ПНЕВМОИМПУЛЬСНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОЧИСТКИ ВНУТРЕННИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ ТРУБОПРОВОДОВ Российский патент 1999 года по МПК B08B5/02 B08B9/04 

Изобретение относится к очистке внутренних поверхностей трубопроводов и может быть использовано в горнодобывающей промышленности, в промышленных трубопроводах, перекачивающих сильно загрязненные жидкости, вплоть до пульпы, а также в трубопроводах коммунальных магистралей,
Известно устройство для очистки поверхностей (a.c. N 1769989, кл. B 08 B 5/02, 1992), которое использует для очистки поверхности стационарные воздушные струи, формируемые соплами, оси которых являются сходящимися и расположенными относительно друг друга так, что в результате взаимодействия струй в зоне очищаемой поверхности образуется нестационарное пульсирующее течение, обеспечивающее очистку поверхности от отложений. Установочные углы при этом определены для стационарных струй, истекающих в атмосферу для организации нестационарного пульсирующего течения на некотором расстоянии от сопел.

Недостатком данного устройства является то, что оно по своей конструкции может быть эффективно использовано для очистки плоских и близких к плоским поверхностей, а для очистки внутренних поверхностей оно не эффективно вследствие неэкономичности (постоянный расход воздуха), низкой производительности и эффективности очистки (давление рабочего воздуха 6-9 атм), а также конструктивными особенностями, затрудняющими обеспечение перемещения устройства по трубопроводу в процессе очистки.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является устройство для очистки внутренней поверхности трубопровода (а. с. N 1549622, кл. B 08 B 5/02, 1990). Устройство содержит корпус, разделенный поршнем на входную и нагнетательную камеры. Подача воздуха из входной камеры в нагнетательную камеру производится через кольцевой зазор между поршнем и внешней поверхностью воздухоподводящей трубки. Поршень выполнен ступенчатым и движется под действием разности сил давления, действующих со стороны входной и нагнетательной камер. В момент своего разрежения нагнетательная камера сообщается с окружающей средой через радиальные каналы, оси которых расположены под углом к оси симметрии устройства. Выхлопные импульсные струи и формируемые ими ударные волны воздействуют на отложения на внутренних поверхностях трубопроводов и разрушают их. При этом устройство получает импульс силы, обеспечивающий перемещение его по трубопроводу.

Недостатком этого изобретения является низкая эффективность очистки от прочных отложений, обусловленная недостаточными для разрушения величинами интенсивности и импульса ударных волн, являющихся основными параметрами, определяющими процесс разрушения отложений. Это вызвано тем, что ударные волны, генерируемые струями, выходящими из радиальных каналов, оси которых расходятся, при движении от среза сопел к поверхности отложений сильно затухают, что приводит к существенному снижению их интенсивностей и импульсов при взаимодействии с отложениями. В результате срочные отложения не разрушаются.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение эффективности и производительности очистки внутренних поверхностей трубопроводов от отложений.

Поставленная задача реализуется благодаря тому, что воздействие на отложения производят импульсными струями, истекающими из дополнительных групп каналов, при этом каждая из групп состоит из двух и более смежных каналов со сходящимися осями, распределенных по периметру по крайней мере одного поперечного сечения корпуса устройства, оси которых сходятся и пересекаются под углом ϕ = 30-40^o на расстоянии L₀ от центров выходных отверстий групп каналов, которые определяется из соотношения


где
d₀ - диаметр поперечного сечения выходного канала;
относительное расстояние от центров выходных отверстий группы каналов до внутренней поверхности слоя отложений в направлении точки пересечения осей данной группы каналов;
относительная толщина слоя отложений;
L_отл - расстояние от центров выходных отверстий групп каналов до внутренней поверхности слоя отложений в направлении точки пересечения осей данной группы каналов;
b_отл - толщина слоя отложений.

Указанные признаки не выявлены в других технических решениях при изучении уровня данной области техники, и, следовательно, решение является новым и имеет изобретательский уровень.

Предлагаемое техническое решение промышленно применимо при очистке внутренних поверхностей трубопроводов, например, в промышленных трубопроводах.

На фиг. 1 представлен общий вид устройства для очистки поверхностей; на фиг. 2 и фиг. 3 - сечение по А-А - показано расположение групп каналов, состоящих из двух каналов, расположенных в одном поперечном сечении; фиг. 4 - представлены группы из двух каналов расположенных в двух поперечных сечениях; фиг. 5 - волновая структура течения у поверхности отложений.

Устройство состоит (фиг. 1) из корпуса 1, разделенного поршнем 2 на входную камеру 3 и нагнетательную камеру 4. Входная камера 3 сообщена c источником сжатого воздуха (не показан) посредством воздухоподводящей трубки 5 и через отверстие 6 в ней. Воздухоподводящая трубка 5 проходит через осевое отверстие в поршне 2 и образует с последним кольцевой зазор 7. Входная камера 3 сообщена с нагнетательной камерой 4 через кольцевой зазор 7. Поршень 2 выполнен ступенчатым. В корпусе 1 в зоне нагнетательной камеры 2 выполнены сквозные отверстия 8 под углом к оси устройства, обеспечивающие перемещения устройства по трубопроводу в процессе очистки, а также сквозные группы каналов (фиг. 2, 3) состоящие из двух и более каналов 9, оси которых сходятся под углом ϕ = 30-40^o и пересекаются на расстоянии L_o. Торцевая поверхность 10 поршня 2 находится в канале входной камеры 3 устройства. Нагнетательная камера 4 имеет входное отверстие 11. Вторая ступень поршня 2 организована полостью 12 между поверхностью поршня 2, обращенной в сторону нагнетательной камеры 4 и внутренней поверхностью корпуса 1.

Устройство работает следующим образом.

Сжатый воздух из источника (не показан) поступает в воздухоподводящую трубку 5 и через отверстие 6 в ней поступает во входную камеру 3. Из входной камеры 3 через кольцевой зазор 7 сжатый воздух перетекает в нагнетательную камеру 4. При этом поршень 2 перемещается влево под действием повышенного давления на торцевую поверхность 10 поршня 2 и перекрывает выходное отверстие 11 из накопительной камеры 4. Площадь выходного отверстия 11 из нагнетательной камеры 4 больше площади торцевой поверхности 10, поэтому при достижении заданного давления в нагнетательной камере 4 сила, действующая на торцевую поверхность 10 на величину силы трения между поршнем 2, ограниченную выходным отверстием 11 из нагнетательной камеры 4, становится больше силы давления на торцевую поверхность 10 на величину силы трения между поршнем 2 и корпусом 1. При этом поршень 2 начинает двигаться в сторону входной камеры 3. Как только поршень 2 отойдет от седла, давление сжатого воздуха в нагнетательной камере 4 распространяется в полость 12 и начинает работать вторая ступень поршня 2. Сила давления на поршень 2 со стороны нагнетательной камеры 4 резко увеличивается и поршень 2 существенно ускоряется в сторону входной камеры 3, открывая при этом выходное отверстие 11, через которое сжатый воздух из нагнетательной камеры 4 через отверстия 8, 9 выходит в окружающую среду. При этом струи воздуха через выходные отверстия 8 обеспечивают перемещение устройства по трубопроводу. После разрежения нагнетательной камеры 4 поршень 2 под действием давления воздуха, поступающего во входную камеру 3, перемещается в сторону нагнетательной камеры и перекрывает выходное отверстие 11 из нагнетательной камеры 4 и цикл работы устройства повторяется.

Сходящиеся импульсные струи после выхода из каналов 9 при подходе к поверхности отложений (фиг. 5) вследствие взаимодействия генерируемых ими ударных волн формируют волновую структуру, соответствующую нерегулярному взаимодействию (Ляхов В. И. и др. "Воздействие ударных волн и струй на элементы конструкции, М. : Машиностроенне, 1989.) В результате интерференции сходящихся ударных волн, генерируемых импульсными струями, выходящими из каждой группы каналов, при углах встречи больших критического значения происходит их нерегулярное взаимодействие в окрестности отложений, обеспечивающее существенное увеличение избыточного статического давления за образующейся при этом конфигурацией ударных волн. При этом (фиг.5) образуются две тройные конфигурации волн (в случае взаимодействия двух волн), включающие в себя две падающие волны 1, две отраженные волны 2, прямой скачек 3 (мостик Маха) и две зоны вихревого течения 4, ограниченные поверхностями контактных разрывов. Формирование прямого скачка 3 и отраженных скачков 2, за которыми существенно повышается избыточное статическое давление по сравнению с давлением за падающей волной 1 и вихревых зон 4 приводит к заметному увеличению интенсивности и импульса данной системы ударных волн. Так как процесс нерегулярного взаимодействия происходит в окрестности отложений, существенно повышается эффективность воздействия импульсных струй на отложения. Угол схождения осей смежных каналов каждой группы ϕ и рассстояние, на котором пересекаются их оси L_o, определяется из условия обеспечения нерегулярного взаимодействия ударных волн вблизи поверхности отложений.

Как показали расчетные данные и экспериментальные исследования, проведенные с пневмоимпульсными генераторами в натурных условиях, при давлениях рабочего воздуха в нагнетательной камере P=50-100 атм, угол схождения осей смежных каналов одной группы должен составлять ϕ = 30-40^o, а точки пересечения их осей должны находиться на расстояниях от центров выходных отверстий групп каналов, определяемых из соотношения


где
d₀ - диаметр поперечного сечения выходного канала,
относительная толщина сдоя отложений;
относительное расстояние от центра выходных отверстий групп каналов до внутренней поверхности отложений в направлении точки пересечения осей групп каналов.

При этом обеспечивается максимальная эффективность воздействия выхлопных струй на отложения.

Установочные размеры выхлопных каналов и определены из условия обеспечения нерегулярного взаимодействия нестационарных ударных волн, генерируемых импульсными струями (длительность импульса менее 50 мс с частотой менее 2 Гц).

При определении геометрических параметров выхлопных каналов устройства (общее число каналов, число каналов в группе, число групп, площадь одного отверстия) необходимо обеспечить два условия:
Удаление отложений из трубопровода после его обработки усложняется при больших размерах откалываемых кусков отложений. Для уменьшения размеров отрываемых отложений необходимо учитывать, что поперечный размер отрываемых отложений определяется расстоянием между смежными группами отверстий L_гр (фиг. 3). Существенно уменьшить расстояния между смежными группами отверстий позволяет схема устройства о организацией групп каналов, состоящие из двух каналов, расположенных в двух поперечных сечениях (фиг.4).

Перемещение устройства по трубопроводу обеспечивается выхлопными струями истекающими из каналов, расположенных вблизи нагнетательной камеры, оси которых расположены под углом к оси устройства. Суммарная площадь этих отверстий составляет 20-25% от исходной площади выхлопных отверстий устройства по прототипу.

Рекомендации по углу схождения осей выхлопных каналов и расстоянию, на котором они пересекаются применимы в диапазоне относительных расстояний
Предлагаемое устройство позволяет увеличить интенсивность системы ударных волн, что обеспечивает более качественную очистку обрабатываемых поверхностей.

Пример. Для очистки трубопровода диаметром d_у = 159 мм, на стенках которого сформировался слой отложений, диаметр внутренней поверхности которых составлял 60 мм, было использовано устройство, снабженное шестью группами выходных каналов, распределенных в одном поперечном сечении корпуса устройства (диаметр корпуса 40 мм), состоящих из двух смежных каналов, оси которых сходились под углом ϕ = 30^o и пересекались на расстоянии от центров выходных каналов L₀= 21 мм, что соответствует при диаметре выходных каналов d_о = 4 мм относительному расстоянию 5,25. При этом точки пересечения осей каналов находились внутри слоя отложений на расстоянии 10 мм от их внутренней поверхности, что соответствовало - 0,2 • b_отл.

Изобретение относится к очистке внутренних поверхностей трубопроводов и может быть использовано в различных областях. В изобретении обеспечивается повышение эффективности и производительности очистки внутренних поверхностей трубопроводов от отложений. Воздействие на отложения производят импульсными струями, истекающими из дополнительных групп каналов. При этом каждая из групп состоит из двух и более смежных каналов со сходящимися осями, распределенных по периметру по крайней мере одного поперечного сечения корпуса утройства, оси которых сходятся и пересекаются под углом ϕ = 30-40^o на расстоянии L₀ от центров выходных отверстий групп каналов, определенным из соотношения
,
где d₀ - диаметр поперечного сечения выходного канала;
- относительное расстояние от центров выходных отверстий группы каналов до внутренней поверхности слоя отложений в направлении точки пересечения осей данной группы;
- относительная толщина слоя отложений;
L_отл - расстояние от центров выходных отверстий групп каналов до внутренней поверхности слоя отложений в направлении точки пересечения осей данной группы каналов. 5 ил.

Пневмоимпульсное устройство для очистки внутренних поверхностей трубопроводов, содержащее полый корпус, разделенный подвижным поршнем на входную камеру и нагнетательную камеру, сообщающуюся посредством выходных каналов с окружающей средой, отличающееся тем, что оно дополнительно снабжено группами выходных каналов, распределенных по периметру по крайней мере одного поперечного сечения корпуса устройства, при этом каждая из групп состоит из двух и более смежных каналов, оси которых сходятся под углом ϕ = 30-40^° и пересекаются от центров выходных отверстий на расстояниях


где d₀ - диаметр поперечного сечения выходного канала;
относительное расстояние от центров выходных отверстий группы каналов до внутренней поверхности слоя отложений в направлении точки пересечения осей каналов;
относительная толщина слоя отложений;
L_отл - расстояние от центров выходных отверстий группы каналов до внутренней поверхности слоя отложений в направлении точки пересечения осей каналов.