РЕГУЛЯТОРЫ ДАВЛЕНИЯ ТЕКУЧЕЙ СРЕДЫ С ПОДОГРЕВОМ
HEATED FLUID REGULATORS

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
[0001] Данное изобретение, в общем относится к регуляторам давления текучей среды и, конкретнее, к регуляторам давления текучей среды с подогревом.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
[0002] Регуляторы давления текучей среды могут подвергаться замерзанию, вызванному гидратами в точке редуцирования давления. В некоторых случаях такое замерзание может возникать при температурах выше точки замерзания. Лед может скапливаться в регуляторе, тем самым препятствуя работе регулятора.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
[0001] На фиг. 1 изображено схематическое представление первого устройства в соответствии с одним или несколькими аспектами настоящего изобретения.
[0002] На фиг. 2 изображено графическое представление потока текучей среды через приведенный в качестве примера турбулизатор в зависимости от разности температур между текучей средой, проходящей через турбулизатор, и входной текучей средой.
[0003] На фиг. 3 изображено схематическое представление второго устройства в соответствии с одним или несколькими аспектами настоящего изобретения.
[0004] На фиг. 4 изображено схематическое представление третьего устройства в соответствии с одним или несколькими аспектами настоящего изобретения.
[0005] На фиг. 5 изображен поперечный разрез третьего устройства, приведенного на фиг. 4.
[0006] На фиг. 6 изображено схематическое представление четвертого устройства в соответствии с одним или несколькими аспектами настоящего изобретения.
[0007] Упомянутые фигуры приведены не в масштабе. Вместо этого, чтобы внести ясность относительно многочисленных слоев и участков, толщины слоев на фигурах могут быть увеличены. Там, где это возможно, для обозначения одних и тех же или подобных деталей по всей фигуре(ам) и сопровождающему их письменному описанию будут использоваться одни и те же номера позиций. Как используется в данном патентном документе, утверждение, что любая деталь (например, слой, пленка, участок или тарелка), любым образом дислоцированная на (например, дислоцированная на, расположенная на, размещенная на или организованная на и т.д.) другой детали, означает, что деталь, обозначенная позицией, либо находится в соприкосновении с другой деталью, либо деталь, обозначенная позицией, находится над другой деталью, с одной или несколькими промежуточными деталями (деталью), расположенными между ними. Утверждение, что любая деталь находится в соприкосновении с другой деталью, означает, что между упомянутыми двумя деталями не существует никакой промежуточной детали.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0008] Раскрываются регуляторы давления текучей среды с подогревом. Приведенное в качестве примера устройство содержит регулятор, содержащий корпус, расположенный в нем шток, первое впускное отверстие и первое выпускное отверстие. Регулятор регулирует давление текучей среды, проходящей от первого впускного отверстия к первому выпускному отверстию. Приведенное в качестве примера устройство содержит расположенный внутри корпуса турбулизатор, выполненный с возможностью переноса тепла к клапану регулятора. Регулятором и турбулизатором управляет шток.
[0009] Другое приведенное в качестве примера устройство содержит корпус с впускным отверстием и выпускным отверстием, расположенный в нем шток, расположенный внутри корпуса турбулизатор для нагрева текучей среды, проходящей от впускного отверстия к выпускному отверстию, и первый клапан для регулировки давления текучей среды. Шток управляет первым клапаном и турбулизатором.
[0010] Другое приведенное в качестве примера устройство содержит механизм для регулировки давления и устройство для подогрева механизма для регулировки давления, при этом механизм для регулировки давления и устройство для подогрева выполнены в одном корпусе.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ
[0011] Приведенное в качестве примера устройство, раскрываемое в данном документе, относится к регуляторам давления текучей среды с подогревом. Конкретнее, примеры, описанные в данном документе, могут быть использованы для подачи тепла к регулятору давления текучей среды без необходимости применения внешних источников тепла. В частности, в примерах, описанных в данном документе, применен турбулизатор внутри корпуса регулятора, где указанный турбулизатор выполнен с возможностью переноса тепла в регулятор с целью предотвращения образования льда внутри регулятора.
[0012] Гидраты, или замерзшая смесь воды с углеводородами, образуются, когда, например, вода и природный газ контактируют при низких температурах и под высоким давлением. К дополнительным факторам, которые могут способствовать образованию гидратов, относят, например, высокие скорости текучей среды, перемешивание текучей среды, пульсации давления и присутствие углекислого газа и/или сероводорода. Замерзание, вызванное гидратами, может происходить в результате прохождения через регулятор углеводородной текучей среды, содержащей, например, воду и углекислый газ. При понижении давления текучей среды в соответствии с работой регулятора, температура текучей среды также понижается согласно эффекту Джоуля-Томсона. В результате снижения температуры, любая влага, присутствующая в потоке текучей среды, может быть причиной образования гидратов. Гидраты могут образовываться, например, в точке редуцирования давления в регуляторе, например, в клапане регулятора.
[0013] Скопление, например, гидратов в регуляторе может препятствовать работе регулятора. Например, скопление гидратов в клапане регулятора может препятствовать нормальному закрытию и открытию клапана регулятора, что сказывается на способности регулятора управлять давлением текучей среды в ответ на изменение потребления через регулятор. Образование льда в регуляторе также может препятствовать выходу текучей среды из регулятора вследствие, например, закупоривания выпускного отверстия регулятора.
[0014] Несмотря на то, что в некоторых известных применениях регуляторов для текучих сред, которые могут образовывать гидраты, чтобы сократить случаи образования льда, задействуют источники тепла, как правило, такие источники тепла представляют собой дополнительные устройства, которые устанавливают снаружи корпуса регулятора. Одним таким внешним источником тепла является турбулизатор. Турбулизаторы вырабатывают тепло за счет перемещения текучей среды под давлением (например, сжатого воздуха) с вращением, например, через трубу, на высоких скоростях с образованием вихря. Образованный в результате вихрь включает поток горячей текучей среды, часть которого может выходить через выпускное отверстие турбулизатора. Остальная часть текучей среды вихря вынуждена направляться обратно в трубу турбулизатора с меньшей скоростью, так чтобы тепло от движущейся с меньшей скоростью текучей среды передавалось движущейся с большей скоростью поступающей текучей среде. Эта передача тепла приводит к тому, что поток холодной текучей среды выходит из вихревой трубы через выпускное отверстие, противоположное выпускному отверстию потока горячей текучей среды. Движение потока горячей текучей среды и движение потока холодной текучей среды через соответствующие выпускные отверстия могут регулироваться клапанами.
[0015] В соответствии с идеями, рассмотренными в данном документе, турбулизатор и регулятор расположены внутри корпуса регулятора. Поток горячей текучей среды создается турбулизатором и выходит через выпускное отверстие, расположенное поблизости к клапану регулятора, с целью подачи тепла к клапану регулятора для предотвращения образования льда во время работы регулятора. В частности, тепло, выработанное турбулизатором и переданное к клапану регулятора, может предотвращать образование льда вследствие образования гидратов в точке редуцирования давления внутри регулятора. В некоторых примерах тепло может передаваться к клапану регулятора, например, посредством теплопроводности, смешивания текучей среды и/или посредством последовательного прохождения текучей среды через турбулизатор и регулятор. Кроме того, двухседельная конструкция клапана с одним штоком обеспечивает одновременное управление регулятором и турбулизатором в корпусе регулятора.
[0016] Теперь обратимся к фигурам, на фиг. 1 изображено приведенное в качестве примера устройство 100, содержащее регулятор 102 с первой камерой 102а регулятора и второй камерой 102b регулятора, расположенными в корпусе 104 регулятора. Рабочая текучая среда, например, природный газ или сжатый газ, входит во впускное отверстие 106 для рабочей текучей среды и проходит в первую камеру 102а регулятора. Клапан 108 регулятора расположен между камерами 102а, 102b регулятора, чтобы регулировать давление рабочей текучей среды, проходящей через регулятор 102.
[0017] Клапаном 108 регулятора управляет шток 110, расположенный в корпусе 104 регулятора. Шток 110 открывает и закрывает клапан 108 регулятора, чтобы обеспечивать по существу постоянное давление рабочей текучей среды в выпускном отверстии 112 регулятора. Шток 110 управляет клапаном 108 регулятора в ответ на усилие, созданное нагрузочным механизмом 114 и приложенное к воспринимающему элементу 116. Шток 110 соединен с воспринимающим элементом 116 с возможностью сообщения движения, при этом перемещение воспринимающего элемента 116, вызванное усилием, созданным нагрузочным механизмом 114, заставляет шток 110 открывать клапан 108 регулятора. В устройстве 100 нагрузочный механизм 114 содержит пружину, а воспринимающий элемент 116 представляет собой мембрану. В некоторых примерах регулятор 102 представляет собой нагруженный давлением или купольный регулятор или грузовой регулятор. В других примерах нагрузочный механизм 114 включает сочетание пружинной нагрузки, нагрузки, обеспеченной давлением и/или грузами. Воспринимающий элемент 116 может содержать, например, эластомерный материал, поршни или сильфоны.
[0018] Дополнительно, в корпусе 104 регулятора расположена вихревая труба 118. Входная текучая среда входит в вихревую трубу 118 через впускные отверстия 120а, 120b вихревой трубы. Хотя на фиг. 1 изображено устройство 100, содержащее два впускных отверстия 120а, 120b вихревой трубы, устройство 100 может содержать меньше или больше впускных отверстий вихревой трубы. Кроме того, входная текучая среда может представлять собой ту же текучую среду, что и рабочая текучая среда, входящая во впускное отверстие 106 для рабочей текучей среды регулятора 102, или текучую среду, которая отличается от рабочей текучей среды.
[0019] Впускные отверстия 120а, 120b вихревой трубы содержат сопла 121, придающие вращение входной текучей среде для создания вихря, когда входная текучая среда проходит во впускные отверстия 120а, 120b вихревой трубы. В некоторых примерах сопла 121 содержат тангенциальные впускные отверстия или впускные отверстия, имеющие форму спирали Архимеда. Сопла 121 могут содержать одно или несколько впускных отверстий, придающих вращение входной текучей среде. Вращение входной текучей среде при входе входной текучей среды во впускные отверстия 120а, 120b вихревой трубы через сопла 121 увеличивает тангенциальную скорость входной текучей среды при прохождении входной текучей среды из впускных отверстий 120а, 120b вихревой трубы в вихревую трубу 118 и создает вихрь.
[0020] Входная текучая среда перемещается по вихревой трубе 118 в вихревом потоке, включающем первый поток текучей среды или часть входной текучей среды и второй поток текучей среды или часть входной текучей среды. Первый поток текучей среды имеет более высокую температуру, чем второй поток текучей среды, так что первый поток текучей среды является потоком относительно горячей текучей среды, а второй поток текучей среды является потоком относительно холодной текучей среды. В качестве примера работы вихревой трубы 118, вихрь создается путем вращения входной текучей среды. Этот вихрь может быть рассмотрен как первичный вихрь, состоящий из первого потока текучей среды. Первый поток текучей среды проходит к первому концу вихревой трубы 118, где часть первого потока текучей среды покидает вихревую трубу 118. Остальная часть первого потока текучей среды, или второй поток текучей среды, проходит ко второму концу вихревой трубы 118. Второй поток текучей среды перемещается как вторичный вихрь внутри области низкого давления первичного вихря. Первый поток текучей среды и второй поток текучей среды проходят в противоположных направлениях к первому концу и второму концу вихревой трубы 118 соответственно, при этом вращаясь в одном направлении с одинаковой угловой скоростью. Угловой момент теряется от вторичного вихря к первичному вихрю. Эта потеря энергии приводит к некоторой разности температур между первым потоком текучей среды и вторым потоком текучей среды, так что температура первого потока текучей среды повышается по сравнению с температурой второго потока текучей среды.
[0021] Например, температура потока горячей текучей среды может быть больше температуры входной текучей среды, входящей во впускные отверстия 120а, 120b вихревой трубы, приблизительно на 48,9°С (120°F). Разность температур между потоком горячей текучей среды и входной текучей средой может быть больше или меньше 48,9°С (120°F). Когда разность температур между потоком горячей текучей среды и входной текучей средой составляет около 48,9°С (120°F), разность температур между потоком холодной текучей среды и входной текучей средой составляет около 15,6°С (60°F). В этих примерах температура потока холодной текучей среды меньше температуры входной текучей среды приблизительно на 15,6°С (60°F). Разность температур между потоком горячей текучей среды и/или потоком холодной текучей среды по отношению к входной текучей среде связана с выходным расходом потока горячей текучей среды и потока холодной текучей среды из вихревой трубы 118, что будет рассмотрено далее в данном документе.
[0022] В устройстве 100 поток горячей текучей среды проходит через вихревую трубу 118 и покидает устройство 100 через выпускное отверстие 122 для горячей текучей среды. Кроме того, клапан 124 вихревой трубы расположен в вихревой трубе 118, так что перед тем, как покинуть устройство 100 через выпускное отверстие 122 для горячей текучей среды, поток горячей текучей среды проходит через клапан 124 вихревой трубы. Поток холодной текучей среды выходит из вихревой трубы 118 через выпускное отверстие 126 для холодной текучей среды, противоположное выпускному отверстию 122 для горячей текучей среды. В некоторых примерах второй клапан вихревой трубы расположен в выпускном отверстии 126 для холодной текучей среды для управления расходом потока холодной текучей среды.
[0023] Когда шток 110 управляет клапаном 108 регулятора или настраивает его для регулировки давления рабочей текучей среды, проходящей через регулятор 102, шток 110 при этом также управляет клапаном 124 вихревой трубы или настаивает его для подачи тепла к клапану 108 регулятора относительно потребления через регулятор 102. При совместном управлении клапаном 108 регулятора и клапаном 124 вихревой трубы в корпусе 104 регулятора один шток 110 управляет клапаном 108 регулятора, чтобы поддерживать постоянным выходное давление рабочей текучей среды, выходящей из регулятора 102 через выпускное отверстие 112 регулятора. Шток 110 также управляет клапаном 124 вихревой трубы, чтобы передавать тепло от потока горячей текучей среды к клапану 108 регулятора. Кроме того, шток 110 управляет клапаном 124 вихревой трубы, так чтобы разность температур между потоком горячей текучей среды и входной текучей средой, входящей в вихревую трубу 118, была максимальной относительно редуцирования давления рабочей текучей среды в клапане 108 регулятора.
[0024] Для поддержания постоянного выходного давления рабочей текучей среды, покидающей регулятор 102 через выпускное отверстие 112 регулятора, шток 110 настраивает положение клапана 108 регулятора в ответ на поведение нагрузочного механизма 114 и воспринимающего элемента 116. Когда воспринимающий элемент 116 перемещается под действием усилия, создаваемого нагрузочным механизмом 114, которое больше усилия, соответствующего рабочей текучей среде во второй камере 102b регулятора, шток 110 открывает клапан 108 регулятора для увеличения значения расхода рабочей текучей среды через регулятор 102. Когда усилие, прикладываемое нагрузочным механизмом 114 к воспринимающему элементу 116, меньше чем усилие, соответствующее рабочей текучей среде во второй камере 102b регулятора, шток 110 закрывает клапан 108 регулятора для ограничения расхода рабочей текучей среды через регулятор 102. Шток 110 управляет клапаном 108 регулятора для поддержания постоянного выходного давления в выпускном отверстии 112 регулятора, как это определено нагрузочным механизмом 114.
[0025] Для подачи тепла к клапану 108 регулятора входная текучая среда поступает в вихревую трубу 118 через впускные отверстия 120а, 120b вихревой трубы, при этом в вихревой трубе 118 создается вихрь. Вихрь содержит поток горячей текучей среды, температура которого выше чем температура входной текучей среды во впускных отверстиях 120а, 120b вихревой трубы. Когда клапан 108 регулятора открыт, шток 110 задает такое положение клапана 124 вихревой трубы, что часть потока горячей текучей среды выходит из клапана 124 вихревой трубы. После прохождения через клапан 124 вихревой трубы поток горячей текучей среды поступает в расширительную камеру 128, расположенную в корпусе 104 регулятора и находящуюся между вихревой трубой 118 и выпускным отверстием 122 для горячей текучей среды. В устройстве 100, изображенном на фиг. 1, расширительная камера 128 расположена в корпусе 104 регулятора вблизи первой камеры 102а регулятора.
[0026] Между регулятором 102 и расширительной камерой 128 расположено уплотнение 130. Уплотнение 130 предотвращает смешивание рабочей текучей среды, проходящей через первую камеру 102а регулятора, с входной текучей средой, проходящей через вихревую трубу 118. Уплотнение 130 может содержать эластомерный материал, позволяющий штоку 110 скользить между регулятором 102 и вихревой трубой 118 для управления открытием и закрытием клапана 108 регулятора и клапана 124 вихревой трубы. Уплотнение 130 может содержать, например, эластомерное уплотнительное кольцо.
[0027] Когда поток горячей текучей среды проходит в расширительную камеру 128, тепло передается от потока горячей текучей среды рабочей текучей среде в первой камере 102а регулятора. В приведенном в качестве примера устройстве 100 тепло передается за счет теплопроводности. В частности, тепло передается через область соприкосновения 132 между регулятором 102 и расширительной камерой 128. Область соприкосновения 132 включает поверхность 134 регулятора 102. Поверхность 134 включает теплопроводный материал, такой как металл, обладающий высоким коэффициентом теплопередачи. В некоторых примерах поверхность 134 включает ребра для увеличения площади поверхности 134 и, посредством этого, увеличения скорости теплопередачи. Так как тепло проводится через поверхность 134 к рабочей текучей среде, проходящей через первую камеру 102а регулятора, рабочая текучая среда нагревается. Так как нагретая рабочая текучая среда проходит через клапан 108 регулятора, образование гидратов на клапане 108 регулятора уменьшается и/или предотвращается.
[0028] Шток 110 также управляет значением расхода потока горячей текучей среды через клапан 124 вихревой трубы для обеспечения максимального количества тепла, переданного рабочей текучей среде, относительно величины падения давления рабочей текучей среды в клапане 108 регулятора. При определении количества тепла, переданного рабочей текучей среде, относительно величины паления давления, возникающего в клапане 108 регулятора, рассматривают характеристику расхода вихря в вихревой трубе 118. В частности, разность температур потока горячей текучей среды и потока холодной текучей среды по отношению к входной текучей среде, входящей в вихревую трубу 118, и расходу текучей среды вихря через вихревую трубу 118 может быть представлено приведенным в качестве примера графиком на фиг. 2. График на фиг. 2 показывает разность температур между входной текучей средой, входящей в вихревую трубу, и потоком холодной текучей среды, а также потоком горячей текучей среды вихря по отношению к процентному значению полного расхода потока холодной текучей среды через выпускное отверстие для холодной текучей среды вихревой трубы.
[0029] Как видно из графика на фиг. 2, между температурой потока горячей текучей среды вихря и значением расхода потока горячей текучей среды, выходящего из вихревой трубы 118 через выпускное отверстие 122 для горячей текучей среды, существует обратная зависимость. Например, когда расход потока холодной текучей среды через выпускное отверстие для холодной текучей среды составляет около 80% от полного выходного расхода, и, соответственно, расход потока горячей текучей среды через выпускное отверстие для горячей текучей среды составляет около 20% от полного выходного расхода, разность температур между потоком горячей текучей среды и входной текучей средой составляет около 48,9°С (120°F). При этом же расходе разность температур между потоком холодной текучей среды и входной текучей средой составляет около -51,1°С (-60°F).
[0030] График на фиг. 2 также видно, что, когда расход потока холодной текучей среды через выпускное отверстие для холодной текучей среды составляет около 40% от полного выходного расхода, и, соответственно, поток горячей текучей среды составляет около 60% от полного расхода, разность температур между потоком горячей текучей среды и входной текучей средой составляет около 4,5°С (40°F). При таком же расходе разность температур между потоком холодной текучей среды и входной текучей средой составляет около -84,5°С (-120°F). Как показано на графике на фиг. 2, повышенная температура потока горячей текучей среды соответствует пониженному выходному расходу потока горячей текучей среды через вихревую трубу.
[0031] В устройстве 100, когда клапан 124 вихревой трубы почти закрыт, и расход потока горячей текучей среды из выпускного отверстия 122 для горячей текучей среды является небольшим по сравнению с расходом потока холодной текучей среды из выпускного отверстия 126 для холодной текучей среды, температура потока горячей текучей среды увеличивается в соответствии с характеристикой вихревой трубы, изображенной на графике на фиг. 2. Когда шток 110 настраивает клапан 108 регулятора в ответ на возросшее потребление через регулятор 102, шток 110 также настраивает клапан 124 вихревой трубы для подачи большего количества тепла к клапану 108 регулятора с целью предотвращения образования льда, которое может быть вызвано повышенным снижением давления, возникающим в клапане 108 регулятора.
[0032] Например, в ответ на возросшее потребление через регулятор 102, шток 110 открывает клапан 108 регулятора с целью увеличения расхода рабочей текучей среды через регулятор 102 и поддержания постоянного выходного давления рабочей текучей среды в выпускном отверстии 112 регулятора. При прохождении рабочей текучей среды через клапан 108 регулятора давление рабочей текучей среды понижается. При понижении давления рабочей текучей среды вероятность образования льда из-за гидратов, образующихся на клапане 108 регулятора, повышается вследствие повышенного падения давления.
[0033] Для устранения повышенной вероятности образования льда, шток 110 настраивает клапан 124 вихревой трубы для подачи максимального количества тепла к клапану 108 регулятора относительно величины падения давления, возникающего в клапане 108 регулятора. Шток 110 задает такое положение клапана 124 вихревой трубы, чтобы расход потока горячей текучей среды через клапан 124 вихревой трубы был меньше чем расход потока холодной текучей среды, выходящего из вихревой трубы 118 через выпускное отверстие 126 для холодной текучей среды. В этих примерах клапан 124 вихревой трубы пребывает в частично или почти закрытом положении. При увеличении расхода рабочей текучей среды через регулятор 102 вследствие открытия клапана 108 регулятора, расход потока горячей текучей среды через клапан 124 вихревой трубы уменьшается вследствие частичного закрытия клапана 124 вихревой трубы. При уменьшении расхода потока горячей текучей среды, температура потока горячей текучей среды в вихревой трубе 118 повышается. Тепло от потока горячей текучей среды передается рабочей текучей среде в регуляторе 102, когда поток горячей текучей среды выходит из вихревой трубы 118. В приведенном в качестве примера устройстве 100, передача тепла осуществляется посредством теплопроводности в области соприкосновения 132.
[0034] Шток 110 управляет клапаном 108 регулятора и клапаном 124 вихревой трубы, чтобы уравновесить расход рабочей текучей среды через регулятор 102, температуру потока горячей текучей среды и количество тепла, передаваемого в регулятор 102. При достижении такого баланса шток 110 служит для поддержания постоянного выходного давления регулятора и предотвращения образования гидратов в клапане 108 регулятора.
[0035] В некоторых примерах устройство 100 содержит изоляцию 136, расположенную в корпусе 104 регулятора и окружающую вихревую трубу 118. Изоляция 136 снижает передачу (например, потерю) тепла, полученного в результате создания вихря в вихревой трубе 118, в среды, отличные от регулятора 102. В некоторых примерах изоляция включает звукопоглощающий материал, который преобразует звуковую энергию, сгенерированную вихрем в вихревой трубе 118, в тепло. Изоляция 136, включающая звукопоглощающий материал, может дополнительно окружать выпускное отверстие 126 для холодной текучей среды, чтобы снижать шум при выходе потока холодной текучей среды из трубы 118. Изоляция 136 не ограничивается устройством 100 и может быть включена в состав приведенного в качестве примера устройства, раскрытого в данном документе.
[0036] В некоторых примерах для снижения шума, полученного в результате создания вихря в вихревой трубе 118, между клапаном 124 вихревой трубы и выпускным отверстием 122 для горячей текучей среды расположена пластина 138. Пластина 138 разбивает струи потока горячей текучей среды, выходящего из вихревой трубы 118 через выпускное отверстие 122 для горячей текучей среды. В некоторых примерах пластина 138 представляет собой перфорированную пластину. В некоторых примерах в дополнительном или альтернативном варианте реализации снижающая уровень шума пластина 138 расположена в выпускном отверстии 126 для холодной текучей среды. Пластина 138 расположена в выпускном отверстии 122 для горячей текучей среды и/или выпускном отверстии 126 для холодной текучей среды, чтобы не перекрывать выпускное отверстие 122 для горячей текучей среды и/или выпускное отверстие 126 для холодной текучей среды.
[0037] На фиг. 3 изображено второе приведенное в качестве примера устройство 300, подающее тепло к клапану регулятора. Устройство 300 содержит вихревую трубу 118, расположенную в корпусе 304 регулятора. При входе входной текучей среды во впускные отверстия 120а, 120b вихревой трубы через сопла 121 и перемещении ее по вихревой трубе 118 создается вихрь, содержащий поток относительно горячей текучей среды и поток относительно холодной текучей среды. Клапан 124 вихревой трубы регулирует расход потока горячей текучей среды, выходящей из вихревой трубы 118. Поток холодной текучей среды выходит из вихревой трубы 118 через выпускное отверстие 126 для холодной текучей среды.
[0038] В устройстве 300 шток 110 управляет клапаном 108 регулятора и клапаном 124 вихревой трубы. Когда клапан 108 регулятора открыт, например, чтобы увеличить расход рабочей текучей среды через регулятор 102 с целью поддержания постоянного выходного давления, шток 110 задает положение клапана 124 вихревой трубы таким образом, что поток горячей текучей среды выходит из вихревой трубы 118 и проходит в расширительную камеру 128, расположенную в корпусе 304 вблизи поверхности 134 регулятора 102. Поверхность 134 содержит каналы 336а, 336b, расположенные в ней, при этом поток горячей текучей среды проходит из расширительной камеры 128 в первую камеру 102а регулятора через каналы 336а, 336b. Тепло от потока горячей текучей среды передается рабочей текучей среде посредством смешивания потока горячей текучей среды с рабочей текучей средой в первой камере 102а регулятора. При смешивании рабочей текучей среды с потоком горячей текучей среды и прохождении ее через клапан 108 регулятора во вторую камеру 102b регулятора, тепло подается к клапану 108 регулятора, чтобы уменьшить и/или предотвратить образование гидратов.
[0039] Чтобы передать максимальное количество тепла к клапану 108 регулятора относительно потребления через регулятор 102, шток 110 управляет клапаном 124 вихревой трубы в соответствии с характеристикой вихревой трубы 118, представленной на приведенном в качестве примера графике на фиг. 2. Например, когда клапан 108 регулятора открыт, и расход рабочей текучей среды через регулятор 102 является повышенным, шток 110 частично закрывает клапан 124 вихревой трубы для подачи тепла в регулятор 102 посредством прохождения потока горячей текучей среды через каналы 336а, 336b. Разность температур между входной текучей средой и потоком горячей текучей среды, выходящей из вихревой трубы 118 через частично закрытый клапан 124 вихревой трубы, увеличивается до максимума в ответ на повышенное редуцирование давления рабочей текучей среды в клапане 108 регулятора.
[0040] Устройство 300 обеспечивает передачу тепла в регулятор 102 посредством смешивания потока горячей текучей среды с рабочей текучей средой в регуляторе 102. Для увеличения до максимума количества тепла, передаваемого в регулятор 102, во впускном отверстии 106 для рабочей текучей среды расположен дроссель 338, такой как дроссельный клапан. Дроссель 338 обеспечивает падение давления, когда рабочая текучая среда входит во впускное отверстие 106 для рабочей текучей среды и проходит в первую камеру 102а регулятора. Дроссель 338 способствует смешиванию потока горячей текучей среды с рабочей текучей средой за счет снижения давления рабочей текучей среды. В некоторых случаях давление рабочей текучей среды в первой камере 102а регулятора выше, чем давление потока горячей текучей среды, выходящего из клапана 124 вихревой трубы и проходящего через каналы 336а, 336b. Дроссель 338 обеспечивает падение давления во впускном отверстии 106 для рабочей текучей среды с целью понижения давления рабочей текучей среды и способствования смешиванию рабочей текучей среды и потока горячей текучей среды. После прохождения через дроссель 338 давление рабочей текучей среды в первой камере 102а регулятора меньше, чем давление потока горячей текучей среды после прохождения через вихревую трубу 118 и каналы 336а, 336b. После смешивания потока горячей текучей среды с рабочей текучей средой тепло подается к клапану 108 регулятора при прохождении смеси рабочей текучей среды и потока горячей текучей среды через клапан 108 регулятора.
[0041] В некоторых примерах каналы 336а, 336b содержат пластины с отверстиями в них. Поток горячей текучей среды проходит через перфорированные пластины и в первую камеру 102а регулятора. Диаметр пластин, образующих каналы 336а, 336b, выбирается на основании величины падения давления потока горячей текучей среды при прохождении потока горячей текучей среды из вихревой трубы 118 в расширительную камеру 128 через клапан 124 вихревой трубы. Размер каналов 336а, 336b может быть выбран таким образом, чтобы давление потока горячей текучей среды поддерживалось выше давления рабочей текучей среды при прохождении потока горячей текучей среды через клапан 124 вихревой трубы, через каналы 336а, 336b и в первую камеру 102а регулятора. Кроме того, хотя на фиг. 3 изображено устройство 300, содержащее два канала 336а, 336b, устройство 300 может содержать больше или меньше каналов.
[0042] На фиг. 4 изображено третье приведенное в качестве примера устройство 400 для передачи тепла к клапану регулятора. Устройство 400 содержит вихревую трубу 118, расположенную в корпусе 404 регулятора. Впускные отверстия 420а, 420b вихревой трубы служат в качестве впускных отверстий для рабочей текучей среды в вихревую трубу 118 и регулятор 102 через один путь потока в корпусе 404. Рабочая текучая среда входит во впускные отверстия 420а, 420b вихревой трубы через сопла 421 и перемещается по вихревой трубе 118, в которой до прохождения рабочей текучей среды в первую камеру 102а регулятора создается вихрь. Вихрь содержит относительно горячую часть рабочей текучей среды, или поток горячей рабочей текучей среды, и относительно холодную часть рабочей текучей среды, или поток холодной рабочей текучей среды.
[0043] Клапан 124 вихревой трубы управляет расходом потока горячей рабочей текучей среды, выходящего из вихревой трубы 118. После выхода из вихревой трубы 118 поток горячей рабочей текучей среды проходит в первую камеру 102а регулятора. Во время работы регулятора 102 поток горячей рабочей текучей среды проходит через клапан 108 регулятора во вторую камеру 102b регулятора и покидает устройство 400 через выпускное отверстие 112 регулятора. При прохождении по вихревой трубе 118 до входа в регулятор 102 рабочая текучая среда нагревается благодаря вихрю, созданному в вихревой трубе 118. Тепло рабочей текучей среды предотвращает случаи образования льда при редуцировании давления текучей среды в клапане 108 регулятора.
[0044] В устройстве 400 впускные отверстия 420а, 420b вихревой трубы служат в качестве впускных отверстий подачи рабочей текучей среды в вихревую трубу 118 и регулятор 102. До входа в регулятор 102 рабочая текучая среда проходит через вихревую трубу 118. В результате шток 110 управляет клапаном 124 вихревой трубы, чтобы уравновесить потребление через регулятор 102 с количеством тепла, передаваемого в регулятор 102. В частности, шток 110 управляет клапаном 124 вихревой трубы для обеспечения достаточной подачи потока горячей рабочей текучей среды в регулятор 102 с целью поддержания постоянного выходного давления в выпускном отверстии 112 регулятора. При настройке клапана 124 вихревой трубы на обеспечение достаточной подачи в регулятор 102, шток 110 дополнительно управляет теплом, подаваемым в регулятор 102, на основании температуры и значения расхода потока горячей рабочей текучей среды через клапан 124 вихревой трубы.
[0045] Шток 110 уравновешивает степень, до которой должен быть открыт клапан 124 вихревой трубы для обеспечения достаточной подачи в регулятор 102, с температурой потока горячей рабочей текучей среды при его выходе из вихревой трубы 118. В соответствии с характеристикой выходного расхода вихря, показанного на приведенном в качестве примера графике на фиг. 2, шток 110 задает такое положение клапана 124 вихревой трубы, чтобы температура потока горячей рабочей текучей среды, выходящей из клапана 124 вихревой трубы, была максимальной относительно значения расхода рабочей текучей среды через клапан 124 вихревой трубы, необходимого для поддержания постоянного выходного давления в выпускном отверстии 112 регулятора. В устройстве 400 шток 110 управляет клапаном 124 вихревой трубы для обеспечения достаточной подачи в регулятор 102 и достаточного тепла, чтобы предотвратить образование льда вследствие редукции рабочей текучей среды в клапане 108 регулятора.
[0046] Кроме того, шток 110 управляет клапаном 108 регулятора и клапаном 124 вихревой трубы для обеспечения ступенчатых падений давления через устройство 400. Ступенчатые падения давления повышают стабильность устройства 400 путем уменьшения величины падения давления в клапане 108 регулятора при прохождении потока горячей рабочей текучей среды через регулятор 102. Например, когда шток 110 настраивает клапан 124 вихревой трубы на обеспечение соответствующего расхода потока горячей рабочей текучей среды в регулятор 102, при прохождении потока горячей рабочей текучей среды через клапан 124 вихревой трубы и в первую камеру 102а регулятора происходит первое падение давления. После входа в первую камеру 102а регулятора давление потока горячей рабочей текучей среды уменьшается вследствие первого падения давления в клапане 124 вихревой трубы. Когда поток горячей текучей среды проходит через клапан 108 регулятора, в клапане 108 регулятора происходит второе падение давления. Величина второго падения давления в этом случае меньше чем в случае, если бы поток горячей рабочей текучей среды не подвергся первому падению давления, так как давление потока горячей рабочей текучей среды было понижено в клапане 124 вихревой трубы до прохождения в первую камеру 102а регулятора. Первое падение давления на клапане 124 вихревой трубы позволяет использовать нагрузочный механизм 114 и воспринимающий элемент 116 меньшего размера, чтобы уравновесить усилия, соответствующие нагрузочному механизму 114 и рабочей текучей среде. В результате благодаря ступенчатым падениям давления в зонах двух седел клапанов в корпусе 404 регулятора стабильность устройства 300 повышается.
[0047] На фиг. 5 изображен второй более подробный вид в рабочем состоянии приведенного в качестве примера устройства 400. На фиг. 5 изображен поток входной рабочей текучей среды 442 через вихревую трубу 118 и поведение штока 110. При поступлении входной рабочей текучей среды 442 во впускные отверстия 420а, 420b вихревой трубы через сопла 421 создается вихрь 444. Вихрь 444 содержит поток 444а относительно горячей рабочей текучей среды и поток 444b относительно холодной рабочей текучей среды.
[0048] В устройстве 400, изображенном на фиг. 5, шток 110 управляет открытием и закрытием клапана 108 регулятора и клапаном 124 вихревой трубы в ответ на потребление через регулятор 102 с целью поддержания выходного давления и предотвращения образования льда. При увеличении потребления через регулятор шток 110 открывает клапан 108 регулятора. Кроме того, шток 110 задает такое положение клапана 124 вихревой трубы, чтобы разность температур между потоком 444а горячей рабочей текучей среды и входной рабочей текучей средой 442 была максимальной относительно значения расхода входной рабочей текучей среды 442 через устройство 400, необходимого для поддержания постоянного выходного давления в выпускном отверстии 112 регулятора.
[0049] При уменьшении потребления через регулятор 102 шток 110 обеспечивает закрытие клапана 108 регулятора. В таких случаях шток 110 перемещает клапан 124 вихревой трубы в более чем полностью открытое положение, так что разность температур между потоком 444а горячей рабочей текучей среды и входной рабочей текучей средой 442 будет меньше чем, когда клапан 124 вихревой трубы частично закрыт.Во время работы устройства 400 шток 110 непрерывно настраивает клапан 108 регулятора и клапан 124 вихревой трубы на основании потребления через регулятор 102.
[0050] В устройстве 400 поток холодной текучей среды выходит из трубы 118 через выпускное отверстие 126 для холодной текучей среды. В некоторых примерах поток холодной текучей среды проходит, например, в трубы, расположенные ниже по потоку от приведенного в качестве примера устройства 400. В некоторых примерах поток 444b холодной текучей среды представляет собой воздух, выпускаемый в атмосферу. Кроме того, в приведенном в качестве примера устройстве 100 и 300 потоки холодной текучей среды могут дополнительно захватываться или освобождаться после выхода из выпускного отверстия 126 для холодной текучей среды таким образом, как это описано для приведенного в качестве примера устройства 400.
[0051] В некоторых примерах вблизи клапана 124 вихревой трубы в вихревой трубе 118 расположено противовихревое устройство 446. Противовихревое устройство 446 выпрямляет поток 444а горячей рабочей текучей среды перед прохождением потока 444а горячей рабочей текучей среды через клапан 124 вихревой трубы. При выпрямлении потока 444а горячей рабочей текучей среды противовихревое устройство 446 способствует отделению потока 444а горячей рабочей текучей среды от потока 444b холодной рабочей текучей среды. Разделяя поток 444а горячей рабочей текучей среды и поток 444b холодной рабочей текучей среды, противовихревое устройство 446 обеспечивает повышенный выход тепла при выходе потока 444а горячей рабочей текучей среды из вихревой трубы 118 через клапан 124 вихревой трубы. Противовихревое устройство 446 не ограничивается приведенным в качестве примера устройством 400, показанным на фиг. 5. Противовихревое устройство 446 также может быть реализовано в приведенном в качестве примера устройстве 100 и приведенном в качестве примера устройстве 300. В приведенном в качестве примера устройстве, раскрытом в данном документе, могут быть реализованы также и другие механизмы для отделения потока 444а горячей рабочей текучей среды от потока 444b холодной рабочей текучей среды.
[0052] На фиг. 6 изображено приведенное в качестве примера устройство 100, содержащее рычаг 650 для управления клапаном 124 вихревой трубы. Рычаг 650 расположен в корпусе 104 регулятора между уплотнением 130 и вихревой трубой 118. Рычаг 650 соединен со штоком 110 таким образом, что рычаг 650 настраивает клапан 124 вихревой трубы в ответ на поведение штока 110 при настройке клапана 108 регулятора в зависимости от усилия нагрузочного механизма 114.
[0053] В устройстве 100 шток 110 открывает клапан 108 регулятора, чтобы обеспечить повышенный расход рабочей текучей среды через регулятор 102 с целью поддержания постоянного выходного давления в выпускном отверстии 112 регулятора. При этом рычаг 650 обеспечивает частичное закрытие клапана 124 вихревой трубы с обеспечением передачи тепла к клапану 112 регулятора посредством потока горячей текучей среды вихря, созданного в вихревой трубе 118. Например, тепло может быть передано в регулятор 102 посредством теплопроводности через область соприкосновения 132 между регулятором 102 и расширительной камерой 128.
[0054] В некоторых примерах положение вихревой трубы 118 в корпусе 104 регулятора смещено относительно положения штока 110 и уплотнения 130. Смещение положения вихревой трубы 118 облегчает движение плеча рычага 650, когда рычаг 650 управляет открытием и закрытием клапана 124 вихревой трубы.
[0055] Рычаг 650 не ограничивается приведенным в качестве примера устройством 400, показанным на фиг. 6. Наоборот, рычаг 650 может быть реализован, чтобы обеспечивать перенос тепла в регулятор посредством смешивания текучих сред, как в приведенном в качестве примера устройстве 300, или посредством последовательного потока входной текучей среды, как в приведенном в качестве примера устройстве 400. Кроме того, рычаг 650 может быть выполнен вместе со штоком 110 в вариантах реализации, отличных от конструкции, изображенной на фиг. 6.
[0056] Из вышеизложенного будет понятно, что описанное выше в качестве примера устройство содержит расположенные в одном корпусе регулятор и турбулизатор, предназначенные для регулировки давления и подачи тепла с целью уменьшения или предотвращения случаев образования льда в точке редуцирования давления в регуляторе, которое может препятствовать работе регулятора. Примеры, описанные выше, обеспечивают передачу тепла в регулятор без необходимости использования внешних источников тепла и без тепловых потерь в окружающую среду, которые могут иметь место при соединении внешних источников тепла с регулятором. Тепло эффективно передается в регулятор, например, посредством теплопроводности, смешивания текучей среды или последовательного потока текучей среды через турбулизатор и регулятор. Кроме того, для генерирования тепла турбулизатор не требует каких-либо других источников, кроме текучей среды под давлением. В некоторых примерах текучая среда под давлением, поданная в турбулизатор, может представлять собой такую же текучую среду, которая выходит из регулятора.
[0057] Кроме того, приведенное в качестве примера устройство, описанное в данном документе, поддерживает в выпускном отверстии регулятора постоянное выходное давление. К тому же, приведенное в качестве примера устройство, описанное выше, обеспечивает максимальное количество тепла, передаваемого в регулятор, относительно потребления через регулятор и величины редуцирования давления, происходящего в клапане регулятора, которое может соответствовать повышенной вероятности образования льда. Шток двухседельного клапана с одним штоком позволяет управлять и регулятором, и турбулизатором для обеспечения регулировки в реальном времени в отношении тепла, подаваемого в регулятор в ответ на изменения расхода через регулятор. Должно быть понятно, что один шток уравновешивает значение расхода через регулятор, требуемое для поддержания постоянного выходного давления, с количеством тепла, передаваемого в регулятор с целью предотвращения образования льда в результате редуцирования давления текучей среды в регуляторе.
[0058] Кроме того, ступенчатое падение давления повышает стабильность приведенного в качестве примера устройства, описанного в данном документе, путем обеспечения первого падения давления текучей среды при выходе текучей среды из турбулизатора и прохождении в регулятор. Первое падение давления уменьшает величину падения давления текучей среды, необходимого в клапане регулятора для получения постоянного выходного давления регулятора. Ступенчатое падение давления позволяет применять с приведенным в качестве примера устройством нагрузочный механизм и воспринимающий элемент меньшего размера без ухудшения стабильности регулятора, и в то же время, предотвращая образование гидратов, которые могут препятствовать работе регулятора.
[0059] Хотя в данном документе были описаны конкретные примерные способы, устройство и изделия, объем защиты настоящего изобретения не ограничивается ими. Напротив, настоящий патентный документ охватывает все способы, устройства и изделия, объективно подпадающие в объем защиты, определяемый формулой настоящего изобретения.