Пульсационный охладитель газа

 

Использование: в холодильной и в криогенной технике. Сущность изобретения: выполнение выпускных каналов 15 в виде криволинейных диффузоров 16, а камеры низкого давления в виде улиточного диффузора 6 обеспечивает повышение адиабатического КПД. 4 з. п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к холодильной и криогенной технике и может быть использовано в различных отраслях народного хозяйства, например в сельском хозяйстве (для хранения продуктов питания), в медицине, химической и газовой промышленности, радиоэлектронике и т. д.

Известны пульсационные охладители газа, в которых происходит охлаждение газа при его расширении с одновременной отдачей тепла в окружающую среду.

Данный пульсационный охладитель газа содержит вращающийся золотник, при помощи которого производится цилиндрический впуск и выпуск газа в объемы постоянной величины. Указанные объемы выполнены в виде труб с постоянным по длине диаметром, к тупиковым зонам которых подсоединены траверсы. Оси труб перпендикулярны оси вращения золотника и расположены веером.

В процессе выпуска порции газа, выходящие с повышенной скоростью из противоположных труб, движутся навстречу друг другу и затем резко тормозятся о стенки вращающегося золотника в камере газа низкого давления. Из камеры низкого давления газ поступает в патрубок отвода холодного газа.

Следует отметить, что торможение газа сопровождается его нагревом; давление газа при этом не меняется, так как скоростной напор газа не преобразуется в статический. Вследствие необpатимых потерь при торможении происходит снижение адиабатического КПД процесса расширения.

Наиболее близким к изобретению является пульсационный охладитель газа с постоянным объемом в виде канала, имеющим различное сечение по длине. Особенность геометрии объема постоянной величины данного охладителя состоит в том, что начальный участок, примыкающий к золотнику, имеет прямоугольное сечение. К начальному участку подсоединен пучок, состоящий из 2-5 труб.

К недостаткам конструкции данного охладителя можно отнести трудность выполнения на практике плавного перехода канала от прямоугольного участка к участку, состоящему из пучка труб. В месте перехода, имеющего выступы, происходит торможение потока, что приводит к снижению эффективности работы пульсационного охладителя.

Проведены исследования пульсационного охладителя указанного типа. Адиабатический КПД устройства составил ηад0,45-055; pасход воздуха Ст 575 кг/ч, частота циклов f 240 Гц.

Недостаточно высокие значения адиабатического КПД, повышенная частота циклов и значительные габариты (длина труб, расположенных веером, равна 2,26 м) ограничивают применение таких пульсационных охладителей в народном хозяйстве.

К недостаткам рассмотренного пульсационного охладителя можно отнести нагрев газа в процессе выпуска (при выхлопе) при его резком торможении в камере низкого давления.

Целью изобретения является повышение адиабатического КПД пульсационного охладителя.

Это достигается тем, что в пульсационном охладителе газа, содержащем пучок труб постоянного объема с разделенными конфузорно-диффузорным каналом "холодной" и "горячей" зонами и подключенным к "горячей" зоне рекуперативным телообменником и ресивером, а к "холодной" газораспределителем с выпускными каналами в золотнике, сообщающимся с камерой низкого давления в корпусе, выпускные каналы выполнены в виде криволинейных диффузоров, направленных от входа в торце золотника к выходу по касательной к его периферической цилиндрической поверхности, и камера низкого давления выполнена в виде расположенного вокруг золотника улиточного диффузора с поперечным сечением, увеличивающимся в направлении к выходу из газораспределителя.

Повышение эффективности пульсационного охладителя газа также достигается за счет выполнения следующих геометрических соотношений для объема постоянной величины: отношение диаметра рабочего участка трубы к диаметру разгонного участка 1,5-1,6; отношение длины рабочего участка к диаметру 28-32; отношение длины разгонного участка к длине рабочего участка 1,1-1,3; отношение объема ресивера к объему рабочего участка трубы 9-10; угол раскрытия конусов конфузорно-диффузорных участков, 4-6^о.

На фиг. 1 показан разрез пульсационного охладителя газа; на фиг. 2 разрез А-А на фиг. 1; на фиг. 3 разрез Б-Б на фиг. 1; на фиг. 4 сечение В-В на фиг. 3.

Предлагаемый пульсационный охладитель состоит из корпуса 1, в котором размещен золотник 2 на опорах 3 и 4. Корпус 1 имеет патрубок подвода сжатого газа 5, кольцевой диффузор 6, соединенный с патрубками отвода холодного газа низкого давления 7. В крышке 8 корпуса 1 размещены приемные отверстия 9 пульсационных труб 10, которые крепятся к фланцу 11. В золотнике 2 размещены сопла 12, соединенные каналом 13 с коллектором 14 для газа высокого давления, а также каналы выпуска газа 15 и криволинейный диффузор 16, соединяющие кольцевой диффузор 6 м приемными отверстиями 9 пульсационных труб 10. Пульсационная труба 10 состоит из рабочего участка трубы 17 диаметром Д и длиной L, разгонного участка 18 диаметром d и длиной l, конфузорно-диффузорных участков 19 и 20 и ресивера 21. Конфузорно-диффузорный участок 20 имеет обратный газодинамический клапан 22. Приемное отверстие 9 имеет корпус 23 и перегородку 24.

Пульсационный охладитель газа работает следующим образом.

Газ высокого давления через патрубок подвода сжатого газа 5, коллектор 14 и канал 13 проходит в два сопла 12, из которых при вращении золотника 2, поступает последовательно в приемные отверстия 9 пульсационных труб 10. При дальнейшем вращении золотника 2, газ, расширившись в пульсационных трубах 10 и охладившись, поступает, имея высокую скорость, через каналы выпуска газа 15 в криволинейный диффузор 16, в котором происходит превращение кинетической энергии потока газа в потенциальную энергию давления. При этом поток меняет направление движения на 90^о. В дальнейшем газ низкого давления поступает в кольцевой диффузор 6, где происходит дальнейшее падение его скорости с возрастанием давления, после чего поступает в патрубок отвода холостого газа низкого давления 7.

Рабочий цикл пульсационного охладителя состоит из четырех процессов (рассматривается работа одной трубы): Процесс I-II заполнение участка трубы 17 через сопла 12 газом с одновременным вытеснением и сжатием остаточного газа разгонного участка 18 и ресивера 21 с рекуперативным отводом тепла сжатия внешнему источнику. Процесс II-III расширение газа (объем пульсационной трубы 10 отсечен) и его охлаждение. Остаточный газ продолжает вытесняться через разгонный участок 18 в ресивер 21. Процесс III-IV соединение объема пульсационной трубы 10 посредством каналов выпуска газа 15 с криволинейным диффузором 16, кольцевым диффузором 6 и патрубком отвода холодного газа низкого давления 7. Происходит выхлоп газа и последующее его выталкивание остаточным газом в линию низкого давления. Процесс IV-V процесс обратного сжатия остаточного газа на рабочем участке трубы (объем пульсационной трубы 10 отсечен). Газ из ресивера 21 через разгонный участок 18 поступает в объем рабочего участка трубы 17. Далее процесс циклически повторяется.

Увеличение внутреннего расширения газа достигается за счет снижения давления остаточного газа в ресивере. Этому содействует постановка перед ресивером 21 обратного газодинамического клапана 22, имеющего коэффициент гидравлического сопротивления при течении газа в раствор существенно больший, нежели при течении газа из ресивера в разгонный участок 18. Кроме того, снижению давления газа в ресивере 21 содействует размещение в нем веществ, поглощающих газ.

Для снижения гидравлических потерь при входе газа в приемные отверстия 9 они имеют конусы 23 и перегородки 24 с заостренной кромкой.

Формула изобретения

1. ПУЛЬСАЦИОННЫЙ ОХЛАДИТЕЛЬ ГАЗА, содержащий пучок труб постоянного объема с разделенными кофузорно-диффузорным каналом "холодной" и "горячей" зонами и подключенные к "горячей" зоне рекуперативный теплообменник и ресивер, а к "холодной" - газораспределитель с выпускными каналами в золотнике, сообщающимися с камерой низкого давения в корпусе, отличающийся тем, что, с целью повышения адиабатического КПД, выпускные каналы выполнены в виде криволинейных диффузоров, направленных от входа в торце золотника к выходу по касательной к его периферийной поверхности, а камера низкого давления выполнена в виде расположенного вокруг золотника улиточного диффузора с поперечным сечением, увеличивающимся в направлении к выходу из газораспределителя.

2. Охладитель по п.1, отличающийся тем, что он имеет следующие геометрические соотношения для труб постоянного объема: отношение диаметра D рабочего участка трубы к диаметру d разгонного участка находится в пределах 1,5 < D /d < 1,6, отношение длины L рабочего участка к диаметру трубы - в пределах 28 < L /D < 32, отношение длины l разгонного участка к длине рабочего участка - в пределах 1,1 < l / L < 1,3, отношение объема V_рс ресивера к объему V_тр рабочего участка трубы - в пределах 9 < V_рс / V_тр < 10, углы α₁, α₂, α₃ раскрытия конусов конфузорно-диффузорных участков - в пределах 4 - 6 ^o.

3. Охладитель по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что на входе в ресивер установлен обратный клапан газодинамического типа.

4. Охладитель по п.1 - 3, отличающийся тем, что во внутренней полости ресивера имеется поглотитель газа.

5. Охладитель по пп.1 - 4, отличающийся тем, что приемные отверстия труб выполнены коническими, а пластины приемных отверстий - с заостренной со стороны золотника кромкой.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4