Газодинамический инфракрасный излучатель

 

Изобретение относится к энергомашиностроению, преимущественно к теплотехнике, и может быть использован для получения инфракрасного излучения в заданном диапазоне длин волн. Газодинамический инфракрасный излучатель содержит акустический резонатор для генерации высокочастотных ударных волн и газогенератор, сверхзвуковое сопло которого установлено строго соосно рабочей полости резонатора. Между внутренней и внешней поверхностями резонатора выполнена полость, заполненная легкоплавким высокотеплопроводным металлом. Полость между внутренней и внешней поверхностями резонатора выполнена с увеличенным объемом со стороны глухого конца по направлению к входной части рабочей полости резонатора. У устья акустического резонатора установлен профилированный акустический отражатель, входная часть рабочей полости выполнена конфузорной на длину не менее 1/3 от длины всей рабочей полости, а глухой конец - вогнутым. На внешней поверхности резонатора выполнено покрытие из тугоплавкого материала. Изобретение позволяет получать равномерную температуру излучающей поверхности, повысить КПД, а также получать инфракрасное излучение в заданном диапазоне длин волн. 5 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к энергомашиностроению, преимущественно к теплотехнике, и может быть использовано для нагрева окружающей среды, например, в отопительных системах, сушильных устройствах, для инфракрасного (ИК) облучения в заданном диапазоне длин волн, а также для имитации излучения различных тепловыделяющих объектов.

Известен акустический воспламенитель и метод зажигания для жидкотопливного ракетного двигателя [Международная заявка WO 99/34105, класс F 02 K 09/95, опубл. 08.07.1999]. В состав этого известного устройства входят цилиндрическая камера предварительного сгорания, сопло впрыска топлива, форсунка, а также акустический резонатор, расположенный напротив сопла. Камера предварительного сгорания состоит из цилиндрической и двух концевых стенок - первой и второй. Сопло впрыска топлива расположено в первой концевой стенке. Форсунка ракетного топлива размещена внутри сопла соосно с ним. Акустический резонатор установлен напротив сопла во второй концевой стенке камеры предварительного сгорания. Топливо через форсунку подается в камеру предварительного сгорания и с помощью сопла направляется в акустический резонатор, что вызывает в последнем образование ударных волн. Преобразование кинетической энергии высокочастотных ударных волн в тепловую приводит к разогреву глухого конца резонатора до высокой температуры, вследствие чего обеспечивается воспламенение топливной смеси.

К недостаткам данного устройства относится низкий КПД вследствие недостаточно эффективного использования энергии высокочастотных ударных волн, возникающих в акустическом резонаторе, и рассеивания тепловой энергии элементами конструкции. К недостаткам также следует отнести большие потребительские расходы на рабочий процесс, в частности большой расход газа.

Из известных устройств наиболее близким к изобретению по технической сущности, достигаемому результату и выбранным в качестве прототипа является газодинамический нагреватель [Патент РФ №2062953, класс F 23 Q 13/00, опубл. 27.06.1996], содержащий акустический резонатор для генерации высокочастотных ударных волн и газогенератор, сверхзвуковое сопло которого установлено соосно рабочей полости резонатора. Устройство используется для воспламенения двухкомпонентных, в том числе двухфазных систем. Сжатый газ разгоняется в сверхзвуковом сопле и направляется в резонатор, внутри которого возникают высокочастотные ударные волны. При этом глухой конец резонатора разогревается до высокой температуры и воспламеняет горючую смесь.

Недостатками данного изобретения являются:

- неравномерность распределения температуры излучающей поверхности устройства из-за того, что резонатор выполнен из сплошного материала и максимальная температура нагрева возникает только у его глухого конца. Это приводит к неравномерному распределению температуры по длине внешней поверхности резонатора и, соответственно, неравномерному тепловому излучению в окружающую среду, что делает невозможным концентрацию энергии излучения в устройствах обогрева, сушки и имитации излучения различных тепловыделяющих объектов;

- низкий КПД устройства ввиду невозможности полного использования кинетической энергии ударных волн из-за рассеивания тепловой энергии. То есть, имеет место нерациональное (неполное) использование кинетической энергии высокочастотных ударных волн, преобразованной в тепловую, что обусловлено конструкцией акустического резонатора. Глухой конец резонатора выполнен плоским, что приводит к тому, что отраженные от него ударные волны не могут сконцентрироваться на оси резонатора;

- невозможность получения инфракрасного излучения в заданном диапазоне длин волн ввиду того, что излучающая поверхность акустического резонатора нагревается неравномерно, что не позволяет регулировать диапазон ИК-излучения поверхности.

Очевидно, что существующие газодинамические нагреватели не обеспечивают равномерное распределение температуры излучающей поверхности, имеют большие потребительские расходы и низкий КПД, что ограничивает их промышленное применение. В теплотехнике необходимы устройства, позволяющие получать инфракрасное излучение в заданном диапазоне длин волн, например, в системах сушки, обогрева, имитации инфракрасного излучения различных тепловыделяющих объектов, для тестирования ИК измерительной аппаратуры, где концентрация их излучательной энергии и ее заданное пространственное поле распределения приобретают важнейшее значение.

В основу заявляемого изобретения поставлена задача получения равномерной температуры (равномерного поля температуры) излучающей поверхности газодинамического инфракрасного излучателя, увеличения КПД и уменьшения потребительских расходов на рабочий процесс устройства, а также возможность получения инфракрасного излучения в заданном диапазоне длин волн.

Поставленная задача решается тем, что газодинамический инфракрасный излучатель содержит акустический резонатор для генерации высокочастотных ударных волн и газогенератор, сверхзвуковое сопло которого установлено строго соосно рабочей полости резонатора. Согласно изобретению, между внутренней и внешней поверхностями резонатора выполнена полость, заполненная легкоплавким высокотеплопроводным металлом.

Предпочтительно, чтобы полость между внутренней и внешней поверхностями резонатора была выполнена с увеличенным объемом со стороны глухого конца по направлению к входной части рабочей полости резонатора.

Кроме того, у устья акустического резонатора установлен профилированный акустический отражатель, входная часть рабочей полости резонатора выполнена конфузорной на длину не менее 1/3 от длины всей рабочей полости, а глухой конец рабочей полости выполнен вогнутым.

На внешней поверхности резонатора может быть выполнено покрытие из тугоплавкого материала.

В данном изобретении обеспечивается:

- получение равномерной температуры излучающей поверхности благодаря выполнению между внутренней и внешней поверхностями резонатора полости, заполненной легкоплавким высокотеплопроводным металлом. Во время работы устройства за счет автоколебательного режима в рабочей полости резонатора генерируются ударные волны, которые нагревают газ у его глухого конца. Тепловая энергия от глухого конца рабочей полости резонатора передается к его внутренней поверхности. Это приводит к расплавлению металла, заполняющего полость, выполненную между внутренней и внешней поверхностями резонатора, и как следствие выравниванию температурного поля внешней поверхности резонатора на стационарном режиме (=), поскольку расплавленный металл имеет одинаковую температуру во всем объеме полости. Полость между внутренней и внешней поверхностями резонатора может быть выполнена с увеличенным объемом со стороны глухого конца по направлению к входной части рабочей полости резонатора. Это позволяет обеспечить более эффективное выравнивание температуры внешней поверхности резонатора за счет более интенсивной циркуляции в области наименьшего нагрева. Дополнительно равномерное поле теплового излучения может быть эффективно сконцентрировано различными типами рефлекторов;

- увеличение КПД и уменьшение потребительских расходов на рабочий процесс. Это достигается благодаря тому, что в заявляемом газодинамическом излучателе у устья резонатора установлен профилированный акустический отражатель. Входная ударная волна, отраженная этим отражателем, увеличивает свою амплитуду, что вызывает увеличение мощности ударных волн в рабочей полости резонатора. Это позволяет более эффективно использовать кинетическую энергию ударной волны. Также благодаря тому, что входная часть рабочей полости акустического резонатора выполнена конфузорной на длину не менее 1/3 от длины всей рабочей полости резонатора, сверхзвуковой поток на входе сжимается и амплитуда ударных волн увеличивается. Соотношение длины конфузорной входной части и длины всей рабочей полости резонатора как не менее чем 1/3 определено экспериментальным путем и обеспечивает возможность максимально увеличить амплитуду ударной волны, а, следовательно, эффективность преобразования кинетической энергии ударной волны в тепловую для повышения КПД устройства. Глухой торец рабочей полости акустического резонатора выполнен вогнутым для концентрации отраженных ударных волн на оси резонатора, что приводит к дополнительному увеличению температуры газа за счет молекулярной перестройки - уменьшения молекулярного пробега молекул и увеличения внутренней энергии газа. Благодаря этому достигается более полное преобразование кинетической энергии высокочастотных ударных волны в тепло и, как следствие, повышение КПД устройства и уменьшение потребительских расходов на рабочий процесс;

возможность получения инфракрасного излучения в заданном диапазоне длин волн, что обеспечивается благодаря покрытию внешней излучающей поверхности акустического резонатора, которое выполнено из тугоплавкого материала. То есть путем подбора материала этого покрытия получают излучение в необходимом диапазоне длин волн.

На Фиг.1 показан газодинамический инфракрасный излучатель - продольный разрез; на Фиг.2 - вариант изобретения, в котором объем полости, заполненной металлом, увеличивается со стороны глухого конца по направлению к входной части рабочей полости резонатора.

Заявляемый газодинамический инфракрасный излучатель содержит газогенератор 1 со сверхзвуковым соплом 2 с выходным диаметром d_a и акустический резонатор 3 с диаметром входа d_p > d_a. Сверхзвуковое сопло 2 газогенератора 1 расположено строго соосно рабочей полости 4 акустического резонатора 3 на расстоянии (х) от устья 5 акустического резонатора 3. Расстояние х равно длине первой "бочки" (зоны нестабильности) сверхзвуковой нерасчетной струи газа. У устья 5 установлен профилированный акустический отражатель 6. Рабочая полость 4 образована внутренней поверхностью резонатора 3. Глухой конец 7 рабочей полости 4 выполнен вогнутым, а входная часть 8 - конфузорной. Длина l входной части 8 составляет не менее 1/3 длины L всей рабочей полости 4 резонатора 3. Между внутренней и внешней поверхностями акустического резонатора 3 выполнена полость 9, заполненная легкоплавким высокотеплопроводным металлом 10 (например, натрием - Nа, магнием - Mg, медью - Сu и др.). Объем этой полости 9 увеличивается со стороны глухого конца 7 по направлению к входной части 8 рабочей полости 4 резонатора 3. При этом объем полости 9 V₁ больше объема металла 10 V₂ на объем V=V₁-V₂, рассчитанный при заданном максимальном режиме разогрева глухого конца резонатора 3. Этот дополнительный объем V необходим для температурного расширения металла в полости 9. На внешней излучающей поверхности акустического резонатора 3 нанесено покрытие 11 из тугоплавкого материала. В качестве тугоплавкого материала может быть использован металл (например, молибден, титан, хром, вольфрам), керамический материал и т.д.

Устройство работает следующим образом. В газогенераторе 1 генерируется нерасчетная сверхзвуковая струя газа, которая с помощью сверхзвукового сопла 2 через конфузорную входную часть 8 направляется в рабочую полость 4 акустического резонатора 3. В резонаторе 3 возникает осциллирующий скачок уплотнения (ударная волна) с высокой частотой и известной амплитудой. За счет создания автоколебательного режима в рабочей полости 4 резонатора 3 продолжают генерироваться ударные волны, вследствие чего нагревается газ у вогнутого глухого торца 7. Входная ударная волна отражается профилированным акустическим отражателем 6, амплитуда ее увеличивается, что вызывает увеличение мощности ударных волн в полости 4 резонатора 3 и увеличение температуры газа в глухом конце 7. Отраженные ударные волны концентрируются на оси резонатора 3 с помощью вогнутого глухого конца 7 рабочей полости 4, вследствие чего температура газа продолжает увеличиваться за счет молекулярной перестройки - уменьшения молекулярного пробега молекул и увеличения внутренней энергии газа. Это приводит к расплавлению металла 10 в полости 9 и выравниванию температурного поля внешней поверхности резонатора 3 на стационарном режиме (=). Покрытие 11 обеспечивает возможность получения ИК-излучения внешней поверхности акустического резонатора 3 в заданном диапазоне длин волн.

Таким образом, в заявляемом устройстве достигается получение равномерной температуры излучающей поверхности за счет того, что тепло по внешней излучающей поверхности акустического резонатора распределяется равномерно. Заявляемое изобретение также позволяет повысить КПД устройства и уменьшить потребительские расходы на рабочий процесс благодаря наиболее полному преобразованию кинетической энергии ударных волн в тепловую. И, наконец, заявляемое изобретение позволяет получить инфракрасное излучение в заданном диапазоне длин волн в соответствии с требованиями эксплуатации устройства.

Заявляемое изобретение может найти широкое применение не только в теплотехнике, но и в тех областях техники, где необходимы устройства получения ИК-излучения в заданном диапазоне длин волн, например в системах сушки, обогрева, имитации ИК-излучения различных тепловыделяющих объектов, для тестирования ИК измерительной аппаратуры.

Формула изобретения

1. Газодинамический инфракрасный излучатель, содержащий акустический резонатор для генерации высокочастотных ударных волн и газогенератор, сверхзвуковое сопло которого установлено строго соосно рабочей полости резонатора, отличающийся тем, что между внутренней и внешней поверхностями резонатора выполнена полость, заполненная легкоплавким высокотеплопроводным металлом.

2. Газодинамический инфракрасный излучатель по п.1, отличающийся тем, что полость между внутренней и внешней поверхностями резонатора выполнена с увеличенным объемом со стороны глухого конца по направлению к входной части рабочей полости резонатора.

3. Газодинамический инфракрасный излучатель по любому из пп.1 и 2, отличающийся тем, что у устья акустического резонатора установлен профилированный акустический отражатель.

4. Газодинамический инфракрасный излучатель по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что входная часть рабочей полости резонатора выполнена конфузорной на длину не менее 1/3 от длины всей рабочей полости.

5. Газодинамический инфракрасный излучатель по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что глухой конец рабочей полости резонатора выполнен вогнутым.

6. Газодинамический инфракрасный излучатель по любому из пп.1-5, отличающийся тем, что на внешней поверхности акустического резонатора выполнено покрытие из тугоплавкого материала.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2

MM4A - Досрочное прекращение действия патента СССР или патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе

Дата прекращения действия патента: 10.07.2008

Извещение опубликовано: 27.06.2010        БИ: 18/2010

---