ГИДРОЦИКЛОННОЕ УСТРОЙСТВО ОЧИСТКИ ЖИДКОСТИ
HYDROCYCLONE LIQUID CLEANING DEVICE

Изобретение относится к нефтедобывающей промышленности, а именно к устройствам для добычи нефти, и может быть использовано при эксплуатации насосного оборудования для очистки жидкостей от механических примесей при их подаче в подземные скважины.
Добыча нефти происходит в тяжелых климатических условиях с существенными затратами физического труда. Этот производственный процесс часто сопровождается необходимостью подачи в подземные скважины большого количества воды или специальных жидкостей под большим давлением. Такие жидкости предварительно должны быть очищены от механических примесей, которые могут приводить к ускоренному износу насосных агрегатов и других скважинных устройств. Поэтому работы по созданию ремонтопригодных и эффективных скважинных устройств для очистки жидкостей от механических примесей, которые в конечном счете улучшают условия труда занятых в нефтедобывающей промышленности людей и сокращают затраты на добычу нефти, являются актуальными.
Из уровня техники известно скважинное устройство для очистки флюида (RU 114720 U1, МПК Е21В 43/38, опубл. 10.04.2012), содержащее цилиндрический корпус с входными отверстиями и установленным аксиально в его верхней части патрубком для отвода жидкости, на нижней части которого концентрично размещен сепарирующий узел в виде полого шнека, вихревую камеру в виде полого усеченного конуса и отстойник для сбора механических примесей, причем в верхней части вихревой камеры выполнена коническая расточка, в которой и размещен полый шнек с выполненной ответной конической поверхностью [1].
Недостатком устройства является нерациональная геометрия вихревой камеры по отношению к конструкции отстойника, что приводит к повторному смешению очищенной жидкости и удаляемых частиц механических примесей, а, следовательно, снижает эффективность очистки.
Наиболее близким к заявленному изобретению техническим решением, принятым в качестве прототипа, признано скважинное устройство для очистки жидкости (RU 2711329 C1, МПК Е21В 43/38. Опубл. 16.01.2020), содержащее корпус с входным тангенциальным каналом и установленным аксиально в его верхней части патрубком для отвода жидкости на нижней части которого концентрично размещен сепарирующий узел в виде полого шнека с винтовыми каналами, под которым размещена трубчатая вихревая камера с выполненными в ней тангенциальными каналами, сообщающимися с охватывающим трубчатую вихревую камеру заглушенным отстойником [2].
Недостатком устройства также является его ограниченная эффективность очистки жидкости от механических примесей за счет увеличения гидравлического сопротивления при переходе потока жидкости от входного тангенциального канала к полому шнеку.
Технической задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является повышение эффективности очистки жидкости от механических примесей.
Поставленная техническая задача решена за счет того, что в известном гидроциклонном устройстве очистки жидкости, содержащем корпус с входным тангенциальным каналом и установленным аксиально в его верхней части патрубком для отвода жидкости на нижней части которого концентрично размещен сепарирующий узел в виде полого шнека с винтовыми каналами под которым размещена трубчатая вихревая камера с выполненными в ней тангенциальными каналами сообщающимися с охватывающим трубчатую вихревую камеру заглушенным отстойником, а направление винтовых каналов полого шнека совпадает с направлением входного тангенциального канала. Отличает устройство от известных аналогов то, что входной тангенциальный канал размещен под углом к оси корпуса равным углу подъема винтовой линии полого шнека с винтовыми каналами, что не приводит к изменению направления движения жидкости и уменьшает таким образом гидравлическое сопротивление течению жидкости, повышая эффективность очистки жидкости от механических примесей. Площадь проходного сечения тангенциального канала составляет 1,0…1,2 минимальной площади проходного сечения винтовых каналов полого шнека, что не приводит к уменьшению отношения скоростей потока жидкости в рассматриваемых сечениях и повышает эффективность очистки жидкости от механических примесей. В трубчатой вихревой камере свободно с возможностью вращения вокруг своей оси размещена крыльчатка с диаметрально расположенными сегментными клапанами различной массы перекрывающими тангенциальные каналы выполненные в трубчатой вихревой камере и сообщающиеся с заглушенным отстойником, что приводит к периодическому изменению скорости потока жидкости в наклонных тангенциальных каналах и позволяет создать радиальную вибрацию трубчатой вихревой камеры, которая уменьшает силы трения при прохождении механических примесей в заглушенный отстойник и повышает эффективность очистки жидкости от механических примесей. Трубчатая вихревая камера соединена с корпусом через упруго-эластичный элемент, что увеличивает амплитуду ее вибрации и повышает эффективность очистки жидкости от механических примесей.
Выполненный авторами поиск в доступных на дату подачи заявки информационных источниках не выявил аналогичных технических решений, обладающих всеми отличительными признаками заявленного устройства, что подтверждает соответствие изобретения критериям «новизна» и «изобретательский уровень».
Конструкция устройства поясняется чертежами, где на фиг. 1 приведена схема гидроциклонного устройства очистки жидкости; на фиг. 2 приведено сечение гидроциклонного устройства очистки жидкости, проходящее через ось тангенциального канала; на фиг. 3 приведено поперечное сечение гидроциклонного устройства очистки жидкости, проходящее через трубчатую вихревую камеру и крыльчатку с сегментными клапанами.
Гидроциклонное устройство очистки жидкостей содержит корпус 1 с входным тангенциальным каналом 2, которые образуют камеру 3 предварительного закручивания потока жидкости с содержащимися в ней механическими примесями. В верхней части корпуса 1 размещен патрубок 4 для отвода жидкости. На нижней части патрубка 4 концентрично размещен сепарирующий узел в виде полого шнека 5 с винтовыми каналами 6 под которым размещена трубчатая вихревая камера 7 с выполненными в ней тангенциальными каналами 8 сообщающимися с охватывающим трубчатую вихревую камеру 7 заглушенным отстойником 9. Направление винтовых каналов 6 полого шнека 5 совпадает с направлением входного тангенциального канала 2, причем входной тангенциальный канал 2 размещен под углом к оси корпуса 1, равным углу подъема винтовой линии полого шнека 5 с винтовыми каналами 6. Площадь проходного сечения тангенциального канала 2 составляет 1,0…1,2 минимальной площади проходного сечения винтовых каналов 6 полого шнека 5. В трубчатой вихревой камере 7 свободно с возможностью вращения вокруг своей оси размещена крыльчатка 10 с диаметрально расположенными сегментными клапанами 11 различной массы перекрывающими тангенциальные каналы 8 выполненные в трубчатой вихревой камере 7 и сообщающиеся с заглушенным отстойником 9. Разность масс клапанов может быть обеспечена установкой на одном из них дисбаланса 12. Трубчатая вихревая камера 7 соединена с корпусом 1 через упруго-эластичный элемент 13. В патрубке 4 выполнены окна 14 для выхода очищенной жидкости, и он заглушен коническим элементом 15 образующим с трубчатой вихревой камерой кольцевой зазор 16 для выхода в заглушенный отстойник 9 механических примесей.
Гидроциклонное устройство очистки жидкостей работает следующим образом.
После подачи очищаемой жидкости под рабочим давлением через входной тангенциальный канал 2 она поступает во входную вихревую камеру 3 и далее, не изменяя своего пространственного направления, с минимальным гидравлическим сопротивлением, обусловленным отсутствием изменения направления потока, поступает в винтовые каналы 6 полого шнека 5. Из винтовых каналов 6 полого шнека 5 очищаемая жидкость истекает в виде закрученного потока в трубчатую вихревую камеру 7. При закрученном движении жидкости в вихревой камере 7 под действием центробежных сил механические примеси, обычно имеющие плотность, которая превышает плотность жидкости, перемещаются на периферию потока к внутренней поверхности вихревой камеры 7. Далее механические примеси под действием радиальной составляющей скоростного напора закрученного потока жидкости поступают через наклонные тангенциальные каналы 8 в заглушенный отстойник 9 и накапливаются в его нижней части. Часть механических примесей, перемещаясь под действием осевой составляющей скорости потока жидкости по внутренней поверхности трубчатой вихревой камеры 7, поступает в заглушенный отстойник 9 через кольцевой зазор 16. Очищенная жидкость через окна 14 в патрубке 4 поступает на выход. Одновременно с этим под действием закрученного потока жидкости крыльчатка 10 приобретает вращение вокруг своей оси. При этом сегментные клапаны 11 периодически перекрывают наклонные тангенциальные каналы 8, циклически изменяя скорость истечения через них жидкости с механическими примесями. Такое изменение скорости движения механических примесей уменьшает силы трения их о стенки каналов 8, повышая эффективность очистки жидкости от механических примесей. Вследствие того, что диаметрально расположенные сегментные клапаны 11 имеют различную массу, имеет место радиальная вибрация крыльчатки 10 с сегментными клапанами 11, которая передается и на трубчатую вихревую камеру 7, дополнительно уменьшая силы трения частиц механических примесей о стенки наклонных тангенциальных отверстий 8, что способствует повышению эффективности очистки жидкости от механических примесей. Амплитуда вибрации увеличивается в связи с тем, что трубчатая вихревая камера 7 соединена с корпусом 1 через упруго-эластичный элемент 13, что дополнительно повышает эффективность очистки жидкости от механических примесей. По мере заполнения заглушенного отстойника 9 механическими примесями выполняется полная разборка и очистка устройства.
Таким образом, предлагаемое гидроциклонное устройство очистки жидкостей позволяет повысить эффективность очистки жидкости от механических примесей путем обоснованного расположения и конструктивного исполнения его элементов.
Источники информации
1. Пат. RU 114720 U1 Российская Федерация, МПК Е21В 43/38. Скважинное устройство для очистки флюида / Ивановский В.Н., Сазонов Ю.А., Якимов С.Б., Сабиров А.А., Заякин В.И.; заявитель ООО «ЦОНиК им. И.М. Губкина» (RU). №2011135314/03; заявл. 25.08.2011; опубл. 10.04.2012. Бюл. №10. 2 с.; ил.
2. Пат. RU 2711329 C1 Российская Федерация, МПК Е21В 43/38. Скважинное устройство для очистки жидкости / Репко АК.В., Безумов А.А., Сентяков Б.А.; заявитель ООО «БР ИНЖИНИРИНГ» (RU). №2019101313; заявл. 16.01.2019; опубл. 16.01.2020. Бюл. №2.