Завихритель

Полезная модель относится к устройствам, создающим вращательное движение газов и жидкостей, и может быть использована при гидротранспорте нефти, масел, жидких продуктов нефтепереработки в химической, нефтехимической промышленности, а также в отраслях, относящихся к области гидродинамики и теплотехники, для организации процессов смешения и перемешивания сред, организации процесса теплообмена между средами.
Известен трубопровод для перемещения вязких нефти и нефтепродуктов, имеющий на внутренней цилиндрической поверхности винтовую нарезку, придающую потоку жидкости вращательное движение. При добавлении в поток нефти воды, более тяжелой жидкости чем нефть, происходит ее отбрасывание к стенке трубы центробежной силой, тем самым достигается уменьшение гидравлического трения потока нефти о стенку (Коршак А.А., Шаммазов А.М. Основы нефтегазового дела: Учебник для вузов.- 3-е изд., испр. и доп. -Уфа.: ООО «ДизайнПолиграфСервис», 2005. - 528 с.: ил. с. 336-337).
Недостатком известного трубопровода является высокая металлоемкость, сложность изготовления винтовых нарезок на внутренней цилиндрической поверхности, а также отсутствие возможности полной очистки внутренней поверхности от отложений парафина, накопление которого засоряет нарезанные каналы, препятствует формированию водяного кольца у стенки, что резко ухудшает параметры перекачки.
Известен также трубопровод-завихритель, содержащий корпус, в полости которого размещены средства винтовой закрутки потока (см. RU № 2321779, МПК F15D1/04, 2008). Завихритель содержит корпус, на внутренней стенке которого выполнены направляющие пазы в виде лепестков, охватывающих весь периметр внутренней поверхности корпуса, а количество пазов определяется соотношением D/2, где D - внутренний диаметр основного трубопровода; высота паза h составляет 0,3d, где d - толщина стенки основного трубопровода, при этом толщина стенки корпуса равна d+0,3d, a протяженность пазов на участке завихрения составляет 10-15D в зависимости от скорости и режима течения потока в трубопроводе.
Недостатками известного завихрителя являются высокая металлоемкость и сложность конструкции, наличие значительных местных сопротивлений по периферии трубопровода, невозможность очистки отложений, содержащихся в транспортируемой жидкости.
Известен также завихритель, содержащий трубчатый корпус, в полости которого размещены средства винтовой закрутки потока, выполненные в виде желобов симметричного поперечного сечения, сопряженных на краях с соседними прилегающими к ним, при этом радиус кривизны сечения желобов соответствует 0,25 наибольшего диаметра полости корпуса, оси симметрии желобов лежат на восьми равноудаленных наибольших диаметральных осях, причем центр сечения корпуса принадлежит каждой из окружностей, описывающих желоба, кроме того, каждый из желобов имеет винтовую закрутку вдоль продольной оси (см. RU № 185174, МПК F15D 1/06, 2018).
Недостатком известного завихрителя является большая величина гидравлических потерь, возникающих в нем, вызываемых резким изменением направления частиц потока. Между основным потоком и вихревыми зонами осуществляется интенсивный обмен частицами жидкости, что является основным источником местных потерь энергии.
Задачей предлагаемой полезной модели является снижение гидравлических потерь, возникающих при прохождении перекачиваемой среды в устройстве, с сохранением эффективности закрутки.
Технический результат, достигаемый при решении поставленной задачи, выражается в минимизации гидравлических потерь, возникающих в завихрителе, т.к. по периферии предлагаемой полости корпуса отсутствуют элементы, которые создают значительные сопротивления, при этом устройство по всей длине в поперечном сечении имеет одинаковую форму и одну и ту же площадь, что означает отсутствие потерь на преодоление местных сопротивлений, а также то, что закручивание потока происходит плавно, без резкого изменения поля скоростей, что достигается увеличением угла закрутки желобов по длине устройства.
Для решения поставленной задачи завихритель, содержащий трубчатый корпус, в полости которого размещены средства винтовой закрутки потока, выполненные в виде желобов симметричного поперечного сечения, сопряженных на краях с соседними прилегающими к ним, при этом радиус кривизны сечения желобов соответствует 0,25 наибольшего диаметра полости корпуса, оси симметрии желобов лежат на восьми равноудаленных наибольших диаметральных осях, причем центр сечения корпуса принадлежит каждой из окружностей, описывающих желоба, кроме того, каждый из желобов имеет винтовую закрутку вдоль продольной оси, отличается тем, что степень закрутки плавно увеличена по длине завихрителя, при этом длина завихрителя составляет 1,5-2,5 его диаметра.
Сопоставительный анализ признаков заявленного решения с признаками прототипа и аналогов свидетельствует о соответствии заявленного решения критерию «новизна».
При этом совокупность существенных признаков формулы полезной модели обеспечивает решение поставленной задачи, а именно уменьшение гидравлических потерь, возникающих в завихрителе.
На фиг. 1 показан общий вид предлагаемого устройства; на фиг. 2 – разрез А-А на фиг.1; на фиг. 3 – график изменения степени закрутки желобов по длине завихрителя в сравнении с прототипом.
На чертежах показаны трубчатый корпус 1, желоба 2, 3 и 4, их сопряжения 5 и 6, радиус кривизны 7 сечения желобов 2-4, наибольший диаметр 8 полости корпуса 1, оси симметрии 9 желобов 2-4, центр 10 сечения корпуса 1, окружности 11, описывающие желоба 2-4, условная длина L завихрителя и углы закрутки желобов , причем .
Завихритель содержит трубчатый корпус 1, в полости которого размещены средства винтовой закрутки потока, которые выполнены в виде восьми желобов (из которых обозначена только часть - 2-4) симметричного поперечного сечения с осями симметрии 9, выпуклых наружу. Желоба 2-4 имеют сопряжения 5 на краях с соседними прилегающими к ним (например желоб 3 и желоба 2 и 4), при этом радиус кривизны сечения желобов соответствует 0,25 наибольшего диаметра 8 полости корпуса 1. Оси симметрии 9 желобов лежат на восьми равноудаленных наибольших диаметральных осях 8, причем центр 10 сечения корпуса 1 принадлежит каждой из окружностей 11, описывающих желоба. Каждый из желобов имеет винтовую закрутку вдоль продольной оси 9. Степень закрутки (угол закрутки желобов  плавно увеличена по длине L завихрителя, при этом длина L завихрителя составляет 1,5-2,5 его диаметра. Наружная форма корпуса 1 устройства повторяет форму внутренней за счет одинаковой толщины стенки.
Предложенный завихритель может быть изготовлен из стальной гладкой цилиндрической трубы способом горячего протягивания с закручиванием через дорн, повторяющий заданную форму восьми-дугового сечения. Трубопровод-завихритель может также быть изготовлен путем неразъемного соединения двух заготовок, предварительно отштампованных из листового материала, при этом штампом формируется необходимая форма винтообразных желобов.
Завихритель работает следующим образом. При вхождении в корпус 1 потока текучей среды, ее наружные слои в первоначальный момент времени разделяются по желобам 2-4, которыми сформирована внутренняя поверхность корпуса 1, а позже направляются закруткой желобов, что помимо продольной скорости придает им угловую скорость и приводит к вращению потока. Каждая частица среды начинает двигаться по спиралеобразной траектории. Эта форма движения состоит из сочетания четырех форм движения: двух прямолинейных (движения вдоль радиуса кривизны 7 и перпендикулярно к нему) и двух вращательных (вращения движущейся частицы вокруг собственного центра вращения и вращения радиуса кривизны 7 вокруг центра кривизны), т.е. обеспечивается приобретение каждой частицы среды помимо продольной скорости движения еще и тангенциальной.
Примером использования предлагаемого устройства служит его применение в качестве входного патрубка перед рабочим колесом насоса. При закручивании потока по ходу вращения рабочего колеса, происходит псевдоуменьшение частоты вращения рабочего колеса n на частоту вращения закрученного потока жидкости, что позволит уменьшить такие технологические параметры насоса, как напор, подачу и потребляемую мощность, а значит, снизить общие затраты на гидротранспорт.