ВИХРЕВАЯ ТРУБА Российский патент 1995 года по МПК F25B9/02 

Изобретение относится к холодильной технике и предназначается для использования эффекта энергоразделения газа в вихревых трубах в процессах рационального дросселирования природного газа при его транспортировке по газопроводам. В этом случае вихревая труба работает в режиме изотермического дросселирования газа, в котором с падением давления температура газа на выходе из трубы не изменяется. Это обстоятельство позволяет заменить в газовой промышленности дроссельные устройства, в которых реализуется эффект Джоуля-Томсона, понижающий при дросселировании температуру природного газа. При этом в целях исключения обмерзания регуляторов давления вынуждены подогревать газ. На эти собственные нужды при транспортировке газа расходуется недопустимо большое количество газа. Внедрение изобретения даст большую экономию газа, улучшит экологию и исключит необходимость в регуляторах давления газа. При этом следует иметь ввиду, что предлагаемая вихревая труба проста в изготовлении, надежна и устойчива в эксплуатации при любых давлениях.

Известна адиабатная вихревая труба, в которой сжатый воздух из сети поступает в ресивер, затем в сопловой ввод, где расширяется и получает закрутку. Далее закрученный поток газа попадает в коническую камеру энергетического разделения, где происходит процесс энергетического разделения газа с образованием двух потоков, из которых один, перемещающийся по периферии и имеющий более высокую температуру и давление, выходит через лопаточный диффузор. Другая периферийная часть завихренного горячего потока (рециркулирующая часть) поступает в аэродинамическую решетку (сетку). Проходя ее, газ разбивается на мелкие струи и вдувается в приосевую полость вихревой камеры энергоразделения. Рециркулирующий поток газа перемещается в приосевой области камеры энергоразделения от аэродинамической решетки к диафрагме и выходит через отверстие в диафрагме в конический осевой и щелевой диффузоры и далее в ресивер холодного потока, т.е. к потребителю.

Таким образом, рассматриваемая выше вихревая труба работает как энергоразделитель с получением холодного и горячего потока. Она не может служить вихревым дросселем природного газа и поэтому нуждается в больших конструктивных и технологических изменениях.

Целью изобретения является расширение области рационального применения вихревой противоточной трубы путем превращения адиабатной противоточной вихревой трубы в адиабатно-изотермическую противоточную вихревую трубу, работающую в режиме изотермического дросселирования, в котором начальное давление природного газа снижается без изменения его начальной температуры.

Это достигается тем, что противоточная вихревая труба дополнительно содержит на выходе холодного потока дроссельный клапан, примыкающий к торцу соплового аппарата со стороны диафрагмы, и внешний патрубок для отвода оптимального количества холодного потока в камеру энергоразделения для регенерации тепла, а также тангенциальный ввод газа в камеру энергразделения, выполненный в виде кольцевой многоступенчатой турбулизирующей решетки с микросоплами, которые одновременно с подачей газа генерируют акустические колебания. При этом полезный эффект от изменения структур полей параметров потока за микросоплами, отражающийся на повышении эффективности процесса энергоразделения, превалирует над увеличением гидравлических потерь в микросоплах.

На фиг. 1 изображена предлагаемая вихревая труба, продольный разрез; на фиг. 2 разрез А-А на фиг. 1.

Вихревая труба имеет корпус 1. С одной стороны в корпус вставлен сопловой аппарат 2. Крышкой корпуса 3 сопловой аппарат прижимается к корпусу. В корпусе по оси располагается камера 4 энергетического разделения газа, а с противоположной стороны диафрагма 5 и дроссельный клапан 6, примыкающий к торцу камеры энергоразделения со стороны диафрагмы. Горячий конец камеры энергоразделения газа соединяется с ресивером 7 смеси газов. В корпусе ресивера смонтированы аксиальная сопловая решетка 8, ее диафрагма 9 и камера решетки 10. Камера решетки соединяется с полостью дроссельного клапана патрубком 11. К корпусе ресивера смеси газов крепятся патрубок 12 смеси газов со штуцером под манометр 13 и дроссельное сопло 14, а также штуцера под манометры 15 и 16. Температуры потоков газа замеряются хромель-копелевыми термопарами 17 и 18. В трубе имеется патрубок 19 выхода газа к потребителю.

Рабочий процесс предлагаемой противоточной адиабатно-изотермической вихревой трубы осуществляется следующим образом.

Сжатый газ из сети поступает в ресивер, в котором замеряются температура и давление газа, а затем входит в тангенциальный сопловой аппарат, который представляет собой коническую кольцевую многоступенчатую турбулизирующую решетку с диаметрами цилиндрических микросопел в 1 мм, где газ расширяется и получает закрутку. Угол раствора внутренней конической поверхности тангенциального соплового аппарата, примыкающего к камере энергоразделения, равен практически ее углу раствора и, следовательно, средние диаметры ступеней сопловых решеток возрастают по ходу газа, т.е. от диафрагмы холодного потока к камере энергоразделения газа. При этом струи газа, вытекающие из микросопел каждого ряда, имеют разные моменты количества движения. Далее закрученный поток тангенциально входит в коническую вихревую камеру энергетического разделения, где происходит процесс энергетического разделения газа с образованием двух потоков, из которых один, перемещающийся по периферии камеры и имеющий более высокие температуру и давление, выходит через отверстия в ресивер.

При истечении газа из микросопел тангенциального соплового аппарата одновременно со струями газа образуется целый спектр звуковых колебаний, представляющих собою, как известно из физики, продольные упругие колебания, которые как свет отражаются от внутренней поверхности камеры энергоразделения со скоростью звука и интенсифицируют в ней турбулентность и, как следствие, повышают ее эффективность.

Другой поток, имеющий более низкую температуру и несколько меньшее давление, движется в приосевой области и через отверстия в диафрагме поступает в дроссельный клапан, который дозирует его через внешний патрубок в камеру аксиальной сопловой решетки. Проходя решетку с 140 цилиндрическими микросоплами диаметром в 1 мм (микросопла аксиальной сопловой решетки с отверстиями большего диаметра менее эффективны, а меньшего диаметра создают большое гидравлическое сопротивление и сложны в изготовлении), газ разбивается на мелкие струи и энергично вдувается в приосевую полость вихревой камеры энергоразделения, интенсифицируя в ней турбулентность, способствующую повышению эффективности процесса энергоразделения газа.

Указанный выше энергичный переток газа объясняется тем, что вследствие установленного центробежного процесса расширения газа, протекающего с падением статического давления по радиусу на широком конце конической вихревой камеры энергоразделения при замене аксиальной сопловой решетки плоской стенкой в приосевой зоне образуется область низкого давления ( в цилиндрической вихревой камере энергоразделения этот процесс отсутствует). Глубина вакуума зависит от режима работы вихревой трубы, т.е. от величины массовой доли холодного потока газа, поступающего на регенерацию μ давления Р₁ и температуры газа на входе в трубу Т₁, где G_х масса холодного потока газа; G₁ масса газа на входе в трубу. Чем больше μпри Р₁ соnst, тем больше глубина вакуума. Так, например, при Р₁ 0,26 МПа, Т₁= 295 К и μ= 1 абсолютное давление газа на оси широкого конца конической камеры энергоразделения диаметром D 42 мм, оптимальной длиной 126 мм, т.е. длиной, равной трем диаметрам трубы, оптимальным углом конусности 3^о40' и оптимальной величиной диаметра отверстия в диафрагме, равного d_x (0,48-0,50)D, составляет 3 мм ртутного столба, т.е. 400 Па.

Таким образом, рециркуляция газа обеспечивается самим рабочим процессом вихревой трубы без дополнительных затрат энергии, так как широкий конец конической камеры энергоразделения помимо своего прямого назначения работает и как противоточный вихревой эжектор. Он всасывает через аксиальную сопловую решетку в камеру энергоразделения рециркулирующую часть газа G_р. При этом статическое давление газа на входе в камеру энергоразделения падает, что способствует при постоянных Р₁, Т₁ и μ увеличению скорости истечения и расхода газа через вихревую трубу G₁. При постоянных Р₁ и Т₁ с увеличением μ возрастает периферийное статическое давление горячего потока, эжекционный эффект камеры энергоразделения и, как следствие, увеличиваются G_р и ее коэффициент эжекции n_в= μ так как при этом величина G₁ несколько падает. Увеличение G_p G_xувеличивает скорость истечения газа через сопла аксиальной сопловой решетки. Кроме того, с увеличением μ, при постоянных значениях Р₁ и Т₁растет давление Р_г и температура горячего потока Т_г, которые оказывают влияние на температуру холодного потока Т_х. В пределе при μ= 1 вихревая труба работает как дроссельное устройство с наличием эффекта Джоуля-Томсона.

Таким образом, предлагаемая коническая камера энергоразделения работает по двум совмещенным принципам работы отдельных вихревых устройств: противоточного эжектора и противоточной вихревой камеры энергоразделения с тангенциальной и аксиальной сопловыми решетками. В предлагаемой вихревой трубе процесс энергоразделения в камере происходит при одновременном смешении двух потоков газа с разными температурами и практически одинаковыми давлениями. В результате этого сложного процесса полная температура смеси газа на выходе из камеры Т_см практически равна полной температуре газа на ее входе Т₁. Это утверждение вытекает и из уравнений энергий вихревого эжектора Т_см μ Т_х + (1 μ)Т_г и камеры энергоразделения Т₁ μ Т_х + (1 -μ )Т_г, из которых Т_см Т₁, т.е. без учета тепловых потерь в окружающую среду соблюдается закон сохранения энергии. Здесь (1 μ) удельное количество массы газа, поступающего в рабочую нитку газопровода, а Т_см его полная температура. Когда говорится о величине μ, имеется ввиду, что эта величина понимается не по полным температурам потока газа, а как отношение μ, так как по полным температурам в предлагаемой вихревой трубе ее определить нельзя, ибо Т_г Т₁ или Т_см Т₁ и μ .

Вихревой эжекционный эффект, создаваемый горячим концом диффузионной камеры энергоразделения, увеличивает скорость истечения газа из осесимметричных микросопел аксиальной решетки. При истечении одновременно со струями газа образуется целый спектр звуковых колебаний, которые, как известно из физики, представляют собою продольные упругие колебания. Действия этих упругих возмущений, передающихся со скоростью звука, интенсифицируют турбулентность в камере энергоразделения и, как следствие, значительно повышает ее эффективность. Без аксиальной сопловой решетки, как показывают опыты, эффективность процесса энергоразделения резко ухудшается.

Оптимальный диаметр аксиальной сопловой решетки определяется опытным путем и равен D_p (0,94-0,90)D.

Итак, аксиальная и тангенциальная сопловые решетки, повышающие эффективность процесса энергоразделения газа, являются генераторами большого числа непрерывно действующих механических импульсов, количественно равных числу их микросопел.

Для упорядочения перетока холодного газа на выходе из диафрагмы установлен дроссельный клапан, примыкающий к торцу камеры со стороны диафрагмы, с возможностью осевого перемещения и регулировкой, таким образом, перетока оптимального количества рециркулирующего газа в зарешеточное пространство, в котором при отсутствии перетока при Р₁ 2,94˙10⁵ н/м² и μ≥0,4 образуется зона глубокого вакуума. Количество перепускаемого рециркулирующего газа, соответствующее оптимальному коэффициенту эжекции камеры энергоразделения, определяется опытным путем и зависит от величин μ и Р₁. С их ростом дроссельный клапан приоткрывается.

Из описания конструкции и рабочего процесса предлагаемой вихревой трубы следует, что в ней широко и рационально используется кинетическая энергия вращательного и поступательного движений потоков газа. На входах в камеру энергоразделения имеют место два различных по температурам и назначению потока газа: один, основной, входит тангенциально через кольцевую многоступенчатую турбулизирующую решетку с микросоплами для создания многоструйного вращательного движения газа вокруг ее продольной оси. Микросопла одновременно с подачей газа генерируют акустические колебания. Другой рециркулирующий поток, входит с другого конца камеры аксиально через микросопла аксиальной решетки для создания острого струйного дутья. Этот поток газа, изменяющий характер движения газа в камере энергоразделения, вызывает перестройку полей скоростей, давлений и температур. Особенно значительно снижаются величины тангенциальных скоростей и поэтому раскрутка горячего потока в лопаточном или щелевом диффузорах теряет практический смысл. При взаимодействиях указанных потоков газа и звуковых колебаний в камере энергоразделения происходит их смешение с образованием развитой турбулентности, способствующей повышению эффективности процесса энергоразделения. При этом в камере энергоразделения создается практически постоянное статическое давление газа по радиусу камеры по всей ее длине, которое очень близко по величине к периферийному статическому давлению, т.е. к статическому давлению горячего потока на периферии камеры энергоразделения. Следовательно, в процессе энергоразделения газа статическое давление холодного потока и скорость истечения его из камеры значительно выше, чем в других ранее известных конструкциях вихревых труб. Это обстоятельство, наряду с рекордно большими значениями ΔТ_х Т₁ Т_х значительно повышает эксергетический КПД предлагаемой вихревой трубы.

Итак, аксиальная сопловая решетка и эжекционный эффект, создаваемый конической камерой энергоразделения, не только улучшают характеристики вихревой трубы, но и повышают статическое давление газа в процессе энергоразделения и при всех значениях μ и при Р₁ соnst увеличивает расход газа, проходящего через вихревую трубу.

Исходя из сказанного, предлагаемую камеру энергоразделения практически можно назвать изобарической. Изобарность процесса энергоразделения согласуется и с тем известным в физике фактом, что звуковые волны, т.е. продольные акустические колебания, образующиеся при истечении газа из микросопел аксиальной решетки, распространяются в камере энергоразделения со скоростью звука. Описать при этом механизм процесса преобразования кинетической энергии в тепло в вихревой камере энергоразделения с физической точки зрения пока невозможно.

Исследования показывают, что изобарность процесса энергоразделения и эффективность рабочего процесса вихревой трубы, характеризуемая функциями ΔТ_х f( μ) и q_вт ϕ( μ), зависит при Р₁ соnst от оптимальных геометрических размеров ее основных элементов, главным от угла конусности камеры энергоразделения и величины диаметра отверстия в диафрагме d_x.

Величина давления газа, поступающего в рабочую нитку газопровода, регулируется при Р₁ соnst путем изменения диаметров отверстий в диафрагме камеры энергоразделения d_x и в дроссельном сопле d_г, т.е. путем изменения величины μ, а следовательно, путем изменения давления в камере энергоразделения. Оптимальная величина μи, следовательно n_в, должна изменяться в тех пределах, при которых наблюдается докритический режим истечения газа из микросопел тангенциальной сопловой решетки, позволяющей автоматически регулировать необходимые давление и расход газа у потребителя. Таким образом, эксплуатационный переменный режим работы предлагаемой вихревой трубы зависит от внешней нагрузки рабочей нитки газопровода и определяется опытным путем, так как он зависит от большого количества факторов. С увеличением расхода газа за вихревой трубой происходит падение давления у вихревой трубы, что передается по газовому тракту в камеру энергоразделения и расход газа через микросопла тангенциальной сопловой решетки возрастет, так как сопловой аппарат работает на докритических перепадах давления. С ростом давления за вихревой трубой происходит обратное явление. По этой причине регуляторы давления газа в рабочей нитке газопровода не требуются.

В предлагаемом устройстве снижение давления газа происходит в три ступени. Наибольшее снижение по ходу газа происходит в микросоплах тангенциального соплового аппарата. Здесь степень расширения газа определяется величиной μ которая выбирается из расчета того, чтобы обеспечивался докритический режим истечения газа, который, как известно из теории истечения газов из сопел, определяет не только пропускную способность вихревой трубы, т.е. производительность по расходу газа, но и позволяет автоматически без регуляторов давления регулировать величину давления и расхода газа в рабочей нитке газопровода, вплоть до наступления критического режима истечения.

Далее из-за наличия гидравлических и тепловых сопротивлений, незначительное снижение давления газа происходит в камере энергоразделения. Третья ступень снижения давления имеет место в дроссельном сопле на выходе газа из камеры энергоразделения и поступающего в рабочую нитку газопровода, который обладает большим гидравлическим и тепловым сопротивлениями, оказывающими влияние на величину d_г, а следовательно, и на рабочий процесс вихревой трубы, т.е. на величину μ.

Чем выше скорость газа в рабочей нитке газопровода, тем выше гидравлические сопротивления и чем ниже температура газа, тем меньше тепловое сопротивление.

В целях энергозатрат на транспортировку газа и сохранения изоляции рекомендуется, как известно, ограничивать скорость газа в газопроводах до 25 м/с и понижать его температуру ниже 50^оС.

Является целесообразным без дополнительных затрат энергии понижать температуру газа ниже 50^оС за счет уменьшения его потенциальной энергии. Однако эта задача требует особых конструктивных решений, выходящих за пределы конструкции рассматриваемой установки.

Таким образом, падение давления газа, поступающего из камеры энергоразделения в рабочую нитку газопровода, идущего к потребителю, происходит через изменение характера процесса энергоразделения газа в вихревой камере. Иными словами, падение давления в вихревой камере с сохранением начальной температуры газа на ее выходе, объясняется затратой энергии на температурное разделение газа и на эжекцию холодного потока, идущего на регенерацию тепла. Сам процесс энергоразделения является как бы изотермическим редуктором давления с переменной степенью редукции, т.е. с переменной величиной μ. Эта возможность является важным свойством процесса энергоразделения, что делает предлагаемую вихревую трубу, работающую в режиме вихревого дросселирования газа, незаменимым изотермическим газовым дросселем, резко отличающимся от общеизвестного неизотермического дросселя, в котором имеет место эффект Джоуля-Томсона.

На предельных режимах работы вихревой трубы, когда μ= 0 или μ 1, труба работает как обычный простой дроссель с проявлением эффекта Джоуля-Томсона и температура газа изменяется в первом случае за счет дросселирования в сопле с диаметром отверстия d_г (см. фиг. 1), а во втором случае в диафрагме с диаметром отверстия d_x и выходом газа в атмосферу. На этих предельных режимах работы трубы без процессов энергоразделения невозможно регулировать давления и температуры газа на ее выходах.

Как следует из описания, предлагаемую вихревую трубу, работающую по новейшему прогрессивному технологическому процессу энергоразделения газа, можно назвать вихревой трубой с внутренней регенерацией тепла. В такой вихревой трубе процесс энергоразделения газа протекает одновременно с процессом турбулизации рабочего тела в камере энергоразделения газа. Эти новейшие технологические и конструктивные признаки, в которых заложены новые физические принципы процесса энергоразделения газа, представляют собой новую ветвь вихревого машиностроения.

Испытание адиабатно-изотермической вихревой трубы указанных выше размеров показывает, что при давлении воздуха на входе в трубу Р₁ 4,9˙10⁵ н/м² и температуре Т₁ 292К, температура воздуха на выходе из трубы 291,6К. Незначительное отклонение в величинах температур воздуха на входе в трубу и на ее выходе свидетельствует о несовершенстве ее тепловой изоляции и поэтому не противоречит закону сохранения энергии. Таким образом, предлагаемая вихревая труба может работать в режиме адиабатно-изотермического дросселирования газа. Она работает на докритических режимах истечения газа из сопел тангенциального соплового аппарата. Поэтому регуляторы давления газа в газопроводах не нужны. Она сама регулирует давление и расход газа, поступающего в рабочую нитку газопровода.

В заключении заметим, что если отводить некоторую долю холодного газа помимо регенерации через патрубок 20 на какие-либо производственные нужды, то предлагаемая вихревая труба будет работать не в режиме изотермического дросселирования газа, а в своем обычном режиме с выдачей холодного и горячего потоков газа необходимых параметров, т.е. будет работать в режиме адиабатической вихревой трубы. Температуры и давления этих потоков будут зависеть при Р₁ соnst от величины μ. С ростом μ температура и давление горячего потока будет возрастать, а ΔТ_хТ₁ Т_х будет уменьшаться.

Изобретение расширяет область рационального применения вихревой трубы, работающей на воздухе, и делает ее более универсальной.

Использование: холодильной технике. Сущность изобретения: вихревая труба, работающая по новейшему прогрессивному процессу энергоразделения газа является трубой с внутренней регенерацией тепла. В такой вихревой трубе процесс энергоразделения протекает одновременно с процессом турбулизации рабочего тела в камере энергоразделения. Труба может быть использована в газовой промышленности. Так как она позволяет заменить дроссельные устройства, в которых реализуется эффект Джоуля-Томсона, понижающий при дросселировании температуру природного газа, что вызывает необходимость подогрева его в целях исключения обмерзания регуляторов давления. На эти собственные нужды расходуется недопустимо большое количество газа. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. ВИХРЕВАЯ ТРУБА, содержащая коническую камеру энергетического разделения газа с односопловым улиточным вводом сжатого газа, диафрагму с осевым и шелевым диффузорами для отвода холодного потока, лопаточный диффузор для вывода горячего потока и установленную на торце аэродинамическую сетку, перекрывающую сечение горячего конца вихревой камеры энергоразделения, отличающаяся тем, что труба дополнительно содержит на выходе холодного потока дроссельный клапан для обеспечения дозирования в зависимости от режима работы трубы, оптимального количества охлажденного рециркулирующего газа в ее приосевую область, причем клапан установлен с возможностью осевого перемещения и его рабочая поверхность обращена к диафрагме. 2. Труба по п.1, отличающаяся тем, что, с целью повышения эффективности, сопла соплового ввода выполнены в его стенках в виде нескольких рядов каналов, направленных тангенциально к внутренней профилированной поверхности камеры энергоразделения газа. 3. Труба по пп.1 и 2, отличающаяся тем, что, с целью отвода оптимального количества холодного потока от дроссельного клапана к аксиальной сопловой решетки, она снабжена внешним патрубком.