Устройство для безмашинного температурного разделения сжимаемых газовых потоков

Опираясь на описанное выше явление (отличие температуры адиабатной стенки от полной температуры набегающего потока), в работе [12] были предложены метод безмашинного температурного разделения газового потока и устройство для его реализации. Его принципиальная схема показана на рис. 4.14. Сжатый газ (воздух, пар, смесь газов и т.п.) с начальными параметрами Т₀, Р₍₎ поступает из форкамеры 1 в рабочий участок, где разделяется перегородкой 2 на два потока 3, 4. Поток 3 не испытывает геометрического воздействия и остается дозвуковым, поток 4 разгоняется в сопле 5 до сверхзвуковой скорости.

1 2 3

Рис. 4.14. Принципиальная схема устройства для безмашинного

температурного разделения:

/ — форкамера; 2 — разделительная перегородка; 3 — дозвуковой поток; 4 — сверхзвуковой поток; 5 — сверхзвуковое сопло; 6 — сверхзвуковой диффузор. Распределение температуры торможения в пограничном слое в случае теплопроводной разделительной перегородки (I), в случае теплоизолированной перегородки (II)

В случае дозвукового потока (М_м « 1) из (4.1) Т*_ам>~ Г₀*, а в случае сверхзвукового потока (М_тс » 1) можно принять Т_ау) ~ гТ₀. На рис. 4.14 штриховой линией показаны профили полной температуры в пограничном слое сверхзвукового и дозвукового потоков, при этом перегородка 2 — плоская теплоизолированная пластина и г< 1. Температуры поверхностей перегородки со стороны дозвукового потока Т_т{ и сверхзвукового потока Т_ш2 отличаются друг от друга. Следовательно, если перегородку сделать теплопроводной, то между потоками начнется теплообмен. Удельный тепловой поток через стенку (термическим сопротивлением стенки пренебрегаем) будет определяться выражением

а|Ос₂ а! + а₂

а|Ос₂

а, + а₂

О -г)То,

(4.2)

где а| и а₂ — коэффициенты теплоотдачи в дозвуковом и сверхзвуковом потоках.

В таком случае сверхзвуковой поток будет нагреваться, а дозвуковой — охлаждаться (для этого случая профиль полной температуры показан на рис. 4.14 сплошной линией). При этом Т_ац, ~ гТ₀ — максимальная теоретически возможная температура охлаждения дозвукового потока в данном устройстве. Если г> 1, то тепловой поток будет направлен в другую сторону. При г = 1 теплообмен между потоками отсутствует, и энергоразделение в данном устройстве не происходит. Очевидно, что от величины г существенным образом зависят как интенсивность теплообмена, так и максимальная величина температурного разделения.

В инженерных расчетах при обтекании плоской пластины чистыми газами с Рг = 0,7 обычно принимают г ~ 0,9. Следовательно, максимальное охлаждение дозвукового воздушного потока в плоском канале по данной схеме (см. рис. 4.14) составляет

Д7' = Г₀’-г7’₀’»0,1Г₍₎’. (4.3)

К настоящему моменту доступны работы, посвященные численному и аналитическому исследованию температурного разделения потоков с использованием данного метода. Например, в работах [6, 88—90] приведены оценки величины температурного разделения, исследуются пути его увеличения. Даны примеры возможного практического применения. Предложена методика расчета на базе одномерных уравнений газовой динамики. В работе [91] на основе точного автомодельного решения для ламинарного пограничного слоя установлены параметры газа, обеспечивающие максимальную теплопередачу через плоскую пластину, разделяющую два потока с разными числами Маха. Показано, что абсолютная величина теплового потока растет с ростом числа Маха сверхзвукового потока и существенно зависит от двух величин — числа Прандтля и отношения теплоемкостей. В работах [92, 93] проведено численное исследование температурного разделения в прототипе устройства, состоящем из двух узких плоских каналов, разделенных теплопроводной перегородкой. На основе решения системы дифференциальных уравнений двумерного сжимаемого пограничного слоя, дополненного <7—со-моделью турбулентности, оценена степень охлаждения низкоскоростной части потока. Также предложены параметры для сравнения эффективности различных устройств безмашинного температурного разделения потоков. В работе [94], используя одномерный подход, авторы исследуют температурное разделение в устройстве, состоящем из двух коаксиальных трубок. По внутренней трубке поток течет с дозвуковой скоростью, по внешней — со сверхзвуковой. Показано, что теплообмен между потоками сильно зависит от числа Прандтля газа, геометрии каналов и схемы организации течения потоков. В работе [95] численно рассмотрено влияние вдува (отсоса) на эффект температурного разделения сверхзвукового и дозвукового потоков, разделенных проницаемой перегородкой. Диапазон чисел Прандтля составлял 0,05—5. Показано, что с уменьшением числа Прандтля температурное разделение возрастает. Вдув газа в сверхзвуковой поток уменьшает величину температурного разделения по сравнению с непроницаемой пластиной, а отсос увеличивает ее. В работе [96] с использованием одномерного подхода проведена оценка эффективности данного метода при конденсации одного из компонентов сверхзвукового потока. В работе [97] в рамках двухконтинуальной модели сжимаемого газокапельного пограничного слоя в сверхзвуковом двухфазном ламинарном потоке на плоской стенке проведены расчеты потоков массы и энергии дисперсной фазы на обтекаемой поверхности. Показано, что наличие даже очень малой концентрации капель в основном потоке может приводить к значительному снижению температуры адиабатической стенки. Это обстоятельство делает перспективным использование испаряющейся конденсированной фазы в данной схеме энергоразделения газовых потоков.

В работе [98] изучена комбинация вихревой трубы и рассматриваемой схемы энергоразделения. В работе [99] для интенсификации теплообмена в устройстве безмашинного энергоразделения сжимаемого потока предложено использовать тепловые трубы.

Экспериментальные результаты весьма ограничены [6, 100—103]. В работе [6] приведены данные по снижению температуры дозвукового потока, омывающего одну из стенок рабочего канала сверхзвуковой аэродинамической установки. В работе [103] зафиксирован рост полной энтальпии природного газа при прохождении его через осесимметричный сверхзвуковой канал, состоящий из сверхзвукового сопла и конического канала, выполненных из стали. С внешней стороны канал омывался водой с температурой, равной полной температуре газового потока перед соплом. В работе [102] исследуется процесс температурного разделения воздушных потоков, истекающих из общего резервуара через сверхзвуковой канал с центральным телом в виде медной трубки. В результате фиксируется снижение полной температуры потока на выходе из центрального тела, что подтверждает работоспособность метода, однако полученный эффект оказался существенно ниже теоретически возможного, определяемого выражением (4.3). Данный результат стал основой для проведения комплексного исследования влияния параметров потока (начальная температура, число Маха, схема течения, отношение массовых расходов, интенсификация теплообмена в дозвуковом канале) на величину температурного разделения. Результаты приведены в гл. 5 и 6.