участке струи в зоне за замыкающим скачком уплотнения, где отсутствуют скачки уплотнения, и скорость потока резко уменьшается. Таким образом, размеры зоны смешения и условия перемешивания во многих устройствах становят" ся весьма далекими от оптимальных. Известны также способы смешения сырья и плаэмообразующего газа в различных плазмохимических реакторах (2). Однако исследования показывают, что при известных способах и режимах смешения реагента с плазменной струей длина эоны полного перемешивания (до молекулярного контакта) велика, а скорость смешения незначительна, что затрудняет ведение химического процесса и уменьшает выход получаемого продукта. Для ряда плазмохимических производств энергетически выгодно вести процесс при высоких скоростях газа плазменной струи и низких давлениях в реакторе (в неравновесных условиях), однако оптимальные газодинамические режимы смешения реагентов для таких процессов неизвестны. Известен также способ смешения сверхзвуковых газовых потоков в разреженной среде путем подачи в камеру смешения через сопло Лаваля центрального потока основного газа при статическом давлении в камере смешения, меньшем, чем на срезе сопла, и концентричного потока подмешиваемого газа 533 Однако зона смешения при известном способе имеет большую длину изза малой скорости перемешивания, обусловленной большой плотностью смешивающихся потоков газа. Поле 1109185 газодинамических параметров (давление, плотность, температура) в зоне смешения существенно неоднородно и носит ярко выраженный градиентный характер. Степень перемешивания малых 5 концентраций подмешиваемого газа с основным потоком является весьма низкой. Перечисленные недостатки иэвестно1О ro способа перемешивания существенно усиливаются при смешении основного и подмешиваемого газов, истекающих в режиме с недорасширением, когда в потоке образуются висячие и замыкающие скачки уплотнения. Диффузия 15 подмешиваемого из внешней среды гаэа за систему интенсивных скачков уплотнения является теоретически невозможной. Цель изобретения — повьппение эф20 фективности процесса смешения. Поставленная цель достигается тем, что согласно способу смешения сверхзвуковых газовых потоков в раз25 реженной среде путем подачи в камеру смешения через сопло Лаваля центрального потока основного газа при статическом давлении в камере смешения, меньшем, чем на срезе сопла, и концентричного потока подмешиваемого газа подачу потока подмешиваемого газа в разреженную среду осуществляют при значениях статического давления на срезе сопла, равных статическому давлению в камере смешения, и подачу потока основного газа осуществляют при значениях критерия разреженности К п Я, равных (1-5) 10 З, отнощении статического давления на срезе сопла к статическому давлению в камере сме- "0 шения 10-1000 и числе Маха на срезе сопла 1-5. К и„ =й„ /3„ — число Кнудсена в критическом сечении сопла Лаваля, лк длина свободного пробега молекул (там 45 же); p= P>lP> -степень нерасчетности истечения. Предлагаемый способ позволяет получить большие скорости и степени перемешивания за счет создания короткой и безградиентной зоны смешения. Кроме того, в зоне смешения удается достигнуть значений статического давления, значительно больших, чем в анало->5 гичных условиях при применении известных способов. При значениях критерия разреженности Кп .% ) 10 скачки уплотнения в недорасширенной струе основного газа размываются и подмешиваемый гаэ быстро смепп(вается с основным, зона смешения при этом не содержит газодинамических возмущений, существенно влияющих, например, на КПД химического или плазменного реактора, На фиг.1 приведена принципиальная схема устройства, реализующего предлагаемый способ смешения, на фиг.2 — схемы эон смешения потоков (основного газа А и подмешиваемого Б) при различных режимах истечения: а) молекулярный режим течения ха-1 рактеризуется значениями К r „% 10-10 и и =1; б) континуальный режим течения с недорасширением потоков реализуется при значениях К пк 10 5, и 102 — 10 и значениях числа Маха на срезе сопла Na>1 (1 в висячий скачок уплотнения 2 — замыкающий скачок — диск Маха 3 — граница струи); в) режим лечения согласно предлагаемому способу; для основного газа А — Ко 7Б =(1-5) 10,ьр10-10, Ма= кр =1-5. для подмешиваемого газа БК Я 10 — 10, и =1, Маз1; на фиг.3 Р приведены результаты экспериментальных измерений, характеризующие качество перемешивания газов в сверхзвуковом (Ма>1) разреженном потоке; а) распределение относительных концентраций подмешиваемого газа Ь1/Мп (где N — текущее значение концентрации подмешиваемого газа в различных точках струи, Ир- концентрация подмешиваемого газа в камере смешения исходная концентрация) вдоль оси струи Х/Х, (где Х вЂ” текущее значение координаты на оси струи; Х расстояние по оси струи от среза сопла Лаваля до замыкающего скачка уплотнения — диска Маха) при -4 следующих значениях К о Vn . 1-10 -2. кр 2-10 9; 3-10 ; б) распределение относительных концентраций подмешиваемого газа N(NО в поперечном сечении струи Y/г, (где У вЂ” текущая координата, йерпендикулярная оси Х в поперечном сечении струи, Г -радиус сечения на срезе сопла), расположенном на расстоянии Х/Х =0,25 от среза сопла на фиг.4 приведено распределение относительных плотностей в струе основного газа в зависимости от расстояния от среза сопла Х (в диаметрах среза сопла 3 ) при различных значениях критерия 5 11091 разреженности К „1%, 1-10,2-10 3 10-3 4 1О Опытная проверка возможности осуществления предлагаемого способа смешения проводилась с помощью уст- 5 ройства (фиг.1), содержащего баллон 1 основного газа А с регулировочным краном 2 и соплом 3 Лаваля, камеру 4 смешения, откачную систему 5,баллон, б подмешиваемого газа Б с регулировочным краном 7 и соплом 8 Лаваля, приборы 9-13 для измерения давления в смесительной камере 4, на срезе сопел 3 и 8 Лаваля, а также в их форкамерах. 15 Пример. Геометрические размеры сопел Лаваля для основного и подмешиваемого газов (5 / S — отно-а кр шение площади среза сопла к площади его критического сечения) выбирают исходя из отношения теплоемкocTей рабочих газов (С /С„) и условия Май 1-5 по стандартным таблицам газодинамических функций. В качестве основного газа А выбирают атмосферный воздух, а в качестве подмешиваемого газа Б — газообразный фреон. Геометрические размеры основного сопла при этом составляют: 8„=1,6 мм; За=4,5 мм; с =10 — полу- ЗО угол раскрытия сопла, а вспомогательного сопла — d =1,37 мм, ot б ф м, d. =10o, С помощью крана 7 в форкамерах сопел 8 устанавливают давление под- 35 мешиваемого газа Б Р =50 мм рт.ст. При выбранной геометрии сопла на его срезе устанавливается давление Ра= =100 мм рт.ст. В камере смешения 4 с помощью откачной системы 5 устанав- 40 ливают давление P =100 мм рт.ст., контролируя его значение по прибору 9. Тогда стегень нерасчетности исте . чения из сопел 8 равна В „=Ра/Рв=1, т.е. истечение подмешиваемого газа 45 Б происходит в так называемом расчетном режиме. 1 Основной газ А из баллона 1 подают в форкамеру сопла 3 Лаваля и устанавливают в ней давление Р = 5О =200 мм рт.ст. с помощью крайа 2. Контроль давления ведут при этом по прибору 11. Для выбранного газа А и геометрии сопла 3 на его срезе устанавливается давление Р 1, 1 5S ,Р 1,1 мм рт.ст.,величина которого контролируется по прибору 10, Давление в камере 4 смешения поддерживает85 ся на уровне рв =100 мм рт.ст. с помощью откачной системы 5. Тогда степень нерасчеФности истечения основного газа А рав"à осн=Р1Рв= 11, а критерий разреженности -Kn 1 и 10 Р ОСН Таким образом, смешение сверхзвуковых разреженных потоков осуществляется согласно предлагаемому способу, а соответствующая ему схематическая картина течения приведена на иг.2в., Исходные параметры течения и данные для нескольких режимов течения приведены в таблице. Режимы смешения, указанные в таблице, экспериментально исследовались на установке, схема которой приведена на фиг.1. Поле, плотности подмешиваемого газа в основной струе измерялось с помощью специального галоидного датчика. Результаты измерений приведены на фиг.3а,б. Из приведенных распределений относительных концентраций подмешиваемого газа видно, что при значениях критерия разреженности Кл„ 7Б = =(1-5) 10 В количество проникающего в струю газа Б значительно больше, чем при значениях К n „ Я =10, со-4 ответствующих режиму континуума „картина течения которого приведена на фиг.2б, Длина зоны перемешивания уменьшается при этом (К и Wn (1-5)х х10 ) в 2-3 раза с одновременным уменьшением градиентности (неравновесности), течения, обусловленной наличием сильных скачков уплотнения в сверхзвуковой недорасширенной струе. С уменьшением давления в форкамерах сопел Лаваля и в камере смешения при значениях критерия разреженности Кп Тй 10 1- 10 и степени нерас<Р четности и 1 устанавливается молекулярный рЪжим истечения. Картина смешения потоков основного и подмешиваемого газов при молекулярном режиме истечения приведена на фиг.2а . В этом случае в зоне смешения отсутствуют скачки уплотнения, наблюдается хорошее смешение, однако из-за низких значений плотностей в основном и подмешиваемом потоках газа (фиг.4) процесс смешения является нерентабельным, так как количество получаемой смеси крайне мало. Реянм течения Исходные нараметрн течения нтинуальный с недорасииреннен лнзхий х лярному согласно лагаемон собу Po 50 we рт.ст. Ро 200 мн рт.ст. Рр Кн„У» "4э75.1бз К» % 10-$500 нм рт.ст. » е2,5 » 11 Kll»»$6 6,57 х х10 В соиле основного rase. Рр $000 we рт.ст. «» $Яе 4,65х х10 » 55 2а1 4 Ne 3,62 а„-1,6н о 4 5 P/Pe 1, 1 ° 10 В соиле и 27,5 Р * 50 мм рт.ст. P/Ро3,67 ° 10 Ра" 100 мхн рт.ст. Рв 100 мхм рт.ст. нодмеииваено го газе n I 7 в103 На4, 2 В„Р$,37 we Юнь нм Р/Р 3 ° 67 -10 7 1109 При увеличении давления в форкаиерах сопел Лаваля и сохранении постоянным (или. снижении) давления в камере смешения значения критерия разреженности достигают К»1, $ »=1(Г, 5 степени нерасчетности п =10 — 10 Устанавливается континуальный режим течения с недорасширением потоков А и Б и значениями числа Маха на срезе сопла Ма>1. Картина зоны смешения для этого случая приведена на фиг.2б. Из нее видно, что из-за наличия сильных скачков уплотнения эона смешения резко градиентна и проникновение (диффузия) подмеши- 15 ваемого газа в основную струю не происходит, что подтверждается теорией и экспериментом. Экспериментальные исследования 20 структуры сверхзвуковых недорасширенных струй в переходном режиме показали, что при значениях критерця раз реженности К:п<р lan =(1-5) ° 10 степени нерасчетности и 10-1000 25 и числа Маха на срезе сопла 1-5 1 начинается неожиданное проникновение газа нз внешней среды через систему "размытых" ударных волн, при этом плотность потока в струе примерно на 1-2 порядка выше, чем при свободно-молекулярном режиме течения. Необходимый режим смешения наблюдается только при выполнении всех перечисленных режимов в переходном режиме течения. Так, например, если нерасчетность течения h становится меньше 10, то при Ма=1-5 образуется многобочковая структура с малой площадью поля смешения и большой градиентностью течения. Опытная проверка предлагаемого способа смешения показала его практическую осуществимость и значительное преимущество по сравнению с известными, заключающееся в существенном увеличении качества смешения иэ-за уменьшения длины эоны перемешивания и градиентности течения, органиэации равномерного сверхзвукового смешения при значительных абсолютнь$х давлениях в потоке. 1109185 еа ае ° åå ее| ° ° © вв о еаа о ф о о о а о /(® Руру 10 ® 04р аее Ч о е ° ®à ° а ееееаае а . It=) Фэее а + 4 ее е ье ее ° ° а а а Фе еаа аае ве аеееа а 1109185 gi ., Ю Составитель Н. Федорова Редактор О. Бугир Техред И.Асталош Корректор F.. Сирохман Заказ 5975/6 Тираж 576 ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5 Подписное Филиал ППН "Патент", r. Ужгород, ул, Проектная, 4
