УСТРОЙСТВО ОСУШКИ ГАЗА Российский патент 2000 года по МПК F25B9/04 

Изобретение относится к области осушки газов или воздуха охлаждением и отделением капельной влаги, осуществляемой с помощью генерации холода в вихревых трубах, и может быть использовано на линиях подачи осушенного сжатого воздуха в различных пневмосистемах в машиностроении, химической промышленности и других отраслях народного хозяйства.

Известна установка осушки сжатого воздуха, содержащая два соединенных последовательно через теплообменник центробежных влагоотделителя, вихревую трубу с дросселем, диафрагмой, выходным патрубком горячего воздуха, и эжектор-диффузор которого соединен с приосевой зоной вихревой трубы со стороны дросселя, активное сопло подключено к выходному патрубку горячего воздуха, а пассивное сопло через теплообменник - к диафрагме [1].

Известная установка, осуществляя осушку потока сжатого воздуха без потери его давления, имеет при этом следующие недостатки:
- сложность обеспечения точного согласования совместной работы эжектора и вихревой трубы,
- неустойчивая работа установки при изменении параметров сетевого сжатого воздуха, в частности его расхода и давления,
- низкая температура воздуха, подаваемого к потребителю, на уровне точки росы и даже возможна ее отрицательная величина, что не всегда удовлетворяет потребителей - эксплуатационников.

Известна также установка для осушки газа, содержащая теплообменник с полостями высокого и низкого давления, конденсатосборник, сообщенный с полостью высокого давления, и вихревую трубу с камерой энергетического разделения, соединенную сопловым вводом с полостью высокого давления, а выходом холодного газа - с полостью низкого давления. Эффективность осушки в данной установке повышают путем охлаждения вихревой трубы с помощью рубашки, подсоединенной к выходу из полости низкого давления теплообменника, и в рубашке дополнительно установлена соединенная с конденсатосборником змеевиковая испарительная трубка, снабженная на входе дроссельным устройством [2].

Недостатками данной установки являются:
- сложность исполнения,
- значительные гидравлические сопротивления потоку сжатого газа,
- отсутствие регулирующих средств, позволяющих адаптировать установку к изменяющимся условиям работы,
- данная установка эффективно работает лишь при наличии конденсата.

Известен осушитель газа, содержащий снабженную охлаждающей рубашкой и сопловым вводом вихревую трубу с патрубком вывода холодного потока, в который встроено фильтрующее устройство, при этом патрубок вывода холодного потока подключен к охлаждающей рубашке, имеющей в зоне горячего конца сопловой вывод, и горячий конец трубы заглушек [3].

Недостатками известного осушителя являются:
- осаждение стенки вихревой трубы холодным потоком осуществляют на прямотоке с периферийным горячим потоком в камере энергетического разделения, что снижает эффективность теплообмена,
- осушитель работает с полной потерей давления сжатого газа и пригоден только в очень узком диапазоне по давлению газа, подаваемого к потребителю,
- отсутствие средств регулирования, позволяющих адаптировать осушитель к изменяющимся условиям работы, приводит к нестабильности его функционирования.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является установка осушки газа, содержащая вихревую трубу с сопловым входом сжатого газа, камерой энергетического разделения и с окружающей ее рубашкой, соединенной трубопроводом с патрубком вывода холодного потока через осевое отверстие диафрагмы и циклон, снабженный вращающимся перфорированным стаканом на нижнем конце его выхлопной трубы [4].

Недостатками известной установки, выбранной в качестве прототипа, являются:
- наличие циклона для сепарации твердых частиц приводит к дополнительным потерям давления в потоке сжатого газа,
- наличие вращающегося стакана в циклоне снижает надежность работы установки в целом,
- отсутствие средств регулирования соплового входа вихревой трубы не позволяет ей эффективно работать при изменении параметров сетевого газа в широком диапазоне,
- высокая степень осушки газа в известной установке может быть достигнута только при существенных потерях сжатого газа через регулируемый дроссель горячего потока, что не всегда может удовлетворить потребителя,
- охлаждение стенки вихревой трубы осуществляют теплообменником, работающим на прямотоке холодного потока по отношению к периферийному горячему потоку в камере энергетического разделения, что снижает эффективность охлаждения.

В связи с вышеперечисленными недостатками известных устройств осушки газа, в том числе и прототипа, становится актуальной задача создания устройства осушки газа, более адаптированного к разным условиям работы по расходу сетевого сжатого газа и к получению в широком диапазоне потребных степени понижения относительной влажности газа и потерь давления потока газа, в частности потока сжатого воздуха, а также устройства, обеспечивающего подогрев осушенного воздуха, подаваемого к потребителю, и осуществляемый за счет более интенсивного отбора тепла от горячего потока вихревой трубы, что в свою очередь повышает ее термодинамическую эффективность.

При этом создаваемое устройство должно быть конструктивно просто, иметь малое гидравлическое сопротивление и характеризоваться удобством в эксплуатации при работе с изменяющимися параметрами сетевого газа, в частности расхода и давления.

Технический результат, получаемый при осуществлении изобретения, заключается в повышении эффективности работы устройства осушки газа путем обеспечения регулирования в широком диапазоне степени осушки газа и потерь давления газового потока в соответствии с требованиями потребителя, а также посредством организации более интенсивного теплообмена потоков через стенку вихревой трубы.

Указанный технический результат достигается тем, что в устройстве осушки газа, содержащем вихревую трубу с сопловым входом сжатого газа, камерой энергетического разделения и с окружающей ее рубашкой, образующей теплообменник самоохлаждения стенки вихревой трубы, подключенный трубопроводом к патрубку вывода холодного потока через осевое отверстие диафрагмы, с регулируемым дросселем горячего потока и средства сбора и отвода конденсата, особенность заключается в том, что сопловой вход выполнен со средством регулирования площади его проходного сечения, теплообменник самоохлаждения выполнен со средствами обеспечения в нем возможности противотока в осевом и окружном направлениях холодного потока относительно периферийного вихря в трубе и снабжен элементами интенсификации теплообмена потоков, размещенными в полости между рубашкой и стенкой вихревой трубы, при этом в трубопроводе холодного потока на входе в теплообменник установлены инерционный и центробежный каплеуловители отделенной жидкости.

Средство регулирования площади проходного сечения соплового входа в виде плоской клиновидной заслонки, установленной с возможностью поступательного перемещения в направляющей корпуса соплового входа, при этом выходная кромка заслонки в исходном положении совпадает с сопловым срезом.

Направляющая плоской клиновидной заслонки представляет собой сопрягаемые поверхности цилиндрического хвостовика заслонки и отверстия по вставке корпуса соплового входа.

Возможность поступательного перемещения заслонки обеспечена резьбовой винтовой парой.

Данное исполнение средства регулирования площади проходного сечения соплового входа имеет небольшое гидравлическое сопротивление потоку сжатого газа, удобно в эксплуатации при работе с меняющимися параметрами сетевого газа.

Элементы интенсификации теплообмена выполнены в виде винтового завихрителя, витки которого неподвижно скреплены со стенкой вихревой трубы для обеспечения теплового контакта. Винтовой завихритель увеличивает эффективную поверхность теплообмена, способствует увеличению скорости холодного потока и как следствие приводит к возрастанию коэффициента теплоотдачи.

Центробежный каплеулавливатель отделенный жидкости выполнен в виде тангенциально расположенного патрубка и круглой пластины сепаратора, размещенной в полости теплообменника.

Пластина сепаратора установлена эксцентрично продольной оси вихревой трубы с образованием от стенки рубашки щелевого местного зазора в виде полумесяца со стороны, противоположной входу тангенциального патрубка в полость теплообменника.

Данное исполнение центробежного каплеулавливателя обеспечивает функции не только по осушке газа, а также позволяет организовать в теплообменнике средства обеспечения возможности противотока в осевом и окружном направлениях холодного потока относительно периферийного вихря в трубе. Последнее увеличивает время контакта теплоносителей через стенку вихревой трубы и способствует более полному теплообмену между потоками.

Средства сбора и отвода конденсата представляют собой расположенную под вихревой трубой осадительную камеру в виде двух разделенных перегородкой отсеков, заполненных каплеулавливающими насадочными элементами.

Выходы инерционного каплеулавливателя и дренажа из сепарационной полости теплообменника подключены к одному из отсеков сбора и отвода конденсата.

Вывод горячего потока из вихревой трубы подключен к другому из отсеков сбора и отвода конденсата с заглублением вывода в насадочный элемент, причем к упомянутому отсеку в зоне над насадочным элементом подсоединен трубопровод отвода горячего потока к потребителю с регулируемым дросселирующим клапаном.

Отсеки сбора и отвода конденсата снабжены сливными патрубками с вентилями.

В качестве насадочных элементов использована стружка из нержавеющей стали.

Выход дренажа из сепарационной полости теплообменника заглублен в насадочный элемент.

Совокупность признаков, перечисленных в соответствии с независимым пунктом формулы, полностью обеспечивает получение вышеизложенного технического результата во всех случаях, на которые распространяется исправный объем правовой охраны. Признаки, изложенные в зависимых пунктах формулы, характеризуют изобретение в частых случаях, в конкретных формах выполнения.

Наличие прямой причинно-следственной связи между совокупностью признаков, перечисленных в формуле изобретения, и вышеизложенным техническим результатом доказывает существенность этих признаков.

Вышеуказанный технический результат, а также средства его достижения, сущность и преимущества изобретения подробно поясняются нижеследующим описанием и чертежом, на котором фиг. 1 - общий вид устройства осушки газа с вихревой трубой, теплообменником и средствами сбора и отвода конденсата, фиг. 2 - улиточный сопловый вход, сеч. А-А фиг. 1, фиг. 3 - узел регулирующей заслонки.

Устройство осушки газа содержит вихревую трубу 1 с сопловым входом 2 осушиваемого сжатого газа, камерой 3 энергетического разделения и с окружающей ее теплоизолированной рубашкой 4 (показан фрагмент теплоизоляции), образующей теплообменник самоохлаждения стенки 5 вихревой трубы, подключенный теплоизолированным трубопроводом 6 (показан фрагмент теплоизоляции) к патрубку 7 вывода холодного потока через осевое отверстие 8 диафрагмы 9, с регулируемым дросселем 10 горячего потока и средства сбора и отвода конденсата в виде осадительной камеры 11 под вихревой трубой.

Сопловой вход 2 в вихревую трубу представляет трубопровод прямоугольного сечения, переходящий в улитку 2', построенную по спирали Архимеда, и снабжен средством регулирования площади проходного сечения прямоугольного окна с высотой "h" между выходной кромкой улитки и тангенциальной входной поверхностью улиточного канала. Средство регулирования представляет собой плоскую клиновидную заслонку 12, имеющую возможность поступательного перемещения в направляющей корпуса улиточного соплового входа. Направляющая для перемещения заслонки 12 представляет собой сопрягаемые поверхности ее цилиндрического хвостовика и отверстия вставки корпуса соплового входа 2.

Теплообменник самоохлаждения стенки 5 вихревой трубы выполнен со средствами обеспечения в нем противотока в осевом и окружном направлениях холодного потока, поступающего по трубопроводу 6 относительно периферийного вихря в трубе 1. Теплообменник снабжен элементами интенсификации теплообмена вышеупомянутых потоков, выполненными в виде винтового завихрителя 13, витки которого соориентированы против вращения разделенного периферийного вихря по трубе 1. Для обеспечения надежного теплового контакта витки завихрителя 13 неподвижно скреплены со стенками вихревой трубы 5.

Трубопровод 6 холодного потока на входе в полость теплообменника со стороны вывода горячего потока их вихревой трубы имеет разветвление на инерционный 14 и центробежный каплеулавливатели отделенной жидкости. Роль центробежного каплеулавилителя выполняет тангенциально расположенный патрубок 15 в сочетании с круглой пластиной сепаратора 16, размещенной в полости теплообменника. Указанная пластина 16 установлена эксцентрично продольной оси вихревой трубы с образованием от стенки рубашки 4 щелевого местного зазора 17 в виде полумесяца со стороны, противоположной входу тангенциально патрубка 15 в полость теплообменника. Вход в теплообменник тангенциального патрубка 15 сориентирован в окружном направлении противоположно направлению соплового входа 2 в вихревую трубу 1. Вышеописанное размещение и исполнение центробежного каплеулавливателя реализует средство обеспечения в теплообменнике противоточной схемы холодного потока относительно периферийного вихря в трубе 1.

Средство сбора и отвода конденсата представляет собой расположенную под вихревой трубой осадительную камеру 11 в виде двух разделенных перегородкой 18 отсеков, заполненных каплеулавливающими насадочными элементами, например стружкой из нержавеющей стали. Выходы инерционного 14 каплеулавливателя и дренажной трубки 19 из сепарационной полости теплообменника подключены к одному из отсеков 20. Вывод 21 горячего потока из вихревой трубы подключен к другому отсеку 22 с заглублением в насадочный элемент. К этому же отсеку 22 над насадочным элементом подсоединен трубопровод 23 отвода горячего осушенного потока к потребителю с регулируемым клапаном 10. Отсеки 20 и 22 снабжены сливными патрубками с вентилями опорожнения 24 и 25.

Работа устройства осушки газа происходит следующим образом.

Газовый поток, подвергаемый осушке, предварительно очищают от влаги и масла, а также от механических примесей любыми известными способами и устройствами, затем направляют в улитку 2' соплового входа 2 по прямоугольному трубопроводу 31. При этом свободное прямолинейное движение газового потока становится интенсивным вихревым в камере энергетического разделения вихревой трубы. При выходе из улитки происходит разделение газа на два потока, параметры и состояние которых неодинаковы (эффект Ранка). Приосевые разреженные слои газа значительно охлаждаются, а периферийные вихревые слои подогреваются. Осушка газа происходит а результате конденсации содержащихся в нем паров при снижении его температуры до точки росы, соответствующей исходному давлению газа в сети. Часть сконденсированной капельной влаги отводится через патрубок 21, являющийся выводом горячего потока, который пройдя через насадочные элементы отсека 22, поступает на вспомогательные технические нужды к потребителю через регулируемый дроссель 10.

Другая часть капельной влаги уносится с холодильным потоком по трубопроводу 6 и с помощью инерционного 14 и центробежного каплеулавливателей отводится в отсек 20 осадительной камеры. Центробежный каплеулавливатель, как уже указывалось выше, выполнен в виде тангенциально расположенного патрубка 15 ввода холодного потока в полость теплообменника и пластины сепаратора 16. При этом патрубок сориентирован так, чтобы организуемый им вихрь холодного потока имел направление вращения, обратное вращению периферийного разделенного вихря в трубе. Оставшаяся в газе капельная влага за счет центробежных сил на входе в теплообменник отбрасывается к наружной стенке рубашки 4 и через щелевой зазор 17 между рубашкой и пластиной сепаратора 16, а также через дренажную трубку 19 отводится в отсек 20. Сорганизованный вихревой поток в теплообменнике проходит по винтовым каналам завихрителя 13, нагреваясь от горячего периферийного потока в трубе посредством теплообмена через стенку 5. Течение газа по винтовым каналам завихрителя 13 приводит к увеличению скорости холодного потока, а следовательно, к возрастанию коэффициента теплоотдачи. Движение холодного потока в теплообменнике противоточно в осевом и окружном направлениях относительно периферийного вихря в трубе, что позволяет получать и сохранять примерно одинаковым больший перепад температур между потоками - теплоносителями по всей поверхности теплообмена. Кроме того, описанный противоток вихревых потоков увеличивает время контакта теплоносителей, а следовательно, и способствует более полному теплообмену между ними. Стенки вихревого завихрителя 13, приваренные к наружной поверхности вихревой трубы, являются ее оребрением, увеличивающим эффективную поверхность теплообмена и, следовательно, обеспечивающим больший теплосъем.

Осушенный и подогретый газ через выходной патрубок 26 поступает к потребителю и используется им для всевозможных технологических потребителей. Степень захолаживания газа в вихревой трубе, а следовательно, и степень его осушки может регулироваться как дросселирующим регулирующим клапаном 10, так и средством 12 регулирования площади проходного сечения тангенциального прямоугольного канала 31. Для этого посредством резьбовой винтовой пары 27, вращая гайку 28, осуществляют поступательное перемещение клиновидной заслонки 12 от исходного положения, соответствующего максимальному расходу сжатого газа. В исходном положении выходная кромка заслонки 12 совпадает с выходной кромкой 32 улитки 2'. Предварительно стопорную гайку 29 скручивают от внутреннего торца паза вставки 30, а вращением вышеупомянутой гайки 28 переставляют заслонку 12 в новое положение. При этом вращению плоской заслонки препятствуют прорези в теле вставки 30 и в корпусе улиточного соплового входа 2. Направляющая для перемещения заслонки 12 представляет собой сопрягаемые поверхности цилиндрического хвостовика 33 и отверстия вставки 30. Стопорение заслонки 12 в новом положении осуществляют гайки 29, упирая ее во внутренний торец паза вставки 30. Перемещение заслонки 12 изменяет величину горла "h" прямоугольного входного канала 31, что необходимо как для воздействия на степень осушки газа, так и для адаптирования осушителя к изменяющимся условиям работы, например по расходу и давлению сетевого газа.

Описанное регулирование позволяет формировать интенсивный вихрь в трубе с необходимостью термодинамическими и гидравлическими характеристиками, и кроме этого получать заданные потери давления газа в устройстве, удовлетворяющие потребителя.

Описанные признаки и средства в исполнении заявляемого устройства осушки газа обеспечивают большую эффективность его работы в сравнении с аналогами и прототипом путем обеспечения степени осушки газа в более широком диапазоне по ее применению по технологическому требованию потребителя за счет совместного регулирования соплового входа 2 вихревой трубы и дросселя 10 вывода горячего потока. Кроме этого выполнение теплообменника с элементами 13 интенсификации теплообмена потоков и создание в нем противотока в осевом и окружном направлениях холодного потока по отношению к периферийному вихрю в трубе позволит также осуществить более интенсивное охлаждение горячего потока и получить более низкую температуру приосевого холодного потока в трубе и тем самым достичь более высокой термодинамической эффективности вихревой трубы.

Заявляемое устройство более удобно в эксплуатации при работе с изменяющимися параметрами газа в сети, позволяет обеспечить кроме этого требование заказчика по потерям давления газа на выходе из устройства осушки.

Изобретение соответствует условию изобретательского уровня, поскольку не выявлены решения, имеющие совокупность признаков, совпадающих с его отличительными признаками, с известностью их влияния на указанный технический результат. При этом можно допустить, что отличительные признаки изобретения, развивающие его, например, по части исполнения средства регулирования площади проходного сечения соплового входа, порознь присутствуют в известных решениях, но при этом они решают другую задачу и не достигают указанного технического результата, заключающегося в малом гидравлическом сопротивлении потоку сжатого газа на входе в вихревую трубу и в удобстве эксплуатации при работе с изменяющимися параметрами сетевого газа, в частности расхода и давления.

Промышленная применимость описанного устройства доказывается необходимостью его использования в химической промышленности, машиностроении, стройиндустрии и других всевозможных отраслях деятельности, использующих в производственном процессе линии технологического сжатого воздуха.

Возможность осуществления устройства с более широкими функциональными возможностями по глубине осушки и потерям давления газового потока подтверждается полным описанием средств и приемов, с помощью которых оно может быть реализовано в том виде, как охарактеризовано в формуле изобретения. Осуществление изобретения позволит реализовать поставленную задачу на стандартном промышленном оборудовании и с применением известных технологий и материалов. Заявляемое устройство осушки было изготовлено и прошло эксплуатационные испытания с положительными результатами.

Источники информации
1. RU 2015463, кл. F 25 B 9/02, 1994.

2. SU 1239477, кл. F 25 B 9/02 , 1986.

3. SU 798435, кл. F 25 B 9/02, 1981.

4. RU 2038169, кл. B 04 C 7/00, 1995.

Изобретение относится к области осушки газов или воздуха охлаждением и отделением капельной влаги, осуществляемой в вихревых трубах, и предназначено для использования на линиях подачи осушенного сжатого воздуха в различных пневмосистемах во всевозможных отраслях народного хозяйства. Сопловой вход вихревой трубы выполнен со средством регулирования площади его проходного сечения - плоской клиновидной заслонкой, теплообменник самоохлаждения стенки вихревой трубы подключен трубопроводом к патрубку вывода холодного потока через осевое отверстие диафрагмы. В полости теплообменника обеспечен противоток холодного потока относительно периферийного вихря в трубе в осевом и окружном направлениях. Внутренняя полость теплообменника снабжена винтовым завихрителем. В трубопроводе холодного потока на входе в теплообменник установлены инерционный и центробежный каплеулавливатели отделенной жидкости. Роль центробежного каплеулавливателя выполняет тангенциально расположенный патрубок в сочетании с круглой пластиной сепаратора, размещенной в полости теплообменника. Технический результат - повышение эффективности работы устройства осушки газа путем обеспечения регулирования в широком диапазоне степени осушки газа и потерь давления газового потока в соответствии с требованиями потребителя, а также посредством организации более интенсивного теплообмена потоков через стенку вихревой трубы. 12 з.п.ф-лы, 3 ил.

1. Устройство осушки газа, содержащее вихревую трубу с сопловым входом сжатого газа, камерой энергетического разделения и с окружающей ее рубашкой, образующей теплообменник самоохлаждения стенки вихревой трубы, подключенный трубопроводом к патрубку вывода холодного потока через осевое отверстие диафрагмы, с регулируемым дросселем горячего потока и средства сбора и отвода конденсата, отличающееся тем, что сопловой вход выполнен со средством регулирования площади его проходного сечения, теплообменник самоохлаждения выполнен со средствами обеспечения в нем возможности противотока в осевом и окружном направлениях холодного потока относительно периферийного вихря в трубе и снабжен элементами интенсификации теплообмена потоков, размещенными в полости между рубашкой и стенкой вихревой трубы, при этом в трубопроводе холодного потока на входе в теплообменник установлены инерционный и центробежный каплеулавливатели отделенной жидкости. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что средство регулирования площади проходного сечения соплового входа выполнено в виде плоской клиновидной заслонки, установленной с возможностью поступательного перемещения в направляющей корпуса соплового входа, при этом выходная кромка заслонки в исходном положении совпадает с сопловым срезом. 3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что направляющая плоской клиновидной заслонки представляет собой сопрягаемые поверхности цилиндрического хвостовика заслонки и отверстия во вставке корпуса соплового входа. 4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что возможность поступательного перемещения заслонки обеспечена резьбовой винтовой парой. 5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что элементы интенсификации теплообмена выполнены в виде винтового завихрителя, витки которого неподвижно скреплены со стенкой вихревой трубы для обеспечения теплового контакта. 6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что центробежный каплеулавливатель отделенной жидкости выполнен в виде тангенциально расположенного патрубка и круглой пластины сепаратора, размещенной в полости теплообменника. 7. Устройство по п.6, отличающееся тем, что пластина сепаратора установлена эксцентрично продольной оси вихревой трубы с образованием от стенки рубашки щелевого местного зазора в виде полумесяца со стороны, противоположной входу тангенциального патрубка в полость теплообменника. 8. Устройство по п.7, отличающееся тем, что средства сбора и отвода конденсата представляют собой расположенную под вихревой трубой осадительную камеру в виде двух разделенных перегородкой отсеков, заполненных каплеулавливающими насадочными элементами. 9. Устройство по п.8, отличающееся тем, что выходы инерционного каплеулавливателя и дренажа из сепарационной полости теплообменника подключены к одному из отсеков сбора и отвода конденсата. 10. Устройство по п.9, отличающееся тем, что вывод горячего потока из вихревой трубы подключен к другому из отсеков сбора и отвода конденсата с заглублением вывода в насадочный элемент, причем к упомянутому отсеку в зоне над насадочным элементом подсоединен трубопровод отвода горячего потока к потребителю с регулируемым дросселирующим клапаном. 11. Устройство по п.10, отличающееся тем, что отсеки сбора и отвода конденсата снабжены сливными патрубками с вентилями. 12. Устройство по п.11, отличающееся тем, что в качестве насадочных элементов использована стружка из нержавеющей стали. 13. Устройство по п.12, отличающееся тем, что выход дренажа из сепарационной полости теплообменника заглублен в насадочный элемент.