КОНИЧЕСКИЙ ДРОССЕЛЬНЫЙ КЛАПАН Российский патент 2014 года по МПК F16K47/08 F16K1/12 

Область техники

Настоящее изобретение относится к дроссельному клапану.

Уровень техники

Дроссельные клапаны или регулировочные клапаны хорошо известны. Эти клапаны могут быть использованы для управления потоком текучей среды и возможно также для увеличения размеров капель жидкости в потоке текучей среды, проходящем через дроссельный клапан. Выражение «дроссельный клапан» используется для обозначения клапанов для управления одним или несколькими рабочими параметрами, такими как, но не ограничивая, поток, давление, температура, уровень жидкости и т.д.

В нефтяной и газовой промышленности регулировочные клапаны используются для управления давлением, уровнем, температурой и потоком. В некоторых случаях эти регулировочные клапаны работают в загрязненных условиях, как только создается достаточное падение давления на клапане. При обработке природного газа это уменьшение давления посредством клапана приводит к уменьшению температуры без выделения тепла или работать от газа (т.е. адиабатно). Этот так называемый процесс дросселирования является изоэнтальпическим по природе, так как часть потенциальной энергии, которая была доступна для выполнения термодинамической работы, рассеивается внутри клапана. Для реальных газовых условий, таких как природный газ под высоким давлением, внутримолекулярные силы сдерживаются соответственными силами, в результате, указанный изоэнтальпический процесс расширения приводит к явлению, известному как охлаждение Джоуля-Томпсона. Полученное уменьшение температуры обусловлено всего лишь уменьшением внутримолекулярной энергии при оставшейся неизменной энтальпии. Клапан, создающий это уменьшение давления, называется клапаном Джоуля-Томпсона. Эффект охлаждения посредством данного клапана может быть использован для конденсации части потока природного газа так, что сжиженная и/или отвержденная фракция могут быть разделены в емкости. Для большинства из этих сепараторных емкостей движущая сила представляет собой либо инерционные, либо гравитационные силы или, другими словами, массы сжиженных капель определяют эффективность сепарации. Такой низкотемпературный сепаратор с предшествующим указанному клапаном, обычно называется системой Джоуля-Томпсона низкотемпературного сепаратора.

Например, известен традиционный клеточный клапан для управления, который поставляется Mokveld Valves B.V., в котором поток текучей среды дросселируется через перфорированную гильзу 23. Корпус 22 клапана поршневого типа может быть расположен в перфорированной гильзе 23 для управления потоком посредством перфорированной гильзы 23. Этот клеточный клапан описан более подробно ниже со ссылкой на фиг.1a-d.

Традиционный дроссельный клапан Mokveld, показанный на фиг.1а, содержит корпус 21 поршневого типа, выполненный с возможностью скольжения (см. стрелку 8) в соответствующей перфорированной гильзе 23 так, что вращением зубчатого колеса 24 на валу 25 клапана зубчатый шток 26 поршня толкает корпус вверх и вниз в канал 27 выпуска текучей среды, как проиллюстрировано стрелкой 28. Клапан имеет канал 29 впуска текучей среды, который имеет кольцеобразную переднюю секцию 29а, которая может окружать корпус 22 клапана и/или перфорированную гильзу 23, при этом поток текучей среды, который проходит от канала 29 впуска текучей среды в канал 27 выпуска текучей среды, регулируется аксиальным положением корпуса 22 относительно соответствующей перфорированной гильзы 23.

Традиционная гильза 23 содержит отверстия 30 - перфорированные отверстия, гнеда или отверстия - которые имеют радиальную ориентацию т.е. прямоугольную по отношению к цилиндрической поверхности гильзы 23. Это показано на фиг.1b, представляющей собой вид в поперечном сечении перфорированной гильзы 23.

Смещением корпуса 22 клапана в гильзе 23 в аксиальном направлении область потока может регулироваться.

Как проиллюстрировано на фиг.1c, характер движения потока в клеточном клапане 23 с радиальными отверстиями является высоко беспорядочным, в результате вводя большие усилия сдвига, заставляющие капли дробиться на меньшие капли. Фиг.1d схематически иллюстрирует неизменный диспергированный поток с маленькими каплями жидкости в канале 27 выпуска текучей среды и иллюстрирует ситуацию, в которой концентрация капель в канале 27 выпуска текучей среды является по существу одинаковой (обозначена серой штриховкой).

Даже если главная функция клапана Джоуля-Томпсона представляет собой управление скоростью потока, часто забывают, что вторая функция заключается в создании отделимой жидкой фазы. В газоперерабатывающей промышленности получение среднего размера капель изоэнтальпическим расширением посредством клапана Джоуля-Томпсона не известно, поэтому эффективность отделения передних сепараторов является в большой степени неизвестной. Время от времени возникают проблемы качества газа из-за неоптимальной эффективности сепарации. В таких случаях часто имеет место точка росы по углеводороду, которая остается слишком высокой, и указывает на то, что в особенности капли углеводорода имеют тенденцию быть слишком маленькими.

Публикация WO2006070020 описывает улучшенный клапан, который увеличивает эффективность сепарации. Это будет обсуждено более подробно ниже со ссылкой на фиг.2а-2d.

Клапан, показанный на фиг.2а, содержит корпус 21 поршневого типа, выполненный с возможностью скольжения (см. стрелку 8) в соответствующей перфорированной гильзе или клетке 123 так, что вращением зубчатого колеса 24 на валу 25 клапана зубчатый шток 26 поршня толкает корпус клапана вверх и вниз в канал 27 выпуска текучей среды, как проиллюстрировано стрелкой 28. Клапан имеет канал 29 впуска текучей среды, который имеет кольцеобразную переднюю секцию 29А, которая может окружать корпус 22 клапана и/или перфорированную гильзу 123, при этом поток текучей среды, проходящий от канала 29 впуска текучей среды в канал 27 выпуска текучей среды, регулируется аксиальным положением корпуса 22 клапана относительно соответствующей перфорированной гильзы 123. Этот клапан может также содержать конический центральный корпус 15 который по существу коаксиален с центральной осью 11 канала 27 выпуска текучей среды и который создает канал 27 выпуска, имеющий постепенно увеличивающуюся область поперечного сечения в направлении вниз по потоку, тем самым создавая управляемое замедление потока текучей среды в канале 27 выпуска и образуя вихрь, который повышает рост и слипание сконденсированных капель текучей среды или пузырьков в масле.

На фиг.2b показано, что в дроссельном клапане перфорированная гильза 123 содержит наклонные или нерадиальные отверстия 130, которые просверлены в выбранной частично тангенциальной ориентации относительно центральной оси перфорированной гильзы 123 так, что продольная ось 12 каждого из отверстий 130 пересекает центральную ось 11 на расстоянии D, которое составляет 0,2-1, предпочтительно 0,5-0,99 от внутреннего радиуса R гильзы 123.

Наклонные отверстия 130 создают завихренный поток в потоке текучей среды, текущем через канал 27 выпуска текучей среды, как проиллюстрировано стрелкой 14. Вихревое движение также может быть задано специальной геометрией затвора клапана и/или штока клапана и/или корпуса клапана. В клапане согласно фиг.2а и 2b доступное свободное давление используется для адиабатического расширения для создания завихренного потока в потоке текучей среды. Так как термодинамическая работа не выполняется или не производится расширением текучей среды в отношении ее окружения, указанное адиабатическое расширение может быть рассмотрено как изоэнтальпический процесс. Кинетическая энергия, главным образом, рассеивается посредством ослабления вихря вдоль вытянутой длины трубы, расположенной после клапана.

Как проиллюстрировано на фиг.2c характер движения потока в клеточном клапане с тангенциальными отверстиями упорядочивается и имеет вихревое движение, в результате уменьшая усилия сдвига, которые могут заставлять капли дробиться на меньшие капли, и повышает слипание микрокапель/пузырьков. Фиг.2d схематически иллюстрирует диспергированный поток с маленькими каплями жидкости, сосредоточенными на внешнем периметре канала 27 выпуска текучей среды.

Как проиллюстрировано на фиг.2d, наличие вихревого движения в дроссельном клапане сосредотачивает капли 18 в уменьшенной области 7а потока на внешней границе (около 60% всей области поперечного сечения) канала 27 выпуска текучей среды (более высокая концентрация обозначена более темной штриховкой) так, что численная плотность капель увеличивается на коэффициент приблизительно 1,7. Более того, скорость турбулентного рассеивания в активной зоне вихря является большой из-за высокой тангенциальной скорости.

Будет понятно, что создание больших капель жидкости (или больших пузырьков газа в случае масла или дегазации конденсата) в канале 27 выпуска дроссельного клапана обеспечивает более простое отделение жидкой и газовой фазы в узле сепарации текучей среды, который может быть размещен после дроссельного клапана. Такой следующий далее узел сепарации текучей среды может содержать один или более гравитационных и/или циклонных сепараторных емкостей.

Текучая среда может быть преимущественно газовым носителем с жидкой фазой или преимущественно жидким носителем с несмешивающейся жидкой и/или газовой фазой. Пример первого представляет собой процесс низкотемпературного сепаратора с клапаном Джоуля-Томпсона, питаемым потоком природного газа с жидкой фракцией конденсатов, воды или гликоля. Пример второго представляет собой процесс стабилизации нефтяных или углеводородных конденсатов дроссельным клапаном, питаемым потоком нефти или потоком конденсатов с жидкой фракцией воды и/или гликоля и увлеченного газа.

Фиг.2c и 2d иллюстрируют преимущество создания завихренного потока в канале выпуска клапана, которое является следующим:

регулярный характер скорости -> меньший межповерхностный сдвиг -> меньшее дробление капель/пузырьков -> большие капли;

концентрация капель на внешней периферии 7А области потока канала 27 выпуска текучей среды или концентрация капель в центре канала 27 выпуска текучей среды -> большая численная плотность -> улучшенное слипание -> большие капли/пузырьки 18.

Отвердевание

Охлаждением потока текучей среды в процессе работы (например, охлаждением расширением, рефрижераторным охлаждением и т.д.) сконденсированная фракция может (частично) затвердевать, например, до кристаллических твердых частиц. Для скважинной текучей среды, полученной из подземного резервуара, эти твердые частицы могут содержать газовые гидраты, нефтепарафины, асфальтены, смолы, двуокись углерода, сероводород и т.д.

Газовый клатрат, также называемый газовым гидратом или газовым льдом, представляет собой твердую форму воды, которая содержит большое количество молекул газа внутри ее кристаллической структуры. Такие газовые клатраты обнаружены в пластовых текучих средах, например, нефти или природном газе, где часть газовых компонентов (например, метан, этан, пропан, (изо)бутан, двуокись углерода, сероводород) могут образовывать гидраты в сочетании с водой при повышенном давлении. Эти гидраты обычно существуют в агломерированных твердых формах, которые являются по существу нерастворимыми в самой текучей среде.

Термодинамические условия, содействующие образованию газовых гидратов, часто обнаруживаются в магистралях, трубопроводах перекачки или других трубопроводах, клапанах и/или устройствах безопасности, сосудах, теплообменниках и т.д. Это высоко нежелательно, так как кристаллы газа могут агломерировать и вызывать закупоривание или блокирование линии потока, клапанов и приборов. Это приводит к остановке, снижению производства, риску взрыва, травме или непреднамеренной утечке углеводородов в окружающую среду, в землю или водоем. Соответственно, гидраты природного газа представляют по существу интерес, а также касаются многих промышленностей, в частности нефтяной и газовой промышленностей.

Кристаллы двуокиси углерода (CO2) могут образовываться при охлаждении CO2, содержащегося в скважинной текучей среде, до температур ниже -60°C. Процессы, целенаправленно перерабатывающие текучие среды для производства твердых частиц CO2, известны из публикаций WO9901706 и WO03062725.

Парафины, смолы, асфальтены могут образовываться в скважинной текучей среде, содержащей нефть, которая охлаждается, например, в сосуде уменьшения давления (т.е. испарительном).

Соответственно, дроссельные клапаны, которые описаны выше со ссылкой на фиг.1a-2d, имеют указанные проблемы. Во время использования (наклонные) отверстия 30, 130 могут (частично) блокироваться твердыми частицами, содержащимися в потоке текучей среды. Далее, указанные твердые частицы могут иметь тенденцию прилипать к внутренней области клапана, например, на входе и внутри (наклонных) перфорированных отверстий 30, 130, тем самым частично или полностью блокируя (наклонные) отверстия 30, 130.

Сущность изобретения

Целью настоящего изобретения является создание дроссельного клапана, который устраняет по меньшей мере одну из вышеуказанных проблем закупоривания отверстий твердыми частицами, такими как гидраты.

Согласно варианту выполнения создан дроссельный клапан, содержащий впуск текучей среды и выпуск текучей среды и предназначенный для управления потоком текучей среды на пути потока от впуска текучей среды в выпуск текучей среды, причем путь потока содержит множество отверстий, которые, при использовании, создают уменьшение давления на дроссельном клапане и, тем самым, эффект охлаждения текучей среды, причем эти отверстия расширяются в переднем направлении. Эти отверстия могут иметь угол расхождения φ в диапазоне 10°-50°. Также, отверстия могут иметь радиальную, тангенциальную или аксиальную ориентацию или направление в отношении центральной оси. Также, эти отверстия могут иметь комбинацию тангенциальной или аксиальной ориентации или направления в отношении центральной оси.

Такой дроссельный клапан имеет преимущество, состоящее в том, что отверстия будут иметь меньшую вероятность закупорки твердыми частицами за счет суженной формы отверстий.

Краткое описание чертежей

Далее варианты выполнения будут описаны исключительно путем примера со ссылкой на сопровождающие схематические чертежи, на которых соответствующие ссылочные позиции обозначают соответствующие части, и на которых показано следующее:

фиг.1a-d схематически показывают известный клапан;

фиг.2а-d схематически показывают другой известный клапан;

фиг.3а-с схематически показывают вид сбоку клапана согласно вариантам выполнения изобретения;

фиг.4а-e схематически показывают другой вариант выполнения изобретения;

фиг.5а-e схематически показывают еще один вариант выполнения изобретения;

фиг.6а-d и 7а-b схематически показывают другие варианты выполнения изобретения;

фиг.8 схематически изображает график адгезионной прочности льда на различных поверхностях;

фиг.9а-с схематически изображают еще один вариант выполнения изобретения.

Подробное описание вариантов выполнения

Далее вариант выполнения изобретения описан со ссылкой на фиг.3а и 3c, которые показывают дроссельный клапан, содержащий впуск 29 текучей среды и выпуск 27 текучей среды и предназначенный для управления потоком текучей среды на пути потока от впуска 29 текучей среды в выпуск 27 текучей среды, причем путь потока содержит множество отверстий 330, которые, при использовании, создают уменьшение давления на дроссельном клапане и, тем самым, эффект охлаждения текучей среды, причем отверстия 330 расширяются в направлении вниз по потоку.

Уменьшение давления (расширение) и охлаждение приводят к конденсации, и таким образом образуются капли жидкости во время расширения вдоль пути потока клапана. Дроссельный клапан использует доступное свободное давление для изоэнтальпического расширения и, в некоторых вариантах выполнения, для создания завихренного потока в потоке текучей среды.

Направление вниз по потоку может быть определено как направление потока при использовании через отверстия 330 по направлению к каналу 27 выпуска текучей среды. Продольная ось, определяющая ориентацию расширяющихся отверстий 330, может иметь любую пригодную ориентацию, как будет объяснено более подробно ниже со ссылкой на фиг.4-7.

Будет понятно, что такой вариант выполнения может быть образован дроссельным клапаном, который описан выше со ссылкой на фиг.1a-2d, теперь содержащим отверстия, которые расширяются в переднем направлении.

Согласно варианту выполнения отверстия 330 имеют угол расхождения φ в диапазоне 10°-50°. Выбор пригодного угла будет более подробно объяснен ниже.

Таким образом, дроссельный клапан может содержать корпус 21 и перфорированную гильзу 323, содержащую множество отверстий 330.

Как показано на фиг.3а, направление потока может быть выбрано так, что текучая среда проходит снаружи перфорированной гильзы 323 внутрь перфорированной гильзы 323. Однако, согласно альтернативе, показанной на фиг.3b, дроссельный клапан может быть использован в обратном направлении, т.е. текучая среда может протекать изнутри перфорированной гильзы 323 наружу перфорированной гильзы 323. Фиг.3c схематически изображает отверстие 330, причем стрелка DD схематически изображает направление вниз по потоку для фигур 3а или 3b.

Дроссельный клапан может дополнительно содержать корпус 22 поршневого типа, выполненный с возможностью скольжения относительно указанной перфорированной гильзы 323 для управления потоком текучей среды через отверстия 330.

Корпус 22 и перфорированная гильза 323 могут быть выполнены в соответствии с вариантами выполнения, описанными со ссылкой на фиг.1a-d и 2-d. Перфорированная гильза 323 может иметь цилиндрическую форму с осью вдоль продольной оси 11. Отверстия 330 могут быть образованы разнесенными по периферии перфорациями перфорированной гильзы 323. Корпус 22 может иметь цилиндрическую форму, которая соответствует внутренней области перфорированной гильзы 323, и может быть размещен внутри гильзы 323 так, что внешняя поверхность корпуса 22 стыкуется или располагается относительно близко к внутренней поверхности перфорированной гильзы 323. Более того, корпус 22 может продолжаться коническим центральным корпусом 15, который отклоняет поток текучей среды, выходящий из отверстий перфорированной гильзы 323.

Также, клапан имеет канал 29 впуска текучей среды, который имеет кольцеобразную переднюю секцию 29А, которая может окружать корпус 22 и/или перфорированную гильзу 123, при этом поток текучей среды, который имеет возможность протекать от канала 29 впуска текучей среды в канал 27 выпуска текучей среды, регулируется аксиальным положением корпуса 22 относительно перфорированной гильзы 123.

Отметим, что другие типы дроссельных клапанов, Джоуля-Томпсона или другие клапаны воздушного и/или дроссельного типа могут быть также использованы, например, дроссельный клапан, в котором корпус 22 поршневого типа заменен элементом, который выполнен с возможностью скольжения снаружи перфорированной гильзы 323. В таком случае, корпус 22 поршневого типа может содержать цилиндрическую внутреннюю стенку, которая соответствует геометрии и форме внешней стенки перфорированной гильзы 123.

Корпус 22 не содержит отверстия или т.п. и, таким образом, может быть использован для блокирования текучей среды, проходящей от канала 29 впуска текучей среды в канал 27 выпуска текучей среды. При использовании, текучая среда проходит от канала 29 впуска текучей среды в канал 27 выпуска текучей среды через участок множества отверстий 330. Изменением относительного положения корпуса 22 и перфорированной гильзы 323 между каналом 29 впуска текучей среды и каналом 27 выпуска текучей среды обеспечивается меньше или больше отверстий 330 для прохода текучей среды. Количество отверстий 330 может изменяться от минимального количества, т.е. от нуля, связанного с полностью закрытым положением, до максимального количества, связанного с полностью открытым положением дроссельного клапана.

Как описано, отверстия 330 расширяются в направлении вниз по потоку. Это значит, что отверстия 330 имеют впуск 301 на задней стороне с первой областью А1 поперечного сечения и выпуск 302 на передней стороне со второй областью А2 поперечного сечения, причем первая область А1 поперечного сечения по существу меньше второй области А2 поперечного сечения: А1<А2. Первая область А1 поперечного сечения может, например, быть меньше 75% второй области А2 поперечного сечения. Как объяснено выше, переднее направление может быть выбрано снаружи внутрь перфорированной гильзы 323, или наоборот.

Отверстия 330 могут иметь по существу круглую область поперечного сечения. Однако, другие пригодные формы могут быть также приняты, например, прямоугольная область поперечного сечения.

Расширяющиеся отверстия 330 имеют преимущество в том, что гидраты не будут застревать в отверстии 330, т.е. отверстия 330 имеют саморазгружающуюся форму. Это будет объяснено более подробно ниже.

Граница твердый-твердый

Как объяснено выше, гидраты имеют тенденцию прилипать к внутренним стенкам отверстий 330 благодаря адгезионным силам и силам трения. Адгезионная прочность (P_s) между твердыми поверхностями определяется энергиями поверхности раздела фаз между этими поверхностями, а также конечной поверхностью (гладкой/шероховатой).

Перфорированная гильза 323 изготовлена, например, из высоколегированных сталей, таких как дублекс или Cr сталей или металлов, наподобие титана или вольфрама, или керамических материалов. В связи с этим, максимальная адгезионная прочность между гидратом и поверхностью легированной стали принимается P_s=12·10⁵ Н/м². Значения адгезионных прочностей могут быть, например, найдены в «Адгезионные свойства газовых гидратов и льда» Э. А. Бондарев, А. Гройсман, Саввин AZ 1996 (во 2-й Международной конференции по вопросам газовых гидратов).

Более того, внутренняя поверхность перфорированной гильзы 323 может быть покрыта подходящим материалом, который отталкивает лед и/или воду. Были выполнены испытания различных покрытых и непокрытых поверхностей, показывающие точно выраженное отношение между адгезионной прочностью (лед-поверхность) и гистерезисом угла контакта воды на указанной поверхности. Указанное эмпирическое отношение показано на фиг.8, показывающие адгезионную прочность льда выбранной поверхности как функцию от смачиваемости поверхности.

Все точки на фиг.8 представляют поверхности специального состава материала и специальной топологии поверхности. Гистерезис угла контакта определяется как разница увеличивающегося угла контакта воды и снижающегося угла контакта воды. График показывает, что адгезионная прочность на границе лед-вода уменьшается, когда гистерезис угла контакта воды уменьшается.

Угол расхождения

Для минимизации статических сил трения между внутренней поверхностью отверстий 330 и возможными гидратами в отверстиях и обеспечения освобождения гидратов из отверстия, предложены варианты выполнения изобретения, в которых форма отверстий сужается в направлении вниз по потоку или, другими словами, в которых отверстия 330 расширяются в направлении DD. Пример такого отверстия 330 показан подробно на фиг.3c. Отверстие 330 имеет высоту h в переднем направлении и угол расхождения φ, который обычно составляет 10°. Отверстие 330 имеет впуск 301 с типовым размером d.

Ниже приведено приближение первого порядка соответственной области физики.

Для данного применения определен некоторый минимальный перепад давления P_d. Если отверстие 330 становится полностью заблокированным гидратами, сила F_d=P_d·A₁ в направлении, нормальном к поперечному сечению отверстия, действует на такой гидрат, в котором A₁ представляет собой область поперечного сечения впуска отверстия 330.

Подобным образом прикладывается определенная адгезионная сила между внутренней стенкой и гидратом: F_s=P_s ^.A_s, где A_s представляет собой внутреннюю поверхность отверстия. От Бондарева и др. известно, что для поверхностей легированной стали максимальная адгезионная прочность (P_s) между газовым гидратом и указанной поверхностью может быть принята 12·10⁵ Н/м² (12 бар).

Наконец, силы трения F_f определяются нормальной силой F_N относительно внутренней поверхности отверстия A_s и коэффициентом трения f между двумя твердыми поверхностями так, что F_f=f·F_N. Нормальная сила F_N пропорциональна силе F_d перепада давления, коэффициенту Пуассона газового гидрата (или любого другого рассматриваемого твердого материала), отношению поперечного сечения отверстий A1/A2.

Так как первые два указанных параметра даны рассматриваемым применением, только отношение A1/A2 представляет собой независимый параметр конструкции, который вместе с высотой отверстия h определяют угол расхождения φ. Чем больше область поперечного сечения в выпуске отверстия A2, тем больше деформация объема гидрата в направлении продольной оси отверстия 12, и в результате тем меньше напряжение сжатия P_N в радиальном направлении (цилиндрическое отверстие) или поперечном направлении (прямоугольное отверстие).

Расчетный критерий для отверстия 330 далее становится: F_d≥F_s+F_N, т.е. сумма адгезионной силы F_s и нормальной силы F_N должна быть меньше силы F_d давления так, что гидрат толкается из отверстия 330.

Выше представлено приближение первого порядка протекающих физических процессов. Однако, приближение первого порядка выше показывает, что предпочтительно обеспечивать суженные отверстия 330 с некоторым углом расхождения φ, т.е. в диапазоне 10-50°.

Для отверстий 330, имеющих круговое поперечное сечение с диаметром d, применимо следующее:

Подобным образом, для отверстий 330, имеющих прямоугольное поперечное сечение с длиной l и шириной w, применимо следующее:

Для того, чтобы уменьшать силы трения F_f предпочтительно шлифовать внутреннюю поверхность отверстия до средней шероховатости Ra<2 мкм или Ra<0,6 мкм.

Таким образом, согласно варианту выполнения внутренняя поверхность отверстий 330, 330′, 330′′, 330′′′, 330′′′′ имеет среднюю шероховатость поверхности Ra ниже 2 мкм.

Согласно варианту выполнения внутренняя поверхность A_s отверстий 330 проявляет гистерезис угла контакта воды ниже 25°, т.е. чтобы уменьшать адгезионную силу F_s между твердой и внутренней поверхностью отверстия материал может быть выбран вызывающим разницу между растущим и снижающимся углом контакта воды <25° или менее 15°.

Для дополнительного предотвращения скопления отложения гидратов внутренние поверхности отверстий могут быть покрыты боящимся льда покрытием. Пригодное боящееся льда покрытие будет фторсодержащим алмазом, например, углерод. Требуется, чтобы шероховатость поверхности указанного покрытия (и подстилающей поверхности) составляла менее 0,05 мкм во всех направлениях, при этом более предпочтительно менее 0,02 мкм во всех направлениях. Любой покрывающий слой (например, керамика, алмазоподобный углерод, эластомеры, полимеры) может быть пригоден при условии, что статический угол контакта воды на указанной поверхности более 90° или более предпочтительно более 110° при поддержании разницы между растущим углом контакта воды и снижающимся углом контакта воды на указанной поверхности (т.e. гистерезис) менее 25°, но более предпочтительно менее 15°.

Таким образом, внутренняя поверхность может быть покрыта слоем алмазоподобного углерода с толщиной слоя более 3 мкм.

Такие материалы могут содержать покрытия алмазоподобным углеродом, преимущественно состоящие из поликристаллических углеродных связей. Согласно варианту выполнения, слой алмазоподобного углерода содержит одну или более связей углерод-фтор, углерод-кремний, углерод-кислород, углерод-водород. Таким образом, покрытие алмазоподобным углеродом может содержать связи углеродов с одним из следующих атомов, фтор (F), кремний (S), кислород (O) и/или водород (H). Указанные покрытия алмазоподобным углеродом могут быть нанесены на базовый материал (например, легированную сталь) слоем с толщиной более 3 мкм или более предпочтительно более 6 мкм.

Радиальное отверстие

Согласно вариантам выполнения, схематически изображенным на фиг.4а-4e, создан дроссельный клапан, в котором отверстия 330′ имеют по существу радиальную ориентацию относительно центральной перфорированной гильзы 323. Таким образом, отверстия 330′ являются по существу прямоугольными в цилиндрической поверхности гильзы 323. Пример этого показан на фиг.4а.

Более подробный вид показан на фиг.4b, в котором показано, что впуск 301 по существу меньше выпуска 302. Внутренние стенки отверстий 330′ могут быть расположены под углом расхождения φ, как определено выше, создавая расширяющееся отверстие в переднем направлении. Фиг.4c показывает вид сверху перфорированной гильзы 323, показывающий только одно отверстие 330′ путем примера.

Как может быть видно, продольные оси 12 отверстий 330′ проходят по существу через центральную ось 11, т.е. на расстоянии (не показано), которое составляет 0-0,1 от внутреннего радиуса R гильзы 323. Продольная ось 12 расположена в направлении, которое поровну делит угол расхождения φ, т.е. является биссектрисой.

Фиг.4d и 4e схематически изображают другой пример, в котором переднее направление выбрано изнутри перфорированной гильзы 323 наружу перфорированной гильзы 323. Как может быть видно на виде сверху перфорированной гильзы 323 отверстие 330′ больше снаружи перфорированного барабана 323, чем внутри перфорированной гильзы 323.

Тангенциальное отверстие

Согласно дополнительному варианту выполнения создан дроссельный клапан, в котором продольные оси 12 отверстий 330′′ имеют по существу тангенциальную компоненту относительно центральной оси перфорированной гильзы 323. Пример показан на фиг.5а.

Отверстия 330′′ образуют средства завихрения, которые сообщают вихревое движение потоку текучей среды, проходящему через канал 27 выпуска текучей среды и ориентированы так, что поток текучей среды завихряется вокруг продольной оси 11 канала 27 выпуска текучей среды, тем самым заставляя капли жидкости завихряться по направлению к внешней периферии канала 27 выпуска текучей среды и слипаться. Этот эффект объяснен более подробно выше со ссылкой на фиг.2а-d.

Более подробный вид показан на фиг.5b и 5c, в которых показано, что впуск 301 по существу меньше выпуска 302, тем самым создавая расширяющееся отверстие в переднем направлении. На фиг.5c канал 27 выпуска текучей среды и канал 29 впуска текучей среды обозначены вместе стрелками, указывающими направление потока. Внутренние стенки отверстий 330′′ могут быть расположены под углом расхождения φ, который может быть тем, который определен выше. Продольная ось 12 определяется как биссектриса угла расхождения φ.

Таким образом, продольные оси 12 отверстий 330′′ пересекают центральную ось 11 на расстоянии D, которое составляет 0,2-1, предпочтительно 0,5-0,99 от внутреннего радиуса R гильзы 323. Это подобно примеру, обеспеченному со ссылкой на фиг.2а-d, несмотря на то, что отверстия 330′′ теперь являются расширяющимися или суженными.

Внутренние стенки отверстий 330′′ могут быть, например, наклонной конической секцией, т.е. при обеспечении круглых отверстий 330′′.

Фиг.5d и 5e схематически изображают другой вариант, в котором направление вниз по потоку является направлением изнутри перфорированной гильзы 323 наружу перфорированной гильзы 323. Этот вариант выполнения объединяет преимущества расширяющихся отверстий (саморазгружающейся формы) с преимуществами добавления завихрения потоку.

Аксиальное отверстие

Согласно вариантам выполнения создан дроссельный клапан, в котором продольные оси 12 отверстий 330′′′ имеют по существу аксиальный компонент относительно центральной оси перфорированной гильзы 323. Примеры этого показаны на фиг.6а-6d. Фиг.6а и 6c показывают вид сбоку перфорированной гильзы согласно этим вариантам выполнения. В примере на фиг.6 направление вниз по потоку является направлением снаружи внутрь перфорированной гильзы 323, в варианте на фиг.6c, переднее направление выбрано изнутри наружу перфорированной гильзы 323. Фиг.6b и 6d показывают вид сверху перфорированной гильзы 323, соответствующий фиг.6а и 6c, соответственно.

Аксиально ориентированные отверстия 330′′′ имеют преимущество в том, что потоком создается меньше эрозии, так как линии потока, которые выходя из аксиально ориентированных отверстий (т.е. утечка) заключают меньший угол с объектами, которые могут встречаться, такими как внешняя поверхность корпуса 22 в случае, когда поток направлен снаружи внутрь перфорированной гильзы 323, или внутренняя поверхность корпуса 21 клапана в случае, когда поток направлен изнутри наружу перфорированной гильзы 323. В результате, угол столкновения твердых материалов которые перемещаются потоком текучей среды посредством адвекции, уменьшается. Этот уменьшенный угол столкновения приводит к меньшей эрозии, если указанная противоположная поверхность твердеет обычно > 1200 Виккерс. Продольные оси 12 отверстий 330′′′ могут иметь ориентацию, при которой они пересекают центральной осью 11 дроссельного клапана под углом α, который имеет значение в диапазоне 20°<α<70°, предпочтительно в диапазоне 20°<α<30°.

Внутренние стенки отверстий 330′′′ расположены под углом расхождения φ, который может быть определен как выше.

Тангенциальное и аксиальное отверстие

Согласно вариантам выполнения создан дроссельный клапан, в котором продольные оси 12 отверстий 330′′′ имеют по существу тангенциальный компонент относительно центральной оси перфорированной гильзы 323 и по существу аксиальный компонент относительно центральной оси перфорированной гильзы 323.

Примеры такого отверстия показаны на фиг.7а и 7b, показывающих вид сверху перфорированной гильзы 323 только с одним отверстием 330′′′′.

В варианте на фиг.7f, направление вниз по потоку является направлением снаружи внутрь перфорированной гильзы 323. В варианте на фиг.7b направление вниз по потоку является направлением изнутри наружу перфорированной гильзы 323. В обоих вариантах, отверстия 330′′′′ расширяются в направлении вниз по потоку.

Продольные оси 12 отверстий 330′′′′ могут иметь ориентацию, при которой они пересекают центральную ось 11 дроссельного клапана под углом в диапазоне 20°-70°, предпочтительно в диапазоне 20°-30°. Угол расхождения φ отверстий 330′′′′ является таким, как определено выше.

Данный дроссельный клапан объединяет преимущества обоих аксиального и тангенциального вариантов выполнения, обеспеченных выше.

Действие обратного потока

Все выше указанные конфигурации дроссельного клапана могут работать в двух режимах потока. Это значит, что отверстия могут расширяться в направлении снаружи внутрь или изнутри наружу. Последняя форма может быть благоприятной при более низкой скорости выхода текучей среды (например, для эрозии).

Дополнительные варианты выполнения

Отметим, что выполнение отверстий с аксиальным компонентом (выборочно также с тангенциальным компонентом) также может быть использовано без особенности, заключающейся в расширении отверстий в направлении вниз по потоку. Будет понятно, что эти варианты выполнения могут быть объединены со всеми признаками и подробностями вариантов выполнения, описанных выше.

Варианты, показанные на фиг.9а-9c.

Согласно указанным вариантам выполнения создан дроссельный клапан, содержащий впуск 29 текучей среды и выпуск 27 текучей среды, причем дроссельный клапан выполнен с возможностью управления потоком текучей среды, проходящим по пути потока от впуска 29 текучей среды 29 в выпуск 27 текучей среды, причем путь потока содержит множество отверстий 430, которые, при использовании, создают уменьшение давления на дроссельном клапане и, тем самым, эффект охлаждения текучей среды, причем продольные оси 12 отверстий 430 имеют по существу аксиальный компонент относительно центральной оси 11 дроссельного клапана. Будет понятно, что эти варианты выполнения могут быть объединены со всеми признаками и подробностями вариантов выполнения, описанных выше.

Вариант, показанный на фиг.9а-9b.

Фиг.9а показывает вид сбоку перфорированной гильзы согласно этому варианту выполнения. В данном варианте на фиг.9а, направление вниз по потоку является направлением снаружи внутрь перфорированной гильзы или изнутри наружу перфорированной гильзы, как обозначено двойными стрелками.

Фиг.9b показывает вид сверху перфорированной гильзы, в которой продольные оси отверстий 430 имеют по существу аксиальный компонент относительно центральной оси 11 перфорированной гильзы и/или дроссельного клапана.

Продольные оси 12 отверстий 430 могут иметь ориентацию, при которой они пересекают центральную ось 11 дроссельного клапана под углом α, который имеет значение в диапазоне 20°<α<70°, предпочтительно в диапазоне 20°<α<30°.

Аксиально ориентированные отверстия 430 имеют преимущество в том, что потоком создается меньшая эрозия, так как линии потока имеют меньший угол с поверхностью трубчатой стенки перфорированной гильзы, в результате уменьшая угол столкновения твердых материалов, которые перемещаются потоком текучей среды посредством адвекции.

Согласно дополнительному варианту выполнения создан дроссельный клапан, содержащий впуск 29 текучей среды и выпуск 27 текучей среды и предназначенный для управления потоком текучей среды, проходящим по пути потока от впуска 29 текучей среды в выпуск 27 текучей среды, причем путь потока содержит множество отверстий 430, которые, при использовании, создают уменьшение давления на дроссельном клапане и, тем самым, эффект охлаждения текучей среды, причем продольные оси 12 отверстий 430 имеют по существу аксиальный компонент относительно центральной оси 11 дроссельного клапана, и продольные оси 12 отверстий 430 имеют по существу тангенциальный компонент относительно центральной оси дроссельного клапана.

На фиг.9c показан вариант выполнения, который объединяет преимущества варианта выполнения, описанного выше со ссылкой на фиг.9а и фиг.9b и обеспечивает добавление завихрения потоку текучей среды, обеспечивая отделение компонентов.

Дополнительные замечания

Специалисту в области техники будет очевидно, что другие альтернативные и эквивалентные варианты выполнения изобретения могут быть осуществлены в объеме изобретения, который ограничивается только пунктами формулы изобретения, приведенными ниже.

Изобретение относится к дроссельному клапану, содержащему впуск (29) текучей среды и выпуск (27) текучей среды. Дроссельный клапан выполнен с возможностью управления потоком текучей среды, проходящего по пути потока от впуска (29) текучей среды в выпуск (27) текучей среды. Путь потока содержит множество отверстий (330), которые, при использовании, создают уменьшение давления на дроссельном клапане и, тем самым, эффект охлаждения текучей среды. Отверстия (330) расширяются в направлении вниз по потоку. Продольные оси (12) отверстий (330'''') имеют по существу тангенциальный компонент относительно центральной оси перфорированной гильзы (323) и по существу аксиальный компонент относительно центральной оси перфорированной гильзы (323). 2 н. и 19 з.п. ф-лы, 9 ил.

1. Дроссельный клапан, содержащий впуск (29) текучей среды, выпуск (27) текучей среды и предназначенный для управления потоком текучей среды, проходящим по пути потока от впуска (29) текучей среды в выпуск (27) текучей среды, причем путь потока содержит множество отверстий (330), которые, при использовании, создают уменьшение давления на дроссельном клапане и, тем самым, эффект охлаждения текучей среды, причем отверстия (330) расширены в направлении вниз по потоку, продольные оси (12) отверстий (330'''') имеют по существу тангенциальный компонент относительно центральной оси перфорированной гильзы (323) и по существу аксиальный компонент относительно центральной оси перфорированной гильзы (323).

2. Дроссельный клапан по п.1, в котором отверстия (330) имеют угол расхождения φ в диапазоне 10-50°.

3. Дроссельный клапан по п.1 или 2, содержащий корпус (21) и перфорированную гильзу (323), содержащую множество отверстий (330).

4. Дроссельный клапан по п.3, дополнительно содержащий корпус (22) поршневого типа, выполненный с возможностью скольжения относительно перфорированной гильзы (323) для управления потоком текучей среды посредством отверстий (330).

5. Дроссельный клапан по п.3, в котором отверстия (330') имеют по существу радиальную ориентацию относительно центральной оси перфорированной гильзы (323).

6. Дроссельный клапан по п.4, в котором отверстия (330') имеют по существу радиальную ориентацию относительно центральной оси перфорированной гильзы (323).

7. Дроссельный клапан по любому из пп.1, 2, 4-6, в котором аксиальный компонент продольных осей (12) расположен под углом α относительно центральной оси 11 дроссельного клапана, который имеет значение в диапазоне 20°<α<70°, или в диапазоне 20°<α<30.

8. Дроссельный клапан по п.3, в котором аксиальный компонент продольных осей (12) расположен под углом α относительно центральной оси 11 дроссельного клапана, который имеет значение в диапазоне 20°<α<70°, или в диапазоне 20°<α<30°.

9. Дроссельный клапан по любому из пп.1, 2, 4-6, 8, в котором внутренняя поверхность отверстий (330, 330', 330'', 330''', 330'''') имеет среднюю шероховатость поверхности (Ra) менее 2 мкм.

10. Дроссельный клапан по п.3, в котором внутренняя поверхность отверстий (330, 330', 330'', 330''', 330'''') имеет среднюю шероховатость поверхности (Ra) менее 2 мкм.

11. Дроссельный клапан по п.7, в котором внутренняя поверхность отверстий (330, 330', 330'', 330''', 330'''') имеет среднюю шероховатость поверхности (Ra) менее 2 мкм.

12. Дроссельный клапан по п.9, в котором внутренняя поверхность отверстий (330, 330', 330'', 330''', 330'''') проявляет гистерезис угла контакта воды ниже 25°.

13. Дроссельный клапан по п.12, в котором внутренняя поверхность покрыта слоем алмазоподобного углерода с толщиной слоя более 3 мкм.

14. Дроссельный клапан по п.13, в котором слой алмазоподобного углерода содержит одну или более связей углерод-фтор, углерод-кремний, углерод-кислород, углерод-водород.

15. Дроссельный клапан по п.10, в котором внутренняя поверхность отверстий (330, 330', 330'', 330''', 330'''') проявляет гистерезис угла контакта воды ниже 25°.

16. Дроссельный клапан по п.15, в котором внутренняя поверхность покрыта слоем алмазоподобного углерода с толщиной слоя более 3 мкм.

17. Дроссельный клапан по п.16, в котором слой алмазоподобного углерода содержит одну или более связей углерод-фтор, углерод-кремний, углерод-кислород, углерод-водород.

18. Дроссельный клапан по п.1, в котором внутренняя поверхность отверстий (330, 330', 330'', 330''', 330'''') проявляет гистерезис угла контакта воды ниже 25°.

19. Дроссельный клапан по п.18, в котором внутренняя поверхность покрыта слоем алмазоподобного углерода с толщиной слоя более 3 мкм.

20. Дроссельный клапан по п.19, в котором слой алмазоподобного углерода содержит одну или более связей углерод-фтор, углерод-кремний, углерод-кислород, углерод-водород.

21. Способ управления потоком текучей среды, содержащий следующие этапы:
подача потока текучей среды во впуск текучей среды дроссельного клапана;
приведение в действие дроссельного клапана по любому из пп.1-20 для управления потоком текучей среды.