ВОЛНОВОЙ ОБМЕННИК ДАВЛЕНИЯ Российский патент 1999 года по МПК F04F11/02 

Изобретение относится к энергетическому машиностроению, а именно в устройству волновых обменников давления, и может быть использовано, в частности в нефтехимической и газовой промышленности в качестве расширительной холодильной машины для установок низкотемпературной обработки газов.

Наиболее близким устройством к предлагаемому изобретению по совокупности признаков является волновой обменник давления, содержащий корпус с закрепленными на нем газораспределителями, размещенный в корпусе ротор, вал которого оборудован герметизирующим уплотнением, и внешний привод, соединенный с валом ротора (патент США N 3078034, кл. 417-64, от 19.02.63 г.).

Наличие внешнего привода позволяет обеспечить заданную скорость вращения ротора и тем самым расчетные значения термодинамических и расходных параметров известного волнового обменника давления.

Недостатком известного устройства является низкая эксплуатационная надежность. Это является следствием того, что в качестве герметизирующего уплотнения используется уплотнение контактного типа, не позволяющее в полной мере предотвратить утечки газа из волнового обменника давления в окружающую среду, и подлежащее периодической замене из-за механического износа. Поэтому осложняется, а в ряде случаев становится и невозможной, эксплуатация известного волнового обменника давления в пожароопасных, взрывоопасных и токсических средах, например на объектах нефтехимической и газовой промышленности.

Изобретение направлено на повышение эксплуатационной надежности волнового обменника давления путем предотвращения утечек обрабатываемой продукции в окружающую среду.

Указанный технический результат достигается тем, что в известном волновом обменнике давления, содержащем корпус с закрепленными на нем газораспределителями, размещенный в корпусе ротор, вал которого оборудован герметизирующим уплотнением, и внешний привод, соединенный в валом ротора, вал ротора выполнен из двух частей, оборудованных коаксиально расположенными ведущей и ведомой магнитными полумуфтами, между которыми размещено уплотнение, состоящее из герметично соединенных между собой полого цилиндра, выполненного из диэлектрического материала, и днища, выполненного из немагнитного материала, причем ведомая и ведущая полумуфты расположены соответственно с внешней и внутренней сторон уплотнения, при этом днище обращено к ротору, а цилиндрическая часть герметично закреплена в корпусе.

Кроме того, цилиндрическая часть уплотнения может быть выполнена как разъемной относительно его днища, так и неразъемной.

Выполнение вала ротора из двух частей позволяет оборудовать их ведущей и ведомой магнитными полумуфтами, а в зазоре между частями вала ротора разместить днище уплотнения.

Оборудование частей вала магнитными полумуфтами позволяет посредством магнитного поля передавать вращение от внешнего привода к ротору, т.е. осуществлять рабочий процесс волнового обменника давления с заданной скоростью вращения ротора.

Выполнение уплотнения в виде полого цилиндра с днищем, герметично соединенных между собой, и герметично закрепленной в корпусе цилиндрической частью, позволяет исключить перетоки газа из волнового обменника давления в окружающую среду. Указанная форма выполнения уплотнения обеспечивает минимальную толщину его стенок при заданном перепаде давлений. При этом все элементы уплотнения в процессе эксплуатации изделия неподвижны, не контактируют с вращающимися деталями, т.е. не подвергаются износу. Благодаря этому достигается эксплуатационная надежность волнового обменника давления.

Выполнение цилиндрической части уплотнения из диэлектрического материала (например, из алюмооксидной керамики) препятствует наведению в материале уплотнения токов Фуко, а следовательно, и выделению Джуоль-Ленцовой теплоты. Тем самым устраняется нагрев магнитных полумуфт и повышается эксплуатационная надежность устройства, т.к. нагрев полумуфт до температуры 110^oC приводит, например, к полной потере свойств постоянных магнитов на основе сплава "железо-ниодим".

Выполнение днища из немагнитного материала предотвращается искажение магнитного поля в радиальном зазоре между магнитными полумуфтами. Кроме того, выполнение днища из немагнитного материала с прочностными характеристиками более высокими (например, из нержавеющей стали), чем материал цилиндрической части (алюмооксидная керамика), позволяет уменьшить толщину днища. При этом нагрев днища отсутствует, так как оно расположено вне зоны магнитного поля.

Расположение ведомой и ведущей полумуфт соответственно с внешней и внутренней сторон уплотнения, расположение днища уплотнения, обращенным в сторону ротора, и герметичное закрепление в корпусе его цилиндрической части предопределяет работу уплотнения на сжатие, т.к. избыточное давление подводится с внешней стороны уплотнения. Это связано с тем, что прочностные свойства керамики существенно выше при сопротивлении сжатию, чем растяжению, что позволяет (в сравнении с работой уплотнения на растяжение) сократить толщину стенок уплотнения и уменьшить радиальный зазор между магнитными полумуфтами, тем самым увеличить мощность, передаваемую от внешнего привода к ротору.

Выполнение цилиндрической части уплотнения разъемной или неразъемной относительно днища позволяет упростить и удешевить технологию изготовления уплотнения. В случае изготовления уплотнения как единого целого элемента требуется изготовление относительно сложной и дорогостоящей пресс-формы и элементов оснастки. При этом неизбежная разнотолщинность стенок цилиндрической и донной частей уплотнения (из условия равенства прочностных характеристик) приводит к остаточным напряжениям, а следовательно, к снижению прочностных характеристик уплотнения и волнового обменника давления в целом. Изготовление же цилиндрической и донных частей уплотнения как отдельных элементов и выполнение цилиндрической части уплотнения разъемной (с помощью резиновых уплотнительных колец) или неразъемной (с помощью клеевого соединения) относительно днища, позволяет упростить и удешевить процесс изготовления изделия. Кроме того, это позволяет использовать в качестве материала днища материал с более высокими прочностными характеристиками (в сравнении с материалом цилиндрической части) и, тем самым, уменьшить толщину днища.

Реализация данного технического решения позволяет исключить утечки газов из волнового обменника давления в окружающую среду, снизить время простоя оборудования из-за смены уплотнения. Благодаря этому достигается повышение эксплуатационной надежности волнового обменника давления.

На чертеже схематично изображен волновой обменник давления.

Волновой обменник давления содержит корпус (1), в котором расположен ротор (2). В корпус (1) встроены газораспределители активного (3) и пассивного (4) газов, оборудованные патрубками подвода (5, 6) и отвода (7, 8) газов. Вал ротора (2) выполнен из двух частей (9) и (10), каждая из которых оборудована коаксиально расположенными магнитными полумуфтами - ведомой (11) и ведущей (12). Между полумуфтами (11) и (12) находится герметизирующее уплотнение, состоящее из герметично соединенных между собой полого цилиндра (13), выполненного из диэлектрического материала, и днища (14), выполненного из немагнитного материала. Цилиндрическая часть уплотнения (13) и его днище (14) связаны между собой разъемным (например, с помощью резинового уплотнительного кольца круглого сечения) либо неразъемным (например, клеевым) соединением. Днище (14) обращено к ротору (2). Со стороны противоположной днищу (14) цилиндрическая часть (13) уплотнения герметично закреплена в корпусе (1), например, с помощью резинового уплотнительного кольца круглого сечения (на чертеже не показано). Ведомая магнитная полумуфта (11), находящаяся со стороны ротора и установленная на валу (9), размещена с внешней стороны уплотнения (13, 14). Ведущая магнитаня полумуфта (12), установленная на валу (10), находится с внутренней стороны уплотнения (13, 14). В роторе (2) по его периметру размещены энергообменные каналы (15). Во вращение ротор (2) приводится внешним приводом (16).

Работа волнового обменника давления осуществляется следующим образом.

Вращение от внешнего привода (16) посредством вала (10) передается установленной на нем ведущей магнитной полумуфте (12). Под действием магнитного поля, распространяющегося главным образом через цилиндрическую часть уплотнения (13), вращение передается ведомой магнитной полумуфте (11), валу (9) и ротору (2).

При вращении ротора (2) в каждый из его энергообменных каналов (15) через газораспределители активного (3) и пассивного (4) газов вводят и удаляют в определенной последовательности активную и пассивную среду. Подвод и отвод активной среды из газораспределителя (3) осуществляется по патрубкам (5) и (7), а подвод и отвод пассивной среды из газораспределителя (4) осуществляется по патрубкам (7) и (8). В энергообменных каналах (15) происходит взаимодействие активной и пассивной сред при их непосредственном контакте. Результатом их взаимодействия является снижение давления и температуры активной среды, т.к. от нее отводится энергия, и повышение давления и температуры пассивной среды. Поэтому из волнового обменника давления по патрубку (7) отводится активный газ с более низким давлением и температурой, чем при его подаче в волновой обменник по патрубку (5), а по патрубку (8) отводится пассивный газ с более высоким давлением и температурой, чем при его подаче в аппарат по патрубку (6). При работе волнового обменника давления в его корпусе устанавливается давление, превышающее давление окружающей среды. Перепад давления между давлением в корпусе аппарата с окружающей средой воспринимается герметизирующим уплотнением (13, 14), исключающим утечки газа из волнового обменника давления.

Таким образом, в отличие от прототипа, использование предлагаемого изобретения позволяет полностью исключить утечки газа из аппарата, т.к. уплотняющий элемент является полностью статичным, не имеет контакта с вращающимися узлами, и, следовательно, не подвержен износу. Благодаря этому достигается повышение эксплуатационной надежности волнового обменника давления и в целом технологической установки, в составе которой он эксплуатируется.

Вал ротора волнового обменника давления выполнен из двух частей, оборудованных коаксиально расположенными ведущей и ведомой магнитными полумуфтами. Между полумуфтами размещено уплотнение, состоящее из герметично соединенных между собой полого цилиндра и днища. Цилиндр выполнен из диэлектрического материала, а днище выполнено из магнитного материала. Ведомая и ведущие полумуфты расположены соответственно с внешней и внутренней сторон уплотнения. Днище уплотнения обращено к ротору, а цилиндрическая часть герметично закреплена в корпусе. Цилиндрическая часть уплотнения может быть выполнена как разъемной относительно его днища, так и неразъемной. Использование изобретения позволит повысить эксплуатационную надежность волнового обменника давления. 2 з.п.ф-лы. 1 ил.

1. Волновой обменник давления, содержащий корпус с закрепленными на нем газораспределителями, размещенный в корпусе ротор, вал которого оборудован герметизирующим уплотнением, и внешний привод, соединенный с валом ротора, отличающийся тем, что вал ротора выполнен из двух частей, оборудованных коаксиально расположенными ведущей и ведомой магнитными полумуфтами, между которыми размещено уплотнение, состоящее из герметично соединенных между собой полого цилиндра, выполненного из диэлектрического материала и днища, выполненного из немагнитного материала, причем ведомая и ведущая полумуфты расположены соответственно с внешней и внутренней сторон уплотнения, при этом днище обращено к ротору, а цилиндрическая часть герметично закреплена в корпусе. 2. Обменник давления по п.1, отличающийся тем, что цилиндрическая часть уплотнения выполнена разъемной относительно его днища. 3. Обменник давления по п.1, отличающийся тем, что цилиндрическая часть уплотнения выполнена неразъемной относительно его днища.