ВИХРЕВОЙ СТРУЙНЫЙ АППАРАТ Российский патент 1997 года по МПК F04F5/42 

Изобретение относится к химической, нефтехимической, нефтяной, энергетической, металлургической промышленностям и другим отраслям, где возникает необходимость использования струйных аппаратов (эжекторов, инжекторов) для транспорта флюидных парогазовых, жидких или сыпучих веществ, или для системы создания вакуума путем отсасывания из аппаратов газов и паров и др.

Известны струйные аппараты, в которых струя рабочей жидкости, подаваемая через сопло, захватывает транспортируемый поток флюидного вещества (Соколов Е.Я. Зингер Н.М. Струйные аппараты. М. Энергоатомиздат, 1989; Щукин В.К. Калмыков И.И. Газоструйные компрессоры. М. Энергоиздат, 1963; Цейтлин А.Б. Пароструйные вакуумные насосы. М. -Л. Энергия, 1965). Эти аппараты, широко применяемые в различных отраслях техники, по принятой классификации называются эжекторами, в случае использования струйных аппаратов для создания вакуума, или инжекторами, в случае для повышения давления одного из потоков, транспорта вещества, струйного турбулентного смешения потоков и др.

Например, для создания достаточно глубокого вакуума в промышленных аппаратах используют систему, содержащую в большинстве случаев несколько эжекторов с центральным вводом рабочего парообразного агента (чаще всего водяного пара), который, например, на первой ступени после эжектора конденсируют в специальном конденсаторе. В результате конденсации и превращения водяного пара в жидкость, воду отделяют, в неконденсирующиеся газы и пары отсасывают следующей ступенью эжекции, содержащей также эжектор, конденсатор, разделитель газов и жидкости и т.д. Обычно таких ступеней эжектирования бывает 2, 3, 4.

Недостатками таких эжекторов и инжекторов являются
большое количество вспомогательного оборудования (конденсаторов, разделителей потоков);
значительное гидравлическое сопротивление самих эжекторов и инжекторов;
сложность выполнения самих эжекторов и инжекторов; необходимо изготовлять струйные аппараты переменного сечения типа сопла Лаваля, состоящего из двух конусных полостей;
значительный расход энергоносителей, хладагентов для конденсации паров рабочего агента;
низкие объемные коэффициенты инжекции.

Близкой по технической сущности и достигаемому эффекту является конструкция устройства водовоздушного инжектора, обладающего высокими объемными коэффициентами инжекции и малым гидравлическим сопротивлением в самом аппарате. Это устройство представляет собой цилиндрическую камеру (трубу) с центральной распылительной форсункой, которая поток рабочей жидкости разбивает в диспеpгированную струю, т.е. струю в виде факела, состоящего из мелких капель. Такие аппараты обладают значительными объемными коэффициентами инжекция: 250-800 объемов отсасываемого агента на один объем струи рабочего агента (Соколов Е. Я. Зингер Н.М. Струйные аппараты. М. Энергоатомиздат, 1989, с. 266-274).

Недостатком этой известной конструкции является невозможность создания достаточного перепада давления: исследовательские и расчетные данные показывают, что максимальный перепад давления составляет не более 40 мм рт.ст. что в подавляющем большинстве случаев является недостаточным для промышленных аппаратов.

Наиболее близким к предагаемому аппарату является. Многосопловой эжектор, содержащий патрубок подвода активной среды, сообщенный с газораспределительным коллектором, на выходе которого установлены активные сопла, расположенные под углами к оси эжектора и меридиональной плоскости, осевой патрубок, подвода пассивной среды, камеру смешения и диффузор, отличающийся тем, что газораспределительный коллектор выполнен кольцевым и его внутренняя стенка имеет криволинейную форму и плавно сопряжена с осевым патрубком, патрубок подвода активной среды размещен тангенциально коллектору, а гулы расположения сопел эжектора и меридиальной плоскости равны соответственно 5-10 и 25-30^o.

Недостатками этого эжектора являются
значительная сложность изготовления;
наличие отдельных сопел не позволяет использовать тангенциальную составляющую скорости активной среды и поэтому активная среда имеет только одну линейную составляющую скорости подаваемой через сопла активной среды;
необходимо за соплами иметь суженную часть цилиндрического эжектора, а затем расширяющуюся часть (диффузор), что увеличивает гидравлическое сопротивление самого эжектора.

Задача изобретения повысить эффективность аппарата, для чего нами предлагается струйный аппарат для осуществления транспорта флюидных веществ путем эжектирования или инжектирования струей рабочего потока, включающий трубный аппарат с приемной камерой и форсунками, отличающийся тем, что с целью повышения эффективности струйного аппарата, уменьшения гидравлического его сопротивления, струйный аппарат (трубоинжектор и трубоэжектор) выполнен в виде нескольких трубных секций, снабженных круговыми форсунками с тангенциальным вводом в камеру форсунки и профильными круговыми или сопловыми отверстиями в центральной трубе под углом 0-14^o, предпочтительно 7-9^o к оси трубных секций, причем длина каждой трубной секции равна 1-15 диаметром этой секции, при этом, если инжектируемый или эжектируемый поток (поток низкого давления) вводится в трубоинжектор или трубоэжектор под углом > 14^o к оси трубы, то предпочтительна в первой секции центральная форсунка, а приемная камера цилиндрической или сферической, или сфероподобной формы с внутренним диаметром 1,5-2 диаметра эжектирующей или инжектирующей трубы, и вводными штуцерами под углом 14-90^o, предпочтительно < 30^o к оси струйного аппарата.

Необходимо пояснить целесообразность наличия тангенциального ввода в круговую форсунку, обуславливающего вихревое движение в трубе активной среды. Особенность конструкции струйных аппаратов заключается в необходимости после камеры смешения иметь сужающуюся конусообразную полость, на участке которой происходит скачок повышения давления. За этим участком целесообразно устанавливать цилиндрический участок небольшой длины, (чтобы не увеличивать значительно сопротивление), за которым следует участок расширения сечения (диффузор). Все эти изменения сечения известных конструкций инжекторов или эжекторов обуславливают большое гидравлическое сопротивление самих струйных аппаратов и снижают тем самым их эффективность, их коэффициент полезного действия не превышает 10
В изобретении предусматривается осуществить (смоделировать) жесткую механическую конструкцию известных инжекторов и эжекторов путем жидкостной круговой струи конусной формы, которая получается в результате истечения жидкости в виде вихря через круговое отверстие внутрь трубной секции под углом 0-14^o, предпочтительно под углом 7-9^o с помощью круговой форсунки. Так как жидкость вводится также через тангенциальные ввода в круговую форсунку, то все изложенное обуславливает равномерность истечения жидкости по всему круговому отверстию, равномерность толщины круговой струи; то, что истекаемая жидкость имеет две составляющие скорости:
а) линейного перемещения под углом 0-14^o, предпочтительно 7-9^o к оси трубной секции;
б) вращательного движения в результате тангенциального ввода.

В результате наличия двух составляющих скорости движения круговая струя жидкости имеет в начале сужающуюся конусную форму, а затем после того, как скорость линейного перемещения снизится, под влиянием вращательного движения круговая струя жидкости расширится центробежной силой и, таким образом, моделируется жесткая механическая конструкция известных инжекторов и эжекторов вытекающей жидкостной круговой струей, имеющей две составляющие скорости, обуславливающие осевое перемещение вихря.

Сущность изобретения заключается в том, что предлагаемый струйный аппарат выполнен в виде корпуса, составляющего из сферической, цилиндрической приемных камер и нескольких разъемных или неразъемных цилиндрических трубных секции различного диаметра, снабженных круговыми форсунками с тангенциальными вводимыми штуцерами и профильными круговыми отверстиями (с сопловыми проточками или без них) под углом 0-14^o к оси трубных секций и имеющих или не имеющих направляющие профильные лопатки, причем трубные секции снаружи могут иметь оребрения или кожух для воздушного или водяного охлаждения.

Необходимо рассмотреть то, что трубные секции могут иметь различные диаметры из особенности работы струйного аппарата, например, в вертикальном положении, а также в связи с изменением объема газо-парожидкостной смеси при движении последовательно по секциям аппарата. При работе в вертикальном положении статистическое давление активной жидкости в различных секциях будет различным, что вызывает необходимость при конструктировании иметь различное сечение активных сопел у разных цилиндрических секциях струйного аппарата.

Изучение практической работы струйных аппаратов (Соколов Е.Я. Зингер Н. М. Струйные аппараты. Энергоатомиздат, 1989, с. 183) выявляет, что коэффициенты инжекции реально достигают значения 9, что и является верхней границей соотношения активных сопел.

Изменение диаметров трубных секций вытекает также из того, что в процессе работы струйного аппарата рассматриваемой конструкции возможна конденсация и растворение паровой и газовых сред в жидкой фазе или испарение жидкости, при этом объем газо-паро-жидкостной смеси резко изменится и при оптимизации необходимо будет изменять диаметр секции. Объем, как известно, может, например, в стандартных условиях для бензиновых паров при их конденсации изменяться от 22,4 л/моль до 0,15-0,17 л/моль. Это и определяет верхнюю границу соотношения диаметров секций числом 12.

Таким образом, предлагаемое решение обладает новизной в отношении прототипа и существенными отличиями по сравнению с известными техническими решениями.

Конструкция трубоинжектора или трубоэжектора (струйного аппарата) представлена на фиг. 1. Струйный аппарат представляет собой трубу 1, состоящую из разъемных или неразъемных секций I, II и др. при этом каждая секция снабжена круговыми объемной форсункой 2 и 3, имеющую круговое профильное отверстие 4 или 5 с сопловыми канавками 6, или направляющие лопатки 7, или без канавок, под углом 0-14^o, предпочтительно 7^o, к оси трубы, при этом круговые форсунки имеют тангенциальные штуцера 8. На фиг. 1 показано также сужение сечения круговой жидкостной струей, заменяющей конусное сужение сечения струйных аппаратов переменного профильного сечения 9 механических эжекторов и инжекторов (типа сопла Лаваля), 10 ребра воздушного охлаждения, 11 кожух водяного охлаждения, 12 приемная камера.

На фиг. 2 представлена конструкция трубоинжектора или трубоэжектора, когда инжектируемый или эжектируемый поток вещества входит в аппарат под углом более 14^o, в данном случае под углом 90^o. В этом случае трубожектор или трубоинжектор имеет в первой секции приемную камеру сфероподобной формы с центральной по оси трубоэжектора или трубоинжектора расплывающей форсункой с одним или несколькими соплами для ввода эжектирующего потока. Конструкция состоит из приемной камеры 1 сферической или сфероподобной формы, которая может иметь один, два, три и др. секций инжектирующей трубы 3. Секции I, II и др. могут иметь круговые объемные форсунки 4 с круговым профильным соплом 5 или направляющими лопатками 6, типа лопаток направляющего аппарата турбин с тангенциальными штуцерами для ввода рабочего инжектирующего агента 8.

Конструкция круговой форсунки представлена на фиг. 3. Круговая форсунка может быть неразъемной или предпочтительно разъемной для контроля, ревизии и чистки. Форсунка имеет трубную секцию 1 с фланцами 2 (или без фланцев) для соединения с другими секциями. В случае отсутствия фланцев трубные секции соединяются между собой при помощи сварки или пайки. Круговая форсунка, например, может иметь круговое пространство любого сечения 3, ограниченное с одной стороны кольцом фланцем 4, с другой кольцом 5 и охватывающим трубным участком 6 с фланцем 7. Кольцевая форсунка имеет тангенциальный патрубок 8, может быть этих патрубков 2, 3, 4. Сечение круговой форсунки может быть произвольной формы: прямоугольное, полусферическое, полуэллиптическое и др. На фиг. 3 представлены также направляющие лопатки 9 и центрирующий стакан 10.

На фиг. 4 представлена конструкция приемной камеры первой секции цилиндрической формы, в данном случае с двумя вводами инжектируемого вещества и многосопловой форсункой. Конструкция представляет цилиндрический корпус 1, осевые сопла 2, боковые штуцера 3, сопловую решетку 4, крышку 5, распределительную камеру 6, входного штуцера 7. Штриховыми линиями показали штуцера ввода потока 8, предпочтительно под углом < 30^o, к оси трубы.

В случае отсасывания конденсирующихся паров трубоэжектор с целью повышения эффективности может иметь наружное охлаждение воздухом или водой (на фиг. 1, деталь 10 или деталь 11).

При охлаждении воздухом трубоэжектор имеет ребра охлаждения предпочтительно при вертикальном положении вдоль оси трубных секций и перпендикулярно оси при горизонтальном положении.

В случае охлаждения водой трубоинжектор снабжен кожухами, конструкции типа труба в трубе.

При значительном увеличении расхода инжектирующего агента в последующих круговых форсунках или резком уменьшении объема, например, при конденсации одного из агентов трубоэжектор имеет различные диаметры трубоэжектора.

Трубоэжектор работает следующим образом (на примере фиг. 1). Рабочий инжектирующий поток А входит через штуцера 8 в круговые форсунки и через профильные круговые отверстия 4 под углом 0-14, предпочтительно под углом 7-9^o, впрыскивается в трубу 1, при этом за счет кинетической энергии дисперсионной струи через приемный патрубок засасывается инжектируемый поток 8 в секцию I; после смешения рабочего потока с инжектируемым потоком смесь подхватывается во II секции вторым рабочим потоком, который разбрызгивается второй круговой форсункой, и проталкивается в III секцию, в III секции эта смесь проталкивается дальше третьей круговой форсункой и т.д. Вывод этой смеси может быть в аппаратуру или в атмосферу в зависимости от цели эжектирования и экологичности инжектируемого и рабочего потоков.

Принцип работы устройств на фиг. 2, 3 и 4 подобен работе трубоэжектора по фиг. 1, только в первой секции инжектируемый поток инжектируется центральной разбрызгивающей форсункой.

В связи с тем, что внедрение рассматриваемого струйного устройства требует определения хотя бы основных размеров трубоэжектора или трубоинжектора, а также с тем, что нами не было найдено аналогов методик по рассматриваемому устройству, то нами была разработана методика расчета одного из вариантов работы трубоэжектора при вертикальном расположении. В связи с тем, что в трубоэжекторе или трубоинжекторе в различных сечениях происходит изменение структуры потоков, например газа и жидкости (то кольцевой, то дисперсно-кольцевой, то жидкость в центре ядра потока, то в виде периферийного кольца и др. ), в методике для структуры потоков принята для общности решения модель Тернера и Уоллиса. На основе разработанной методики определены основные размеры рассмотренного устройства для целей создания вакуума промышленной установки фракционировки мазута, для производительности установки 3 млн.т. нефти в год.

Наши расчеты показали, что оптимальная длина секции изменяется от 1 до 15 диаметра трубной секции в зависимости от производительности трубоэжектора и соотношения круговых сечений активных сопел от 1 до 9, а внутренних диаметров трубных секций от 1 до 12.

Для создания вакуума с перепадом от 30 до 250 мм рт.ст. при расходе вакуумируемого газа в количестве 415 кг/ч и подаче жидкости дизельного топлива в количестве 15-25 м ч. Диаметр трубных секций трубоэжектора составил 195-278 мм. Эти размеры соответствуют промышленным размерам трубопроводов соответствующих вакуумных работающих аппаратов. Совместно институтом ВНИПИнефть, Пермским нефтеперерабатывающим и Ново-Уфимским нефтеперерабатывающим заводами принято решение о внедрении изобретения для целей создания вакуума при переработке нефти.

Использование: в химической, нефтехимической и других отраслях. Сущность изобретения: внутренняя кромка кольцевого активного сопла струйного аппарата наклонена к оси корпуса под углом 0-14^o, а длина секции составляет 1-15 внутренних диаметров секции. 7 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Вихревой струйный аппарат, содержащий корпус, выполненный в виде нескольких разъемных и/или неразъемных цилиндрических секций с приемной камерой, кольцевым профилированным активным соплом и тангенциальным вводным штуцером, отличающийся тем, что внутренняя кромка кольцевого активного сопла наклонена к оси корпуса под углом 0 14^o, а длина секции составляет 1 - 15 внутренних диаметров секций. 2. Аппарат по п. 1, отличающийся тем, что приемная камера выполнена сферической или сфероподобной, при этом внутренний приведенный диаметр камеры составляет 1,5 2,5 внутренних диаметров секции. 3. Аппарат по п.1, отличающийся тем, что выходное сечение проходного сечения активного сопла наклонено к оси корпуса под углом 0 14^o, предпочтительно 7 9^o. 4. Аппарат по п.1, отличающийся тем, что кольцевые активные сопла снабжены направляющими или проточками, или профилированными лопатками, например лопатками типа паровых и газовых лопаток. 5. Аппарат по п. 1, отличающийся тем, что трубные секции по наружной поверхности снабжены охлаждающими ребрами или кожухом для воздушного или водяного охлаждения. 6. Аппарат по п. 1, отличающийся тем, что цилиндрические секции имеют отношение площади круговых сечений на выходе активных сопел 1 9, а внутренних диаметров секций 1 12. 7. Аппарат по п.1, отличающийся тем, что ось тангенциального вводного штуцера и середина входного отверстия активного сопла не лежат в одной плоскости поперечного сечения корпуса. 8. Аппарат по п.1, отличающийся тем, что ось тангенциального вводного штуцера и середина входного отверстия активного сопла лежат в одной плоскости поперечного сечения корпуса.