ВИХРЕВАЯ ТРУБА Российский патент 2003 года по МПК F25B9/04 

Предлагаемая вихревая труба относится, преимущественно, к области гидропневмоавтоматики и может быть использована в нефтяной, химической и газовой отраслях промышленности, например, для регулирования давления природного газа на выходе газораспределительной станции (ГРС).

Известна вихревая труба, которая не только генерирует холод (тепло), но одновременно при плавно изменяемой геометрии соплового ввода может быть использована как регулятор давления, например, на газораспределительной станции (см. статью В. В. Николаева и др. "Опыт эксплуатации регулируемой вихревой трубы на газораспределительной станции", в журнале "Газовая промышленность", 10, 1995 г., с.13).

Известная вихревая труба содержит камеру энергетического разделения и диафрагму, между которыми размещен сопловой ввод с регулируемым сопловым сечением. В этой вихревой трубе сопловой ввод выполнен в виде прямоугольной улитки, построенной по спирали Архимеда, при этом сечение соплового ввода регулируется изменением высоты улитки за счет перемещения подвижного клина.

Недостатком трубы является сложность изготовления узла регулирования из-за наличия пар трения прямоугольного профиля, сопрягаемых с высокой точностью. Кроме того, это чревато эрозией, в основном, боковых деталей сопла по линиям вершин прямых углов, что приводит в процессе эксплуатации к негерметичности посадочных мест и, как следствие, - к перетечкам газа, искажению расчетной картины течения газа и, в итоге, - к снижению эксплуатационной надежности и эффективности процесса энергоразделения. Следует отметить также, что эта вихревая труба имеет ограниченные возможности по использованию эффекта Ранка-Хилша, как-то: очистка природного газа на ГРС от конденсата.

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является трехпоточная вихревая труба (ТВТ), которая может быть использована не только для обеспечения устойчивой работы узла редуцирования в зимний период времени (уровень температур горячего потока 50-60^oС) и очистки природного газа на ГРС от конденсата, но и для низкотемпературной сепараций природных газов (см. статью Р.М. Исхакова и др. "Применение ТВТ для конденсации тяжелых углеводородов из попутного газа" в журнале "Газовая промышленность", 7, 1998 г., с.42).

В указанной ТВТ происходит сепарация конденсата, попадающего с исходным потоком и образующегося непосредственно в приосевой зоне полости камеры энергетического разделения при низкой температуре. ТВТ представляет собой цилиндрическую конструкцию, имеющую один вход и три выхода: два для газа (холодный и горячий потоки) и один для жидкости (газовый конденсат). Она включает тангециальный сопловой ввод, диафрагму, устройство для регулирования площади сопла и кольцевой конденсатосборник с патрубком для вывода жидкости. Площадь соплового ввода ТВТ регулируется (как и в вышеуказанном аналоге) изменением высоты прямоугольной улитки за счет перемещения подвижного клина. В связи с этим недостатком прототипа является невысокая эксплуатационная стойкость устройства регулирования сечения соплового ввода. Кроме того, не решена задача одновременного и пропорционального изменения проходных сечений отвода горячего и соплового ввода исходного потоков. Это обстоятельство приводит к изменению соотношения расходов горячего и холодного потоков через камеру энергетического разделения относительно оптимальной величины, что снижает надежность работы узла редуцирования в зимний период времени.

Цель предлагаемого изобретения является повышение эксплуатационной надежности и расширение области применения вихревой трубы при сохранении высокой эффективности очистки газа от конденсата в широком диапазоне нагрузок.

Эта цель достигается тем, что вихревая труба, содержащая наружный цилиндрический корпус, соосную с ним камеру энергетического разделения, диафрагму и расположенный между ней и камерой узел регулирования сечения тангенциального соплового ввода, отличается тем, что узел регулирования выполнен в виде продольно перемещаемого сервоприводом золотника, размещенного на входе соплового ввода сжатого газа в камеру. На выходе из камеры расположен патрубок отвода горячего потока, имеющий тот же диаметр, что и камера, и образующий с ее концом кольцевую щель для вывода конденсата посредством охватывающей щель радиальной улитки. Причем кромки камеры и патрубка отвода выполнены под острым углом к направлению горячего потока, при этом за кольцевой щелью после турбулизатора труба отвода горячего потока своим выходом подключена к входу утилизирующего вихревого эжектора, установленного непосредственно за диафрагмой на холодном конце вихревой трубы. При этом эжектор и сопловой ввод выполнены одинаковыми и снабжены общим золотником, причем в качестве сервопривода может быть применен исполнительный механизм, подключенный к пилоту управления-усилителю с отбором горячего потока перед утилизирующим эжектором.

На чертеже показан общий вид вихревой трубы в виде продольного разреза В-В с тремя необходимыми поперечными А-А (дважды), Б-Б в полностью открытом "левом" положении.

Вихревая труба содержит наружный цилиндрический корпус 1, соосно с ним камеру 2 энергетического разделения, диафрагму 3 и расположенный между ней и камерой 2 узел регулирования сечения тангенциального соплового ввода 4. При этом узел регулирования выполнен в виде продольно перемещаемого сервоприводом золотника 5, размещенного на входе соплового ввода 4 сжатого газа в камеру 2. На выходе из камеры расположен патрубок 6 отвода горячего потока, имеющий тот же диаметр, что и камера, и образующий с ее концом кольцевую щель 7 для вывода конденсата посредством охватывающей щель 7 радиальной улиткой 8. Причем кромки камеры 2 и патрубка 6 выполнены под острым углом к направлению горячего потока, при этом за щелью 7 после турбулизатора 9 труба 10 отвода горячего потока (на чертеже труба 10 показана условно пунктирной линией) своим выходом подключена к входу 11 утилизирующего вихревого эжектора 12, установленного непосредственно за диафрагмой 3 на холодном конце вихревой трубы. Эжектор 12 и сопловой ввод 4 выполнены одинаковыми и снабжены общим золотником 5, причем в качестве сервопривода может быть применен исполнительный механизм, подключенный к пилоту управления-усилителю с отбором горячего потока перед утилизирующим эжектором 12.

Вихревая труба работает следующим образом. При втекании сжатого газа через сопловой ввод 4 в камеру 2 образуется интенсивный круговой поток, приосевые слои которого охлаждаются и отводятся через отверстие диафрагмы 3 в виде холодного потока, а периферийные слои подогреваются и вытекают через турболизатор 9 в виде горячего потока в утилизирующий вихревой эжектор 12. При этом горячий поток, омывая стенку диафрагмы 3, подогревает ее за счет теплопроводности и предотвращает обмерзание ее входных кромок. В результате однонаправленного движения обоих соединяемых потоков в отводящем трубопроводе формируется суммарный поступательно-вращательный поток, содержащий горячие наружные слои и холодные внутренние.

В сечении соплового ввода 4 в камере 2 расширение газа является изэнтальпийным. Газ имеет температуру, аналогичную температуре в системе Джоуля-Томсона. Это значит, что даже плохо работающая вихревая труба по своим характеристикам всегда сможет соперничать с системой Джоуля-Томсона. При этом нагретые периферийные слои газа, подогревая стенку камеры 2 и далее (за счет т. н. "растечки" тепла за счет теплопроводности) - узел регулирования, предотвращают возможное обмерзание его рабочих поверхностей в процессе дросселирования.

Конденсат, образующийся в приосевой зоне из-за понижения температуры, отбрасывается на стенку камеры 2, где центробежная сила значительно больше, чем в большинстве устройств сепарации, и даже очень мелкие (микронного порядка) частицы отбрасываются на стенку камеры 2 и через кольцевую щель 7, и радиальную улитку 8 отводятся в емкость-сепаратор (на чертеже не показано). При непрерывном движении газа вдоль оси камеры 2 образуется все возрастающий градиент между внешним кольцевым и внутренним потоками. В результате работы сдвига в системе температура газа в приосевой зоне опускается ниже температуры процесса Джоуля-Томсона. Это падение температуры вызывает дополнительную конденсацию, что позволяет увеличить эффективность процесса сепарации в целом. Таким образом, удается даже без предварительного подогрева избавится от нежелательного конденсата, который может нарушить нормальное функционирование узла учета газа и регулирующей пары узла регулирования вихревой трубы.

В качестве сервопривода может быть применен упомянутый выше исполнительный механизм, например поршневого типа, подключенный к пилоту управления-усилителю с отбором горячего потока перед утилизирующим эжектором. В связи с этим отпадает необходимость в системе подготовки импульсного газа на ГРС, что значительно повышает надежность работы предлагаемого устройства и ГРС в целом.

Кроме того, решена задача одновременного и пропорционального изменения проходных сечений отвода горячего (через утилизирующий эжектор) и соплового ввода исходного потоков. Это обстоятельство позволяет "удержать" оптимальное соотношение горячего и холодного потоков через камеру энергетического разделения в широком диапазоне нагрузок.

Таким образом, резюмируя вышесказанное, можно утверждать о возможности использования предложенной вихревой трубы в следующих технологических схемах:
- получение тепла для обеспечения надежной и устойчивой работы узла редуцирования в зимний период времени или при значительных (например, до 50) степенях дросселирования (уровень температур горячего потока 50-60^oС);
- очистка природного газа на ГРС от конденсата (углеводорода С₆ ⁺) со степенью очистки до 90-95%;
- низкотемпературная сепарация природного газа (с увеличением выхода газового конденсата на 10-15% по сравнению с обычным дросселированием);
- осушка воздуха и других газов и газовых смесей (точка росы от +5 до - 70^oС);
- генерация холода (тепла) на любом газe или газовой смеси при имеющемся перепаде давления с их дальнейшим использованием по усмотрению заказчика.

Таким образом, при использовании в вихревой трубе узла регулирования, выполненного в виде продольно перемещаемого сервоприводом золотника, размещенного на входе соплового ввода сжатого газа в камеру, на выходе которой расположен патрубок отвода горячего потока, имеющий тот же диаметр, что и камера и образующий с ее концом кольцевую щель для отвода конденсата посредством охватывающей щель радиальной улитки, причем кромки камеры и патрубка отвода выполнены под острым углом к направлению горячего потока, при этом за щелью после турбулизатора труба отвода горячего потока своим выходом подключена к входу утилизирующего вихревого эжектора, установленного непосредственно за диафрагмой на холодном конце вихревой трубы, достигается главная цель предлагаемого изобретения: повышение эксплуатационной надежности и расширение области применения вихревой трубы при сохранении высокой эффективности очистки газа от конденсата в широком диапазоне нагрузок.

Изобретение относится к области гидропневмоавтоматики и может быть использовано для регулирования давления природного газа на выходе газораспределительной станции. Узел регулирования подачи сжатого газа в камеру энергетического разделения выполнен в виде продольно перемещаемого сервоприводом золотника, размещенного на входе соплового ввода сжатого газа в камеру. На выходе из камеры расположен патрубок отвода горячего потока, имеющий тот же диаметр, что и камера и образующий с ее концом кольцевую щель для вывода конденсата посредством охватывающей щель радиальной улитки. Кромки камеры и патрубка отвода выполнены под острым углом к направлению горячего потока. За кольцевой щелью после турбулизатора труба отвода горячего потока своим выходом подключена к входу утилизирующего вихревого эжектора, установленного за диафрагмой на холодном конце вихревой трубы. Эжектор и сопловой ввод выполнены одинаковыми и снабжены общим золотником, причем в качестве сервопривода может быть применен исполнительный механизм, подключенный к пилотному устройству-усилителю, в котором в качестве импульсного газа используется часть горячего потока, отбираемого перед утилизирующим эжектором. Использование изобретения позволит повысить эффективность очистки газа от конденсата и расширить область применения вихревой трубы. 1 з.п.ф-лы, 1 ил.

1. Вихревая труба, содержащая наружный цилиндрический корпус, соосную с ним камеру энергетического разделения, диафрагму и расположенный между ней и камерой узел регулирования сечения тангенциального соплового ввода, отличающаяся тем, что узел регулирования выполнен в виде продольно перемещаемого сервоприводом золотника, размещенного на входе соплового ввода сжатого газа в камеру, на выходе которой расположен патрубок отвода горячего потока, имеющий тот же диаметр, что и камера, и образующий с ее концом кольцевую щель для вывода конденсата посредством охватывающей щель радиальной улитки, причем кромки камеры и патрубка отвода выполнены под острым углом к направлению горячего потока, при этом за щелью после турбулизатора труба отвода горячего потока своим выходом подключена к входу утилизирующего вихревого эжектора, установленного непосредственно за диафрагмой на холодном конце вихревой трубы. 2. Вихревая труба по п.1, отличающаяся тем, что эжектор и сопловой ввод выполнены одинаковыми и снабжены общим золотником, причем в качестве сервопривода может быть применен исполнительный механизм, подключенный к пилоту управления - усилителю с отбором горячего потока перед утилизирующим эжектором.