Термокинетический компрессор

Компрессор предназначен для сжатия газа при помощи тепловой энергии. Устройство включает в себя элементы, предназначенные для предварительной обработки сжимаемого газа и передачи ему тепловой энергии, элементы, предназначенные для расширения сжимаемого газа со звуковой скоростью через реактивную трубу расширения, элементы, предназначенные для повторного сжатия газа в реактивной трубе адиабатического сжатия, устройство содержит: линию всасывания, включающую в себя элементы, необходимые для подогрева сжимаемого газа, впускную камеру, сужающийся конус расширения, позволяющий повысить скорость до звуковой; переходную зону; сужающуюся реактивную трубу расширения/охлаждения; систему охлаждения, состоящую из набора форсунок распыления жидкости, с положением и расходом, регулируемым снаружи устройства, расположенных вдоль зон и позволяющих поддерживать оптимальную звуковую или субзвуковую скорость вдоль всей оси трубы; расширяющийся конус адиабатического сжатия, предназначенный для сжатия газа посредством снижения его скорости до субзвуковой скорости нормального протекания; успокоительную камеру; линию удаления, включающую в себя дополнительные элементы. Технический результат - повышение надежности. 2 н. и 14 з.п. ф-лы, 30 ил.

 

Настоящее изобретение относится к устройству для сжатия воздуха или любого другого газа с небольшой себестоимостью, первичная энергия которого, используемая в цикле сжатия, не является механической или электрической энергией как в большинстве компрессоров, а непосредственно тепловой энергией; этот компрессор не имеет никаких движущихся частей, подверженных износу и потерям энергии в результате трения, кроме того, излишки тепла холодного источника цикла могут быть отобраны для повторного использования в цикле сжатия или для генерации пара под давлением, который, при смешивании со сжатым газом, повышает его расход.

Это устройство находит свое применение для сжатия или частичного создания вакуума любого промышленного газа, однако, его термический цикл лучше всего подходит для реализации теплоэлектростанций высокой производительности, для энергосберегающих систем, таких как повторное механическое сжатие паром или отбор и преобразование остаточной тепловой энергии.

В настоящее время компрессоры состоят из устройств, в которых энергия сжатия газа поставляется в форме механической энергии: объемные компрессоры, центробежные или осевые компрессоры и т.п., где потенциальная или кинетическая энергия другого газа привода также является формой механической энергии: инжекторы.

Вместе с тем, из уровня техники, в частности из ВЕ 537693, GB 928661 и ЕР 0514914, известны устройства типа «инжекторов», в которых механическая энергия сжатия имеет в своей основе приводную кинетическую энергию газа или жидкости, или устройство, осуществляющее смешивание газа без присутствия жидкости, раскрытое в патенте US 3915222, возможность функционирования которого является сомнительной; сами принципы работы и элементы конструкции этих устройств не могут сравниваться с устройством, являющимся предметом настоящей заявки, для которой энергия сжатия не является ни механической, ни кинематической энергией жидкости привода, а только тепловой энергией с необходимой смесью сжимаемого газа с жидкостью, испарение которой позволяет абсорбировать тепло холодного источника цикла, подлежащее удалению.

Компрессоры, соответствующие сегодняшнему развитию технологий, требуют тщательного техобслуживания, с учетом механического трения и вызванного им износа, обладают небольшой энергетической производительностью, а для инжекторов очень низкой, что вызвано, в основном, следующими факторами:

- многочисленными преобразованиями энергии в используемом оборудовании: электроэнергии в механическую, затем в компрессорах - механической энергии в сжимаемый газ;

- относительно низкими используемыми температурами во время первого преобразования тепловой энергии в механическую на электростанциях;

- подогревом сжимаемого газа во время его сжатия, что неотвратимо удаляет сжатие газа от адиабатического сжатия;

- механическим трением и потерями кинетической энергии сжимаемого газа;

- отсутствием рекуперации во всем цикле тепловой энергии, образующейся от сжатия, потерями при трении холодного источника двигателя или турбины;

- механическим износом;

- отложениями и загрязнением воздушных компрессоров: даже частые промывки компрессоров газовых турбин не могут полностью устранить эффект этих отложений и загрязнений.

В основу изобретения поставлена задача создания устройства, лишенного вышеуказанных недостатков, присущих известным из уровня техники компрессорам.

Поставленная задача решается признаками заявленного устройства для сжатия воздуха или газа, включающего в себя элементы, предназначенные для предварительной обработки сжимаемого газа и передачи ему тепловой энергии, если его температура недостаточно высокая, элементы, предназначенные для расширения сжимаемого газа со звуковой скоростью через реактивную трубу расширения для отбора тепла с высокой скоростью и низкой температурой управляемым распылением и испарением жидкости, распределенной в реактивной трубе расширения-охлаждения, позволяющей поддерживать высокую скорость, и элементы, предназначенные для повторного сжатия газа в реактивной трубе адиабатического сжатия для того, чтобы довести скорость до значения, близкого к звуковому; и содержащего:

- линию всасывания, включающую в себя элементы, необходимые для подогрева сжимаемого газа, такие как: генератор горячего газа, теплообменники, горелка, турбина расширения;

- впускную камеру;

- сужающийся конус расширения, позволяющий повысить скорость до звуковой;

- переходную зону;

- сужающуюся реактивную трубу расширения/охлаждения;

- систему охлаждения, состоящую из набора форсунок распыления жидкости, с положением и расходом, регулируемым снаружи устройства, расположенных вдоль переходной зоны и сужающейся реактивной трубы расширения/охлаждения и позволяющих поддерживать оптимальную звуковую или субзвуковую скорость вдоль всей оси трубы;

- расширяющийся конус адиабатического сжатия, предназначенный для сжатия газа посредством снижения его скорости до субзвуковой скорости нормального протекания;

- успокоительную камеру;

- линию удаления, включающую в себя дополнительные элементы, такие как система рециркуляции горячих газов, теплообменники отбора тепла и глушитель, причем данное оборудование может запитываться частью сжатого газа и может устанавливаться после горелки и турбины, если устройство предназначено для производства механической или электрической энергии.

Целесообразно, чтобы сужающаяся реактивная труба расширения/охлаждения и расширяющийся конус адиабатического сжатия были выполнены в виде сужающейся и расширяющейся реактивной трубы с меняющейся геометрией, что позволяет регулировать сечение выхода сужающейся реактивной трубы расширения/охлаждения и сечение входа расширяющегося конуса адиабатического сжатия и, таким образом, проходное сечение шейки между суживающейся реактивной трубой расширения/охлаждения и расширяющимся конусом адиабатического сжатия; причем упомянутая система выполнена с изменяемой геометрией, управление которой осуществляется снаружи устройства, и снабжена механизмом, позволяющим изменять проходное сечение шейки устройства, например, деформируемых стенок суживающейся реактивной трубы расширения/охлаждения и расширяющегося конуса адиабатического сжатия, или добавлением ядра определенного профиля, которое может перемещаться в переходной зоне, в сужающейся реактивной трубе расширения/охлаждения и расширяющемся конусе адиабатического сжатия, и закрепленного на поперечном валу, пересекающем один или оба конца устройства, позволяющего снаружи регулировать положение ядра.

Предпочтительно, чтобы форсунки распыления использовали в качестве жидкости содействия распылению части сжатого газа, генерируемого устройством, или пар, генерируемый отбором тепла из сжатого газа из задней части успокоительной камеры.

Полезно, чтобы жидкость, используемая в форсунках распыления, подогревалась перед ее подачей в форсунки за счет использования отобранного тепла из сжатого газа в задней части успокоительной камеры и, в случае отсутствия отобранного тепла или в дополнение к нему, использовалось тепло, отобранное от любого другого источника тепла: внутреннее тепло, отобранное из двойной рубашки, или внутреннее тепло устройства.

Целесообразно, чтобы использовалась последовательная или параллельная установка нескольких вышеуказанных устройств, которые могут отличаться одно от другого или быть встроены друг в друга, с установлением ядер параллельно в одной и той же рубашке, либо быть установленными последовательно или быть встроенными одно в другое с общей линией всасывания, впускной камерой, сужающимися конусами и входным ядром, играющим роль ядра для первого субзвукового устройства и ядра для второго сверхзвукового устройства.

Поставленная задача решается также признаками заявленного устройства для сжатия воздуха или газа, включающего в себя элементы, предназначенные для предварительной обработки сжимаемого газа и передачи ему тепловой энергии, если его температура недостаточно высокая, элементы, предназначенные для расширения сжимаемого газа со сверхзвуковой скоростью через реактивную трубу расширения для отбора тепла с высокой скоростью и низкой температурой управляемым распылением и испарением жидкости, распределенной в реактивной трубе расширения-охлаждения, позволяющей поддерживать высокую скорость, и элементы, предназначенные для повторного сжатия газа в реактивной трубе адиабатического сжатия для того, чтобы довести скорость до значения, близкого к звуковому; и содержащего:

- линию всасывания, включающую в себя элементы, необходимые для подогрева сжимаемого газа, такие как: генератор горячего газа, теплообменники, горелка, турбина расширения;

- впускную камеру;

- сужающийся конус расширения, позволяющий повысить скорость до звуковой;

- расширяющуюся реактивную трубу сверхзвукового расширения, после которой располагается:

- переходная зона,

- сужающаяся реактивная труба сжатия/охлаждения,

- сужающаяся реактивная труба адиабатического сжатия;

- систему форсунок распыления, установленную в суживающейся реактивной трубе сжатия/охлаждения и в переходной зоне;

- расширяющийся конус адиабатического сжатия.

Целесообразно, чтобы расход и осевое положение форсунок регулировались снаружи вручную или автоматически.

Предпочтительно, чтобы сужающийся конус расширения и расширяющаяся реактивная труба сверхзвукового расширения были выполнены в виде сужающейся реактивной трубы и последующей расширяющейся реактивной трубы с меняющейся геометрией, что позволяет регулировать сечение шейки между этими двумя реактивными трубами.

Полезно, чтобы сужающийся конус расширения и расширяющаяся реактивная труба сверхзвукового расширения были выполнены в виде сужающейся реактивной трубы и последующей расширяющейся реактивной трубы с меняющейся геометрией, что позволяет регулировать сечение шейки между этими двумя реактивными трубами.

Целесообразно, чтобы сужающаяся реактивная труба сжатия/охлаждения, сужающаяся реактивная труба адиабатического сжатия и расширяющийся конус адиабатического сжатия были выполнены в виде системы с изменяемой геометрией, управляемой снаружи устройства и позволяющей изменять сечение шейки между сужающейся реактивной трубой сжатия/охлаждения и расширяющимся конусом адиабатического сжатия.

Предпочтительно, чтобы использовалась последовательная или параллельная установка нескольких вышеуказанных устройств, которые могут отличаться одно от другого или быть встроены друг в друга, с установлением ядер параллельно в одной и той же рубашке, либо быть установленными последовательно или быть встроенными одно в другое с общей линией всасывания, впускной камерой, сужающимися конусами и входными ядрами для первого и второго сверхзвукового устройства.

Устройство, согласно изобретению, которое для сжатия газа не использует ни механической, ни кинетической энергии привода, а только тепловую энергию, позволяет устранить большую часть недостатков устройств из известного уровня техники посредством использования другого цикла, состоящего в предварительной обработке сжимаемого газа и непосредственной передачи ему тепловой энергии, с последующим расширением газа со звуковой или сверхзвуковой скоростью в реактивной трубе расширения, с отбором тепла с высокой температурой и, следовательно, с низкой температурой, посредством распыления и управляемого испарения жидкости, находящейся в реактивной трубе расширения-охлаждения, позволяющего поддерживать высокую скорость и повторно сжимать этот газ в трубопроводе адиабатической компрессии для возврата скорости к нормальному значению истечения; реактивные трубы расширения, расширения-охлаждения и адиабатической компрессии могут быть оборудованы системой с переменной геометрией сопла, что позволяет регулировать сечение их входных и выходных отверстий для регулирования, кроме всего прочего, расхода и степени сжатия устройства.

Отбор тепла при низкой температуре приводит к значительному падению энтропии в сжимаемом газе, что выражается значительным повышением давления на выходе из устройства, по сравнению с давлением на входе.

В данном устройстве потери энергии, возникающие в результате потери нагрузки сжимаемого газа, а также тепловые потери на стенках устройства повторно подаются в форме тепла в сжимаемый газ, уменьшая тем самым первоначальное поступление тепла.

Точно так же, излишнее тепло от холодного источника отбирается посредством испарения распыляемой жидкости, что также увеличивает расход сжатого газа на выходе из устройства; это увеличение расхода, которое может быть устранено на выходе из устройства при помощи конденсации, удобно для некоторых видов использования устройства и, в частности, для использования на теплоэлектростанциях, где оно может с успехом заменять парогенераторы на паровых станциях и, особенно, на станциях комбинированного цикла.

Ударные волны и волны сжатия, которые могут возникать в сверхзвуковой части потока, могут быть устранены или смещены в сторону выходного отверстия устройства, как это описано в подробных вариантах, приведенных ниже.

В дальнейшем изобретение поясняется описанием вариантов его осуществления со ссылками на фигуры сопровождающих чертежей, в числе которых:

Фиг.1 изображает устройство для сжатия газа согласно основному варианту 1 осуществления изобретения, использующее поток с дозвуковой скоростью;

Фиг.2 изображает пример конструкции системы охлаждения устройства для сжатия газа по Фиг.1 согласно основному варианту 1;

Фиг.3 изображает разрез А-А согласно Фиг.2;

Фиг.4 изображает второй пример конструкции системы охлаждения заявленного устройства по фиг.1 согласно основному варианту 1;

Фиг.5 изображают реактивную трубу круглого сечения с деформируемыми стенками устройства согласно варианту 2 осуществления изобретения;

Фиг.6 изображает разрез А-А согласно Фиг.5;

Фиг.7 изображает реактивную трубу квадратного сечения устройства согласно варианту 2 осуществления изобретения;

Фиг.8 изображает разрез А-А согласно Фиг.7;

Фиг.9 изображает разрез В-В согласно Фиг.7;

Фиг.10 изображает пример устройства для сжатия газа круглого сечения согласно варианту 2 осуществления изобретения;

Фиг.11 изображает другой пример устройства для сжатия газа круглого сечения согласно варианту 2 осуществления изобретения;

Фиг.12 изображает устройство для сжатия газа согласно варианту 3 осуществления изобретения, использующее сверхзвуковой поток в зоне охлаждения;

Фиг.13 изображает устройство для сжатия газа согласно варианту 4 осуществления изобретения, использующее одну форсунку;

Фиг.14, 15 изображают два вида второго примера устройства согласно варианту 4 осуществления изобретения с несколькими осевыми форсунками одного типа;

Фиг.16, 17 изображают два вида третьего примера устройства согласно варианту 4 осуществления изобретения с форсунками с регулируемым расходом;

Фиг.18 изображает устройство для сжатия газа согласно варианту 5 осуществления изобретения, полученное на основе устройств согласно вариантам 3 и 4 и позволяющее в любой момент отрегулировать расход сжимаемого газа, степень сжатия и производительность;

Фиг.19 изображает другой пример устройства для сжатия газа согласно варианту 5 осуществления изобретения;

Фиг.20 изображает устройство для сжатия газа согласно варианту 6 осуществления изобретения, полученное на основе устройств согласно вариантам 3 и 4 и позволяющее дополнительно удалить или сместить к выходу устройства возможные колебания давления или ударные нагрузки;

Фиг.21 изображает другой пример устройства для сжатия газа согласно варианту 6 осуществления изобретения;

Фиг.22 изображает устройство для сжатия газа согласно варианту 7 осуществления изобретения, полученное комбинацией устройств согласно вариантам 5 и 6;

Фиг.23 изображает предпочтительный пример выполнения устройства по Фиг.22;

Фиг.24 изображает устройство сжатия газа согласно варианту 8 осуществления изобретения, относящемуся к форсункам распыления дополнительной опции базового варианта 1 или вариантов 2-7;

Фиг.25 изображает устройство сжатия газа согласно варианту 9 осуществления изобретения, относящемуся к форсункам распыления дополнительной опции базового варианта 1 или вариантов 2-8;

Фиг.26 изображает устройство сжатия газа согласно варианту 10 осуществления изобретения, согласно которому используют параллельное или последовательное соединение нескольких устройств согласно базовому варианту и вариантам 2-9 для увеличения степени сжатия;

Фиг.27 изображает пример устройства для сжатия газа высокой мощности согласно варианту 10, использующий параллельную установку двух идентичных устройств, соответствующих приведенному на Фиг.24;

Фиг.28 изображает упрощенную версию установки, изображенной на Фиг.26, в которой два устройства встроены одно в другое;

Фиг.29 изображает упрощенную версию устройства, использующего поток со звуковой скоростью, встроенного в сверхзвуковое устройство для облегчения запуска установки;

Фиг.30 изображает предпочтительный пример выполнения устройств по Фиг.26, 28.

Базовый вариант 1

В самой простой концепции, которая названа «Базовый вариант 1», представленной на фиг.1, заявленное устройство использует поток с дозвуковой или звуковой скоростью; оно имеет линию всасывания для предварительной обработки и подогрева сжимаемого газа, дополнительную впускную камеру 9, предназначенную для успокоения газового потока перед его подачей в расширительный преобразователь, выполненный в виде сужающегося конуса расширения 10, позволяющего повысить скорость потока до звуковой, переходную или нейтральную зоны 11, сужающуюся реактивную трубу расширения/охлаждения 12, систему охлаждения 8, состоящую из набора форсунок распыления воды (или другой жидкости), с регулировкой расхода и/или положения снаружи устройства, расположенных вдоль зоны 11 и трубы 12 и предназначенных для отбора тепла сжимаемого газа посредством испарения впрыскиваемой жидкости, и, наконец, расширяющийся конус адиабатического сжатия 16, предназначенный для сжатия газа посредством снижения его скорости до скорости нормального потока в пределах от 10 до 50 м/сек перед его подачей в успокаивающую камеру 17 и его нагнетания в контур удаления.

Переходная зона 11 обеспечивает непрерывную связь между краевыми участками элементов 10 и 12 с образующей с постоянным уклоном и без углов.

Линия всасывания оборудована элементами, позволяющими подогревать сжимаемый газ, такими как: теплообменники 5, 4,...,n, использующие непосредственно или с помощью промежуточной жидкости остаточное тепло, содержащееся в сжатом газе на выходе из устройства, или любой другой источник тепла, горелка 6, на которую подается горючее, турбина расширения 7; эти элементы предназначены для подогрева сжимаемого газа, если его температура на входе в устройство недостаточно высока; в зависимости от того, для каких целей предназначен сжатый газ, его всасывание может быть оборудовано дополнительными элементами, такими как: фильтр всасывания 1, глушитель 2, первичный компрессор 3, предназначенный для пуска устройства в работу.

Точно также, в зависимости от целей использования устройства, система удаления сжатого газа может быть оборудована такими элементами как: система рециркуляции горячих газов, теплообменники 15, 14,...,n, позволяющие отобрать остаточное тепло, содержащееся в сжатом газе устройства, глушитель 2; данное оборудование может запитываться от сжатого газа только частично и может устанавливаться перед горелкой и турбиной, в случае, если устройство предназначено для производства механической или электрической энергии.

Подогрев газа перед впускной камерой 9 позволяет перегреть его для отдаления его температуры от температуры насыщения с распыляемой жидкостью; в зависимости от степени сжатия и требуемой производительности, температура перегрева газа может варьироваться от 100°С до температуры, превышающей 1500°С.

Во время своего протекания в сужающейся реактивной трубе расширения/охлаждения 12 газ расширяется на каждой ступени, ускоряется в трубопроводе преобразователя и одновременно охлаждается испарением распыленной жидкости, что приводит к его сжатию при звуковой или близкой к звуковой скорости с падением энтропии и увеличением давления, что снижает или устраняет тенденцию увеличения давления в результате преобразования: распределение распыления и испарения вдоль нейтральной зоны 11 и трубы 12 позволяет достичь равновесия между тенденциями увеличения и снижения скорости и, таким образом, осуществить отбор тепла с одновременным поддержанием оптимальной звуковой или близкой к звуковой скорости по всей длине оси трубы 12.

Учитывая это, система охлаждения 8 позволяет отрегулировать распределение охлаждения вдоль оси трубы 12 любым средством, обеспечивающим регулировку расхода и положения каждой форсунки; пример конструкции, показанный на фиг.2, 3, показывает форсунки, расположенные в радиальных лопатках, распределенных вдоль оси трубы 12 с возможностью ручной или автоматической внешней регулировки расхода впрыскиваемой жидкости в каждый ряд форсунок при помощи внешних заслонок; второй пример предпочтительной конструкции, представленный на фиг.4, показывает форсунки распыления, расположенные вдоль оси устройства в зонах размещения элементов 11 и 12 и установленные на конце концентрических труб, скользящих по оси; трубы поддерживаются при помощи подшипников, установленных на резьбе на концах впускной камеры; резьба позволяет снаружи вручную или автоматически регулировать положение каждой форсунки впрыска; внешние заслонки позволяют отрегулировать расход каждой форсунки.

Естественно, что устройство может быть изготовлено с одной форсункой распыления, однако, это приведет к снижению производительности.

Для сокращения длины зоны размещения элемента 12 и, тем самым, уменьшения потерь нагрузки сжимаемого газа при прохождении через устройство желательно, чтобы устанавливаемые форсунки распыления имели высокую скорость впрыска и минимальные размеры образования капель, например, такие как форсунки высокого давления с дополнительным использованием сжатого воздуха или пара и, возможно, с применением ультразвука или микроволн.

Если температура газа на входе впускной камеры 9 ниже 300°С, элементы 9, 10, 11, 12, 16 и 17 могут быть изготовлены из углеродистой стали, нержавеющей стали или любых других материалов, совместимых со сжимаемым газом и имеющих хорошую механическую прочность и устойчивость к истиранию при температуре 300°С; если температура газа на входе впускной камеры 9 превышает 300°С, эти компоненты могут быть выполнены, например, из углеродистой стали с внутренним теплоизолирующим или огнеупорным покрытием, из углеродистой или нержавеющей стали с двойной охлаждающей рубашкой, заполненной водой или сжимаемым газом, из керамики или любого другого материала, имеющего хорошую механическую прочность и устойчивость к истиранию при высоких температурах.

В качестве примера осуществления, устройство, представленное на фиг.1, позволяет сжимать от 1 бара А до 2,5 баров А около 30000 Нм³/час воздуха и содержит:

- линию всасывания воздуха из углеродистой стали с внутренним диаметром 0,6 м, включающую первичный компрессор запуска, способный создать избыточное давление в 100 мбар, и горелку, работающую на природном газе с внутренним покрытием линии всасывания из огнеупорного бетона перед горелкой и после нее; горелка позволяет подогреть воздух до температуры, близкой к 1200°С;

- цилиндрическую впускную камеру 9 длиной 1,5 м и диаметром около 1,2 м;

- цилиндрическое сопло расширения 10 длиной 0,6 м и выходным диаметром 0,6 м;

- цилиндрическую переходную зону диаметром 0,6 м и длиной 0,3 м;

- сужающуюся реактивную трубу расширения/охлаждения 12 с диаметром входа 0,6 м и диаметром выхода около 0,35 м и общей длиной около 1 м;

- камеру расширения 16 диаметром входа 0,35 м и длиной 0,3 м;

- успокоительную камеру 17 диаметром 0,6 м и длиной 0,7 м;

- теплообменники между сжатым воздухом на выходе камеры 17 и воздухом всасывания.

Впускная камера 9 выполнена из углеродистой стали с внутренней футеровкой огнеупорным бетоном, в то время как элементы 10, 11, 12, 16 и 17 выполнены из углеродистой стали с двойной рубашкой охлаждения циркуляцией воздуха перед его подачей на всасывание; распылительные форсунки, запитываемые и установленные на перемещающихся концентрических трубах из нержавеющей стали с внутренним диаметром 60 мм и пересекающие впускную камеру, распределены в 12 и позволяют впрыскивать около 4,7 кг/сек воды со скоростью 200 м/сек, со средним размером образующихся капель около 10 мкм.

Вариант 2

Вариант 2, касающийся потока, двигающегося со скоростью звука или, близкой к звуковой скорости, представленный на фиг.5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, позволяет регулировать расход сжимаемого газа, степень сжатия и энергетическую производительность устройства. В этом варианте сужающаяся реактивная труба расширения/охлаждения 12 и расширяющийся конус адиабатического сжатия 16 базового варианта 1 заменяются сужающейся и расширяющейся реактивными трубами с меняющейся геометрией, что позволяет регулировать сечение выхода элемента 12 и сечение входа элемента 16 и, таким образом, проходное сечение шейки между элементами 12 и 16; система с изменяемой геометрией, управление которой осуществляется снаружи устройства, обеспечивается любым механизмом, позволяющим изменять проходное сечение шейки устройства, например, деформируемых стенок элементов 12 и 16, как это показано на примере на фиг.5, или добавлением ядра определенного профиля 18 или 22, которое может перемещаться в зонах размещения элементов 11, 12 и 16, и закрепленного на поперечном валу на одном или на обоих концах устройства, позволяющего регулировать положение ядра извне, как это показано на примерах на фиг.7, 8, 9, 10, 11.

Пример, представленный на фиг.5, 6, показывает реактивную трубу круглого сечения с деформируемыми стенками; зоны элементов 12 и зона 16 состоят из гибких стальных пластин, наложенных друг на друга и расположенных на одинаковом расстоянии на образующих устройства, концы пластин приварены к бортам переходной зоны 11 и камеры успокоения; хомуты кольцевого сжатия или любая другая система, такая как домкраты и т.п., позволяют менять центральное сечение устройства, которое образует шейку между зонами элементов 12 и 16.

Другие элементы устройства идентичны элементам, описанным в базовом варианте 1. Пример исполнения, показанный на фиг.5, 6, имеет те же эксплуатационные характеристики, что и в предыдущем примере, касающемся базового варианта 1, с возможностью изменения расхода и степени сжатия сжимаемого газа.

Пример, представленный на фиг.7, 8, 9, показывает реактивную трубу квадратного сечения; в этом примере устройство оборудовано системой регулировки, состоящей из ядра 18, перемещающегося по оси в зонах размещения элементов 11, 12 и 16; ось закреплена на поперечном валу, пересекающем один или оба конца устройства; осевое положение ядра 18 может регулироваться извне вручную или автоматически посредством резьбы, имеющейся на подшипнике, внешним домкратом или любой другой внешней системой.

Форсунки распыления располагаются в зонах элементов 11 и 12. Другие элементы устройства идентичны элементам, описанным в базовом варианте 1.

Ядро 18 - это деталь квадратного сечения, у которой две противоположных стороны, параллельные оси, располагаются рядом со сторонами реактивной трубы; две других стороны ядра имеют аэродинамический профиль, позволяющий снизить потери нагрузки сжимаемого газа; каждая из сторон состоит из передней части 19 с постоянным или возрастающим по направлению течения газа сечением, задней части 21 с сечением, уменьшающимся по направлению течения газа, и средней части 20 с постоянным профилем и без углов, обеспечивающим связь между образующей 19 и образующей 21.

Детали 21 ядра 18 перемещаются в шейке между сужающейся реактивной трубой расширения/охлаждения 12 и расширяющимся конусом адиабатического сжатия 16.

В зависимости от требуемого использования устройства и в зависимости от температуры сжимаемого газа на входе впускной камеры 9, ядро 18 может быть изготовлено из углеродистой стали для температур ниже 300°С, из нержавеющей стали, из стали, охлаждаемой внутренней циркуляцией охлаждающей жидкости, из керамики или из любого другого материала, имеющего хорошую устойчивость к истиранию и к температурам эксплуатации.

Пример, представленный на фиг.6, показывает устройство круглого сечения; оно оборудовано системой регулировки, состоящей из ядра 18, перемещающегося по оси в зонах размещения элементов 11, 12 и 18, ядро закреплено на поперечном валу, пересекающем один или оба конца устройства; осевое положение ядра 18 может регулироваться извне вручную или автоматически посредством резьбы, имеющейся на подшипнике, внешним домкратом или любой другой внешней системой.

Форсунки распыления располагаются в зонах размещения элементов 11 и 12.

Другие элементы устройства идентичны элементам, описанным в базовом варианте 1.

Ядро 18 - это цельная вращающаяся деталь, аэродинамический профиль которой позволяет свести к минимуму потери нагрузки сжимаемого газа; она состоит из передней части 19 с постоянным или увеличивающимся по направлению течения газа сечением, задней части 21 с сечением, уменьшающимся по направлению течения газа, и средней части 20, непрерывная образующая (без углов) которой обеспечивает связь между образующей 19 и образующей 21.

Деталь 21 ядра 18 перемещается в шейке между сужающейся реактивной трубой расширения/охлаждения 12 и расширяющимся конусом адиабатического сжатия 16.

В зависимости от требуемого использования устройства и в зависимости от температуры сжимаемого газа на входе впускной камеры 9, ядро 18 может быть изготовлено из углеродистой стали для температур ниже 300°, из нержавеющей стали, из стали, охлаждаемой внутренней циркуляцией охлаждающей жидкости, из керамики или из любого другого материала, имеющего хорошую устойчивость к истиранию и к температурам эксплуатации.

Пример исполнения, показанный на фиг.6, включает ядро 18, поддерживаемое подшипником, установленным во впускной камере, и вторым подшипником, расположенным на конце успокоительной камеры 17, который имеет резьбу для регулировки положения ядра и форсунок распыления.

Во время тока сжимаемого газа в сужающейся реактивной трубе расширения/охлаждения 12, свободное пространство между деталью 21 и элементом 12 образует реактивную трубу с сужающимся соплом, которая играет ту же роль, что и сужающаяся реактивная труба сжатия/охлаждения 12, описанная в варианте 1; шейка, то есть минимальное сечение прохода этой сужающейся реактивной трубы, располагается немного впереди выходной шейки элемента 12, и ее сечение Ss может быть в любой момент изменено извне посредством регулировки осевого положения ядра 18.

Эта регулировка сечения Ss шейки с регулировкой расхода распыляемой жидкости позволяет изменять расход сжимаемой жидкости, а также изменять степень сжатия и энергетическую производительность устройства посредством изменения температуры подогрева газа на входе впускной камеры.

Пример выполнения, показанный на фиг.10, имеет те же эксплуатационные характеристики, что и в предыдущем примере, касающемся базового варианта 1, со следующими изменениями, позволяющими регулировать расход и степень сжатия сжимаемого газа:

- диаметр переходной зоны 11 стал 0,45 м;

- диаметры входа и выхода сужающейся реактивной трубы расширения/охлаждения 12 стали соответственно 0,45 м и 0,22 м;

- диаметр входа расширительной камеры 16 стал 0,22 м;

- добавление ядра 18 из нержавеющей стали, охлаждаемого внутренней циркуляцией воды, с максимальным диаметром 0,3 м, минимальным диаметром 0,1 м на выходе из 21 и общей длиной 1,0 м с резьбой для регулировки положения.

Пример, представленный на фиг.11, также показывает устройство круглого сечения; принцип работы идентичен варианту по фиг.10, но здесь ядро установлено в передней части устройства.

Устройство оборудовано ядром 18, перемещающимся по оси в зонах размещения элементов 11, 12, 16 и 17, ось которого закреплена на поперечном валу, пересекающем один или оба конца устройства; осевое положение ядра 18 может регулироваться извне вручную или автоматически посредством резьбы, имеющейся на подшипнике, внешним домкратом или любой другой внешней системой.

Форсунки распыления располагаются в зонах размещения элементов 11 и 12.

Другие элементы устройства идентичны элементам, описанным в базовом варианте 1.

Ядро 22 - это цельная вращающаяся деталь, аэродинамический профиль которой позволяет свести к минимуму потери нагрузки сжимаемого газа; она состоит из передней части 23 увеличивающегося сечения по направлению течения газа, задней части 25 постоянного или уменьшающегося по направлению течения газа сечения и промежуточной детали 24, непрерывная образующая которой, без углов, обеспечивает связь между образующей 23 и образующей 25.

Деталь 23 ядра 22 перемещается в шейке между сужающейся реактивной трубой расширения/охлаждения 12 и расширяющимся конусом адиабатического сжатия 16.

В зависимости от требуемого использования устройства и в зависимости от температуры сжимаемого газа на входе впускной камеры 9, ядро 22 может быть изготовлено из углеродистой стали для температур ниже 300°, из нержавеющей стали, из стали, охлаждаемой внутренней циркуляцией охлаждающей жидкости, из керамики или из любого другого материала, имеющего хорошую устойчивость к истиранию и к температурам эксплуатации.

Пример исполнения, показанный на фиг.11, показывает вал, пересекающий насквозь ядро 22 и опирающийся на подшипники, размещенные во впускной камере и в успокоительной камере, второй подшипник имеет резьбу для регулировки положения. Во время тока сжимаемого газа в зоне размещения элемента 12, свободное пространство между элементами 22 и 12 образует реактивную трубу с сужающимся соплом, которая играет ту же роль, что и сужающаяся реактивная труба сжатия/охлаждения 12, описанная в базовом варианте 1; шейка, то есть минимальное сечение прохода перед этой сужающейся реактивной трубой, обычно располагается немного впереди выходной шейки элемента 12, и ее сечение Ss может быть в любой момент изменено извне посредством регулировки осевого положения ядра 22. Эта регулировка сечения Ss шейки с регулировкой расхода распыляемой жидкости позволяет изменять расход сжимаемой жидкости, а также изменять степень сжатия и энергетическую производительность устройства посредством изменения температуры подогрева газа на входе впускной камеры.

В качестве примера осуществления, устройство, показанное на фиг.11, имеет те же эксплуатационные характеристики, что и в примере реализации, касающемся базового варианта 1, со следующими изменениями, позволяющими регулировать расход и степень сжатия сжимаемого газа:

- диаметры входа и выхода реактивной трубы с сужающимся соплом расширения/охлаждения 12 стали соответственно 0,60 м и 0,36 м,

- диаметр входа расширительной камеры 16 стал 0,36 м, и ее длина стала 0,5 м;

- добавление ядра 18 из нержавеющей стали, охлаждаемого внутренней циркуляцией воды, с максимальным диаметром 0,35 м и минимальным диаметром 0,07 м на входе 19 и на выходе 21, общей длиной 1,0 м, поддерживаемого валом диаметром 70 мм, зафиксированным на подшипниках, установленных в 9 и 17, с резьбой для регулировки положения,

- система форсунок распыления идентична примеру реализации базового варианта 1, но здесь перемещающиеся трубы располагаются в опорном вале ядра.

Вариант 3

Вариант 3, представленный на фиг.12, касается сверхзвукового потока в зоне охлаждения; такой поток позволяет повысить энергетическую производительность устройства, как это описано в базовой версии 1, посредством получения большой разницы температуры жидкости между температурой на входе впускной камеры 9 и температурой в зоне охлаждения.

Изменения, по сравнению с базовой версией 1, с одной стороны, затрагивают использование входного конуса расширения 10, в котором сжимаемая жидкость систематически расширяется со звуковой скоростью, и, с другой стороны, замену переходной зоны 11 и сужающейся реактивной трубы расширения/охлаждения 12 расширяющейся реактивной трубой сверхзвукового расширения 26, с последующим расположением переходной зоны 27, суживающейся реактивной трубой сжатия/охлаждения 28 и суживающейся реактивной трубой адиабатического сжатия 29; система форсунок распыления 8, идентичная базовой версии 1, установлена в зоне размещения элемента 28 и, возможно, как это описано ниже, в зонах размещения элементов 26 или 27.

Переходная зона 27 обеспечивает непрерывную связь между концевыми участками элементов 26 и 28 с образующей постоянного уклона и без углов.

Другие элементы устройства идентичны элементам, описанным в базовом варианте 1.

Сжимаемая жидкость подогревается в передней части впускной камеры 9 до температуры, которая может значительно превышать 1000-1500°С, затем расширяется по всей длине зон размещения элементов 10 и 26, которые образуют реактивную трубу с сужающимся/расширяющимся конусами сверхзвукового расширения со звуковой скоростью в шейке с давлением Ра, скоростью Va и температурой Та, и затем сжимается с повышением температуры в сужающейся реактивной трубе сжатия/охлаждения 28 с одновременным отбором тепла посредством испарения распыленной жидкости в этой же трубе 28; реактивная труба с сужающейся реактивной трубой адиабатического сжатия 29 позволяет вернуть жидкости сверхзвуковую скорость до ее адиабатического сверхзвукового сжатия в расширяющемся конусе адиабатического сжатия 16 и ее удаления.

Система распыления состоит из серии форсунок, положение которых и/или их расход могут регулироваться извне вручную или автоматически, в соответствии с той же концепцией, что и базовый вариант 1; отбор тепла испарением распыленных капель может осуществляться в зоне размещения элемента 26, таким образом данный цикл приближается к изобарическому охлаждению, однако, такой вариант не представляет практического интереса: в нижеследующем описании мы будем рассматривать только отбор тепла, осуществляемый в зонах размещения элементов 27 или 28 с циклом, приближающимся к изотермическому преобразованию, с форсунками распыления, размещенными в зоне размещения элемента 28 и, учитывая промежуток времени между распылением и испарением, возможно, в качестве упреждения, в переходной зоне 27.

Теоретическая энергетическая производительность устройства будет настолько выше, насколько температура сжимаемого газа на входе 9 будет выше, а температура расширения Та будет ниже, однако, температура расширения должна быть выше температуры насыщения Ts газа по отношению к распыленной жидкости, так как перепад температуры DT=Ta-Ts необходим для испарения жидкости на входе зон размещения элементов 27 и 28; в частном случае, если Та будет ниже Ts, испарение распыленной жидкости и, соответственно, отбор тепла из сжимаемого газа будет начинаться только в 28 в тот момент, когда, под действием сжатия, реальная температура газа превысит температуру его насыщения.

Испарение распыленной жидкости и отбор тепла в зонах размещения элементов 27 и 28 будет происходить настолько быстро, насколько меньше будет размер распыляемых капель и насколько больше будет перепад температуры DT=Ta-Ts, и как прямое следствие этого, уменьшение длины элемента 28 и снижение потерь нагрузки сжимаемого газа через зону размещения элемента 28; на практике размеры капель будут в пределах от 5 до 30 мкм и отклонения температуры DT=Ta-Ts - в пределах от 10°С до 100°С, что делает размеры устройства и потери нагрузки газа через 28 вполне приемлемыми.

Естественно, что размеры устройства зависят, в первую очередь, от расхода и характеристик сжимаемого газа, а также от требуемого давления на выходе; после определения этих критериев выбор температуры предварительного подогрева газа во впускной камере 9, степень расширения через элементы 10 и 12, размеры капель распыления определяются наличием стандартного оборудования, имеющегося на рынке: типами форсунок распыления, материалами и т.п., а также размерами и стоимостью устройства и его энергетической производительностью.

В качестве примера выполнения, воздушный компрессор, состоящий из устройства, представленного на фиг.12, позволяет сжимать около 20000 Нм³ с 1 бара А до 1,5 бара А и включает в себя следующие компоненты:

- устройство всасывания воздуха с внутренним диаметром 0,46 м из углеродистой стали с внутренней футеровкой огнеупорным бетоном с первичным компрессором запуска, способным развивать излишнее давление в 500 мбар, и горелки, работающей на природном газе, позволяющей подогревать воздух до 1000°С;

- впускную камеру 9 диаметром 0,97 м и длиной 1,16 м;

- реактивную сужающуюся трубу сверхзвукового расширения 10 с диаметром шейки около 0,295 м и длиной 0,670 м;

- реактивную расширяющуюся трубу сверхзвукового расширения 26 с диаметром входа около 0,295 м, диаметром выхода около 0,388 м и длиной 0,2 м, в которой воздух расширяется до давления 0,1 бар А с температурой 370°С и скоростью 1160 м/сек;

- сужающуюся реактивную трубу сжатия/охлаждения 28 и сужающуюся реактивную трубу адиабатического сжатия 29 с диаметром входа около 0,388 м, с диаметром шейки около 0,209 м и длиной 1 м;

- расширяющийся конус адиабатического сжатия 16 с диаметром входа 0,209 м, с диаметром выхода 0,7 м и длиной 1 м;

- успокоительную камеру 17 диаметром 0,7 м и длиной 0,84 м;

- систему ультразвуковых форсунок распыления с использованием сжатого воздуха, способных распылять 1,22 кг воды в секунду с диаметром капель в пределах 5 мкм;

- теплообменник, позволяющий охлаждать сжатый воздух на выходе 17 и подогревать воздух перед его входом в камеру 9 с температурой около 480°С.

Впускная камера выполнена из углеродистой стали с внутренней футеровкой огнеупорным бетоном, в то время как элементы 10, 26, 28, 29, 16 и 17 выполнены из углеродистой стали с двойной рубашкой охлаждения циркуляцией сжимаемого воздуха перед его подачей на вход всасывания воздуха; распылительные ультразвуковые форсунки, установленные и питаемые системой перемещающихся концентрических труб из углеродистой стали с внешним диаметром 40 мм, пересекающих впускную камеру, распределены в зоне размещения элемента 28.

Вариант 4

Вариант 4, также относящийся к сверхзвуковому протеканию, показан на фиг.13; он вытекает из варианта 3 и позволяет упростить концепцию, заменив систему форсунок распыления, размещенных вдоль оси устройства, одной осевой форсункой или радиальными форсунками, размещенными на входе зоны размещения элемента 28 или в переходной зоне размещения элемента 27 в последнем случае, это позволит предупредить задержку времени между распылением и испарением впрыскиваемой жидкости; расход и осевое положение этих форсунок может регулироваться извне устройства вручную или автоматически.

Другие элементы устройства идентичны элементам, описанным в варианте 3.

На фиг.13 показан пример исполнения с одной форсункой, расположенной на оси устройства, на конце вала, пересекающего впускную камеру, расход которой и положение могут регулироваться извне вручную или автоматически; на фиг.14, 15 представлен другой пример исполнения с несколькими осевыми форсунками одного типа, а на фиг.16, 17 представлен третий пример исполнения с форсунками с регулируемым расходом, расположенными на радиальных ребрах. Пример, приведенный на фиг.5, более практичен и будет единственным, который будет рассматриваться в дальнейшем описании.

В этом варианте, весь расход распыляемой жидкости впрыскивается в начале цикла отбора тепла в переходную зону 27 или на входе элемента 28; сжимаемый газ быстро насыщается на входе элемента 28 посредством испарения части капель, остальные капли остаются в газовом потоке во взвешенном состоянии; по мере своего перемещения в сужающейся реактивной трубе сжатия/охлаждения 28 газ сжимается с повышением его температуры и удалением от предыдущего состояния насыщения, что позволяет получить дополнительное испарение капель; это постоянное равновесие позволяет отбирать тепло у сжимаемого газа вдоль всей зоны элемента 28 или до полного испарения впрыскиваемых капель и все это в процессе поддержания сжимаемого газа в состоянии, близком к насыщению вдоль оси элемента 28; в каждой точке этой оси разница температуры DT между реальной температурой газа и его температурой насыщения уравновешивается на своем минимуме, в зависимости от размера капель, коэффициента теплообмена и газовой диффузии; таким образом, вариант 4 позволяет оптимизировать термодинамический цикл устройства, поддерживая холодный источник при минимальной температуре, совместимой с технологическим процессом.

В качестве примера реализации, устройство, представленное на фиг.13, имеет те же элементы и те же эксплуатационные характеристики, что и пример реализации в варианте 3, за исключением замены системы форсунок распыления одной осевой форсункой.

Вариант 5

Вариант 5, относящийся в сверхзвуковому потоку, вытекает из вариантов 3 и 4 и позволяет в любой момент отрегулировать расход сжимаемого газа, степень сжатия и энергетическую производительность устройства; в этом варианте, сужающийся конус расширения 10 и расширяющаяся реактивная труба сверхзвукового расширения 26 вариантов 3 и 4 заменяются сужающейся реактивной трубой и расширяющейся реактивной трубой, имеющими изменяемую геометрию, что позволяет регулировать сечение шейки между этими двумя реактивными трубами; система с изменяющейся геометрией, управляемая снаружи устройства любым приемлемым механизмом, позволяет изменять сечение прохода шейки между элементами 10 и 26, как в примерах, описанных ниже.

В примере, представленном на фиг.18, система с изменяемой геометрией получается заменой элементов 10 и 26 реактивной трубой с сужающимся конусом 30 с изменяемой геометрией и с последующим расположением дополнительной переходной зоны 31, затем реактивной трубы с расширяющимся конусом 32 также с изменяемой геометрией; все три компонента имеют стенки, деформируемые таким образом, чтобы изменить сечение шейки между двумя реактивными трубами; система деформирующихся стенок может быть того же типа, что и та, которая описана в разделе 2.1 и представленная в качестве примера на фиг.5, 6.

В зависимости от условий использования устройства, реактивная труба 32 может быть оборудована системой с меняющейся геометрией, позволяющей ей иметь небольшое расширение, что позволит облегчить эксплуатацию устройства в условиях скоростей, близких к звуковым.

Переходная зона 31 обеспечивает непрерывную связь между концами 30 и 32 с образующей постоянного уклона и без углов.

Скорость движения сжимаемого газа должна быть звуковой в первой шейке устройства и, по возможности, во второй; возможность изменения сечения позволяет устанавливать независимо в каждой шейке температуру и расход сжимаемого газа на выходе из впускной камеры, с одновременным соблюдением звуковой скорости прохода газа к этой шейке; это позволяет изменить либо расход сжимаемого газа, либо его температуру на входе первой шейки и, возможно, расход распыляемой жидкости, что приведет к изменению степени сжатия устройства и его производительности либо того и другого вместе.

Другие элементы устройства идентичны элементам, описанным в вариантах 3 и 4.

В предпочтительном примере, представленном на фиг.19, реактивная расширяющаяся труба сверхзвукового расширения 26 вариантов 3 и 4 заменяется регулируемой системой, состоящей из дополнительной переходной зоны 38 с последующей трубой 37, желательно, с небольшим расширением, с добавлением профильного ядра 33, перемещающегося в сужающейся части расширения со скоростью, близкой к звуковой 12, в переходной зоне 38 и в трубе 37; ядро закреплено на валу, пересекающем, например, один или оба края устройства; осевое положение ядра 33 может быть отрегулировано вручную или автоматически снаружи устройства при помощи резьбы на подшипнике, внешнего домкрата или любой другой приемлемой системы.

Система распыления может быть размещена в зоне 27, в зоне 28 или на переднем конце 36: см. ниже.

Ядро 33 - это деталь, аэродинамический профиль которой позволяет свести к минимуму потери нагрузки сжимаемого газа; она состоит из передней части 34 постоянного или увеличивающегося сечения по направлению течения газа, задней части 36 уменьшающегося по направлению течения газа сечения и промежуточной детали 35, непрерывная образующая которой, без углов, обеспечивает связь между образующей 34 и образующей 36.

Деталь 36 ядра 33 располагается в сужающемся конусе расширения 10 в переходной зоне 38 и в трубе 37.

В зависимости от требуемого использования устройства и в зависимости от температуры сжимаемого газа на входе входной камеры 9, ядро 33 может быть изготовлено из углеродистой стали для температур ниже 300°, из нержавеющей стали, из стали, охлаждаемой внутренней циркуляцией охлаждающей жидкости, из керамики или из любого другого материала, имеющего хорошую устойчивость к истиранию и к температурам эксплуатации.

Пример выполнения, представленный на фиг.19, показывает ядро 33, поддерживаемое валом, который пересекает его по оси; вал покоится на подшипнике, установленном во впускной камере и имеющем резьбу для регулировки его положения; в этом примере единственная форсунка распыления установлена на конце задней части 36 ядра 33.

Во время протекания сжимаемого газа в сужающемся конусе расширения 10, свободное пространство, имеющееся между элементами 24 и 10, образует сужающуюся реактивную трубу субзвукового расширения, которая играет ту же роль, что и сужающийся конус расширения 10 вариантов 4 или 5, и свободное пространство между элементами 36, 27 и 37 образует расширяющуюся реактивную трубу субзвукового расширения, которая играет ту же роль, что и реактивная труба 26 варианта 3 или 4; шейка или, говоря другими словами, минимальное сечение прохода между этими двумя реактивными трубами, показанными на фиг.19, обычно располагается между максимальным сечением 33 и сечением выхода 10, и ее сечение S's может быть в любой момент изменено извне посредством регулировки осевого положения ядра 33.

В зависимости от условий использования устройства, труба 37 может иметь небольшое сужение для облегчения пуска устройства в эксплуатацию в условиях субзвуковых скоростей.

В качестве примера выполнения, устройство, показанное на фиг.19, имеет те же эксплуатационные характеристики, что и в примере реализации, представленном в варианте 4, со следующими изменениями, позволяющими регулировать расход и степень сжатия сжимаемого газа:

- замена расширяющейся реактивной трубы сверхзвукового расширения 26 переходной зоной 38 и расширяющейся трубой 37; указанный узел имеет входной диаметр около 0,295 м, выходной диаметр около 0,388 м и длину 0,2 м, здесь осуществляется расширение воздуха до 0,1 бар А;

- переходная зона 38 и расширяющийся конус 37 выполнены из углеродистой стали с двойной рубашкой;

- добавление ядра 33 из нержавеющей стали, охлаждаемого внутренней циркуляцией воды, с максимальным диаметром 0,293 м и минимальным диаметром 0,04 м на входе 34 и на выходе 36, общей длиной 0,9 м, поддерживаемого валом диаметром 40 мм, зафиксированным на подшипнике, установленном в 9, с резьбой для регулировки его положения;

- форсунка распыления идентична форсунке, представленной в примере реализации в варианте 4, но, в данном случае труба перемещения, обеспечивающая подачу воды, расположена в опорном вале ядра 33.

Вариант 6

Вариант 6, относящийся к сверхзвуковому потоку, вытекает из вариантов 3 или 4, описанных выше, и также позволяет в любое время менять степень сжатия и/или производительность устройства, как и в варианте 5; данный вариант позволяет к тому же удалить или сместить к выходу устройства возможные колебания давления или ударные нагрузки, которые могут, в некоторых случаях, возникать в зонах элементов 26, 27 или 28 вариантов 3 или 4; принцип действия данного варианта идентичен варианту 5, однако, меняющаяся геометрия относится только ко второй шейке устройства; в этом варианте зоны элементов 28, 29 и 16 вариантов 3 и 4 заменены системой с изменяемой геометрией, управляемой снаружи устройства и позволяющей менять сечение шейки между элементами 28 и 16; система изменяемой геометрии обеспечивается любым механизмом, позволяющим менять сечение шейки, как это будет описано в приведенных ниже примерах.

В примере, приведенном на фиг.20, система с заменяемой геометрией получается посредством замены элементов 28, 29 и 16 реактивной трубой 39 с деформируемыми стенками, которые могут быть отрегулированы таким образом, чтобы иметь небольшое расширение во время запуска устройства и затем сужаться, таким образом, данная реактивная труба будет выполнять роль суживающейся реактивной трубы адиабатического сжатия 29; после элемента 39 устанавливается расширяющаяся реактивная труба 40 также с деформируемыми стенками, таким образом реактивная труба 40 будет выполнять функцию расширяющегося конуса адиабатического сжатия 16. Система с деформируемыми стенками может быть того же типа, что и система, описанная в разделе 2.1 и представленная на фиг.5, 6 примера.

Желательно, чтобы скорость движения сжимаемого газа была звуковой во второй шейке; возможность изменения сечения шейки позволяет устанавливать, независимо друг от друга, температуру, давление и расход сжимаемого газа на выходе сужающегося конуса адиабатического расширения с одновременным соблюдением звуковой скорости прохода газа в этой шейке; это позволяет изменять либо расход сжимаемого газа, либо его температуру на входе второй шейки посредством изменения температуры в камере 9 или изменением распыляемой жидкости, что приведет к изменению степени сжатия устройства и его производительности либо того и другого вместе.

И, наконец, во время запуска устройства, первая реактивная труба с изменяемой геометрией поддерживается в положении небольшого расширения до тех пор, пока степень устройства не станет достаточно высокой, чтобы волна давления, которая может развиться в элементе 26, могла бы переместиться во вторую расширяющуюся реактивную трубу 32; после удаления этой волны давления две реактивных трубы с изменяемой геометрией могут постепенно быть возвращены в их рабочее положение, по мере того, как реактивные трубы с изменяемой геометрией будут постепенно возвращаться в их рабочее положение, волна давления будет удаляться к выходу из устройства.

Другие элементы устройства идентичны элементам, описанным в вариантах 3 и 4.

В предпочтительном примере, приведенном на фиг.21, реактивная сужающаяся труба сжатия/охлаждения 28 и реактивная сужающаяся труба сверхзвукового адиабатического сжатия 29 вариантов 3 или 4 заменяются трубой 41, желательно, с небольшим расширением, с диаметром входа, желательно, немного большим, чем у трубы 26, внутри которой может перемещаться по оси профильное ядро 42, закрепленное на валу, пересекающем, например, один или оба конца устройства, который позволяет регулировать положение 42; положение ядра 42 может регулироваться снаружи устройства вручную или автоматически посредством резьбы на подшипнике, домкратом или любой другой соответствующей внешней системой.

Форсунка распыления располагается в зоне элементов 27 или 41.

В самой простой конструкции, сужающийся конус расширения 16 и, возможно, успокоительная камера 17 могут быть образованы простым удалением трубы с небольшим расширением 41.

Другие элементы устройства идентичны элементам, описанным в вариантах 3 и 4.

Ядро 42 - это деталь, аэродинамический профиль которой позволяет свести к минимуму потери нагрузки сжимаемого газа; она состоит из передней части 43 сечения, увеличивающегося по направлению течения газа, задней части 45 постоянного или уменьшающегося по направлению течения газа сечения и промежуточной детали 44, непрерывная образующая которой, без углов, обеспечивает связь между образующей 43 и образующей 45.

Деталь 43 ядра 42 располагается в трубе 41.

В зависимости от требуемого использования устройства и в зависимости от температуры сжимаемого газа на выходе расширяющейся трубы сверхзвукового расширения 26, ядро 42 может быть изготовлено из углеродистой стали для температур ниже 300°, из нержавеющей стали, из стали, охлаждаемой внутренней циркуляцией охлаждающей жидкости, из керамики или из любого другого материала, имеющего хорошую устойчивость к истиранию и к температурам эксплуатации.

Пример исполнения, показанный на фиг.21 показывает вал, пересекающий насквозь ядро 42 и опирающийся на подшипники, размещенные во впускной камере и в успокоительной камере, второй подшипник имеет двигатель регулировки положения; распылительная форсунка размещена на конце трубы, перемещающейся на валу.

Во время протекания сжимаемого газа в трубе 41, свободное пространство между элементом 43 и трубой 41 образует сужающуюся реактивную трубу, которая играет ту же роль, что и сужающаяся реактивная труба сжатия/охлаждения 28 и сужающаяся реактивная труба сверхзвукового адиабатического сжатия 29 вариантов 3 или 4, и свободное пространство между элементами 45 и 16 образует расширяющуюся реактивную трубу, которая играет ту же роль, что и расширяющийся конус адиабатического сжатия 16, описанный в вариантах 3 или 4; шейка или, иными словами, сечение минимального прохода между двумя реактивными трубами обычно располагается между выходом трубы 41 и максимальным диаметром 45, и ее сечение Ss может быть в любой момент изменено извне посредством регулировки осевого положения ядра 42; данная регулировка сечения шейки позволяет:

- во время пуска в эксплуатацию: полностью выдвинуть ядро 42 из трубы 41 таким образом, чтобы первоначальная волна давления, которая может возникнуть при сверхзвуковом режиме в расширяющейся реактивной трубе во время достаточно высокого избыточного давления, создаваемого первичным компрессором запуска, находилась в задней части выхода из трубы 41; это избыточное давление, а также максимальный диаметр 42 выбираются таким образом, чтобы во время постепенного ввода ядра 42 в трубу 41 зона, в которой находится волна давления, оставалась всегда расширяющейся и чтобы волна давления оставалась в этом месте до того момента, пока 42 не займет своего окончательного положения в 41;

- в режиме нормальной работы: для независимой регулировки температуры, давления и расхода сжимаемого газа на выходе их второй шейки, что позволяет устройству иметь те же преимущества, что и в примере на фиг.13: возможность регулировки расхода, степени сжатия или производительности.

В качестве примера выполнения, устройство, показанное на фиг.21, имеет те же эксплуатационные характеристики, что и в примере реализации, представленном в варианте 4, со следующими изменениями, позволяющими регулировать расход и степень сжатия сжимаемого газа:

- замена труб 28 и 29 трубой 41, имеющей входной диаметр около 0,388 м, выходной диаметр около 0,390 м и длину 1,0 м; труба 41 выполнена из углеродистой стали с двойной рубашкой;

замена расширяющегося конуса с входным диаметром 0,209 м расширяющимся конусом адиабатического сжатия 16 той же конструкции, только с входным диаметром 0,390 м;

- добавление ядра 42 из нержавеющей стали, охлаждаемого внутренней циркуляцией воды, с максимальным диаметром 0,388 м и минимальным диаметром 0,04 м на входе 43 и на выходе 45, общей длиной 1,2 м, поддерживаемого валом диаметром 40 мм, зафиксированным на подшипнике, установленном в элементе 17, с резьбой для регулировки его положения и на втором подшипнике, установленном на конце 9.

Форсунка распыления идентична форсунке, представленной в примере реализации в варианте 4, но, в данном случае, труба перемещения, обеспечивающая подачу воды, расположена в опорном валу ядра 42.

Вариант 7

Вариант 7, касающийся сверхзвукового потока, вытекает из одновременного использования вариантов 5 и 6 в одном устройстве и позволяет в любой момент регулировать извне, независимо друг от друга, сечение двух шеек устройства и, таким образом, менять расход сжимаемого газа, степень сжатия устройства и его энергетическую производительность, с возможностью устранения или сдвига к выходу возможных волн давления или ударных волн, которые могут, в некоторых случаях, возникнуть в расширяющихся сверхзвуковых конусах вариантов 3, 4 или 5; в данном варианте, зоны размещения элементов 28, 29 и 16 варианта 5 заменяются, также как и для варианта 6, реактивной трубой изменяемой геометрии, которая может быть отрегулирована с небольшим расширением во время пуска устройства в эксплуатацию и затем с небольшим сужением при нормальной эксплуатации, после которой устанавливается расширяющаяся реактивная труба с изменяемой геометрией; диаметр шейки между двумя реактивными трубами может быть постоянно адаптирован к диаметру первой шейки устройства, то есть к расходу и физическим характеристикам сжимаемого газа при его впуске, а также к физическим характеристикам выхода устройства, то есть к расходу распыляемой жидкости и, соответственно, к степени сжатия и производительности устройства.

Другие элементы устройства идентичны элементам, описанным в варианте 5.

Таким образом, данный вариант объединяет в себе преимущества вариантов 5 и 6.

В примере, приведенном на фиг.22, системы изменяемой геометрии получаются в результате использования реактивных труб с деформируемыми стенками того же типа, что и описанные в разделе 2.1 и представленные в качестве примера на фиг.5, 6.

В предпочтительном примере, приведенном на фиг.23, реактивная сужающаяся труба сжатия/охлаждения 28 и реактивная сужающаяся труба сверхзвукового адиабатического сжатия 29 фиг.19 заменяются трубой 41, желательно, с небольшим расширением, с диаметром входа, желательно, немного большим, чем у элемента 26, внутри которой может перемещаться по оси профильное ядро 42, ось которого закреплена на валу, пересекающем, например, один или оба конца устройства; осевое положение ядра 42 может регулироваться снаружи устройства вручную или автоматически посредством резьбы на подшипнике, внешним домкратом или любой другой соответствующей внешней системой.

В более упрощенной концепции, зоны размещения элементов 37, 41, 41, 16 и 17 могут быть объединены в одну трубу, имеющую небольшое расширение.

Ядро 42 - это цельная вращающаяся деталь, аэродинамический профиль которой позволяет свести к минимуму потери нагрузки сжимаемого газа; она состоит из передней части 43 увеличивающегося сечения по направлению течения газа, задней части 45 постоянного или уменьшающегося по направлению течения газа сечения и промежуточной детали 44, непрерывная образующая которой, без углов, обеспечивает связь между образующей 43 и образующей 45.

Деталь 43 ядра 42 располагается в трубе 41.

Форсунка распыления располагается в одной из зон 37, 31 или 41 между 36 - задней частью 33 и 34 передней частью 33.

Другие элементы устройства идентичны элементам, описанным в варианте 5.

В зависимости от требуемого использования устройства и в зависимости от температуры сжимаемого газа на выходе расширительной реактивной трубы сверхзвукового расширения 26, ядро 42 может быть изготовлено из углеродистой стали для температур ниже 300°, из нержавеющей стали, из стали, охлаждаемой внутренней циркуляцией охлаждающей жидкости, из керамики или из любого другого материала, имеющего хорошую устойчивость к истиранию и к температурам эксплуатации.

Пример реализации, представленный на фиг.23, показывает вал, проходящий через ядро 33 и ядро 42, который опирается на подшипники, размещенные в камере сжигания и в успокоительной камере; каждый подшипник оборудован двигателем, позволяющим регулировать осевое положение каждого ядра; форсунка распыления установлена непосредственно на заднем конце 36.

Как и в примере, приведенном на фиг.19, свободное пространство между элементами 42, 10, 38 и 37 образует первую шейку сечением S's, регулируемым извне посредством изменения осевого положения 33.

Как и в примере, приведенном на фиг.21, свободное пространство между элементами 42, 41 и 16 образует вторую шейку сечением Ss, регулируемым извне посредством изменения осевого положения ядра 42.

Эти возможности регулировки сечения каждой шейки придают примеру, приведенному на фиг.23, объединенные преимущества примеров, приведенных на фиг.19 и 21, которые приводятся ниже.

В качестве примера осуществления, устройство, представленное на фиг.23, позволяющее сжимать около 20000 Нм³ воздуха с давления 1 бар А до 2,5 бар А и позволяющее регулировать расход и степень сжатия сжимаемого газа, может быть получено внесением следующих изменений в вариант 5 реализации:

- замена 38 и 37 расширяющейся реактивной трубой того же диаметра входа, но длиной 1,5 м и диаметром выхода около 1,034 м, обеспечивающего расширение воздуха до 0,004 бар А;

- замена сужающихся реактивных труб 28 и 29 трубой 41, имеющей входной диаметр около 1,034 м, выходной диаметр около 1,036 м и длину 2,07 м; труба 41 выполнена из углеродистой стали с двойной рубашкой;

- замена конуса 16 с входным диаметром 0,209 м, конусом 16 той же конструкции, только с входным диаметром 0,390 м;

- замена камеры 17 камерой такой же конструкции, только диаметром 1,176 м и длиной 1,41 м;

- добавление ядра 42 из нержавеющей стали, охлаждаемого внутренней циркуляцией воды, с максимальным диаметром 1,034 м и минимальным диаметром 0,06 м на входе 43 и на выходе 45, общей длиной 3,1 м, поддерживаемого валом диаметром 60 мм, зафиксированным на подшипнике, установленном в элементе 17, с резьбой для регулировки его положения и на втором подшипнике, установленном на конце 9, а также на третьем промежуточном подшипнике;

- форсунка распыления имеет концепцию, идентичную той, что приведена в примере реализации варианта 4, однако, расход распыляемой воды снижен до 1,0 кг в секунду, и форсунка запитывается перемещающейся трубой, установленной в опорном валу ядра 42.

Вариант 8

Вариант 8, относящийся к форсункам распыления дополнительной опции базового варианта 1 или вариантов 2-7, описанных выше, представлен на фиг.24; он подразумевает использование части сжатого газа, генерируемого устройством, в качестве жидкости, помогающей при распылении, или же пара, генерируемого восстановлением тепла из сжатого газа, в задней части успокоительной камеры. Этот вариант позволяет уменьшить размер капель распыляемой жидкости и повысить первоначальную скорость без дополнительной поддержки внешней механической энергии и, таким образом, повысить энергетическую производительность устройства.

Пример на фиг.8 относится к тому же типу установки, что и пример, представленный на фиг.23, но, в данном случае, устройство оборудовано системой оказания поддержки распыления на основе сжатого воздуха, отбираемого на выходе из устройства.

В качестве примера осуществления, устройство на фиг.24, обеспечивающее сжатие 20000 Нм³ воздуха с 1 бар А до 2,5 бар А и позволяющее регулировать расход и степень сжатия сжимаемого газа, может быть получено внесением следующих изменений в пример реализации варианта 7:

- диаметр выхода 10 становится 0,322 м,

- замена элементов 38 и 37 расширяющейся реактивной трубой такой же конструкции, но с входным диаметром 0,322 м, выходным диаметром 1,042 м и длиной 1,439 метра, позволяющей расширять воздух до 0,004 бар А,

- замена трубы 41 новой трубой такой же конструкции, но с диаметром входа около 1,042 м, диаметром выхода 1,042 м и длиной 2,086 м,

- помощь в распылении осуществляется использованием 0,26 кг/сек смеси «сжатый воздух - пар», отбираемой на выходе устройства,

- расход распыляемой жидкости снижен до 0,61 кг/сек,

- замена ядра 42 новым ядром с максимальным диаметром 1043 мм, с минимальным диаметром 137 мм на концах 43 и 45 и длиной 3,1 м, поддерживаемым валом диаметром 140 мм, внутри которого циркулирует вода распыления и воздух, способствующий распылению.

Вариант 9

Вариант 9, относящийся к форсункам распыления дополнительной опции базового варианта 1 или вариантов 2-8, описанных выше, представлен на фиг.25; этот вариант состоит в подогреве жидкости, используемой форсунками распыления, перед ее подачей в форсунки посредством использования тепла, отбираемого у сжатого газа в задней части успокоительной камеры 17, отбор может осуществляться до достижения конденсации пара распыляемой жидкости; во время расширения распыляемой жидкости, данный перегрев позволяет уменьшить размер капель и повысить их начальную скорость, уменьшая тем самым необходимость в дополнительной внешней механической энергии, и, таким образом, улучшить энергетическую производительность устройства.

При необходимости, при отсутствии или в дополнение к этому теплу, отбираемому в задней части успокоительной камеры, может использоваться любой другой внутренний источник тепла устройства, такой как тепло, отобранное двойной рубашкой, или внешнее тепло.

Пример, приведенный на фиг.25, относится к тому же типу установки, что и пример на фиг.24, в котором распыляемая жидкость предварительно подогревается в теплообменнике, установленном на линии удаления сжатого газа.

В качестве примера осуществления, устройство, в соответствии с фиг.25, имеющее те же размеры и те же эксплуатационные характеристики, как, например, вариант 8, с той лишь разницей, что температура выходящего сжатого воздуха, повышенная на 20°С, может быть достигнута добавлением, на линии удаления, теплообменника 15, позволяющего подогреть распыляемую жидкость до температуры 40°С.

Вариант 10

Вариант 10 касается параллельной или последовательной установки нескольких устройств, описанных в опции базового варианта 1 и вариантов 2-9 для облегчения выполнения установки, для достижения степени сжатия, которая не может быть достигнута на одном устройстве, для повышения суммарной производительности установки или также для облегчения запуска установки; устройства могут отличаться одно от другого, как это показано в примере на фиг.26, представленном ниже, или встроены одно в другое, как это показано в примере на фиг.27, на котором показана параллельная установка двух устройств в одной рубашке, или как в примерах на фиг.28, 29 и 30, где устройства, в соответствии с вариантами 2 и 9, установлены последовательно и встроены одно в другое с линией всасывания, впускной камерой 9, сужающимся конусом 10 и сужающейся реактивной трубой расширения/сжатия 12 и общим ядром, играющим роль ядра 18 для первого субзвукового устройства и ядра 33 для второго сверхзвукового устройства.

Пример, показанный на фиг.26, представляет сверхзвуковое устройство сжатия воздуха с высокой степенью сжатия при помощи малоэффективного компрессора запуска. Это устройство состоит из двух отдельных, последовательно установленных устройств: первое устройство со звуковой скоростью в соответствии с фиг.10 с ядром, расположенным в передней части, позволяет выполнить регулировку расхода воздуха, линия всасывания которого включает в себя фильтр, глушитель, компрессор и мазутную горелку, после которой установлено сверхзвуковое устройство, как это показано на фиг.25, с ядрами в передней и задней части, линия всасывания данного устройства включает в себя теплообменник подогрева воздуха при помощи жидкого теплоносителя; линия удаления из заднего устройства включает в себя теплообменник отбора тепла, позволяющий подогревать жидкий теплоноситель, после которого установлен второй теплообменник отбора тепла, позволяющий подогревать воду для распыления.

Первое устройство, находящееся в передней части, используется только во время запуска установки для обеспечения достаточного избыточного давления, необходимого для запуска второго устройства, после чего первое устройство будет остановлено.

Второе устройство, располагающееся сзади, в соответствии с фиг.25, используемое при нормальной работе, должно иметь хорошие эксплуатационные характеристики и включать в себя регенератор тепла, позволяющий подогревать впускаемый воздух, второй регенератор, обеспечивающий подогрев воды распыления, и устройство поддержки распыления, использующее сжатый воздух, отобранные на выходе из установки.

Пример, представленный на фиг.27, позволяет получить компрессор большой мощности при помощи параллельного использования двух идентичных устройств, соответствующих тому, которое показано на фиг.24; оба устройства, установленные параллельно, встроены одно в другое, ядро каждого из них установлено в общую рубашку; такая конструкция позволяет уменьшить размеры ядер, что является очень важным для устройства очень большой мощности.

Пример, представленный на фиг.28, - это упрощенная версия установки, показанной на фиг.26, в которой два устройства встроены одно в другое; в данном примере установка состоит из сверхзвукового устройства с конструкцией в соответствии с фиг.25, где трубы 37, 31, 41 и 16 образуют одну трубу с небольшим коническим расширением, и в котором зона 10 может играть роль зон размещения элементов 10 и 12 устройства звуковой скорости, представленного на фиг.10; ядро 33 сверхзвукового устройства имеет форсунки распыления, распределенные вдоль его оси, и может играть роль ядра 22 устройства звуковой скорости, представленного на фиг.10.

Во время запуска установки, ядро полностью задвинуто в успокоительную камеру 17; запускаются компрессор, горелка и распылительные форсунки ядра 22 и, в данный момент, используется только передняя часть устройства, как и в устройстве со звуковой скоростью; когда давление в задней части элемента 12 будет достаточно высоким, компрессор выключается и задняя сверхзвуковая часть устройства также запускается в работу, и, как только давление в успокоительной камере станет достаточно высоким, форсунки распыления ядра 22, то есть устройства звуковой скорости, постепенно выключаются; таким образом, вся установка работает как единое сверхзвуковое устройство, в котором могут выполняться регулировки расхода, степени сжатия и производительности посредством регулировки горелки, расхода распыляемой жидкости и положения 33 и 42. Пример, приведенный на фиг.29, также является упрощенной версией устройства звуковой скорости, встроенного в сверхзвуковое устройство для облегчения запуска установки; данная установка состоит из сверхзвукового устройства в соответствии с фиг.22 с реактивными трубами изменяемой геометрии посредством деформирования стенок; сужающийся конус 30 сверхзвукового устройства может играть роль сужающихся конуса 10 и трубы 12 устройства звуковой скорости, представленного на фиг.10; сужающийся конус 30 сверхзвукового устройства, кроме того, имеет распылительные форсунки 8, размещенные по всей длине его оси, которые играют ту же роль, что и распылительные форсунки, размещенные в зоне элемента 12 устройства звуковой скорости.

Во время запуска установки, труба 39 устанавливается в положение запуска, то есть с небольшим расширением; компрессор, горелка и распылительные форсунки устройства звуковой скорости запускаются в работу, при этом используется только передняя часть устройства, которая играет роль установки звуковой скорости; когда давление в задней части 12 будет достаточно высоким, компрессор выключается, задняя часть сверхзвукового устройства также запускается в работу, и, когда давление в успокоительной камере станет достаточно высоким, форсунки распыления устройства звуковой скорости постепенно отключаются; вся установка в целом работает как одно сверхзвуковое устройство, у которого может регулироваться расход, степень сжатия и производительность посредством регулировки горелки, расхода распыляемой жидкости и сечения каждой из двух шеек устройства.

Пример, показанный на фиг.23, позволяет более простым способом получить такой же результат, что и на фиг.26 и 28, то есть он позволяет выполнить запуск устройства сверхзвукового сжатия воздуха с высокой степенью сжатия при помощи пускового компрессора с невысокой производительностью; установка состоит из сверхзвукового устройства, выполненного в соответствии с фиг.24, и устройства звуковой скорости в соответствии с фиг.11, установленных последовательно и объединенных в одну установку.

В данной установке, трубы 38, 37, 27 и 41 объединены в одну трубу с небольшим сужением конуса, а ядро 42 и форсунка распыления 8 сверхзвукового устройства также используются как ядро 22 и форсунка 8 устройства звуковой скорости, при его работе.

Во время запуска установки, используется только устройство звуковой скорости, ядро 33 полностью задвинуто в элемент 9 до увеличения давления, достаточного для запуска сверхзвукового устройства, то есть для получения возможности введения 33 в элемент 10 с целью создания расширяющегося конуса.

В качестве примера реализации, устройство, представленное на фиг.28, позволяющее сжимать около 20000 Нм³ воздуха с давления 1 бар А до 2,5 бар А и позволяющее регулировать расход и степень сжатия сжимаемого газа, может быть получено с пусковым компрессором, развивающим избыточное давление всего 100 мбар, внесением следующих изменений в вариант 8 реализации:

- сужающийся конус 10 заменяется сужающимся конусом такой же конструкции, играющим роль конуса 10 по отношению к сверхзвуковому функционированию установки, и элементы 10+12 по отношению к функционированию установки со звуковой скоростью, с теми же самыми диаметрами входа и выхода, но с длиной, равной 1,5 м;

- замена входного ядра 33 новым ядром, играющим роль 33 по отношению к сверхзвуковому функционированию установки, и роль элемента 18 по отношению к функционированию со звуковой скоростью, того же диаметра, но с общей длиной 1,3 м;

- задняя часть ядра 21, которая перемещается в элемент 10, имеет по своей окружности форсунки распыления, необходимые для функционирования со звуковой скоростью.

Промышленная применимость

Изобретенное устройство может найти свое применение в технологических линиях, использующих сжатые газы, сжатый воздух или водяной пар, и, особенно, на теплоэлектростанциях: см. примеры 5, 6, 7, 8 и 9, приведенные ниже; данное устройство позволяет, например, создавать нижеприведенные конструкции с конкурентоспособной стоимостью оборудования, обслуживания и энергетической производительности:

1. Установки по производству сжатого воздуха или газа, предназначенные для удовлетворения промышленных нужд и позволяющие генерировать большие объемы, начиная с 1000 Нм³/час и заканчивая несколькими миллионами Нм³/час, с давлением сжатия от 1,5 бар А до 20 бар А и выше.

2. Системы разряжения со значительными расходами воздуха или газа для удовлетворения промышленных нужд, потребностей термодинамических испытаний, таких как аэрокосмические, климатические и т.д.

3. Использование остаточного тепла дыма энергетических котлов для создания частичного вакуума в их топках, что позволит избежать постоянного использования вентиляторов тяги и приведет к экономии сотен или тысяч киловатт электроэнергии.

4. Повторное механическое сжатие пара низкого давления, как, например, водяного пара, например, впрыскиванием воды для получения пара более высокого давления; в этом примере линия всасывания включает в себя, при необходимости, теплообменник, позволяющий подогревать пар низкого давления.

5. Теплоэлектростанции, работающие на пару, в которых паровые котлы высокого давления могут быть заменены таким же устройством, как то, которое описано в предыдущем примере; на таких станциях повторно сжатый пар подогревается, затем расширяется через турбины перед его повторной подачей на вход устройства, конденсаторы пара будут нужны только для конденсации при низкой температуре расхода пара, равного расходу воды, подаваемой на распыление. На таких станциях горячий источник термодинамического цикла будет иметь температуру в пределах от 500 до 700°С, что значительно выше, чем на классических тепловых станциях: от 250°С до 310°С, и будет соответствовать кипению пара при его давлении от 40 до 100 бар; такие установки позволяют получить повышенную энергетическую производительность, которая может превысить 45%.

6. Теплоэлектростанции с газовыми турбинами, в которых, например, устройство, соответствующее фиг.25, но без горелки, установленное в контуре дымовых газов после турбины, использует медленное тепло дымовых газов для повторного сжатия части дымовых газов перед их повторной подачей в линию после компрессора газовой турбины, что позволяет снизить расход и, соответственно, мощность, потребляемую компрессором; такой цикл, например, позволит повысить кпд газовой турбины с 27% до почти 47%, естественно, при соответствующем изменении конструкции.

7. Теплоэлектростанции с газовыми турбинами, на которых, например, устройство, представленное на фиг.25, но без горелки, установленное в контуре дымовых газов перед турбиной, использует медленное тепло дымовых газов для создания разрежения, позволяющего повысить мощность газовой турбины, такой цикл позволяет повысить кпд газовой турбины с 27% до почти 45%, естественно, при внесении соответствующих изменений в конструкцию турбины.

8. Теплоэлектростанции, использующие цикл сжатия устройства, могут состоять, например, из устройства, представленного на фиг.27, с дополнительной воздушной турбиной (ТВ), установленной после горелки на линии всасывания, и дополнительными турбинами воздух-пар, установленными на линии удаления; такой цикл позволяет достичь кпд, превышающий 56%, с учетом различных потерь системы: тепловые потери, потери нагрузки устройства, потери от трения, изэнтропического кпд турбины и т.п.

9. Теплоэлектростанции, использующие цикл сжатия устройства и состоящие, например, из устройства, представленного на фиг.27, без горелки 6 на линии всасывания, но с горелкой и турбиной воздух-пар, установленными на линии удаления перед теплообменником 15; такой цикл позволяет достичь кпд, превышающий 60%, с учетом различных потерь системы: тепловые потери, потери нагрузки устройства, потери от трения, изэнтропического кпд турбины и т.п.

1. Устройство для сжатия воздуха или газа, включающее в себя элементы, предназначенные для предварительной обработки сжимаемого газа и передачи ему тепловой энергии, если его температура недостаточно высокая, элементы, предназначенные для расширения сжимаемого газа со звуковой скоростью через реактивную трубу расширения для отбора тепла с высокой скоростью и низкой температурой управляемым распылением и испарением жидкости, распределенной в реактивной трубе расширения-охлаждения, позволяющей поддерживать высокую скорость, и, элементы, предназначенные для повторного сжатия газа в реактивной трубе адиабатического сжатия для того, чтобы довести скорость до значения, близкого к звуковому; устройство содержит: линию всасывания, включающую в себя элементы, необходимые для подогрева сжимаемого газа, такие как: генератор горячего газа, теплообменники 5, 4,...,n, горелка (6), турбина расширения (7); впускную камеру (9); сужающийся конус расширения (10), позволяющий повысить скорость до звуковой; переходную зону (11); сужающуюся реактивную трубу расширения/охлаждения (12); систему охлаждения (8), состоящую из набора форсунок распыления жидкости, с положением и расходом, регулируемым снаружи устройства, расположенных вдоль переходной зоны (11) и сужающейся реактивной трубы расширения/охлаждения (12) и позволяющих поддерживать оптимальную звуковую или субзвуковую скорость вдоль всей оси трубы (12); расширяющийся конус адиабатического сжатия (16), предназначенный для сжатия газа посредством снижения его скорости до субзвуковой скорости нормального протекания; успокоительную камеру (17); линию удаления, включающую в себя дополнительные элементы, такие как система рециркуляции горячих газов, теплообменники отбора тепла (14), (15),...,(n), и глушитель (13), причем данное оборудование может запитываться частью сжатого газа и может устанавливаться после горелки и турбины, если устройство предназначено для производства механической или электрической энергии.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что сужающаяся реактивная труба расширения/охлаждения (12) и расширяющийся конус адиабатического сжатия (16) выполнены в виде сужающейся и расширяющейся реактивной трубы с меняющейся геометрией, что позволяет регулировать сечение выхода трубы (12) и сечение входа конуса (16) и, таким образом, проходное сечение шейки между трубой (12) и конусом (16); причем упомянутая система выполнена с изменяемой геометрией, управление которой осуществляется снаружи устройства, и снабжена механизмом, позволяющим изменять проходное сечение шейки устройства, например, деформируемых стенок трубы (12) и конуса (16), или добавлением ядра определенного профиля (18) или (22), которое может перемещаться в переходной зоне (11), в трубе (12) и конусе (16), и закрепленного на поперечном валу, пересекающем один или оба конца устройства, позволяющего снаружи регулировать положение ядра.

3. Устройство по одному из п.1 или 2, отличающееся тем, что форсунки распыления используют в качестве жидкости содействия распылению части сжатого газа, генерируемого устройством, или пар, генерируемый отбором тепла из сжатого газа из задней части успокоительной камеры.

4. Устройство по одному из п.1 или 2, отличающееся тем, что жидкость, используемая в форсунках распыления, подогревается перед ее подачей в форсунки за счет использования отобранного тепла из сжатого газа в задней части успокоительной камеры (17) и, в случае отсутствия отобранного тепла или в дополнение к нему, используют тепло, отобранное от любого другого источника тепла: внутреннее тепло, отобранное из двойной рубашки, или внутреннее тепло устройства.

5. Устройство по п.3, отличающееся тем, что жидкость, используемая в форсунках распыления, подогревается перед ее подачей в форсунки за счет использования отобранного тепла из сжатого газа в задней части успокоительной камеры (17) и, в случае отсутствия отобранного тепла или в дополнение к нему используют тепло, отобранное от любого другого источника тепла: внутреннее тепло, отобранное из двойной рубашки, или внутреннее тепло устройства.

6. Устройство по одному из пп.1, 2, 5, отличающееся тем, что используют последовательную или параллельную установку нескольких вышеуказанных устройств, которые могут отличаться одно от другого или быть встроены друг в друга, с установлением ядер параллельно в одной и той же рубашке, либо быть установленными последовательно или быть встроенными одно в другое с общей линией всасывания, впускной камерой (9), сужающимися конусами (10) и (12), и входным ядром, играющим роль ядра (18) для первого субзвукового устройства и ядра (33) для второго сверхзвукового устройства.

7. Устройство по п.3, отличающееся тем, что используют последовательную или параллельную установку нескольких вышеуказанных устройств, которые могут отличаться одно от другого или быть встроены друг в друга, с установлением ядер параллельно в одной и той же рубашке, либо быть установленными последовательно или быть встроенными одно в другое с общей линией всасывания, впускной камерой (9), сужающимися конусами (10) и (12) и входным ядром, играющим роль ядра (18) для первого субзвукового устройства и ядра (33) для второго сверхзвукового устройства.

8. Устройство для сжатия воздуха или газа, включающее в себя элементы, предназначенные для предварительной обработки сжимаемого газа и передачи ему тепловой энергии, если его температура недостаточно высокая, элементы, предназначенные для расширения сжимаемого газа со сверхзвуковой скоростью через реактивную трубу расширения для отбора тепла с высокой скоростью и низкой температурой управляемым распылением и испарением жидкости, распределенной в реактивной трубе расширения-охлаждения, позволяющей поддерживать высокую скорость, и, элементы, предназначенные для повторного сжатия газа в реактивной трубе адиабатического сжатия, для того, чтобы довести скорость до значения, близкого к звуковому; устройство содержит: линию всасывания, включающую в себя элементы, необходимые для подогрева сжимаемого газа, такие как: генератор горячего газа, теплообменники 5, 4,...,n, горелка (6), турбина расширения (7); впускную камеру (9); сужающийся конус расширения (10), позволяющий повысить скорость до звуковой; расширяющуюся реактивную трубу сверхзвукового расширения (26), после которой располагается: переходная зона (27), сужающаяся реактивная труба сжатия/охлаждения (28), сужающаяся реактивная труба адиабатического сжатия (29); систему форсунок распыления (8), установленную в суживающейся реактивной трубе (28) сжатия/охлаждения и в переходной зоне (27); расширяющийся конус адиабатического сжатия 16, успокоительную камеру (17); линию удаления, включающую в себя дополнительные элементы, такие как система рециркуляции горячих газов, теплообменники отбора тепла (14), (15),...,(n), и глушитель (13), причем данное оборудование может запитываться частью сжатого газа и устанавливаться после горелки и турбины, если устройство предназначено для производства механической или электрической энергии.

9. Устройство по п.8, отличающееся тем, что расход и осевое положение форсунок может регулироваться снаружи вручную или автоматически.

10. Устройство по п.8, отличающееся тем, что сужающийся конус расширения (10) и расширяющаяся реактивная труба сверхзвукового расширения (26) выполнены в виде сужающейся реактивной трубы и последующей расширяющейся реактивной трубы с меняющейся геометрией, что позволяет регулировать сечение шейки между этими двумя реактивными трубами.

11. Устройство по п.9, отличающееся тем, что сужающийся конус расширения (10) и расширяющаяся реактивная труба сверхзвукового расширения (26) выполнены в виде сужающейся реактивной трубы и последующей расширяющейся реактивной трубы с меняющейся геометрией, что позволяет регулировать сечение шейки между этими двумя реактивными трубами.

12. Устройство по п.8, отличающееся тем, что сужающаяся реактивная труба сжатия/охлаждения (28), сужающаяся реактивная труба адиабатического сжатия (29) и расширяющийся конус адиабатического сжатия (16) выполнены в виде системы с изменяемой геометрией, управляемой снаружи устройства и позволяющей изменять сечение шейки между трубой (28) и конусом (16).

13. Устройство по п.9, отличающееся тем, что сужающаяся реактивная труба сжатия/охлаждения (28), сужающаяся реактивная труба адиабатического сжатия (29) и расширяющийся конус адиабатического сжатия (16) выполнены в виде системы с изменяемой геометрией, управляемой снаружи устройства и позволяющей изменять сечение шейки между трубой (28) и конусом (16).

14. Устройство по одному из пп.8-13, отличающееся тем, что форсунки распыления используют в качестве жидкости содействия распылению части сжатого газа, генерируемого устройством, или пар, генерируемый отбором тепла из сжатого газа из задней части успокоительной камеры.

15. Устройство по одному из пп.8-13, отличающееся тем, что жидкость, используемая в форсунках распыления подогревается перед ее подачей в форсунки.

16. Устройство по одному из пп.8-13, отличающееся тем, что используют последовательную или параллельную установку нескольких устройств в одной и той же рубашке, а именно множества сужающихся конусов расширения 10, множества сужающихся реактивных труб сжатия/охлаждения 28, множества форсунок распыления 8, и множества расширяющихся конусов адиабатического сжатия 16.