ИСТИНА

Актуальной проблемой современной теплофизики является разработка и применение методов безмашинного энергоразделения газовых потоков. Под термином «энергоразделение» или «безмашинное энергоразделение» понимается перераспределение полной энтальпии (температуры торможения) в потоке газа без совершения им внешней работы и при отсутствии теплообмена с окружающей средой. Наиболее эффективным способом осуществления энергоразделения является ис¬пользование машинных методов воздействия на поток – турбин, компрессоров, поршневых машин. К недостаткам использования машинных методов можно отнести высокую сто¬имость, малый ресурс и вопросы надежности. Альтернативой машинным методам являются безмашинные методы энергоразделения. К ним относятся вихревые, волновые, резонансные, эжекционные, пульсационные и некоторые другие. К достоинствам безмашинных методов энергоразделения относятся простота изготовления, высокая надежность, низкая инерционность, отсутствие систем смазки, возможность работать в широком диапазоне температур рабочего тела. Существенными недостатками, ограничивающими применение безмашинных методов энергоразделения в тепловых двигателях и установках, являются низкая тепловая эффективность и высокие потери полного давления на выходе у горячего и холодного потоков. Академик А.И. Леонтьев в 1997 году предложил новый способ энергоразделения газов, который позволяет сохранить полное давление одного из потоков. Принцип действия нового устройства энергоразделения основан на газодинамическом эффекте температурной стратификации: за счет диссипативных процессов в пограничном слое сжимаемого газа происходит искривление эпюры температуры торможения. Разность между температурой пристенного слоя газа и температурой торможения в основном потоке можно использовать для осуществления энергоразделения. Реализация эффекта температурной стратификации предполагается в устройстве безмашинного энергоразделения. Разделив имеющийся газовый поток с повышенным давлением на две части, один из по¬токов разгоняется в сопле Лаваля до сверхзвуковой скорости, а другой – дозвуковой высоконапорный поток – направляется с противоположной стороны от разделяющей потоки стенки. Со стороны сверхзвукового потока эпюра температуры торможения перераспределяется. Со стороны дозвукового потока температура стенки практически равняется температуре торможения. В результате взаимодействия через теплопроводную стенку в устройстве энергоразделения сверхзвуковой поток разогревается, а дозвуковой охлаждается. Эффективность устройства определяется количеством теплоты, передаваемой через разделяющую потоки стенку. Удельный тепловой поток q для случая плоской разделяющей стенки зависит от коэффициента теплопередачи K и температурного напора между начальной температурой торможения потока T0* и адиабатной температурой стенки Tw* со стороны сверхзвукового потока. Осредненный по поверхности коэффициент теплопередачи K определяется, прежде всего, коэффициентами теплоотдачи со стороны сверхзвукового αсверх и дозвукового αдоз потоков. Температурный напор можно выразить через коэффициент восстановления температуры r, который показывает долю кинетической энергии потока, переходящей в тепло на стенке. Как показано в ряде работ, эффективность энергоразделения существенным образом зависит от коэффициентов восстановления температуры r и теплоотдачи α. Для повышения количества передаваемого тепла в устройстве необходимо уменьшить коэффициент восстановления температуры, например, путем формирования поверхностей особой формы с пониженной адиабатной температурой стенки. Другим направлением повышения эффективности энергоразделения является интенсификация теплоотдачи в дозвуковом и сверхзвуковом каналах устройства энергоразделения. Интенсификация теплоотдачи в сверхзвуковых потоках пока не является объектом пристального внимания исследователей, в отличие от дозвуковых потоков, где методы интенсификации хорошо известны и активно применяются на практике. Объясняется это тем фактом, что любое внесение конструктивных изменений в сверхзвуковой канал с целью интенсификации теплоотдачи сопровождается образованием ударных волн и локальных отрывных течений. Согласно результатам многочисленных исследований взаимодействия ударной волны с пограничным слоем, отрыв пограничного слоя от стенки и его последующее присоединение увеличивает коэффициент теплоотдачи на стенке пропорционально градиенту статического давления. При этом влияние ударных волн и отрывных течений на коэффициент восстановления температуры, который наряду с коэффициентом теплоотдачи определяет эффективность энергоразделения, менее исследовано в литературе.