ВИХРЕВОЙ АППАРАТ
SWIRL DEVICE

Изобретение относится к вихревым аппаратам, в которых реализуется эффект Ранка-Хильша - энергетического температурного разделения газа, и может применяться в нефтяной, газовой, химической и других отраслях промышленности для получения холода или тепла и для очистки газовых смесей от конденсирующихся примесей.
Вихревые аппараты эффективно работают в узком диапазоне изменения давления исходного сжатого газа и, соответственно, расхода. Это затрудняет их использование при значительных изменениях этих параметров.
Известен вихревой аппарат - вихревой кожухотрубчатый теплообменник (а.с. СССР №281490, МПК F28d 7/00, F28/f 13/06, Бюл №29, 14.IX.1970), содержащий корпус с верхней и нижней крышками, с вводными и выводными патрубками, перегородками, образующими с корпусом камеры вихревые трубы с коническими винтовыми закручивающими установками (ВЗУ), закрепленными на трубах холодного потока и помещенными в трубы горячего потока.
Недостатком конструкции является невозможность регулирования расхода газа через аппарат с сохранением эффекта температурного разделения газа. Выявлена возможность увеличения пропускной способности вихревого аппарата, уже работающего на режиме «запирания», за счет создания зазора до 1 мм между ВЗУ и вихревой трубой без существенных потерь в температурной эффективности (Мухутдинов Р.Х. и др. «Эффективность внедрения вихревых аппаратов…» - Уфа: Из-во «Реактив», 2001, с 70), но для этого требуется переналадка аппарата.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является вихревой аппарат (патент РФ №2035990, В01J 8/16, 07.12.93), содержащий корпус закручивающего устройства с трубами горячего и холодного потоков; закручивающее устройство имеет тангенциальный сопловой ввод прямоугольного сечения и устройство для регулирования расхода сжатого газа, включающее рабочий орган в сопловом вводе со штоком с возможностью возвратно-поступательного движения, в котором рабочий орган выполнен в виде тела, имеющего сечение, неравномерно убывающее по ходу газа.
Недостатком известного вихревого аппарата в устройстве регулирования расхода газа является нахождение рабочего органа со штоком в газовом канале закручивающего устройства, кроме того, при вводе (уменьшении площади проходного сечения) рабочего органа в прямоугольный канал за ним образуется завихрение. Все это нарушает аэродинамику движения газа - разбивает нормальное температурное расслоение газовой струи. За счет этого увеличатся дополнительные потери давления и, как следствие, снижается результат - эффективность температурного разделения газа.
Технической задачей изобретения является обеспечение надежного автоматического регулирования расхода исходного сжатого газа в вихревом аппарате с сохранением эффективного температурного разделения газа.
Для решения поставленной задачи устройство для регулирования расхода включает трубу холодного потока с крестовиной со штоком на конце и с цилиндрическим винтовым закручивающим устройством на другом конце, которым труба устанавливается на скользящей посадке в неподвижную цилиндрическую гильзу, закрепленную в начало трубы горячего потока. Труба холодного потока пропускается через сальниковый узел в верхней перегородке, отделяющей приемную камеру от камеры холодного потока, а шток пропускается через сальниковый узел в верхней крышке и снабжается механизмом, обеспечивающим его возвратно-поступательное движение; при этом высота прямоугольных винтовых каналов закручивающего устройства постепенно уменьшается по ходу газа, а диаметр гильзы, начиная со среза винтового закручивающего устройства, также постепенно и равномерно увеличивается до диаметра трубы горячего потока.
Сравнение технического решения задачи с прототипом показывает, что в предлагаемом вихревом аппарате дана принципиально другая конструкция регулирования расхода, более надежная, без нарушения аэродинамики течения закручиваемой струи газа в винтовых каналах.
На чертеже представлен продольный разрез вихревого аппарата.
Вихревой аппарат содержит цилиндрический корпус 1 с верхней 2 и нижней 3 крышками. Вихревой аппарат снабжен патрубками ввода исходного сжатого газа 4, отвода холодного потока 5, отвода горячего потока 6, отвода конденсата 7 и подвода 20 и отвода 21 хладагента в межтрубное пространство. Причем на патрубке 6 устанавливается вентиль 8. Корпус 1 имеет две приваренные, нижнюю и среднюю, перегородки 9, 10, в которые закреплена труба горячего потока 11. В начало трубы горячего потока 11 закрепляется цилиндрическая гильза 12, в которую устанавливается труба холодного потока 13 с винтовым закручивающим устройством 14 с диафрагменным отверстием для прохода холодного потока. На другом конце трубы холодного потока закрепляется крестовина со штоком 15. Далее на трубу 13 надевается верхняя перегородка 16 через сальниковый узел 17, а на шток 15 надевается верхняя крышка 2 через сальниковый узел 18. Шток 15 снабжается механизмом 19, обеспечивающим его возвратно-поступательное движение в гильзе 12, например, с помощью червячной передачи (не показан).
Верхняя перегонка 16 и верхняя крышка 2 образуют камеру холодного потока с патрубком 5.
В цилиндрическом винтовом закручивающем устройстве 14 высота прямоугольных винтовых каналов постепенно уменьшается по ходу газа, а диаметр цилиндрической гильзы 12, начиная со среза винтового закручивающего устройства, также постепенно и равномерно увеличивается до диаметра трубы горячего потока.
С помощью механизма 19 винтовое закручивающее устройство 14 фиксируется в самом верхнем и в самом нижнем положениях, обеспечивая пропускание минимального и максимального требуемого расхода в режиме «запирания» и расхода между этими диапазонами.
Вихревой аппарат работает следующим образом.
Исходный сжатый газа через патрубок 4 поступает в приемную камеру 22 и затем, распределяясь по каналам винтового закручивающего устройства 14, разгоняется до скорости порядка звуковых и истекает закрученными струями в трубу горячего потока. Температурное расслоение струи начинается уже в винтовых каналах закручивающего устройства 14 и продолжается после истечения в трубу, т.е. периферийные слои газа нагреваются, приосевые слои охлаждаются. Регулируя вентилем 8, осевой холодный поток направляется в трубу холодного потока. Таким образом, горячий газ выводится через патрубок 6, а холодный газ - через патрубок 5.
Как уже отмечалось, положение винтового закручивающего устройства 14 в цилиндрической гильзе 12, определяющее тот или иной расход газа в указанном выше диапазоне, определяется механизмом 19. Так повышение расхода газа происходит за счет увеличения проходного сечения каналов при перемещении среза винтового закручивающего устройства 14 в гильзе 12 в зону постепенного и равномерного увеличения диаметра цилиндрической части гильзы до диаметра трубы горячего потока 11. Регулирование расхода механизмом 19 может быть ручным, с механическим приводом, и автоматическим, например, как отмечалось выше, с помощью червячной передачи. Организуя вращение червячного колеса червячным винтом, происходит осевое перемещение зафиксированного от вращения штока 15.
Для повышения эффективности конденсации в межтрубное пространство вихревого аппарата может подаваться хладагент для отвода тепла от горячего потока. Подвод хладагента - в патрубок 20, отвод - через патрубок 21. Конденсат собирается в нижней крышке 3 и отводится вне вихревого аппарата через патрубок 7.