Устройство для импульсного сжатия газов

 

Использование: для проведения общих химических способов взаимодействия газообразных сред в химической промышленности, в энергетическом машиностроении и двигателестроении. Сущность изобретение: устройство для импульсного сжатия газов содержит корпус, имеющий цилиндрическую камеру, разделенную на две полости размещенным внутри нее с возможностью возвратно-поступательного перемещения свободным поршнем. Также устройство содержит продувочные отверстия, выполненные в боковой стенке камеры, и основной узел газораспределения, выполненный в виде щелевого дросселя. 6 з.п. ф-лы, 8 ил.

Изобретение относится к устройствам, специально приспособленным для проведения общих химических способов взаимодействия газообразных сред, а более точно касается устройства для импульсного сжатия газов.

Настоящее изобретение может быть использовано в химической промышленности в качестве реактора для проведения химических и физико-химических процессов, требующих для своего осуществления высоких температур и/или давлений, устройства для термического обезвреживания вредных химических отходов. Также изобретение может быть использовано в качестве аппарата для получения сжатых газов (компрессора), а в энергетическом машиностроении и двигателестроении в качестве устройства для получения сжатых и/или нагретых газов, например газогенератора, и камеры сгорания газотурбинных установок, допускающей работу с очень большими коэффициентами избытка воздуха. Кроме того, данное изобретение может быть использовано в различных областях промышленности в качестве источника вибрации большой мощности (преобразователь химической энергии топлива в вибрации большой мощности).

Известно устройство для импульсного сжатия газов (SU, A, 774020), в частности химический реактор сжатия свободно поршневого типа. Химический реактор содержит укрепленный на основании корпус, имеющий цилиндрическую реакционную камеру, установленную вертикально, с размещенным внутри нее с возможностью возвратно-поступательного перемещения свободным поршнем. Поршень делит камеру на две рабочие полости. В камере выполнены продувочные отверстия. Часть продувочных отверстий является отверстиями для ввода сырья, а часть отверстиями для вывода продуктов. Отверстия для ввода сырья перекрываются управляемыми тарельчатыми клапанами с соленоидными приводами. Клапаны являются основными узлами газораспределения по одному узлу на каждую рабочую полость. Отверстия для вывода продуктов находятся на боковой цилиндрической стенке камеры и соединены наружными кольцевыми коллекторами, выход из которых в некоторых случаях также может перекрываться клапанами. Реактор предназначен для проведения химических реакций в цилиндрическом рабочем процессе. Химические реакции протекают в рабочих полостях при сжатии газообразного сырья в них свободным поршнем. Сжатие осуществляется после закрытия клапанов и отсечения рабочей полости от отверстий для вывода продуктов поршнем при его движении к соответствующей мертвой точке. При движении поршня в противоположном направлении происходит расширение, сопровождающееся охлаждением продуктов реакции, падением давления в рабочей полости, открытием клапанов и сообщением рабочей полости с отверстиями для вывода продуктов. Цикл заканчивается вытеснением продуктов реакции через отверстия для вывода продуктов под давлением сжатого газообразного сырья, поступающего через открытые клапана основного узла газораспределения. Через заданное время впускные клапаны закрываются, после чего весь цикл повторяется. Процессы, протекающие в каждой рабочей полости, аналогичны, однако находятся в противофазе, то есть сжатие газа в одной полости сопровождается расширением в другой. Запуск реактора осуществляется посредством постепенного разгона поршня газообразным исходным сырьем, сжатым до величины от 10 до 20 атм и подаваемым порциями посредством тех же управляемых клапанов основных узлов газораспределения в определенные моменты времени. Функция клапанов состоит в обеспечении циклической работы реактора, то есть в обеспечении его запуска, продувки и разобщения рабочих полостей с подводящими магистралями на период сжатия. Наличие данного основного узла газораспределения является принципиальным и обязательным. Однако использование клапанного газораспределения налагает весьма жесткие ограничения на область возможных режимов работы реактора и, кроме того, делает эту область зависимой от его размеров. При использовании свободного поршня появляется возможность одновременного сочетания экстремальных значений рабочих параметров (давления вплоть до нескольких тысяч атмосфер и частоты следования циклов до нескольких сот герц), а также поддержания такого сочетания при увеличении размеров реактора. Подобного результата невозможно достичь при использовании традиционных поршневых машин, имеющих кинематическую связь поршня с коренным валом.

Использование клапанного газораспределения при таком сочетании параметров сложнейшая техническая задача сама по себе, не говоря уже об обеспечении надежности и достаточного ресурса работы, так как к системе газораспределения предъявляются взаимно противоречивые требования обеспечения быстродействия (а значит малой массы) и способности сопротивляться огромным знакопеременным инерционным и ударным нагрузкам, а рост размеров реактора еще более усугубляет эти противоречия. То есть использование клапанного газораспределения сужает область возможных режимов работы устройства до уже освоенной традиционными поршневыми машинами. Таким образом, данное устройство для импульсного сжатия газов обладает низкой надежностью, сложно в изготовлении, имеет недостаточный ресурс работы, обладает низкой производительностью и ограниченными технологическими возможностями.

В основу изобретения положена задача создания устройства для импульсного сжатия газов с таким конструктивным его выполнением, которое обеспечило бы возможность расширения области допустимых режимов работы устройства до пределов, ограниченных только прочностью самого поршня, что позволило бы повысить производительность устройства, упростить его конструкцию, повысить надежность, увеличить ресурс работы и расширить его технологические возможности.

Поставленная задача решается тем, что в устройстве для импульсного сжатия газов, содержащем корпус, имеющий цилиндрическую камеру, разделенную на две полости размещенным внутри нее с возможностью возвратно-поступательного перемещения свободным поршнем, продувочные отверстия, одна часть которых выполнена в боковой стенке камеры, основной узел газораспределения, размещенный в торце камеры, согласно изобретению основной узел газораспределения выполнен в виде щелевого дросселя, а другая часть продувочных отверстий выполнена в боковой стенке цилиндрической камеры.

Разумно, чтобы устройство сжатия газов имело бы дополнительно, по меньшей мере, один основной узел газораспределения.

Возможно, что устройство для импульсного сжатия газов имеетпо меньшей мере, один дополнительный узел газораспределения, выполненный в виде щелевого дросселя, размещенный в торце цилиндрической камеры, связанный с той же полостью цилиндрической камеры, с которой связан соответствующий основной узел газораспределения.

Возможно, что в щелевом дросселе, по меньшей мере, на одной из образующих его поверхностей выполнены канавки для увеличения его гидравлического сопротивления.

Желательно, чтобы, по меньшей мере, на части внутренней боковой поверхности цилиндрической камеры имелись кольцевые канавки.

Также возможно, что, по меньшей мере, часть боковой поверхности поршня выполнена с величиной конусности, находящейся в пределах от 1 100 до 1 1000.

Возможно, что, по меньшей мере, на части боковой поверхности поршня выполнены кольцевые канавки.

Данное устройство для импульсного сжатия газов может быть использовано в химической технологии в качестве реактора для проведения химических и физико-химических процессов в газовых средах, газовзвесях ультрадисперсных твердых частиц и аэрозоля. При этом возможно достижение параметров, характерных для плазмохимии по уровню температур и химии высоких давлений по уровню давлений, а также одновременное сочетание подобных экстремальных значений параметров, что невозможно осуществить ни в одном другом устройстве из существующих на настоящий момент в промышленности и предназначенных для длительной, непрерывной работы.

Данное изобретение позволяет достигать огромных скоростей нагрева и охлаждения (порядка 10^6oC/с), что может быть использовано для "замораживания" химический реакций и физико-химических процессов в определенные моменты времени для регулирования селективности либо для получения веществ в метастабильном состоянии (аморфные металлические и керамические порошки, ультрадисперсные высокореакционные порошки с пониженной температурой спекания и другие продукты с особыми свойствами). Высокие температуры, достигаемые в устройстве, а также его простота и надежность позволяют проводить в нем термическое обезвреживание жидких и газообразных ядовитых веществ и промышленных отходов. Также данное изобретение позволяет обеспечить удельные объемные производительности, недостижимые с помощью классических машин, что дает возможность использовать его в качестве компактного, высоконапряженного реакционного аппарата в крупнотонажной химической и нефтехимической промышленности. Данное изобретение позволяет обеспечить такие режимы работы, при которых устройство может быть использовано в качестве источника сжатого и/или нагретого газа, то есть в качестве компрессора, газогенератора, камеры сгорания в различных отраслях промышленности от химической до двигателестроительной, занимая по производительности место между поршневыми и лопастными машинами. Данное устройство для импульсного сжатия газов обеспечивает возможность расширения области допустимых режимов работы до пределов, ограниченных только прочностью самого поршня, что позволяет повысить производительность устройства, упростить его конструкцию, повысить надежность, увеличение ресурса работы и расширить его технологические возможности.

На фиг. 1 схематично изображено предлагаемое устройство для импульсного сжатия газов с одним основным узлом газораспределения; на фиг. 2 то же, с двумя основными узлами газораспределения; на фиг. 3 то же, с одним основным узлом газораспределения и одним дополнительным узлом газораспределения; на фиг. 4 то же, с двумя основными и двумя дополнительными узлами газораспределения; на фиг. 5 то же, с двумя основными узлами газораспределения, с двумя ресиверами и двумя форсунками; на фиг. 6 - предлагаемое устройство для импульсного сжатия газов с одним основным узлом газораспределения и двумя форсунками, продольный разрез; на фиг. 7 разрез VII-VII на фиг. 6; на фиг. 8 устройство для импульсного сжатия газа с двумя основными и двумя дополнительными узлами газораспределения, продольный разрез.

Устройство для импульсного сжатия газов содержит корпус 1 (фиг. 1), имеющий цилиндрическую камеру 2, установленную вертикально и разделенную на полости 3 и 4 свободным поршнем 5, размещенным внутри нее с возможностью возвратно-поступательного перемещения. В устройстве имеются продувочные отверстия 6 и 7, расположенные в боковой стенке камеры 2. При этом в данном примере через продувочное отверстие 6 по направлению стрелки А вводят сырье. Через продувочное отверстие 7 по направлению стрелки В выводят продукты, полученные в результате технологических процессов. В данном примере имеется одно продувочное отверстие 6 для сырья и одно продувочное отверстие 7 для вывода продуктов. В общем случае количество продувочных отверстий 6 и 7 может быть любым. Продувочные отверстия 6 и 7 выходят в соответствующие коллекторы 8 и 9. Камера 2 снабжена одним основным узлом 10 газораспределения, выполненным в виде щелевого дросселя, регулируемого или нерегулируемого, установленного в торце камеры 2. Дроссель может быть выполнен по общеизвестной схеме (В.С.Нагорный и др. Устройство автоматики гидро- и пневмосистем. М. Высшая школа, 1991, с. 50-51, 54). Узел 10 газораспределения соединен с магистралью 11 сжатого газа.

В общем случае возможно наличие, по меньшей мере, одного основного узла 10 газораспределения. На фиг.2 изображено устройство, конструкция которого аналогична конструкции устройства, изображенного на фиг.1. Отличие заключается лишь в том, что устройство на фиг.2 содержит два основных узла 10 газораспределения, размещенных в противоположных торцах камеры 2. Причем устройство на фиг.2 имеет два продувочных отверстия 6 (фиг.2) и два продувочных отверстия 7, выполненных в боковой стенке камеры 2 так, что на каждую полость 3 и 4 приходится по одному соответствующему продувочному отверстию 6 и 7. Каждое из продувочных отверстий 6 и 7 выходит в соответствующие коллекторы 8 и 9.

Конструкция устройства, изображенного на фиг.3, аналогична конструкции устройства, изображенного на фиг.1. Отличие заключается лишь в том, что устройство, изображенное на фиг.3, имеет один дополнительный узел 12 (фиг.3) газораспределения, соединенный с магистралью 13. Дополнительный узел 12 газораспределения выполнен в виде дросселя, выполненного по общеизвестной схеме, как и дроссель основного узла 10 газораспределения. Дополнительный узел 12 газораспределения размещен в торце камеры 2 и связан с той же полостью 3, с которой связан основной узел 10 газораспределения.

Конструкция устройства, изображенного на фиг.4, аналогична конструкции устройства, изображенного на фиг.3. Отличие заключается лишь в том, что устройство на фиг. 4 имеет еще один основной узел 10 газораспределения и еще один дополнительный узел 12 газораспределения, связанные с полостью 4 камеры 2. При этом узел 10 соединен с магистралью 11, а узел 12 соединен с магистралью 13.

Конструкция устройства, изображенного на фиг.5, аналогична конструкции устройства, изображенного на фиг.1. Отличие заключается лишь в том, что устройство на фиг. 5 снабжено вторым основным узлом 10 газораспределения, размещенным на другом торце камеры 2 и соединенным с ее полостью 4. Также устройство снабжено двумя общеизвестными ресиверами 14 (Политехнический словарь, гл. ред. А.Ю. Ишлинский, М. Советская энциклопедия, 1989, с. 456). Каждый ресивер 14 установлен между соответствующим узлом 10 газораспределения и магистралью 11. В устройстве имеются две общеизвестные форсунки 15 для подачи сырья, каждая из которых имеет выход в соответствующую полость 3 и 4 (Двигатели внутреннего сгорания. Системы поршневых и комбинированных двигателей. /Под ред. А.С. Орлина и др. М. Машиностроение, 1985, с. 107-240). Форсунки 15 сообщаются с магистралью подачи сырья (не показано). На фиг.1 5 изображены регулируемые дроссели.

На фиг.6 показан один из вариантов выполнения устройства для импульсного сжатия газов, общий вид, продольный разрез. Конструкция устройства, изображенного на фиг.6, аналогична конструкции устройства, изображенного на фиг. 1. Отличие заключается в том, что устройство снабжено двумя форсунками 15 (фиг. 6). Корпус 1 выполнен в виде цилиндра 16 с закрепленными на его торцах крышками 17 и 18. В крышке 17 установлена форсунка 15. В крышке 18 установлена вторая форсунка 15. Основной узел 10 газораспределения выполнен в виде нерегулируемого дросселя, образованного посредством установки с заданным зазором 19 втулки 20 в крышку 18. На части наружной поверхности втулки 20 в месте образования зазора 19 выполнены кольцевые канавки 21 для увеличения гидравлического сопротивления дросселя. Втулка 20 имеет штуцер 22 для подсоединения к магистрали 11 (фиг. 1) сжатого газа. По меньшей мере, на части внутренней боковой поверхности цилиндрической камеры 2 (фиг. 6) выполнены кольцевые канавки 23 для образования лабиринто-щелевого уплотнения поршня 5. В данном случае канавки 23 занимают две трети цилиндрической поверхности камеры 2. Средняя часть 24 боковой поверхности поршня 5 имеет цилиндрическую форму. По меньшей мере, часть 25 оставшейся боковой поверхности поршня 5 может быть выполнена с величиной конусности, находящейся в пределах от 1 100 до 1 1000 для обеспечения вывешивания поршня 5 в зазоре. Осуществление величины конусности меньше, чем 1 1000 технически трудно выполнимо. При величине конусности, большей чем 1 100, зазор между поршнем 5 и цилиндром 16 теряет уплотняющие свойства, при этом утечки газа через вышеуказанный зазор становятся слишком велики. В данном случае конусность составляет 1 500.

На фиг. 7 изображен поперечный разрез устройства по линии VII-VII фиг.6, показывающий расположение продувочных отверстий 6 для ввода сырья и продувочных отверстий 7 для вывода продуктов. Коллектор 8 имеет четыре штуцера 26, предназначенных для подсоединения устройства к соответствующим магистралям (не показаны). Возможно выполнение поршня 5, цилиндра 16, крышек 17 и 18, втулки 20 из керамических материалов.

Конструкция устройства, изображенного на фиг.8, аналогична конструкции устройства, изображенного на фиг.4. Корпус 1 (фиг. 8) выполнен в виде цилиндра 27 с закрепленными на его торцах крышками 28. Каждый основной узел 10 газораспределения выполнен в виде дросселя, образованного посредством установки с заданным зазором 29 крышки 28 в корпусе 27. Каждый дополнительный узел 12 газораспределения выполнен в виде дросселя, образованного посредством установки втулки 30 в крышку 28 с заданным зазором 31. На части наружной поверхности втулки 30 в месте образования зазора 31 выполнены кольцевые канавки 32 для увеличения гидравлического сопротивления дросселя. Втулка 30 имеет штуцер 33 для подсоединения к магистрали 13 (фиг. 4) сжатого газа. Цилиндр 27 (фиг. 8) имеет штуцера 34 для подсоединения к магистрали 11 (фиг. 4) сжатого газа. Цилиндр 27 и крышка 28 установлены так, что между ними образованы две кольцевые камеры 35. Средняя часть 36 боковой поверхности поршня 5 имеет цилиндрическую форму. По меньшей мере, часть 37 оставшейся боковой поверхности поршня 5 выполнена с величиной конусности, равной 1 500. На боковой поверхности поршня 5 выполнены кольцевые канавки 38 для организации лабиринтно-щелевого уплотнения. Возможно выполнение поршня 5 из керамических материалов. Коллектор 8 имеет штуцер 39 для подсоединения к соответствующим магистралям (не показаны).

В общем случае дроссели могут представлять собой щели или группы щелей, образованные между поверхностями любой формы, в частности, плоскими и коническими. Кроме того, в общем случае, дроссели могут быть регулируемыми, что усложняет их конструкцию, однако увеличивает технологические возможности. Продувочные отверстия 6 и 7 (например, фиг. 2 и 8) могут быть выполнены не только радиальными, но и тангенциальными, что обеспечивает формирование осевых вихрей в полостях 3 и 4 при продувке. Помимо интенсификации технологических процессов осевой вихрь может использоваться для закручивания поршня 5 вокруг продольной оси, способствуя его вывешиванию в зазоре. Кроме того, вихревое движение газа в полостях 3 и 4 позволяет улучшить охлаждение поверхностей полостей 3 и 4, а также торцевых поверхностей поршня 5. Выполнение как радиальных, так и тангенциальных отверстий 6 и 7 под небольшим углом к плоскости поперечного сечения также способствует образованию вихрей и увеличивает эффект охлаждения. С целью интенсификации технологических процессов в устройстве и возможности более тонкого их регулирования устройство может быть снабжено общеизвестными системами искрового воспламенения либо плазменными системами зажигания (не показано). Кроме того, устройство может быть снабжено также общеизвестной системой охлаждения, аналогичной применяемым в двигателях внутреннего сгорания (не показана). В ряде случаев поверхности полостей 3 и 4, а также торцевые поверхности поршня 5 могут снабжаться каталитическими покрытиями с целью интенсификации протекающих процессов и снижения нагарообразования (каталитическое покрытие не показано).

Все конструктивные варианты устройства, изображенные на фиг. 1-8, предназначены для проведения быстрых химических и физико-химических процессов, требующих для своего осуществления высоких температур и/или давлений. Работа всех вариантов устройства представляет собой циклический процесс, каждый цикл в котором состоит из тактов сжатия и расширения газа в полостях 3 (фиг. 1-8) и 4, происходящих при быстром возвратно-поступательном (колебательном) движении свободного поршня 5 в циклической камере 2. Необходимые для инициирования и протекания процессов параметры достигаются при сжатии газообразных исходных веществ (сырья) поршнем 5 в период его нахождения вблизи соответствующей мертвой точки. Для обеспечения стационарной работы устройства необходимо организовать его запуск, газообмен в нем, то есть подачу сырья и вывод продуктов, а также обеспечить колебательное движение поршня 5 с заданными параметрами, то есть с заданной степенью сжатия и частотой. Работа устройства сопровождается потерями, связанными с утечками газа между поршнем 5 и стенками камеры 2, теплообменом, трением, гидравлическими сопротивлениями и тому подобным.

Процессы, протекающие в устройстве после его запуска и организации в нем газообмена, можно подразделить на два основных типа. К первому типу относятся процессы с большим положительным тепловым эффектом (сильноэкзотермические), позволяющие поддерживать необходимый режим колебаний поршня 5 и компенсацию всех возникающих потерь только за счет конвертирования выделяющегося вблизи соответствующей мертвой точки тепла в работу, подобно тому, как это происходит в поршневых двигателях внутреннего сгорания. Ко второму типу относятся процессы, требующие для поддержания необходимого режима колебаний поршня 5 постоянного подвода к нему энергии извне, то есть процессы с недостаточно большим тепловыделением (слабоэкзотермические), процессы не сопровождающиеся тепловыми эффектами, а также процессы с отрицательным эффектами (эндотермические).

Устройство, показанное на фиг. 1, предназначено для проведения сильноэкзотермических технологических процессов первого типа. Работа устройства осуществляется следующим образом.

Сначала производится запуск посредством подачи сжатого газа по магистрали 11 (фиг. 1) через узел 10 газораспределения в полость 3. Под давлением истекающего из дросселя газа поршень 5 начинает двигаться вверх, отсекая полость 4 от продувочных отверстий 6 и 7 и сжимая газ в ней. Двигаясь дольше и продолжая сжимать газ в полости 4, поршень 5 сообщает полость 3 и продувочные отверстия 6 и 7, что приводит к быстрому выхлопу газа из полости 3 в коллекторы 8 и 9 через отверстия 6 и 7 и резкому падению давления в ней, вызванному высоким гидравлическим сопротивлением дросселя и относительно малым его проходным сечением по сравнению с проходным сечением отверстий 6 и 7. Под действием давления газа, сжатого поршнем 5 в полости 4, поршень 5 быстро отбрасывается вниз, вновь разобщая полость 3 с отверстиями 6 и 7 и осуществляя сжатие газа в ней за счет накопленной газом в полости 4 энергии, переходящей в кинематическую энергию поршня 5. После перехода кинематической энергии поршня 5 в потенциальную энергию сжатого газа, сопровождающегося остановкой поршня 5 (в мертвой точке), он вновь начинает движение вверх за счет накопленной газом энергии, а также добавочной энергии сжатого газа, поступающего через узел 10 из магистрали 11, после чего цикл повторяется. С каждым новым циклом частота и амплитуда колебаний поршня 5 растут, пока, наконец, не достигнут постоянной величины, зависящей от характеристик дросселя, массы и хода поршня 5, давления в магистрали 11 и коллекторах 8 и 9, величины потерь и т.п. Энергия сжатого газа, подаваемого через узел 10 газораспределения, при этом расходуется только на компенсацию потерь. Таким образом, подачей сжатого до необходимого давления газа через узел 10 с выхлопом его через отверстие 6 и 7 может быть осуществлен как запуск устройства, так и сколь угодно долгое поддержание его в заданном режиме колебаний. По окончании запуска устройства в нем организуется газообмен посредством подачи сырья из коллектора 8 через отверстия 6 и вывод продуктов в коллектор 9 через отверстия 7. Сжатие сырья сопровождается сильноэкзометрическим процессом с тепловыделением вблизи мертвой точки. Далее следует расширение с быстрым охлаждением продуктов и переход выделившегося тепла в кинематическую энергию поршня 5. В конце расширения при сообщении полостей 3 и 4 с отверстиями 6 и 7 происходит продувка, то есть вытеснение продуктов через отверстие 7 в коллектор 9 под давлением сырья, поступающего из коллектора 8 через отверстия 6. Таким образом, газообмен в устройстве происходит в течение части цикла после открытия поршнем 5 отверстий 6 и 7 и осуществляется с помощью организации продувки.

Устройство, изображенное на фиг. 1, может быть использовано для проведения целого ряда технологических процессов, например производства синтез-газа, используемого при получении аммиака, путем паровоздушной конверсии метана. Запуск устройства осуществляется любым подходящим сжатым газом или паром (азотом, воздухом, водяным паром, синтез-газом), как описано выше. По достижении поршнем 5 заданного режима колебаний (в данном случае степени сжатия, необходимой для начала реакции) через отверстия 6 начинается подача метанопаровоздушной смеси и вывод полученного синтез-газа через отверстия 7, после чего магистраль 11 может быть вообще перекрыта, а процессы продолжаются самостоятельно, протекая попеременно в обеих полостях 3 и 4.

При реализации процессов, относящихся к второму типу, необходим постоянный подвод энергии к поршню 5, что может быть осуществлено посредством подачи сжатого газа (пара) не только при запуске, но и в процессе дальнейшей работы либо путем организации в одной из полостей 3 и 4 сильноэкзотермического процесса (например, цикла двигателей внутреннего сгорания).

Устройство, показанное на фиг. 2, позволяет осуществлять проведение процессов, относящихся к второму типу, например, эндотермических. Запуск устройства на фиг. 2 производится через нижний узел 10 газораспределения 3 аналогично запуску устройства, изображенного на фиг. 1. После выведения устройства на режим и организации газообмена путем продувки через отверстия 6 (фиг. 2) и 7 сжатый газ продолжает подаваться по магистралям 11 теперь уже через оба узла 10 для поддержания необходимого режима колебаний. В качестве сжатого газа может использоваться также и сырье либо один из его компонентов, при этом остальные компоненты вводятся через продувочные отверстия 6. Устройство, показанное на фиг. 2, симметрично, и каждая полость 3 и 4 имеет свой собственный контур газообмена. Это позволяет организовать в полостях 3 и 4 различные по природе и характеру процессы, например, использовать одну из полостей 3 и 4 только для проведения технологических процессов, а другую только для привода посредством подачи сжатого газа через соответствующий узел 10 или путем организации сильноэкзотермического процесса, например процесса сгорания.

Проведение в устройстве сильноэкзотермических процессов существенно расширяет его возможности. Допустим, что устройство запущено и выведено на необходимый режим работы, после чего в нем посредством использования продувочных отверстий 6 и 7 организован газообмен, а в полостях 3 и 4 началось протекание экзотермического процесса первого типа, обеспечивающего колебания поршня 5 в необходимом режиме. В процессе колебательного движения поршня 5 происходит попеременное сжатие-расширение газа в полостях 3 и 4, сопровождающееся утечками части газа из них в магистрали 11 через дроссели при сжатии и обратно при расширении. При поддержании определенного (равновесного) давления в магистралях 11 наступает состояние динамического равновесия, то есть равенство величин утечек в прямом и обратном направленииях. Это равновесное давление зависит от свойств газа (газовой смеси), степени сжатия и давления конца расширения начала сжатия. При увеличении давления в магистралях 11 сверх данного равновесного работа устройства будет сопровождаться преимущественным перетеканием газа из магистралей 11 в полости 3 и 4 переходом его энергии к поршню 5. Подобный режим работы можно назвать режимом пневмопривода, его варианты были рассмотрены выше при описании запуска устройства, изображенного на фиг. 1 и 2, а также работы устройства, изображенного на фиг. 2, при проведении в нем процессов, относящихся к второму типу. Режим пневмопривода возможен при проведении процессов как первого, так и второго типа. При уменьшении давления в магистралях 11 ниже данного равновесного работа устройства будет сопровождаться преимущественным перетеканием газа из полостей 3 и 4 в магистрали 11. Этот режим работы можно назвать режимом компрессора и он возможен при проведении в устройстве сильноэкзотермических процессов, компенсирующих затраты энергии на сжатие газа и нагнетание его в магистраль 11. Крайний случай режима компрессора реализуется в том случае, когда все продувочные отверстия 6 и 7 используются в качестве отверстий для впуска, а работа состоит в засасывании сырья через них, сжатии, реакции и нагнетании продуктов в магистрали 11.

Для примера можно привести использование устройства, изображенного на фиг. 2, в качестве газогенератора. Запуск устройства производится через нижний узел 10 газораспределения воздухом, а к верхнему ярусу отверстий 6 и 7 подводится метановоздушная смесь (сырье) через соответствующие коллекторы 8 и 9, после чего заданный режим колебаний поддерживается только за счет регулирования расхода сырья, а следовательно, величины тепловыделения. После выхода устройства на заданный режим работы давление в нижней магистрали 11 сбрасывается, а к нижнему ярусу отверстий 6 и 7 через соответствующие коллекторы 8 и 9 также начинает подаваться метановоздушная смесь, а продукты, например восстановительный газ для металлургии, под давлением выводятся через магистрали 11.

Устройство, изображенное на фиг.3, может быть использовано для осуществления комбинации режимов пневмопривода и компрессора. Запуск устройства производится через основной узел 10 (фиг. 3) газораспределения посредством подачи по магистрали 11 одного из компонентов сырья под давлением. Этот компонент продолжает подаваться через узел 10 и при стационарной работе. Остальные компоненты сырья вводятся через продувочные отверстия 6, а отверстия 7 служат в качестве выхлопных при запуске. В стационарном режиме при протекании сильноэкзотермического процесса в полости 3 вывод продуктов осуществляется через дополнительный узел 12 в магистраль 13, при этом все продувочные отверстия 6 и 7 используются для ввода сырья. Полость 4 используется в качестве газовой и не принимает участие в технологическом процессе.

Работа устройства, изображенного на фиг. 4, аналогична работе устройства, изображенного на фиг. 3, но в нем обе полости 3 и 4 используются для организации процесса. Работа устройства, изображенного на фиг. 4, может быть организована и по другому, например путем использования как основных узлов 10 (фиг. 4), так и дополнительных узлов 12 газораспределения для подачи различных компонентов сырья, и выводом продуктов реакции через продувочные отверстия 6 и 7. Возможна также подача через отверстия 6 третьего компонента сырья и вывод продуктов через отверстия 7. Свойства щелевых дросселей позволяют использовать их для ввода не только газообразных, но и жидких компонентов сырья с целью их дальнейшей газификации в полостях 3 и 4. Так, например, устройство, показанное на фиг. 4, может быть использовано для газификации нефти или ее фракций. Запуск устройства осуществляется водяным паром высокого давления при подаче его по магистралям 11 через основные узлы 10. В стационарных условиях работы пар продолжает подаваться через основные узлы 10. Дополнительный узлы 12 используются для ввода жидкой нефти, а через продувочные отверстия 6 вводится кислород либо парокислородная смесь. Продукты реакции (синтез-газ) выводятся через отверстие 7 в коллектор 9 и далее к потребителю.

Устройство, изображенное на фиг. 5, работает аналогично устройству, изображенному на фиг. 2, однако один из компонентов сырья вводится через форсунку 15 (фиг. 5), а ресиверы 14 служат для сглаживания пульсации давлений и недопущения возникновения волновых явлений в магистралях 11. В общем случае число форсунок 15 может быть любым и они могут быть как управляемыми, так и неуправляемыми. Форсунки 15 обеспечивают необходимое качество распыла, а также позволяют вводить компоненты в строго определенные периоды цикла, например, после перекрытия поршнем 5 продувочных отверстий 6 и 7. Форсунки 15 могут использоваться и кратковременно, например, только при пуске для его облегчения путем впрыска специальных пусковых жидкостей.

Таким образом, из вышеуказанного следует, что использование дроссельного газораспределения позволяет создать целый ряд конструктивных вариантов устройства для импульсного сжатия газов, отличающихся природой и характером проводимых в них процессов, обеспечить их запуск и устойчивую работу. Узлы 10 (фиг. 3) и 12 газораспределения могут принимать участие в газообмене, частично или полностью беря на себя роль продувочных отверстий 6 и 7. При этом сами продувочные отверстия 6 и 7 могут использоваться в качестве только впускных, только выпускных либо вообще не участвовать в газообмене в период непрерывной работы, если ввод сырья и вывод продуктов осуществляется исключительно через узлы 10 и 12. В этом случае отверстия 6 и 7 используются для стабилизации работы и недопущения увода поршня 5 за счет утечек. Полости 3 и 4 в различных вариантах устройства могут иметь общую систему газообмена, как в устройстве на фиг. 1, автономные для каждой полости 3 и 4 системы газообмена, как в устройстве на фиг. 2, а также частично пересекающиеся системы газообмена, как в устройствах на фиг. 4 и 5, то есть имеющие общие впуск либо выпуск. Кроме этого, нет никаких принципиальных ограничений на количество дроссельных узлов 10 и 12 газораспределения и количество ярусов отверстий 6 и 7. Устройства, приведенные на фиг. 1-5, не исчерпывают всего многообразия не только конструктивных, но и схемных решений устройства.

Работа устройства, изображенного на фиг. 6, аналогична работе устройства, изображенного на фиг. 1. Однако устройство на фиг. 6 снабжено еще и управляемыми форсунками 15, через которые может вводится один или несколько компонентов сырья. Поршень 5 в процессе стационарной работы устройства не контактирует со стенками камеры 2, а вывешивается в зазоре за счет выполнения частей 25 его боковой поверхности с небольшой конусностью. Это позволяет кардинальным образом избежать износа поверхности как самого поршня 5, так и внутренней поверхности цилиндра 16. Канавки 23, выполненные на части внутренней поверхности цилиндра 16, также способствуют вывешиванию поршня 5 в зазоре и, кроме того, способствуют снижению утечек через зазор между поршнем 5 и цилиндром 16 за счет образования лабиринтно-щелевого уплотнения. Канавки 21, выполненные на поверхности втулки 20 узла 10, резко повышают гидравлическое сопротивление узла 10 пульсирующему потоку газа, препятствуя тем самым утечкам из полости 3 в процессе стационарной работы устройства. Отверстия 6 и 7 (фиг. 7) расположены попарно-симметрично, что позволяет устранить возможность возникновения боковых односторонних нагрузок на поршень 5, которые могут препятствовать его вывешиванию в зазоре. Выполнение торцевой поверхности поршня 5 в виде усеченного конуса позволяет эффективно охлаждать поршень 5 при продувке сырьем, а также отклонять сырьевые струи, истекающие из отверстий 6, в направлении торцов цилиндра 16 для улучшения качества продувки и интенсификации протекающих процессов за счет образования вертикальных вихрей в полостях 3 и 4.

Устройство, показанное на фиг. 6 и 7, может быть использовано, например, для получения ультрадисперсных оксидных порошков посредством термического разложения соответствующих солей, подаваемых в виде раствора через форсунки 15. Форсунки 15 выполнены управляемыми, что позволяет осуществлять впрыск сырья в полости 3 и 4 после закрытия поршнем 5 продувочных отверстий 6 и 7 и избежать тем самым проскока непрореагировавшего сырья в отверстия 7. Реакция разложения солей до оксидов относится ко второму типу, и для поддержания поршня 5 в необходимом режиме колебаний через отверстия 6 подается стехиометрическая смесь кислорода и водорода, разбавленная аргоном. При сжатии кислород и водород реагируют, компенсируя затраты энергии на разложение и потери, при последующем расширении смесь охлаждается и продукты реакции в виде газовзвеси удаляются через отверстие 7. Этот пример показывает, что процессы второго типа (например, эндотермические) можно совмещать с процессами первого типа (сильноэкзотермическими), получая суммарный тепловой эффект, достаточный для успешного функционирования устройства. Подобное совмещение противоположных по знаку теплового эффекта процессов (весьма часто применяемое в промышленности) применимо к подавляющему большинству промышленных химических реакций и весьма заметно расширяет сферу применения данного устройства.

Работа устройства, изображенного на фиг. 8, аналогична работе устройства, изображенного на фиг. 4. Однако конструкция узла 10 (фиг. 8) газораспределения позволяет использовать его совершенно по другому, а именно для охлаждения стенок цилиндра 27 посредством подачи охлаждающего агента под давлением через штуцеры 34 в кольцевые камеры 35 и далее через зазоры 29 на стенку с одновременным охлаждением крышек 28 и соответственно узлов 12. В качестве охлаждающего агента могут быть использованы как газ, так и жидкость (далее газифицируемая), которые, в частности, могут являться и компонентами сырья. При подобном использовании узлов 10 полностью снимаются проблемы, связанные с отведением больших тепловых потоков от деталей устройства, а также снимаются требования к материалам, а само устройство может быть использовано, например, в качестве газогенератора аналогично устройству, изображенному на фиг. 2, при его работе в режиме компрессора.

Таким образом, данное изобретение позволяет расширить области допускаемых режимов работы устройства до пределов, ограниченных только прочностью самого поршня 5, что приводит к повышению производительности устройства, упрощению его конструкции, повышению надежности, увеличению ресурса работы и расширению его технологических возможностей.

Формула изобретения

1. Устройство для импульсного сжатия газов, содержащее корпус, имеющий цилиндрическую камеру, разделенную на две полости размещенным внутри нее с возможностью возвратно-поступательного перемещения свободным поршнем, продувочные отверстия, основной узел газораспределения, размещенный в торце камеры, отличающееся тем, что основной узел газораспределения выполнен в виде щелевого дросселя, а все продувочные отверстия выполнены в боковой стенке цилиндрической камеры.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оно дополнительно снабжено по меньшей мере одним основным узлом газораспределения.

3. Устройство по п. 1 или 2, отличающееся тем, что оно снабжено по меньшей мере одним дополнительным узлом газораспределения, выполненным в виде щелевого дросселя, размещенного в торце цилиндрической камеры, связанным с той полостью цилиндрической камеры, с которой связан соответствующий основной узел газораспределения.

4. Устройство по п.1, или 2, или 3, отличающееся тем, что в щелевом дросселе по меньшей мере на одной из образующих его поверхностей выполнены канавки для увеличения его гидравлического сопротивления.

5. Устройство по любому из пп.1 4, отличающееся тем, что по меньшей мере на части внутренней боковой поверхности цилиндрической камеры имеются кольцевые канавки.

6. Устройство по любому из пп.1 5, отличающееся тем, что по меньшей мере часть боковой поверхности поршня выполнена с величиной конусности, находящейся в пределах от 1 100 до 1 1000.

7. Устройство по любому из пп.1 6, отличающееся тем, что по меньшей мере на части боковой поверхности поршня выполнены кольцевые канавки.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8