Диссертация (1024726), страница 18
Текст из файла (страница 18)
Рис. 5.3) резонансные ипульсационные аппараты статического типа можно отнести к группе струйныхсепараторов энергии отличающихся наличием отклоняющей струи системы иразличным числом камер энергоразделения (энергообменных каналов).Рис. 5.3. Сепараторы энергии на основе струйных аппаратовПервые резонансные охладители газа были разработаны в МВТУим. Н.Э. Баумана в середине 1970-х годов проф. А.М. Архаровым с сотрудниками165В.Л. Бондаренко,М.Ю. Савиновым,А.А. Голубевым,Р.С.
Мухамедовымидругими [72, 110].Волновойосуществляющегогенераторпроцессможнопредставитьрасширениягазовоговкачествепотокаустройства,счастичнымсовершением внешней работы в виде излучаемой через контрольную поверхностьв окружающую среду акустической энергии и в виде выделяющейся на закрытомконце резонатора теплоты. Роль условного пульсатора в данном устройствевыполняет возникающий резонанс основных волн энергообмена падающейударной волны ПУВ и волны разрежения ВР и их отражений от глухой стенкиОУВ и ОВР соответственно (см. Рис. 5.4).Рис. 5.4. Волновая диаграмма резонансного охладителя газаВКГ параболоидного типа (Рис.
5.5) работает следующим образом: сжатыйгаз поступает в газоструйный стержневой излучатель (ГСИ) 5, располагающийсяв фокусе параболоидного зеркала 4, расширяется в системе сопло-резонатор собразованием акустических колебаний.166Рис. 5.5. Схема ВКГ параболоидного типа со сходящимся волноводомИзлучаемые акустические колебания отражаются от параболоидного зеркала 4 инаправляются в волновод 3, на противоположном конце которого установленакустико-тепловойпреобразователь (АТП)2.Потокрасширенногогаза,выходящий из ГСИ 5, отводится из камеры через газовую ловушку 6.Акустические колебания, попадающие на поверхность АТП 2, поглощаются, и ихэнергия преобразуется в теплоту, которая отводится в режимах температурногоразделения частью расширенного газа через патрубок 1.При исследованиях ВКГ параболоидного типа выяснилось, что устройствохорошо генерирует, но плохо разделяет поток расширенного газа и акустическиеколебания.
Был проведен эксперимент для определения КПД системы зеркаловолновод по величине акустической энергии, выходящей с обратным потокомрасширенного газа. Для этого был теплоизолирован глушитель, на выходномконцекоторогобылаустановленадополнительнаятермопара.Энергияакустических колебаний, выходящих с обратным потоком, преобразуется вглушителе в тепло, приводит к нагреву потока расширенного газа. Экспериментподтвердил предположение: поток нагревался в глушителе на l,5-2,0 K. Этопозволило полностью свести энергетический баланс.
Анализ показал, что КПД167излучателя ηизл>25 %, причем около 80 % акустической энергии выходит собратным потоком.В отличие от группы струйных сепараторов энергии термоакустическийпульсатор не использует для “привода” энергию сжатого газа. Пульсациидавления в нем возникают за счет сброса/подвода теплоты к рабочему телу.
Воснове генерирования самоподдерживающих акустических волн в трубах лежитпринцип Рэлея: «Если тепло сообщается воздуху в момент наибольшего сжатияили отнимается от него в момент наименьшего разрежения, то это способствуетвозникновениюакустическихколебаний».Первыесообщенияотермоакустических автоколебаниях были сделаны ещё в 19 веке Фарадеем,который обнаружил возникновение звука при горении водорода в трубах,открытых с обоих концов. В 1850 г.
Зондхаус (Германия) установил возможностьвозникновения звука в трубке с колбой, в которой подводилось тепло. В 1859 г.голландский физик Рийке продемонстрировал генерирование звука в открытой содного конца трубке при помещении в нее нагретой сетки. Известнытермоакустические пульсаторы двух типов: со стоячей волной (Рис. 5.6, а) и сбегущей волной (Рис. 5.6, б). КПД термоакустических генераторов с бегущейволной на 50 % выше, чем у генераторов со стоячей волной, поскольку в ихрегенераторах обеспечиваются тепловые процессы с существенно более высокимуровнем термического контакта [82].168a)б)Рис.
5.6. Упрощенные принципиальные схемы термоакустических генераторов:а) со стоячей волной; б) с бегущей волнойОсновные научно-исследовательские работы и разработки по волновымтермоакустическим технологиям, в особенностиприменительно к сжижениюприродного газа, велись в США в Национальной лаборатория Лос-Аламоса(LANL) и в Национальном Институте стандартов и технологий (NLST) США.Основные патенты на соответствующие технологии также принадлежат этиморганизациям.ПриэтомзначительнуюфинансовуюпомощьоказывалДепартамент Энергетики США [82, 111, 181].Генерация холода в термоакустических машинах осуществляется по схеме сдвумя пульсаторами согласно Рис. 5.1, б. В качестве второго пульсаторавыступает емкость и дроссель (Рис.
5.7).169Рис. 5.7. Термоакустический охладитель с пульсатором на основе стоячей волныИзвестны лабораторные и опытно-демонстрационные установки сжиженияприродного газа разной производительности, разработанные и испытанные вНациональной лаборатории Лос-Аламос министерства энергетики США [82, 127].На Рис. 5.8 показаны фотография и принципиальная схема одной из такихустановок [96]. В качестве энергии генерации акустических волн используетсятепло сгорания ПГ.
Горелка и компрессор подачи рабочего тела (как правило,гелия) из камеры сгорания установлены наверху. В криогенной части вследствиесдвига фаз подвода теплоты, пульсаций давления и скоростей происходитперенос тепла из « холодного» теплообменника в «теплый» (см. также Рис. 5.7).170Рис. 5.8. Термоакустическая установка для ожижения природного газа(технология LANL USA)Внизу резонатора установлен трехступенчатый пульсационный генератор холода.На первой ступени происходит охлаждение до 180 К, на третьей - ПГ полностьюпереходит в жидкое состояние.
При этом сжижается только 45 % от входящего вустановку газа. Остальное (55 %) сгорает в генераторе акустических волн.В 1967 г. французская фирма «BERTIN & CIЕ» патентует устройство дляохлаждения газа, получившее название «Separateur thermique» [141]. Этиаппараты реализованы по схеме с одним пульсатором (Рис. 5.1, а). В отличие отрезонансных ВКГ в них используется не менее двух ЭК, в которых процессысжатия расширения повторяются в каждом из них с фазовым сдвигом.Возможные типы пульсаторовпоказаны на Рис. 5.3.
В дальнейшем вотечественнойиспользоватьсялитературесталтермин«Пульсационныеохладители газа (ПОГ)» [18, 19].Характерная конструкция аппарата пульсационного охлаждения газастатического типа (Рис. 5.9) состоит из корпуса 1, в котором размещены сопло 2,171рецепторы 3, газораспределительная камера 4, резонаторы 5, резонаторныеемкости 6 и каналы отвода расширенного газа 7.Рис. 5.9. Характерная конструкция ПОГАктивныйгаз,периодическиистекающийизвходныхотверстийэнергообменных каналов при смещении струи, имеет более низкую температуру,чем на входе в аппарат, т.к. часть энергии он затратил на сжатие пассивного газа.При этом снижение энтальпии активного газа определяется количеством теплотысжатия, отведенной от энергообменных каналов.Исследования ПОГ статического типа во ВНИИГАЗе [17, 54, 62] показали,что для эффективного энергообмена между активной и пассивной средаминеобходимодобитьсяустойчивыхколебанийструиактивногогазавгазораспределительной камере.
На устойчивость колебаний значительное влияниеоказывает конструкция газораспределительной камеры: её высота, положениеострых кромок резонаторов в газораспределительной камере, расстояние междувыходным сечением сопла и входными отверстиями рецепторов, а также пределыугла отклонения струи АВ от оси сопла [48]. Наибольшие пределы углаотклонения струи ограничивают возможное число рецепторов и, как следствие,производительность статических ПОГ.172Наиболее значительное влияние на КПД оказывают крайние рецепторы, т.к.время взаимодействия активной и пассивной сред в них наибольшее и превышаетв два раза время взаимодействия в центральных рецепторах.
Поэтому в крайнихрецепторах наблюдается наибольший нагрев пассивной среды.Ограничение КПД статических ПОГ до 35-40 % вызвано следующимипричинами:- смешением расширенной активной среды со средой струи;- потерями за счёт конечного времени перекрытия струей АВ отверстийрецепторов;- неоптимальной частотой колебаний струи для части рецепторов;- конечным углом отклонения струи от оси сопла, ограничивающимколичество рецепторов.Несмотря на указанные недостатки ПОГ статического типа привлекаютпростотой конструкции и отсутствием движущихся элементов.Так применение ПОГ статического типа для обработки углеводородныхгазов началось в 1969 г.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
