Способ сжатия газовой среды



Способ сжатия газовой среды
Способ сжатия газовой среды

 


Владельцы патента RU 2487275:

Открытое акционерное общество "Инновационные газоразделительные технологии" (RU)

Способ сжатия газовой среды посредством, по меньшей мере, одной ступени сжатия с зонами впуска, сжатия и выпуска, образованными электродами со стороны впуска и выпуска и размещенного между ними, по меньшей мере, одного электрода-мембраны, выполненного в виде электропроводной подложки с пористой структурой и нанесенным на ее поверхность полимерным композиционным материалом, газонепроницаемым в нормальных условиях, с возможностью формирования зоны сжатия, включающий пропускание импульсного электрического тока заданной полярности через электрод со стороны зоны впуска газовой среды и электрод-мембрану с получением электрического поля, под действием которого полимерный композиционный материал электрод-мембраны переходит в состояние газопроницаемости с обеспечением переноса газовой среды в зону выпуска с повышением давления, при этом длительность пропускания импульса тока соответствует времени переноса газовой среды через электрод-мембрану. Данный способ сжатия газовой среды обеспечивает получение давления в широком диапазоне до 50 МПа и более с использованием автономных генераторов токов, а также токов промышленной частоты стандартных напряжений. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Изобретение относится к компрессорной технике и может быть использовано в технологических процессах, связанных с подготовкой и транспортировкой газов по трубопроводам, и в других технологических процессах, требующих перепада давлений в рабочих зонах.

Известные на сегодняшний день способы получения газов высокого давления основаны на процессах механического воздействия на газовую среду в замкнутом пространстве и сопровождается повышением температуры. Для получения высокого давления применяется процесс многоступенчатого сжатия, при котором сжатие чередуется с промежуточным охлаждением. Поскольку конечное давление при сжатии газа зависит от условий теплообмена газа с окружающей средой, получение газов высокого давления сопряжено с ростом энергетических затрат и использованием достаточно габаритного и металлоемкого оборудования. При этом вид сжимаемой газовой среды требует соответствующих условий протекания процесса сжатия, что обусловило необходимость существования оборудования различных модификаций, в зависимости от их мощности, функционального назначения, особенностей конструкции, типа привода и других технических характеристик.

Изучение физических процессов, протекающих при взаимодействии электрических полей с газами и рядом полимерных композиционных материалов, например, полученных с использованием нанотехнологий, показывает, что при определенных параметрах электрического поля создаются условия, в которых полимерный материал становится способным пропускать газовую среду. Это свойство полимерного композиционного материала легло в основу способа создания давления газовой среды без механического воздействия на нее. Техническим результатом заявленного изобретения является снижение затрат, связанных с разработкой и эксплуатацией систем, использующих процессы, требующих создания перепада давления, упрощение конструкции устройств сжатия газовой среды, позволяющее сделать их более компактными и мобильными и расширить области применения.

Технический результат заявляемого решения достигается разработкой способа сжатия газовой среды посредством, по меньшей мере, одной ступени сжатия с зонами впуска, сжатия и выпуска газовой среды, образованными электродами со стороны впуска и выпуска и размещенного между ними, по меньшей мере, одного электрода-мембраны, выполненного в виде электропроводного основания (подложки) с пористой структурой и нанесенным на его (ее) поверхность полимерным композиционным газонепроницаемым материалом с возможностью формирования зоны сжатия, включающий пропускание импульсного электрического тока заданной полярности через электрод со стороны зоны подачи газовой среды и электрод-мембрану с получением электрического поля, под действием которого полимерный композиционный материал электрод-мембраны переходит в состояние газопроницаемости с обеспечением переноса газовой среды в зону выпуска с повышением давления, при этом длительность пропускания импульса тока соответствует времени переноса газовой среды через электрод-мембрану.

В предлагаемом способе сжатия газовой среды перенос газовой среды через электрод-мембрану осуществляют при напряженности электрического поля (5000-500000) В/м при пропускании импульсного электрического тока с частотой (1-20000000) Гц и плотностью тока на электродах и электрод-мембранах (5-300) А/м2.

В данном способе длительность пропускания импульса электрического тока при переносе массы газовой среды через электрод- мембрану определяют по формуле

t = ρ m k E S

где

ρ - удельное электрическое сопротивление материала подложки,

m - масса переносимой газовой среды,

Е - напряженность электрического поля,

S - площадь поверхности мембраны,

k=k0exp(-nρ), где k0 выбирается из интервала от 2·10-6ρ до 2·10-4ρ и n - экспериментальный коэффициент в интервале от -100 до +100,

при этом оптимальные результаты для различных видов переносимых газовых сред достигаются при длительности пропускания импульса электрического тока в интервале от 5 до 10 с.

Осуществление сжатия газовой среды по предложенному способу показано с использованием принципиальной схемы одноступенчатого устройства сжатия, представленного на фиг. 1. Принципиальная схема устройства сжатия включает два электрода 1 и 3, являющиеся торцовыми стенками, со штуцерами 4 и 5. Между ними установлена электрод-мембрана 2, которая формирует зону сжатия газовой среды. Пространства I и II между электрод-мембраной 2 и электродами 1 и 3 являются соответственно зоной впуска и зоной выпуска газовой среды. Электрод-мембрана 2 содержит основание (подложку) из электропроводного материала с пористой структурой, на которое нанесен полимерный композиционный материал, газонепроницаемый, например, в нормальных условиях. В качестве материала покрытия может быть выбран, например, материал на основе природных органических или синтетических полимеров. Основание (подложка) электрода имеет пористую структуру и может быть выполнено, например, в виде металлической сетки или углеродистой ткани. В одноступенчатом исполнении электрод 3 электрически связан с электрод-мембраной 2 посредством проводника 6.

При пропускании импульсного электрического тока, приложенного к электроду 1 и электроду 3 и от него к электрод-мембране 2, так что на электроде 1 отрицательный потенциал, а на электроде 3 - положительный, в зоне впуска I возникает электрическое поле соответствующей направленности, под действием которого полимерный композиционный газонепроницаемый материал электрод-мембраны становится способным пропускать газовую среду в зону выпуска II. В результате переноса газовой среды через электрод-мембрану 2 в зоне выпуска II давление газовой среды становится выше, чем в зоне впуска I: РII>PI. При этом в зоне впуска I создается разрежение и из внешнего пространства через штуцер 4 поступает (втягивается) газовая среда, а перенесенная газовая среда из зоны выпуска II выходит через штуцер 5 под давлением.

При наличии второй или больше ступеней, получаемых путем последовательной установки электрод-мембран 2′, 2′′, между ними образуются герметичные промежуточные зоны выпуска и впуска газовой среды II, III и IV (фиг.2). Электрод-мембраны 2, 2'' электрически связаны через одну с электродом 3 посредством проводников 6 и 6'. А электрод-мембрана 2′ электрически связана с электродом 1 проводником 7. При этом процесс переноса газовой среды через электрод-мембраны 2, 2′, 2′′ из зоны в зону (I→II, II→III и III→IV) осуществляется при последовательной смене полярности подводимого к ним импульсного тока так, что через предыдущую мембрану не допускается обратного переноса газовой среды, и создается направленный поток ее движения с повышением давления на каждой ступени сжатия.

Возможность протекания процесса переноса газовой среды через электрод-мембрану с повышением давления обеспечивается соответствующими параметрами пропускаемого через электроды импульсного электрического тока.

Электрическое поле, необходимое для протекания физических процессов переноса газовой среды через электрод-мембрану, создается при приложении тока частотой от 1 до 20000000 Гц и плотностью тока на электродах и электрод-мембранах от 5 до 300 А/м2. При любых соотношениях значений частоты и плотности тока, взятых из этих диапазонов, обеспечивается устойчивое протекание процесса переноса газовой среды без разрушения электрод-мембраны.

Работа в указанных интервалах изменения частоты и плотности тока дает возможность получения электрического поля с напряженностью до 500000 В/м, при этом процесс переноса газовой среды является активным при напряженности в диапазоне от 5000 до 500000 В/м, что достигается при пропускании тока с соответствующим диапазоном напряжения.

Процесс переноса газовой среды через полимерный композиционный материал при воздействии на них электрического поля напоминает процессы, протекающие в соответствии с законами Фарадея, но им не подчиняющиеся. При этом такой показатель процесса переноса, как электрохимический эквивалент k переноса вещества, определяющий массу переносимого вещества, в условиях физических процессов заявленного способа не является постоянной величиной, а зависит от свойств (химической природы) переносимой среды и полимерного композиционного материала электрод-мембраны. Для типовых газовых сред и используемых полимерных композиционных материалов электрод-мембраны была получена экспериментальная зависимость для расчета k=k0exp(-nρ), где экспериментально определен диапазон изменения коэффициента k0 от 2·10-6ρ до 2·10-4ρ [Ом·кг/В], в пределах которого обеспечивается эффективное протекание процесса переноса газовой среды через электрод-мембрану.

Время, необходимое для переноса через электрод-мембрану массы m газовой среды при известных удельном сопротивлении подложки электрод-мембраны ρ, напряженности электрического поля E и площади поверхности S электрод-мембраны, определяется по экспериментальной формуле

t = ρ m k E S

Ниже приведены примеры условий осуществления заявленного способа сжатия, газовой среды, которые только поясняют способ, но не ограничивают его.

Пример 1. При одноступенчатом сжатии в зону впуска подают газ - воздух с давлением Р0=1 атм. Через электроды и электрод-мембрану пропускают импульсный ток с плотностью тока I=10 А/м2 и частотой 1 Гц при напряжении U=100 В, создавая поле напряженностью E=25000 В/м. При использовании электрод-мембраны площадью 0,0007 м2 с подложкой из материала, удельное сопротивление которого ρ=0,1 Ом·м, время переноса массы m=0,01 кг (т.е. время пропускания импульса тока) составит

t = ρ m k E S = 0,1 0,01 5,7 10 6 25000 0,0007 10 c ,

где экспериментальный коэффициент k=k0ехр(-nρ)≈5,7·10-6 (при k0=1,9·10-5, n=-11).

При подаче воздуха в зону впуска при давлении, равном атмосферному Р0=1 атм, давление Р на выходе в зоне выпуска будет 1,1 атм.

Пример 2. При одноступенчатом сжатии в зону впуска подают газ - воздух с давлением Р0=1 атм. Через электрод и электрод-мембрану с параметрами подложки из примера 1 пропускают импульсный ток с плотностью тока I=186 А/м2 и частотой 1 Гц при напряжении U=380 В, создавая поле с напряженностью E=950000 В/м. Время переноса, при соответствующих значениях k0 и n, составит t=10 сек. На выходе в зоне выпуска давление составляет Р=4,1 атм.

На практике расчет необходимых параметров процесса сжатия газовой среды, обеспечиваемых в пределах экспериментально установленного интервала изменения коэффициента n, проводится по специальной программе компьютерного комплекса.

Ниже показаны результаты использования заявленного способа, реализованного в лабораторных условиях, для разных видов полимерных композиционных материалов электрод-мембран и газов при питании устройства от источника электрического тока с напряжением от 100 до 380 В с частотой 1 Гц.

Электрод-мембрана №1, газ - воздух

№ п/п Напряжение, В Напряженность, В/м Ток, А Плотность тока, А/м2 Давление, атм Время, с
2 100 25000 0,007 10 1,1 10
3 150 37500 0,015 21 1,3 10
4 200 50000 0,030 42 1,75 10
5 250 62500 0,055 78,5 2,4 10
6 300 75000 0,080 114,3 3,0 10
7 380 87500 0,130 185,7 4,1 10

Мембрана №2, газ - метан, этан

№ п/п Напряжение, В Напряженность, В/м Ток, мА Плотность тока, А/м2 Давление, атм Время, с
2 100 25000 3 4,3 1,1 10
3 150 37500 5 7,1 1,5 10
4 200 50000 7 10 1,75 10
5 250 62500 18 25,7 2,6 10
6 300 75000 34 48,6 3,0 10
7 380 87500 81 115,7 4,1 10

Мембрана №3, газ - пропан

№ п/п Напряжение, В Напряженность, В/м Ток, мА Плотность тока, А/м2 Давление, атм Время, с
2 100 25000 51 78,6 1,6
3 150 37500 82 114,2 1,9 10
4 200 50000 101 150,0 2,1 10
5 250 62500 129 186,0 2,7 10
6 300 75000 161 228,5 3,4 10
7 380 87500 211 30,14 4,3 10

Электрод-мембрана №4, газ - диоксид углерода

№ п/п Напряжение, В Напряженность, В/м Ток, мА Плотность тока, А/м2 Давление, атм Время, с
1 20 5000 0,1 0,2 0,001 10
2 100 25000 15 21,5 1,1 10
3 150 37500 30 43,0 1,7 10
4 200 50000 55 78,6 1,9 10
5 250 62500 80 114,2 2,5 10
6 300 75000 105 150,0 3,4 10
7 350 87500 130 186,0 4,0 10

Данный способ сжатия газовой среды обеспечивает получение давления в широком диапазоне до 50 МПа и более, а также с использованием автономных генераторов токов, а также токов промышленной частоты стандартных напряжений.

1. Способ сжатия газовой среды посредством, по меньшей мере, одной ступени сжатия с зонами впуска, сжатия и выпуска, образованными электродами со стороны впуска и выпуска и размещенного между ними, по меньшей мере, одного электрода-мембраны, выполненного в виде электропроводной подложки с пористой структурой и нанесенным на ее поверхность полимерным композиционным газонепроницаемым материалом с возможностью формирования зоны сжатия, включающий пропускание импульсного электрического тока заданной полярности через электрод со стороны зоны впуска газовой среды и электрод-мембрану с получением электрического поля, под действием которого полимерный композиционный материал электрод-мембраны переходит в состояние газопроницаемости с обеспечением переноса газовой среды в зону выпуска с повышением давления, при этом длительность пропускания импульса тока соответствует времени переноса газовой среды через электрод-мембрану.

2. Способ сжатия газовой среды по п.1, в котором перенос газовой среды через электрод-мембрану осуществляют при напряженности электрического поля 5000-500000 В/м, получаемой пропусканием импульсного электрического тока с частотой 1-20000000 Гц и плотностью тока на электродах и электрод-мембранах 5-300 А/м2.

3. Способ сжатия газовой среды по п.1, в котором длительность пропускания импульса электрического тока через электрод и электрод-мембрану при переносе массы газовой среды через электрод-мембрану определяют по формуле
t = ρ m k E S ,
где ρ - удельное электрическое сопротивление материала подложки;
m - масса газовой среды;
Е - напряженность электрического поля;
S - площадь поверхности мембраны;
k=k0exp(-nρ), где k0 выбирается из интервала от 2·10-6ρ до 2·10-4ρ, и n - экспериментальный коэффициент, находится в интервале от 100 до +100.

4. Способ сжатия газовой среды по п.3, в котором длительность пропускания импульса тока через электрод и электрод-мембрану при переносе массы газовой среды через электрод-мембрану составляет от 5 до 10 с.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к насосам. .

Насос // 2267658
Изобретение относится к технике перемещения жидких и газообразных сред, в частности к насосам и компрессорам с приводом посредством электромагнитов. .

Насос // 2265142
Изобретение относится к насосам и может применяться для перекачки текучих сред, в том числе загрязненных. .

Изобретение относится к области насосостроения. .

Изобретение относится к устройствам узлов насосов необъемного вытеснения с гибким уплотнением подвижных деталей, которые могут быть использованы для перекачки сред, содержащих механические примеси.

Изобретение относится к вентиляторостроению, в частности к бытовым вентиляторам. .

Изобретение относится к вентиляторостроению в, частности, к бытовому вентилятору. .

Охлаждающее устройство 1, использующее пульсирующую текучую среду для охлаждения объекта, содержащее: преобразователь 2, имеющий мембрану, выполненную с возможностью генерирования волн давления с рабочей частотой fw, и полость 4, заключающую первую сторону мембраны. Полость 4 имеет по меньшей мере одно отверстие 5, выполненное с возможностью испускания пульсирующего потока текучей среды за вычетом потерь к указанному объекту, при этом отверстие 5 сообщается со второй стороной мембраны. Полость 4 является достаточно маленькой для предотвращения действия текучей среды в упомянутой полости 4 как пружины в резонирующей системе масса-пружина в рабочем диапазоне. Это является преимуществом, так как объемная скорость u1 около отверстия но существу равна объемной скорости u1' около второй стороны мембраны, за исключением знака минус. Таким образом, при рабочей частоте пульсирующая текучая среда за вычетом потерь может быть в значительной степени подавлена благодаря противофазе волн давления со второй стороны мембраны, вызывая в результате близкую к нулю объемную скорость в дальней области. Таким образом, обеспечивается низкий уровень звука при низкой стоимости и без необходимости обеспечения механической симметрии. 2 н.з.п., 8 з.п. ф-лы, 6 ил.

Группа изобретений может быть использована в качестве вентиляторов, насосов, движителей для воздушных, надводных и подводных судов. Устройство содержит ведущий вал, лопасти, корпус, выполненный в виде полого параллелепипеда с двумя плоскими стенками, соединенными полуцилиндрическими стенками, имеющий входное и выходное отверстия. По краю последних установлены внутренние стенки с прорезями, соединенные с полуцилиндрическими стенками. Оси лопастей вставлены в цепи или ремни с возможностью вращения, последние связывают ведомые и ведущие соответственно звездочки или шкивы, установленные соответственно на валу и оси внутри полуцилиндрических стенок. Оси лопастей проходят через направляющие прорези внутренних стенок. Последние отделяют гибкую передачу от лопастей, оси которых проходят непосредственно через направляющие прорези внутренних стенок, входят в простые втулки цепей или ремней, имеют на концах вилки с двумя зубцами, входящими в направляющие пазы, устроенные с внутренней стороны плоских стенок. У входного и выходного отверстий пазы имеют вид двух параллельных пазов, сливающихся в районе звездочек или шкивов в один паз, имеющий форму полуокружности. Группа изобретений направлена на упрощение конструкции, повышение надежности и ресурса, уменьшение стоимости и эксплуатации. 3 н. и 1 з.п. ф-лы, 13 ил.

Цепь для насоса (10), используемого для экструзии дисперсного материала, содержит множество звеньев (30А, 30В), каждое из которых имеет корпус (50, 54) звена и консоль (50А) звена, которая выступает из него. Каждая консоль звена перекрывает корпус соседнего звена из указанного множества звеньев, таким образом, что блок звеньев образует плоскую поверхность вдоль зоны загрязнения цепи. Каждый корпус звена включает несколько пластин звена, выступающих из корпуса звена. Каждая из пластин звена имеет первое отверстие и второе отверстие, причем первые и вторые отверстия каждого звена соединены с первыми отверстиями одного соседнего звена и со вторыми отверстиями другого соседнего звена при помощи соответствующей оси звена. Предотвращается накапливание материала на элементах цепи. 3 н. и 18 з.п. ф-лы, 7 ил.
Наверх