Способ смешения сверхзвуковых газовых потоков в разреженной среде

СОЮЗ СОВЕТСКИХселвлютьнииипРЕСПУБЛИК зШ В О 1 Г 3/02 ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(56) 1. Крошко В.Н., Солоухина Р.И.,Фомина Н.А., Гаэодинамический лазерсо смешением в сверхзвуковом потоке.Газодинамические лазеры, М., "Наука",Сибирское Отделение АН СССР, 1977,с.59,2. Теоретическая и прикладнаяплазмохимия, Под ред. Л.СПолакаМ "Наука", 1975, с.637.3. Гросс Дж. и Ватт Дж. Химичес кие лазеры,М., "Мир", 1980, с,314(54)(57) СПОСОБ СМЕШЕНИЯ СВЕРХЗВУКОВЫХ ГАЗОВЫХ ПОТОКОВ В РАЗРЕЖЕННОЙЯ Ю 801109185 А СРЕДЕ путем подачи в камеру смешениячерез сопло центрального потокаосновного газа при статическом давлении в камере смешения, меньшем, чемна срезе сопла, и концентричногопотока подмешиваемого газа, о тл и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения эффективности процессасмешения, подачу потока подмешиваемого газа в разреженную среду осуществляют при значениях статическогодавления на срезе сопла, равных статическому давлению в камере смешения,и подачу потока основного газа осуществляют при значениях критерия раэ"реженности Кп,7 п равных (1-5) 10отношении статйческого давления насрезе сопла к статическому давлениюв камере смешения 10-1000 и числе Ма.ха на срезе сопла 1-5.1109Изобретение относится к способам и устройствам общего назначения для осуществления различных физико-химических процессов, в частности процессов смешения, и может быть использовано в широком классе устройств, в которых производится смешение сверхзвуковых потоков в разреженной среде, в плазмохимической, электронной и других отраслях промьппленности для полу чения сверхчистых веществ, порошков, пленок и пр. а также в газовых и химических квантовых генераторахИзвестны способы смешения высокоскоростных разреженных газовых пото ков в газодинамических лазерах 1. Инверсная заселенность уровней в дифФузионных химических лазерах создается при смешении высокоскоростных или параллельных потоков реагирующих 20 между собой компонентов, истекающих в расчетном (Рд=Рв), где Рц - статическое давление на срезе сопла, Р - давление в камере смешения) или внедорасширенном режимах течения25 (РРв), Для эффективной работы химического лазера необходимо, чтобы время смешения компонентов и время химической реакции были меньше времени столкновительной релаксации, 30 а перемешанный поток газов был однородным (безградиентным).Мощность химического лазера (энергосъем с единицы объема газа) и его полный энергетический КПД ( Ч, =2-47) в большой степени зависят от расхода реагентов (давления смеси), полноты преобразования колебательной энергии в энергию излучения и от типа смешения (диффузионного, ламинарного или 40 турбулентного). Диффузионный режим смешения не позволяет получать высокоскоростные потоки большой плотности, из-за чего снижается эффективность энергетических устройств. При лами нарном и турбулентном смешении ско - рость перемешивания увеличивается, но вместе с этим в потоке возникаютгазодинамические возмущения, существенным образом влияющие на оптические свойства инверсной среды в лазере или выход исходного продукта в плазмохимическом реакторе.Размер и интенсивность газодинамических возмущений в основном опре деляются режимом течения смешивающихся потоков. Так, при молекулярном режиме истечения отсутствуют ударные 185 2волны в потоке и течение носит безградиентный характер, но плотностьпотока для многих технических устройств оказывается недостаточной,Увеличение расхода газа приводитк режиму истечения с недорасширением(давление на срезе выходного отверстия или сопла больше давления всреде, в которую истекает газ), когдав потоке Формируется струя, содержащая систему из висячих и замыкающего скачков уплотнения, Проникновение газа из внешней среды за систему скачков уплотнения становитсяневозможным, и перемешивание газовпроисходит в изобарическом участкеструи в зоне за замыкающим скачкомуплотнения, где отсутствуют скачкиуплотнения, и скорость потока резко уменьшается. Таким образом, размеры зоны смешения и условия перемешивания во многих устройствах становят"ся весьма далекими от оптимальных.Известны также способы смешениясырья и плаэмообразующего газа вразличных плазмохимических реакторах 23,Однако исследования показывают,что при известных способах и режимах смешения реагента с плазменнойструей длина эоны полного перемешивания (до молекулярного контакта)велика, а скорость смешения незначительна, что затрудняет ведениехимического процесса и уменьшаетвыход получаемого продукта, Для рядаплазмохимических производств энергетически выгодно вести процесспри высоких скоростях газа плазменной струи и низких давлениях в реакторе (в неравновесных условиях), однако оптимальные газодинамическиережимы смешения реагентов для такихпроцессов неизвестны.Известен также способ смешениясверхзвуковых газовых потоков в разреженной среде путем подачи в камерусмешения через сопло Лаваля центрального потока основного газа при статическом давлении в камере смешения,меньшем, чем на срезе сопла, и концентричного потока подмешиваемогогаза 33.Однако зона смешения при известном способе имеет большую длину изза малой скорости перемешивания,обусловленной большой плотностьюсмешивающихся потоков газа. Полегазодинамических параметров (цавление, плотность, температура) в зоне смешения существенно неоднородно и носит ярко выраженный градиентный характер. Степень перемешивания малых 5 концентраций подмешиваемого газа с основным потоком является весьма низкой.Перечисленные недостатки иэвестно 1 О го способа перемешивания существенно усиливаются при смешении основного и подмешиваемого газов, истекающих в режиме с недорасширением, когда в потоке образуются висячие и замыкающие скачки уплотнения, Диффузия15 подмешиваемого из внешней среды газа за систему интенсивных скачков уплотнения является теоретически невозможной.Цель изобретения - повьппение эф 20 фективности процесса смешения.Поставленная цель достигается тем, что согласно способу смешения сверхзвуковых газовых потоков в раз 25 реженной среде путем подачи в камеру смешения через сопло Лаваля центрального потока основного газа при статическом давлении в камере смешения, меньшем, чем на срезе сопла, и концентричного потока подмешиваемого газа подачу потока подмешиваемого газа в разреженную среду осуществляют при значениях статического давления на срезе сопла, равных статическому давлению в камере смешения, и подачу З 5 потока основного газа осуществляют при значениях критерия разреженности К п Я, равных (1-5) 10 З, отнощении статического давления на срезе сопла к статическому давлению в камере сме шения 10-1000 и числе Маха на срезе сопла 1-5.К пк =1/Ы - число Кнудсена в критическом сечении сопла Лаваля, 3 к длина свободного пробега молекул (там 45 же);11: РдРВ -степень нерасчетности истечения.Предлагаемый способ позволяет получить большие скорости и степени перемешивания за счет создания короткой и безградиентной зоны смешения. Кроме того, в зоне смешения удается достигнуть значений статического давления, значительно больших, чем в аналогичных условиях при применении известных способов. При значениях критерия разреженности Кп .% 3 10 скачки уплотнения в недорасширенной струе основного газа размываются и подмешиваемый гаэ быстро смеппвается сосновным, зона смешения при этом несодержит газодинамических возмущений, существенно влияющих, например,на КПД химического или плазменногореактора,На фиг.1 приведена принципиальная схема устройства, реализующего предлагаемый способ смешения; на Фиг.2 - схемы эон смешения потоков (основного газа А и подмешиваемого/Б) при различных режимах истечения: а) молекулярный режим течения характеризуется значениями К ь Уо 10- -10 и и =1; б) континуальный режим течения с недорасширением потоков реализуется при значениях К е ( 10, и 102 - 10 и значениях числа Маха на срезе сопла Ма 1 (1 в висячий скачок уплотнения 2 - замыкающий скачок - диск Маха 3 - граница струи); в) режим лечения согласно предлагаемому способу; для основного газа А - Ко Ув =(1-5) 10 ,ь 10-10 , Ма=кр=1-5, для подмешиваемого газа БК %-10 - 10 , и =1, Ма)1; на Фиг.3Рприведены результаты экспериментальных измерений, характеризующие качество перемешивания газов в сверхзвуковом (МаЪ 1) разреженном потоке; а) распределение относительных концентраций подмешиваемого газа М/Мп (где М - текущее значение концентрации подмешиваемого газа в различных точках струи, Ир- концентрация под" мешиваемого газа в камере смешения исходная концентрация) вдоль оси струи Х/Х, (где Х - текущее значение координаты на оси струи; Х- расстояние по оси струи от среза сопла Лаваля до замыкающего скачка уплотнения - диска Маха) при-2. крУ 2-10 9; 3-10 ; б) распределение относительных концентраций подмешиваемого газа И(МО в поперечном сечении струи У/г, (где У - текущая координата, йерпендикулярная оси Х в поперечном сечении струи, Г -радиус сечения на срезе сопла), расположенном на расстоянии Х/Х р =0,25 от среза сопла; на Фиг.4 приведено распределение относительных плотностей в струе основного газа в зависимости от расстояния от среза сопла Х (в диаметрах среза сопла 3 ) при различных значениях критерия5 11091разреженности К1(Б , 1-10,2-104.3-10, 4-10 ".Опытная проверка возможностиосуществления предлагаемого способасмешения проводилась с помощью устройства (фиг:1), содержащего баллон1 основного газа А с регулировочнымкраном 2 и соплом 3 Лаваля, камеру4 смешения, откачную систему 5,баллон,б подмешиваемого газа Б с регулировочным краном 7 и соплом 8 Лаваля, приборы 9-13 для измерения давленияв смесительной камере 4, на срезесопел 3 и 8 Лаваля, а также в ихфоркамерах. 15П р и м е р. Геометрические размеры сопел Лаваля для основного иподмешиваемого газов ( 5 / 5 - отноа кршение площади среза сопла к площадиего критического сечения) выбирают 20исходя из отношения теплоемкостейрабочих газов (С (С) и условияМа 31-5 по стандартным таблицам газодинамических функций.В качестве основного газа А выбирают атмосферный воздух, а в качестве подмешиваемого газа Б - газообразный фреон. Геометрические размерыосновного сопла при этом составляют;3=1,6 мм; За=4,5 мм, с=10- полу" ЗО угол раскрытия сопла, а вспомогательного сопла - Ы, =1,37 мм, о 1 а =б Фцм,о =10 О.С помощью крана 7 в форкамерах сопел 8 устанавливают давление под мешиваемого газа Б Ро =50 мм рт.ст, При выбранной геометрии сопла на его срезе устанавливается давление Ра= =100 мм рт.ст. В камере смешения 4 с помощью откачной системы 5 устанав ливают давление Р =100 мм рт.ст., контролируя его значение по прибору 9. Тогда степень нерасчетности исте чения из сопел 8 равна=)Рз=1, т.е. истечение подмешиваемого газа 45 Б происходит в так называемом расчетном режиме.1Основной газ А из баллона 1 подают в форкамеру сопла 3 Лаваля и устанавливают в ней давление Р, = 50 =200 мм рт.ст. с помощью крайа 2, Контроль давления ведут при этом по прибору 11. Для выбранного газа А и геометрии сопла 3 на его срезе устанавливается давление Р 1, 155 ,Р 1, 1 мм рт,ст.,величина которого контролируется по прибору 1 О. Давление в камере 4 смешения поддерживается на уровне Рв =100 мм рт,ст. спомощью откачной системы 5. Тогдастепень нерасчеФности истеченияосновного газа А равна 1 =Ра 1 Рз= 11,а критерий разреженности -Мп 1 й10Р ОСНТаким образом, смешение сверхзвуковых разреженных потоков осуществляется согласно предлагаемомуспособу, а соответствующая ему схематическая картина течения приведена на 1 иг,2 в.,Исходные параметры течения и данные для нескольких режимов теченияприведены в таблице. Режимы смешения,указанные в таблице, экспериментальноисследовались на установке, схемакоторой приведена на фиг.1. Поле,плотности подмешиваемого газа в основной струе измерялось с помощьюспециального галоидного датчика. Результаты измерений приведены нафиг.3 а,б. Из приведенных распределений относительных концентраций подмешиваемого газа видно, что при значениях критерия разреженности Кь УБ ==(1-5) 10 5 количество проникающего в струю газа Б значительно больше,чем при значениях КЯ =10 , со ответствующих режиму континуума картина течения которого приведена нафиг,2 б, Длина зоны перемешиванияуменьшается при этом (К и 3% " (1-5)хх 10 ) в 2-3 раза с одновременнымуменьшением градиентности (неравновесности), течения, обусловленнойналичием сильных скачков уплотненияв сверхзвуковой недорасширеннойструе,С уменьшением давления в форкамерах сопел Лаваля и в камере смешенияпри значениях критерия разреженностиК Тй 10 1- 10 и степени нерасРчетности и 1 устанавливается молекулярный рЪжим истечения. Картинасмешения потоков основного и подмешиваемого газов при молекулярном режиме истечения приведена на фиг.2 а.В этом случае в зоне смешения отсутствуют скачки уплотнения, наблюдается хорошее смешение, однакоиз-за низких значений плотностейв основном и подмешиваемом потокахгаза (фиг.4) процесс смешения является нерентабельным, так как количество получаемой смеси крайнемало.О Ренин течения Исходные наранетрмтеченияВ нтинуальный с недорас- зирениен некий рному согласнолагаемомсобу Рр е/Р 1,110 Рр ф 50 В сонп Р/Ро"3,6710дмеииваемо Ра 100 мх Рв 100 мнм в 1 н рт т.2 у 1,37 еее 6 мн 7 1109При увеличении давления в форкаиерах сопел Лаваля и сохранении постоянным (или. сниЖении) давления в камере смешения значения критери разреженности достигают Кня й=10 , 5 степени нерасчетности и =10- 10 Устанавливается континуальный режим течения с недорасширением потоков А и Б и значениями числа Маха на срезе сопла Ма 1. Картина зоны смешения для этого случая приведена на фиг.2 б. Из нее видно, что из-за наличия сильных скачков уплотнения эона смешения резко градиентна и проникновение (диффузия) подмеши ваемого газа в основную струю не происходит, что подтверждается теорией и экспериментом. Экспериментальные исследования 20 структуры сверхзвуковых недорасширенных струй в переходном режиме показали, что при значениях критерця раз реженности К:икр Ю=(1-5) 10 степени нерасчетности и 10-1000 25 и числа Маха на срезе сопла 1-5,ионного Ро 50 мн рт.ст. КнРЮ 4 ф 75 10"начинается неожиданное проникновение газа нз внешней среды через систему "размытых" ударных волн, при этом плотность потока в струе примерно на 1-2 порядка выше, чем при свободно-молекулярном режиме течения. Не" обходимый режим смешения наблюдается только при выполнении всех перечисленных режимов в переходном режиме течения. Так, например, если нерасчетность течения Ь становится меньше 10, то при Ма=1-5 образуется многобочковая структура с малой площадью поля смешения и большой градиентностью течения.Опытная проверка предлагаемого способа смешения показала его практи" ческую осуществимость и значительное преимущество по сравнению с известными, заключающееся в существенном увеличении качества смешения иэ-за уменьшения длины эоны перемешивания и градиентности течения, органиэации равномерного сверхзвукового смещения при значительных абсолютных давлениях в потоке.е е ее еееееее,е,,о ееее е ф ф ф оеееафв оф оооаффв еее ф ф ф аеееа аввеа ее аееее а е евее ф ееефее афее еее аева ее ееее а РрО -1 Окр1109185 х/ Составитель Н. Федоров Техред И.Асталош едактор 0 Корректор Е. Сирохман одписное Филиал ППН "Патент", г. Ужгород, ул, Проектная, 4 5975/6 Ти НИИПИ Государст по делам иэобр 3035, Москва, Ж аж 576енного комитета СССРтений и открытий35, Раушская наб., д.