СПОСОБ ВИХРЕВОГО РЕДУЦИРОВАНИЯ ДАВЛЕНИЯ ГАЗА
METHOD OF VORTEX REDUCTION OF GAS PRESSURE

Изобретение относится к газовой промышленности, в частности к вихревым преобразователям энергии перепада давлений на газоперекачивающих и газораспределительных станциях магистральных трубопроводов, и служит для понижения давления газа без понижения его температуры при редуцировании.
Известен способ подогрева расширяющегося потока газа и устройство для его реализации, заключающийся в том, что в первом варианте пропускают поток расширившегося газа через теплообменник. Во втором варианте газ пропускают через двухпоточную вихревую трубу, а получаемый после нее холодный поток направляют в теплообменник. В третьем варианте газ перед подачей в вихревую трубу делят на две части и одну часть отводят в рекуператор, затем - в дроссель и теплообменник, после чего эту часть объединяют с холодным потоком из вихревой трубы и направляют в рекуператор, а затем объединяют с горячим потоком из вихревой трубы. В четвертом варианте газ после рекуператора и дросселя объединяют с холодным потоком из вихревой трубы и направляют в теплообменник.
(см. патент №2143650, кл. F25В 9/02, F25В 9/04).
Работает способ и устройство следующим образом.
Во втором варианте поток газа пропускают через двухпоточную вихревую трубу, где он дросселируется и разделяется на два потока - холодный и горячий. Холодный поток из вихревой трубы пропускают через теплообменник, который, поглощая тепло из окружающей среды, подогревается, после чего его смешивают с горячим потоком вихревой трубы. В результате смешанный выходной поток имеет температуру более высокую, нежели чем в первом варианте.
В третьем варианте поток газа вначале (перед подачей в вихревую трубу) разделяют на два потока: первый подают на вход прямого канала рекуперативного теплообменника, второй - на вход двухпоточной вихревой трубы. При этом прямой поток, выходящий из рекуперативного теплообменника через дроссель и теплообменник наружного теплообмена, смешивают с холодным потоком вихревой трубы и подают на вход обратного канала рекуперативного теплообменника, после чего поток смешивают с горячим потоком вихревой трубы.
В четвертом варианте поток газа вначале (перед подачей в вихревую трубу) разделяют на два потока: первый подают на вход прямого канала рекуперативного теплообменника, второй - на вход двухпоточной вихревой трубы. При этом прямой поток, выходящий из рекуперативного теплообменника через дроссель и теплообменник наружного теплообмена, смешивают с холодным потоком вихревой трубы и подают на вход обратного канала рекуперативного теплообменника
В следующем варианте поступающий из холодного конца вихревой трубы холодный газ смешивается в смесителе (тройнике) с другим холодным потоком, поступающим от рекуперативного теплообменника, и через дроссель поступает в теплообменник. Однако смешение в тройнике-смесителе двух потоков - потока высокого давления и низкого давления уменьшает рабочее давление потока, поступающего в дроссель, что снижает эффективность дросселирования. Это является недостатком.
Для исключения такого недостатка необходимо холодный поток низкого давления от вихревой трубы, через тройник-смеситель, минуя дроссель, сразу направить в теплообменник. Для этого необходимо перекрыть вентиль и открыть другой вентиль. В результате, если холодный газ из вихревой трубы направляется в теплообменник (через дроссель или сразу в теплообменник), минуя теплообменник, то количество холодного газа, поступающего в теплообменник (по сравнению с предыдущим вариантом), увеличивается.
Поэтому для обеспечения требуемого режима теплообмена необходимо увеличить площадь F) теплообменника.
Недостатком этого способа является следующее.
Он не обеспечивает подогрев газа без дополнительных устройств (теплообменников) значительных габаритов.
Известна вихревая труба, узел регулирования которой, выполненный в виде продольно перемещаемого цилиндрического стакана, со стороны диафрагмы взаимодействующего с выходным сечением соплового ввода сжатого газа в камеру, на выходе которой расположен патрубок отвода горячего потока, имеющий тот же диаметр, что и камера, и образующий с ее концом кольцевую щель для вывода конденсата посредством охватывающей радиальной улитки, при этом за щелью, после турбулизатора и раскруточного диффузора труба отвода горячего потока своим выходом подключена к входу утилизирующего вихревого эжектора, выполненного в виде тангенциальных каналов в боковой стенке стакана, непосредственно за диафрагмой на холодном конце вихревой трубы.
(см. патент №2232359, кл. F25В 9/04).
Вихревая труба работает следующим образом. При втекании сжатого газа через сопловой ввод в камеру образуется интенсивный круговой поток, приосевые слои которого охлаждаются и отводятся через отверстие диафрагмы в виде холодного потока, а периферийные слои подогреваются и втекают, минуя турбулизатор, в виде горячего высокоскоростного потока в раскруточный диффузор, например щелевой. Турбулизатор обеспечивает создание турбулентности формирующегося здесь вынужденного вихря приосевого холодного потока, что благоприятно для повышения эффективности энергообмена холодного и горячего потоков вихревой трубы. Диффузор является устройством для утилизации кинетической энергии горячего потока и преобразования ее в энергию давления. Его применение всегда целесообразно для восстановления давления горячего потока перед подачей последнего в утилизирующий эжектор. При этом горячий поток омывает стенку диафрагмы за счет теплопроводности и предотвращает обмерзание ее входных кромок.
В сечении соплового ввода, в камере расширение газа является изэнтальпийным. Газ имеет температуру, аналогичную температуре в системе Джоуля-Томсона. Это значит, что даже плохо работающая вихревая труба по своим характеристикам всегда сможет соперничать с системой Джоуля-Томсона. При этом нагретые периферийные слои газа, подогревая стенку камеры и далее (за счет так называемой "растечки" тепла за счет теплопроводности) - узел регулирования, предотвращают возможное обмерзание его рабочих поверхностей в процессе дросселирования.
При непрерывном движении газа вдоль оси камеры образуется все возрастающий градиент между внешним кольцевым и внутренним потоками. В результате работы сдвига в системе температура газа в приосевой зоне опускается ниже температуры процесса Джоуля-Томсона. Это падение температуры вызывает дополнительную конденсацию, что позволяет увеличить эффективность процесса сепарации в целом.
Недостатком известного устройства, способа является следующее.
Он не обеспечивает подогрев газа без дополнительных устройств (теплообменников).
Наиболее близким решением по технической сущности, т.е. прототипом, является регулятор давления газа с положительной обратной связью (варианты), в котором, по второму варианту исполнения регулятора, подводящий трубопровод соединен с регулируемым тангенциальным соплом, соединенным с цилиндром температурного разделения и с диафрагмой, а отводящий трубопровод соединен с пилотным устройством, в котором цилиндр температурного разделения представляет собой самовакуумирующуюся вихревую трубу, содержащую крестовину с плавно выпрямляющими поток газа профилированными лопатками, регулирующий конус, причем цилиндр температурного разделения соединен с трубкой перепуска "горячего" газа в осевую зону регулируемого по высоте тангенциального сопла через отверстие диафрагмы, а трубка перепуска последовательно соединена с регулируемым дросселем и обратным клапаном, обеспечивающими работу вихревой трубы в режиме самовакуумирования.
(см. пат. №2237918, кл. G05D 16/06).
Регулятор работает следующим образом. Из подводящего трубопровода газ поступает в регулируемое по высоте тангенциальное сопло, затем в цилиндр температурного разделения, где происходит разделение газа на "горячий" и "холодный" потоки, причем "горячий" поток двигается по периферии, а "холодный" по оси цилиндра температурного разделения в направлении крестовины, на профилированных лопатках которой происходит выпрямление потоков. После прохождения крестовины часть "горячего" потока и "холодный" поток через регулирующий конус, необходимый для настройки вихревой трубы на режим самовакуумирования, поступают в отводящий трубопровод, а другая часть "горячего" потока поступает в трубку перепуска, и через регулируемый дроссель и обратный клапан, необходимые для обеспечения работы вихревой трубы в режиме самовакуумирования, а также через диафрагму поступает в центр "холодного" вихря для повышения температуры "холодного" потока, что, в свою очередь, приведет к повышению температуры газа на выходе из регулятора. Пилотное устройство управляет регулирующим клином, обеспечивая перепад давления на регуляторе таким образом, чтобы на выходе из регулируемого тангенциального сопла обеспечивалась критическая скорость газа для эффективного температурного разделения. Для более интенсивного перемешивания перепускаемого "горячего" и вакуумируюшего "холодного" потоков на оси регулируемого по высоте тангенциального сопла и цилиндра температурного разделения внутренняя поверхность диафрагмы может быть выполнена в виде винтового канала.
Недостатком известного регулятора является невозможность поддержания минимальной разницы температур на входе и выходе регулятора, необходимой для предотвращения образования кристаллогидратов.
Отбор части "горячего" потока перед камерой регулирующего конуса не обеспечивает его большую величину. В таком положении возможен отбор не более 20% "горячего" потока, что ведет меньшему подогреву выходящего газа.
Целью предлагаемого способа регулирования давления газа является улучшение эксплуатационных характеристик при редуцировании за счет поддержания температуры газа на выходе выше температуры гидратообразования.
Указанная цель достигается тем, что отбор части "горячего" потока осуществляется за конусной поверхностью камеры регулирующего конуса, при этом смешивание оставшейся части "горячего" потока и "холодного" осевого потока осуществляется через отверстие в центральной части регулирующего конуса, а подача части "горячего" потока в осевую зону через центральное отверстие может осуществляться как напрямую, так и через дополнительный тангенциальный сопловый ввод для этого потока, при этом центральное отверстие выполнено конусным, а ввод газа в камеру разделения осуществляется наклонным к оси ввода.
Сопоставительный анализ способа с прототипом позволяет сделать вывод, что заявляемый «Способ вихревого редуцирования давления газа» обеспечивает повышение температуры газа и его редуцирование без использования подогревателей, в которых происходит сжигание газа.
Следовательно, заявляемый способ соответствует критерию «Новизна». Сравнение заявляемого способа не только с прототипом, но и с другими способами в данной области техники не позволяет выявить в них признаки, отличающие заявляемый способ от прототипа, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию «Изобретательский уровень».
Особенности описываемого способа подтверждаются чертежами, на которых изображено:
на рис.1 изображен способ вихревого редуцирования газа с дополнительной подачей "горячего" газа в осевую зону;
на рис.2 изображен способ вихревого редуцирования газа с дополнительной подачей "горячего" газа в дополнительный тангенциальный сопловый ввод.
Способ вихревого редулирования давления газа состоит в следующем. Газ подается в тангенциальный сопловый ввод 1. Из сопла он поступает в камеру разделения 2 по наклонной поверхности 3 (с углом α). В камере разделения происходит разделение газа на "горячий" и "холодный" потоки, причем "горячий" поток двигается по периферии, а "холодный" по оси камеры разделения 1 в направлении крестовины 4, на лопатках которой происходит выпрямление потоков. После прохождения крестовины часть "горячего" потока и "холодный" поток через центральное отверстие 5 регулирующего конуса 6, необходимого для настройки вихревой трубы на режим самовакуумирования, поступают в отводящий трубопровод 7, а другая часть "горячего" потока, которая отбирается за конусной поверхностью камеры 8 регулирующего конуса 6, поступает в трубку перепуска 9. Из нее через центральное конусное отверстие 10 (с углом β) поступает в центр "холодного" потока для повышения температуры "холодного" потока, что, в свою очередь, приведет к повышению температуры газа на выходе из регулятора. Величина отбора части "горячего" потока регулируется размером L.
По рисунку 2 часть горячего потока поступает в центр "холодного" вихря через дополнительный тангенциальный сопловый ввод 11, в котором происходит его дополнительная закрутка и разделение на еще более нагретые "горячий " и "холодный" потоки. Более нагретый поток еще сильнее нагревает "холодный" поток в камере разделения, а он, в свою очередь, влияет на "горячий" поток, что ведет к подогреву выходящего из трубы смешенного потока.
Ввод газа в камеру разделения может быть и по криволинейной поверхности 12.
Выполнение отбора части "горячего" потока за конусной поверхностью камеры регулирующего конуса улучшает и увеличивает отбор части "горячего" потока.
Выполнение смешивания оставшейся части "горячего" потока и "холодного" осевого потока через отверстие в центральной части регулирующего конуса обеспечивает их лучшее смешивание.
Выполнение подачи части "горячего" потока в осевую зону отверстия через дополнительный тангенциальный сопловый ввод для этого потока ведет к подогреву выходящего из трубы смешенного потока.
Выполнение центрального отверстия конусным обеспечивает лучшее смешивание части "горячего" потока и "холодного" потока в камере разделения и улучшает условия режима самовакуумирования трубы.
Выполнение ввода газа в камеру разделения наклонным к оси ввода обеспечивает улучшение режима самовакуумирования.
Таким образом, предлагаемый способ вихревого редуцирования газа позволяет без затрат топлива и посторонних источников энергии выполнять редуцирование транспортируемого газа без образования кристаллогидратов и обмерзания аппаратуры, в том числе и в холодное время года, что положительно отражается на надежности работы, экологичности и рентабельности ГРС.