Процессы волнового расширения газа

При анализе процесса дросселирования, реализуемого в без­машинном расширительном устройстве, указано, что в дроссельном вентиле происходит процесс истечения с преобразованием энергии сжатого газа в кинетическую энергию потока.

Для увеличения температурного эффекта расширения без сущест­венного усложнения самого расширительного устройства необ­ходимо найти способы преобразования кинетической энергии потока в другие формы и отвода ее части без использования слож­ных машин — детандеров, обычно применяемых для этих целей.

Одним из практических путей является осуществление так назы­ваемого процесса волнового расширения: расширения в условиях установившегося течения с генерацией волновой (акустической) энергии и отводом части этой энергии в преобразованном виде от расширяющегося газа.

Исследования, проведенные в МВТУ им. Н. Э. Баумана сов­местно с НПО «Криогенмаш», «Гелиймаш», ВНИИХОЛОДМАШ и Акустическим институтом АН СССР, определили некото­рые возможные способы реализации волновых процессов рас­ширения применительно к криогенным и холодильным си­стемам. Разработанные расширительные устройства названы волновыми криогенераторами (ВКГ), а сам метод получил на­звание газодинамического безмашинного метода получения холода.

Для возбуждения волновых автоколебательных режимов мо­жно использовать скачки уплотнений, возникающие, например, в недорасширенных струях при истечении газа через сужающееся сопло. За пределами сопла наблюдаются сверхзвуковые скорости течения газа.

На рис. 2.10 показана структура кольцевой недорасширенной струи. При втекании такой струи в какую-либо замкну­тую полость скачок уплотнения при определенных условиях начинает осциллировать, генерируя волновой процесс (эффект Гартмана). Преобразование энергии колебаний среды в другие формы энергии и отвод ее от расширяющегося газа можно осуще­ствлять различными методами. Например, в волновых криогенераторах с резонансными трубками сильно нагревается закрытый конец трубки (эффект Шпренгера), и выделяющаяся теплота мо­жет быть отведена.

В другом типе волнового криогенератора использованы короткий резонатор-излучатель и эллип­соидный концентратор. В левом фокусе эллипсоида расположен резонатор-излучатель, а в правом — при фокусировании волн нагревается приемник колебаний, теплота от ко­торого также может быть отведена.

Возможны и другие конструк­ции, в том числе с прямым преобразованием волновой энергии в электрическую.

Исследования рабочего процесса в ВКГ с резонансной труб­кой показали существование двух периодически повторяющихся стадий процесса: входа газа в резонансную трубку и выхода из нее навстречу потоку из сопла. Таким образом, в ре­зонансной трубке устанавливается автоколебательный процесс. Наличие центрального стержня способствует стабилизации этого процесса.

Рис. 2.10. Схема кольцевой сверхзву­ковой недорасширенной струи:

1— сужающееся сопло; 2 — стержень; 3— граница струи в зоне первой ячейки (<бочки»);

4 и 5 — первый и второй скачки уплотнений; 6 — граница отрыва погранич­ного слоя

Возникающие и отраженные от дна трубки волны сжатия и разрежения, взаимодействуя между собой, образуют на некотором расстоянии от открытого конца трубки ударную волну конечной амплитуды. Прохождение по трубке прямой и отраженной от дна ударных волн проявляется в интенсивных колебаниях давления, росте энтропии и выделении теплоты. Режимы с максимальной амп­литудой колебания давления характеризуются наибольшими ус­тойчивостью и тепловыделениями. Амплитуда А колебаний газа на основной резонансной частоте примерно на 8—15 дБ выше, чем на других частотах. Так как плотность энергии в волновом процессе в первом приближении пропорциональна квад­рату амплитуды колебаний, то, следовательно, на основной ре­зонансной частоте переносится около 80—90 % всей энергии.

Существенно, что при понижении температуры на входе амп­литуда колебаний давления газа не уменьшается. Это является необходимой предпосылкой для сохранения эффекта охлаждения газа при низких температурах.

Распределение температур по длине резонансной трубки за­висит от целого ряда конструктивных факторов и температуры газа на входе. Конструктивными усовершенствованиями можно повысить максимальную температуру в трубке для воздуха до 800 К, для гелия до 1000 К.

Уменьшение энтальпии газа при расширении в волновом криогенераторе определяет его холодопроизводительность:

i_вx — i_вых = q , (2.25)

где q — количество отведенной теплоты.

Теплоотвод можно осуще­ствлять отбором части горячего газа с теплой стороны трубки. В этом случае ВКГ работает как своеобразный энергетический разделитель потока, сходный по производимому эффекту с вихревой трубой.

В общем случае изменение температуры газа при расширении в ВКГ

DT = T_вх – Т_вых = DТ_w ± DТ_i. (2.26)

где DТ_w - понижение температуры газа в результате отвода части волновой энергии ;

DТ_i – интегральный дроссель – эффект. Отсюда

DТ / DТ_i = DТ_w / DТ_i± 1 (2.27)

Это отношение обычно равно 3—4, т. е. разность температур до и после расширения в 3—4 раза и более превышает интегральный дроссель-эффект.

Эффективность ВКГ можно оценивать также адиабатным КПД, т. е. как для «волнового» детандера:

h_ад» q / Di_s , (2.28)

где Di_s — разность энтальпии при изоэнтропном расширении.

При достигнутой степени совершенства ВКГ средние значения h_ад = 0,12 ... 0,18, а на отдельных режимах h_ад = 0,2 ... 0,25 (для наиболее совершенных конструкций). Несомненное преимущество ВКГ как безмашинных генераторов холода — простота, надеж­ность, устойчивость работы в широкой области параметров для различных газообразных рабочих тел. Осуществить эффективный рабочий процесс ВКГ в области состояний насыщения, пока не удалось. Это ограничивает их применение. При использовании ВКГ в циклах гелиевых установок теплота от ВКГ передается на предварительную ступень охлаждения.