ВИХРЕВАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ РАЗДЕЛЬНОГО ВЫДЕЛЕНИЯ ГОРЮЧЕЙ СОСТАВЛЯЮЩЕЙ И УГЛЕКИСЛОГО ГАЗА ИЗ ВОЗДУХА
VORTEX INSTALLATION FOR DIVIDED EXTRACTION OF COMBUSTIBLE COMPONENT AND CARBON DIOXIDE FROM AIR

Изобретение относится к вихревым установкам для разделения сред с неоднородным полем плотностей и с разной молекулярной массой компонентов, работа которых осуществляется в соответствии с законом свободно вращающегося вихревого потока с неоднородным полем плотностей и с разной молекулярной массой компонентов, открытым автором в 1994 году, и может быть использовано по своему прямому назначению для раздельного выделения горючей составляющей и углекислого газа из воздуха, а также возможно использование установки для его реализации при различных вариантах конструктивного выполнения установки для разделения сред в вихревых потоках в различных отраслях производства, в частности химической промышленности, тепловой и атомной энергетике, нефтегазодобывающей и перерабатывающей промышленности и многих производствах.
Известна вихревая установка для выделения горючей составляющей из воздуха, содержащая, по меньшей мере, вихревое устройство с завихрителем потока, установленным на входном участке вихревой трубы, и периферийный канал с кольцевым входным сечением для отвода периферийного потока и выход центрального потока разделенных сред, расположенный с противоположной входному участку вихревой трубы стороны, причем периферийный канал в соответствии с вышеуказанным на своем начальном участке для отвода периферийного потока разделенной среды образован внутренней поверхностью вихревой трубы и наружной поверхностью участка трубы, расположенного внутри выходного участка вихревой трубы в базовом положении соосно последней, а центральный поток вышеуказанной среды отводится, по меньшей мере, через один канал, которым на его начальном участке в последнем случае служит вышеуказанный участок трубы, расположенный внутри выходного участка вихревой трубы, а вышеуказанный участок трубы для выхода центрального сама часть участка с вышеуказанным торцом жестко соединена и закреплена на стержне, проходящем через внутреннее пространство другой части участка трубы с образованием прохода для разделенной среды, выходящей из вихревой трубы, между внутренней поверхностью вышеуказанной части участка трубы и стержнем, и обеспечением при этом внутри последней части участка свободного соосного перемещения стержня совместно с частью участка трубы, жестко соединенной с последним, с образованием кольцевого зазора между смежными торцами вышеуказанных частей участка трубы, а торец, обращенный навстречу потоку, части участка трубы, расположенной на стороне выхода разделенной среды из вихревой трубы, выполнен, по крайней мере, с острой входной кромкой, а на каждом из отводов разделенных сред из каналов вихревого устройства установлено регулирующее запорное устройство [1].
Недостатком такой вихревой установки является невозможность осуществления одновременного раздельного выделения горючей составляющей и углекислого газа из воздуха, имеющих очень малое их процентное содержание в общем объеме воздуха. Такая установка предназначена для выделения горючей составляющей из воздуха, и при этом она может быть использована также только для выделения углекислого газа из воздуха, для чего должны быть изменены параметры выходящего из завихрителя потока воздуха.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению является вихревая установка для выделения горючей составляющей из воздуха, которая содержит, по меньшей мере, вихревое устройство с завихрителем потока, установленным на входном участке вихревой трубы, и периферийный канал с кольцевым входным сечением для отвода периферийного потока, и выход центрального потока разделенных сред, расположенный с противоположной входному участку вихревой трубы стороны, причем периферийный канал на своем начальном участке для отвода периферийного потока разделенной среды образован внутренней поверхностью вихревой трубы и наружной поверхностью участка трубы, расположенного внутри выходного участка вихревой трубы в базовом положении соосно последней, а центральный поток вышеуказанной среды отводится, по меньшей мере, через один канал, которым на его начальном участке в последнем случае служит вышеуказанный участок трубы, расположенный внутри выходного участка вихревой трубы, вихревая труба выполнена, по меньшей мере, из двух раздельных соосно установленных частей, при этом разъем трубы расположен по движению потока, по меньшей мере, за завихрителем потока, установленным на входном участке вихревой трубы, а с наружной стороны последней выполнена кольцевая камера, охватывающая вышеуказанный разъем вихревой трубы, при этом наружная поверхность последней выполняет, по крайней мере, роль боковой стенки камеры, а соединение торцовых стенок последней с вихревой трубой выполнено герметичным с возможностью осевого перемещения, по меньшей мере, одной из частей вихревой трубы относительно другой части последней с образованием кольцевого зазора между торцами вышеуказанных частей вихревой трубы для выхода из последней пристенного периферийного потока разделенной среды в кольцевую камеру, на трубопроводе отвода среды из которой установлено регулирующее запорное устройство, а торец, обращенный навстречу потоку, части вихревой трубы, расположенной на стороне выхода потока из последней, выполнен, по крайней мере, с острой входной кромкой, а на каждом из отводов разделенных сред из каналов вихревого устройства установлено регулирующее запорное устройство [2].
Недостатком такой вихревой установки является невозможность осуществления одновременного раздельного выделения горючей составляющей и углекислого газа из воздуха, имеющих очень малое их процентное содержание в общем объеме воздуха, так как она предназначена для выделения из воздуха одного его компонента, а именно, горючей составляющей. При этом она может быть также использована для выделения одного углекислого газа из воздуха, для чего должны быть изменены параметры выходящего из завихрителя потока воздуха.
Задачей изобретения является создание вихревой установки для экономически выгодного промышленного получения топлива из воздуха и одновременно с этим выделение из него углекислого газа с целью уменьшения содержания его в атмосфере.
Указанная задача достигается тем, что в известной вихревой установке для выделения горючей составляющей из воздуха, содержащей, по меньшей мере, вихревое устройство с завихрителем потока, установленным на входном участке вихревой трубы, и периферийный канал с кольцевым входным сечением для отвода периферийного потока и выход центрального потока разделенных сред, расположенный с противоположной входному участку вихревой трубы стороны, причем периферийный канал на своем начальном участке для отвода периферийного потока разделенной среды образован внутренней поверхностью вихревой трубы и наружной поверхностью участка трубы, расположенного внутри выходного участка вихревой трубы в базовом положении соосно последней, а центральный поток вышеуказанной среды отводится, по меньшей мере, через один канал, которым на его начальном участке в последнем случае служит вышеуказанный участок трубы, расположенный внутри выходного участка вихревой трубы, вихревая труба выполнена, по меньшей мере, из двух раздельных соосно установленных частей, при этом разъем трубы расположен по движению потока, по меньшей мере, за завихрителем потока, установленным на входном участке вихревой трубы, а с наружной стороны последней выполнена кольцевая камера, охватывающая вышеуказанный разъем вихревой трубы, при этом наружная поверхность последней выполняет, по крайней мере, роль боковой стенки камеры, а соединение торцовых стенок последней с вихревой трубой выполнено герметичным с возможностью осевого перемещения, по меньшей мере, одной из частей вихревой трубы относительно другой части последней с образованием кольцевого зазора между торцами вышеуказанных частей вихревой трубы для выхода из последней пристенного периферийного потока разделенной среды в кольцевую камеру, на трубопроводе отвода среды из которой установлено регулирующее запорное устройство, а торец, обращенный навстречу потоку, части вихревой трубы, расположенной на стороне выхода потока из последней, выполнен, по крайней мере, с острой входной кромкой, а на каждом из отводов разделенных сред из каналов вихревого устройства установлено регулирующее запорное устройство, вышеуказанный участок трубы для выхода центрального потока выполнен, по меньшей мере, из двух раздельных частей, при этом торец одной части участка трубы, обращенный навстречу потоку, выполнен закрытым, обтекаемой формы и заостренным, а сама часть участка с вышеуказанным торцом жестко соединена и закреплена на стержне, проходящем через внутреннее пространство другой части участка трубы с образованием прохода для разделенной среды, выходящей из вихревой трубы, между внутренней поверхностью вышеуказанной части участка трубы и стержнем, и обеспечением при этом внутри последней части участка свободного соосного перемещения стержня совместно с частью участка трубы, жестко соединенной с последним, с образованием кольцевого зазора между смежными торцами вышеуказанных частей участка трубы, а торец, обращенный навстречу потоку, части участка трубы, расположенной на стороне выхода разделенной среды из вихревой трубы, выполнен, по крайней мере, с острой входной кромкой, при этом максимальная эффективность разделения сред достигается путем регулирования, по меньшей мере, степени открытия регулирующих запорных устройств, установленных на отводах разделенных сред из каналов вихревого устройства и кольцевой камеры, охватывающей вихревую трубу, ширины кольцевого зазора (прохода) между смежными торцами обеих соосно установленных частей вихревой трубы для выхода пристенного периферийного потока разделенной среды путем осевого перемещения, по меньшей мере, одной из частей вихревой трубы относительно другой части последней, обеспечивая этим изменение площади проходного сечения для выходящего пристенного периферийного потока разделенной среды, и ширины кольцевого зазора (прохода) между смежными торцами обеих соосно установленных частей участка трубы для выхода центрального потока путем перемещения в осевом направлении стержня с жестко соединенной с последним вышеуказанной частью участка трубы, обеспечивая этим изменение площади проходного сечения для выходящего центрального потока разделенной среды через кольцевой зазор.
Сопоставительный анализ заявляемого технического решения с аналогом и прототипом позволяет сделать вывод о наличии новых отличительных признаков, следовательно, заявляемое техническое решение соответствует критерию "новизна".
В известных науке и технике решениях нами не обнаружены совокупности отличительных признаков заявляемого решения, проявляющих аналогичные свойства и позволяющих достичь указанный в цели изобретения результат, следовательно, решение соответствует критерию изобретения "существенные отличия".
На фиг.1 представлена вихревая установка для раздельного выделения горючей составляющей и углекислого газа из воздуха; на фиг.2 - выходная часть вихревой установки с трубопроводами, арматурой и отсасывающими устройствами; на фиг.3, 4 - характерное изменение окружной скорости потока W по радиусу r в выходном сечении лопаточного завихрителя потока; на фиг.5, 6 - проекции траекторий движения в потоке тяжелой, легкой и средней тяжести частиц на плоскость сечения А-А на фиг.1; на фиг.7 - вихревая труба с двумя завихрителями потока; на фиг.8 - вихревая установка; на фиг.9 - вихревая труба с завихрителем потока.
В способе раздельного выделения горючей составляющей и углекислого газа из воздуха в вихревой установке (фиг.1), включающей закрутку проходящего через завихритель потока 1, разделение потока среды и отвод сред через центральный 2 и периферийный 3 каналы, а вихревая установка для его реализации содержит, по меньшей мере, вихревое устройство 4 с завихрителем потока 1, установленным на входном участке 5 вихревой трубы 6, и периферийный канал 3 с кольцевым входным сечением 1-1 для отвода периферийного потока и выход 2 центрального потока разделенных сред, расположенный с противоположной входному участку 5 вихревой трубы 6 стороны, причем периферийный канал 3 на своем начальном участке 7 для отвода периферийного потока разделенной среды образован внутренней поверхностью вихревой трубы 6 и наружной поверхностью участка 7 трубы 2, расположенного внутри выходного участка 8 вихревой трубы 6 в базовом положении соосно последней, а центральный поток вышеуказанной среды отводится, по меньшей мере, через один канал 2, которым на его начальном участке 7 в последнем случае служит вышеуказанный участок 7 трубы 2, расположенный внутри выходного участка 8 вихревой трубы 6, вихревая труба 6 выполнена, по меньшей мере, из двух раздельных соосно установленных частей 9, 10, при этом разъем 11 трубы 6 расположен по движению потока, по меньшей мере, за завихрителем потока 1, установленным на входном участке 5 вихревой трубы 6, а с наружной стороны последней выполнена кольцевая камера 12, охватывающая вышеуказанный разъем 11 вихревой трубы 6, при этом наружная поверхность последней 6 выполняет, по крайней мере, роль боковой стенки камеры 12, а соединение торцовых стенок 13, 14 последней 12 с вихревой трубой 6 выполнено герметичным с возможностью осевого перемещения (±х), по меньшей мере, одной 10 из частей 9, 10 вихревой трубы 6 относительно другой части 9 последней 6 с образованием кольцевого зазора 15 (прохода) между торцами 16, 17 вышеуказанных частей 9, 10 вихревой трубы 6 для выхода из последней 6 пристенного периферийного потока разделенной среды в кольцевую камеру 12, на трубопроводе 18 отвода среды из которой 12 установлено регулирующее запорное устройство 19, а торец 17, обращенный навстречу потоку, части 10 вихревой трубы 6, расположенной на стороне выхода потока из последней 6, выполнен, по крайней мере, с острой входной кромкой 20, а на каждом из отводов 21, 22 разделенных сред из каналов 2 и 3 вихревого устройства 4 установлено регулирующее запорное устройство 23, 24, вышеуказанный участок 7 трубы 2 для отвода центрального потока выполнен, по меньшей мере, из двух раздельных частей 25, 26, при этом торец 27 одной части 25 участка 7 трубы 2, обращенной навстречу потоку, выполнен закрытым, обтекаемой формы и заостренным, а сама часть 25 участка 7 с вышеуказанным торцом 27 жестко соединена и закреплена на стержне 28, проходящем через внутреннее пространство другой части 26 участка 7 трубы 2 с образованием прохода 29 для разделенной среды, выходящей из вихревой трубы 6, между внутренней поверхностью вышеуказанной части 26 участка 7 трубы 2 и стержнем 28, и обеспечением при этом внутри последней части 26 участка 7 свободного соосного перемещения стержня 28 совместно с частью 25 участка 7 трубы 2, жестко соединенной с последним 28, с образованием кольцевого зазора 30 (прохода) между смежными торцами 31, 32 вышеуказанных частей 25, 26 участка 7 трубы 2, а торец 32, обращенный навстречу потоку, части 26 участка 7 трубы 2, расположенной на стороне выхода разделенной среды из вихревой трубы 6, выполнен, по крайней мере, с острой входной кромкой 33, при этом максимальная эффективность разделения сред достигается путем регулирования, по меньшей мере, степени открытия регулирующих запорных устройств 23, 24, установленных на отводах 21, 22 разделенных сред из каналов 2, 3 вихревого устройства 4 и кольцевой камеры 12, охватывающей вихревую трубу 6, ширины а кольцевого зазора 15 (прохода) между смежными торцами 16, 17 обеих соосно установленных частей 9, 10 вихревой трубы 6 для выхода пристенного периферийного потока разделенной среды путем осевого перемещения (±х), по меньшей мере, одной 10 из частей 9, 10 вихревой трубы 6 относительно другой части 9 последней, обеспечивая этим изменение площади проходного сечения для выходящего пристенного периферийного потока разделенной среды, и ширины b кольцевого зазора 30 (прохода) между смежными торцами 31, 32 обеих соосно установленных частей 25,26 участка 7 трубы 2 для выхода центрального потока путем перемещения (±х) в осевом направлении стержня 28 с жестко соединенной с последним вышеуказанной частью 25 участка 7 трубы 2, обеспечивая этим изменение площади проходного сечения для выходящего центрального потока разделенной среды через кольцевой зазор 30.
При этом вихревое устройство может быть снабжено двумя дополнительными участками 34, 35 трубопроводов, каждый из которых снабжен индивидуальным регулирующим запорным устройством 36, 37, при этом первый дополнительный участок 34 трубопровода соединяет кольцевую камеру 12, в которую выходит пристенный периферийный поток первой из разделенных сред, или соединяет выходной участок трубопровода 18 для отвода этой же разделенной среды из вышеуказанной камеры 12 перед регулирующим запорным устройством 19, установленным на нем 18, по ходу движения первой из разделенных сред и выходной участок 21 трубы центрального потока за регулирующим запорным устройством 23, установленным на нем 21, по ходу движения второй из разделенных сред, а второй дополнительный участок 35 трубопровода соединяет выходной участок 21 трубы центрального потока второй из разделенных сред перед регулирующим запорным устройством 23, установленным на нем 21, по ходу движения потока вышеуказанной разделенной среды и выходной участок 18 трубопровода для отвода первой из разделенных сред из вышеуказанной кольцевой камеры 12 за регулирующим запорным устройством 19, установленным на нем 18, по ходу движения первой из разделенных сред, при этом при изменении режима разделения воздуха в вихревом устройстве 4, когда первая из разделенных сред, выходившая из кольцевой камеры 12 через выходной участок трубопровода 18 и установленное на нем регулирующее запорное устройство 19, начинает выходить из выходного участка 21 трубы центрального потока, а вторая из разделенных сред, выходившая из последнего участка 21 трубы центрального потока при открытом регулирующем запорном устройстве 23, установленном на нем, начинает выходить из кольцевой камеры 12 через выходной участок трубопровода 18, а регулирующие запорные устройства 36, 37, установленные соответственно на дополнительных участках 34, 35 трубопровода, были закрыты, последние открывают и производят их регулировку, а регулирующие запорные устройства 19 и 23, установленные соответственно на выходном участке трубопровода 18 кольцевой камеры 12 и на выходном участке 21 трубы центрального потока, закрывают, а при переходе на исходный режим разделения воздуха в вихревом устройстве 4 все вышеприведенные операции выполняют в обратной последовательности, после чего производят регулировку вновь открытых регулирующих запорных устройств 19 и 23 (фиг.1, 2).
При этом кольцевая камера 12 для выходящего из вихревого устройства 4 пристенного периферийного потока разделенной среды, по меньшей мере, одного вихревого устройства 4 может быть соединена трубопроводом 18 отвода среды с установленным на нем регулирующим запорным устройством 19 с герметичной емкостью 38, соединенной трубопроводом 39 с отсасывающим устройством 40, при этом на трубопроводе 39 между герметичной емкостью 38 и отсасывающим устройством 40 может быть установлено регулирующее запорное устройство 41, а трубопровод 42 отвода центрального потока разделенной среды из вихревой трубы 6, по меньшей мере, одного вихревого устройства 4 с установленным на нем регулирующим запорным устройством 23 может быть соединен с герметичной емкостью 43, а последняя может быть соединена трубопроводом 44 с отсасывающим устройством 45, при этом на трубопроводе 44 между герметичной емкостью 43 и отсасывающим устройством 45 может быть установлено регулирующее запорное устройство 46 (фиг.1, 2).
Способ раздельного выделения горючей оставляющей и углекислого газа из воздуха в вихревой установке (фиг.1) состоит в следующем. По меньшей мере, в одну, а их может быть несколько и даже тысячи, вихревую трубу 6 вихревого устройства 4, входящего в состав установки, по меньшей мере, с одним завихрителем потока 1, размещенным в указанном случае, т.е. при наличии одного завихрителя потока, на входном участке 5 вихревой трубы 6, подается воздух, который в завихрителе потока 1 приобретает вращательное движение, перемещаясь при этом одновременно в осевом направлении вихревого устройства 4 в сторону отвода разделенных сред через центральный 2 и периферийный 3 каналы, расположенные с противоположной входному участку 5 вихревой трубы 6 стороны. Благодаря наличию вращательного движения потока воздуха в вихревой трубе 6 при его перемещении к выходному концу последней в нем происходит процесс вихревого разделения компонентов, входящих в состав воздуха и различающихся между собой по молекулярной массе.
Разделенная периферийная часть потока воздуха выходит из вихревой трубы 6 вихревого устройства 4 через периферийный канал 3, который на своем начальном участке для отвода периферийного потока разделенной среды образован внутренней поверхностью вихревой трубы 6 и наружной поверхностью участка 7 трубы 2, расположенного внутри выходного участка 8 вихревой трубы 6 в базовом положении соосно последней 6, а центральный поток вышеуказанной среды отводится, по меньшей мере, через один канал 2, которым на его начальном участке в последнем случае служит вышеуказанный участок 7 трубы 2, расположенный внутри выходного участка 8 вихревой трубы 6.
Пристенный периферийный поток одной из разделенных сред (горючей составляющей или углекислого газа), толщина которого у внутренней поверхности вихревой трубы 6 при выделении из воздуха очень маленькая, выходит через кольцевой зазор 15 (проход), образуемый при перемещении одной 10 из частей 9, 10 вихревой трубы 6 относительно другой части 9 последней 6 с образованием вышеуказанного кольцевого зазора 15 (прохода) в кольцевую камеру 12, охватывающую вихревую трубу 6 в месте ее разъема 11, т.е. по кольцевому проходу 15.
Центральный поток другой из разделенных сред (углекислого газа или горючей составляющей), площадь поперечного сечения которого по завершении процесса разделения воздуха перед входом в канал 2 его отвода оказывается незначительной, выходит через кольцевой зазор 30 (проход), образуемый между смежными торцами 31, 32 двух раздельных частей 25, 26 участка 7 вышеуказанной трубы 2 при перемещении стержня 28 совместно с частью 25, жестко соединенной с последним 28, внутри части 26 участка 7 трубы 2. При этом стержень 28 проходит через внутреннее пространство вышеуказанной части 26 участка 7 трубы 2 с образованием прохода 29 для разделенной среды, выходящей из вихревой трубы 6.
Процесс раздельного выделения горючей составляющей и углекислого газа из воздуха в вихревой установке осуществляется в соответствии с законом, открытым автором в 1994 году. Закон Ерченко гласит: "В свободно вращающемся вихревом потоке среды (газа, жидкости, их смесей, диспергированной, двухфазной, пылегазовой и другой сред) с неоднородным полем плотностей и с разной молекулярной массой компонентов в процессе затухания вращательного движения потока за сечением по его длине, в котором максимальное значение окружной скорости достигает критического значения, обеспечивающего еще вращение наиболее тяжелых частиц среды в периферийной зоне потока, возникает процесс непрерывного замещения менее тяжелых частиц среды тяжелыми в направлении к оси вращения потока, продолжающийся до сечения, в котором среда во вращающемся потоке располагается кольцевыми слоями в порядке возрастания ее плотности в каждом последующем из них в направлении к оси вращения вихревого потока.
При максимальном значении окружной скорости, большем критического значения, процесс непрерывного замещения менее тяжелых частиц среды тяжелыми протекает в обратном вышеуказанному направлении, т.е. в направлении к периферии потока".
Таким образом, в основу способа выделения горючей составляющей из воздуха положено раннее неизвестное явление.
-5
-4
-4
-3
-6
-5
-5
-3
Воздух представляет собой смесь газов, основными компонентами которого являются азот и кислород. Объемное и массовое содержание последних (в %) в воздухе составляет соответственно 78,1 (N2); 21,0 (O2) и 75,5 (N2); 23,1 (O2). Наряду с другими газами в воздух входят водород, гелий, метан и углекислый газ, объемное и массовое содержание которых (в %) составляет соответственно 5·10 (Н2); 5·10 (Не); 2·10 (СН4); 33·10 (CO2) и 3·10 (Н2); 7,2·10 (Не); 8·10 (СН4); 50·10 (СО2) [3]. Молекулярные массы водорода, гелия и метана из газов, входящих в состав воздуха, являются минимальными и соответственно составляют 2,02 (Н2); 4 (Не) и 16 (СН4), т.е. молекулярная масса водорода, гелия и метана меньше средней молекулярной массы входящих в состав воздуха газов соответственно в 14,7 и 2 раза, что для достижения значительного эффекта в выделении горючей составляющей (водорода и метана) является особенно важным вследствие очень малого процентного содержания водорода и метана в воздухе, а также и в необходимых случаях, когда приходится выделять их с малым процентным содержанием других газов.
Как известно, углекислый газ является парниковым газом, оказывающим влияние на глобальное потепление. За последние годы его содержание в атмосфере Земли резко увеличилось. Одним только мировым торговым флотом, как отмечается в докладе ООН (2008 г.), в атмосферу Земли выбрасывается 1,12 млрд. т углекислого газа, а мировая атмосфера загрязняется в три раза сильнее, чем считалось.
К группе парниковых газов относится и шахтный метан, выделяемый при разработке угольных пластов. Он по своему влиянию на глобальное потепление в двадцать один раз превосходит углекислый газ. При этом за последние два столетия концентрация метана в атмосфере Земли увеличилась более чем вдвое. В настоящее время только из угольных шахт Кузбасса на поверхность Земли ежегодно выходит около 2 млрд. куб.м метана.
При выбранных конструктивных характеристиках вихревой установки и известных параметрах воздуха на входе в вихревую трубу 6 вихревого устройства 4 максимальная эффективность в разделении сред, а именно, в раздельном выделении горючей составляющей и углекислого газа из воздуха, достигается путем регулирования, по меньшей мере, степени открытия регулирующих запорных устройств 23, 24, установленных на отводах 21, 22 разделенных сред из каналов 2, 3 вихревого устройства 4 и кольцевой камеры 12, охватывающей вихревую трубу 6, и ширины а кольцевого зазора 15 (прохода) между смежными торцами 16, 17 обеих соосно установленных частей 9, 10 вихревой трубы 6 для выхода пристенного периферийного потока разделенной среды путем осевого перемещения (±х), по меньшей мере, одной 10 из частей 9, 10 вихревой трубы 6 относительно другой части 9 последней 6, обеспечивая этим изменение площади проходного сечения для выходящего пристенного периферийного потока разделенной среды.
При этом также одновременно с вышеизложенным производится регулирование ширины b кольцевого зазора 30 (прохода) между смежными торцами 31, 32 обеих соосно установленных частей 25, 26 участка 7 трубы 2 для выхода центрального потока путем перемещения (±х) в осевом направлении стержня 28 с жестко соединенной с последним вышеуказанной частью 25 участка 7 трубы 2, обеспечивая этим изменение площади проходного сечения для выходящего центрального потока разделенной среды через кольцевой зазор 30 (фиг.1). Кроме того, для повышения эффективности работы вихревой установки и разделения сред могут быть использованы другие конструкции и регулировочные мероприятия. Кольцевой зазор 15 между смежными торцами 16, 17 частей 9, 10 вихревой трубы 6 и кольцевой зазор 30 между смежными торцами 31, 32 обеих соосно установленных частей 25, 26 участка 7 трубы 2 для выхода центрального потока разделенной среды могут быть конструктивно выполнены иным путем.
Максимальное значение окружной скорости Wмакс закрученного потока в выходном сечении 2-2 (фиг.1, 3, 4) завихрителя потока 1 может не превышать критического значения Wкр (Wмакс ≤ Wкр), при котором еще обеспечивается вращение наиболее тяжелых (наибольшей плотности или наибольшей молекулярной массы) частиц среды в периферийной зоне потока 47, а также может превышать вышеуказанное критическое значение кружной скорости Wкр (Wмакс≥Wкр). В зависимости от вышеуказанного максимального значения окружной скорости Wмакс вихревого потока на выходе из завихрителя потока 1 процесс непрерывного замещения менее тяжелых частиц среды тяжелыми (большей плотности или молекулярной массы) при затухании вращательного движения потока происходит в направлении к оси вращения потока или в направлении от вышеуказанной оси, т.е. к периферии потока. В последнем случае процесс продолжается до тех пор, пока максимальное значение окружной скорости Wмакс в каком-то сечении потока не достигнет его критического значения Wкр, при котором еще обеспечивается вращение наиболее тяжелых (наибольшей плотности или наибольшей молекулярной массы) частиц среды в периферийной зоне 47 потока (фиг.3, 4).
При дальнейшем снижении максимального значения окружной скорости Wмакс (Wмакс<Wкр) в сечениях потока в направлении его движения направление замещения менее тяжелых частиц среды тяжелыми изменяется на противоположные, т.е. вышеуказанное замещение происходит в направлении к оси вращения потока.
Поэтому в последнем случае при установке только одного завихрителя потока 1 на входном участке 5 вихревой трубы 6 вихревого устройства 4 максимальная эффективность разделения компонентов воздуха (сред) достигается в случае, когда максимальное значение окружной скорости Wмакс вращающегося потока снижается до его критического значения Wкр в сечении 1-1 на входе в центральный канал 2 для выхода центрального потока разделенной среды (фиг.1).
В случае выхода потока воздуха из выходного сечения 2-2 (фиг.1) завихрителя потока 1 с максимальным значением окружной скорости Wмакс, не превышающим его критического значения Wкр, максимальная эффективность разделения воздуха (раздельное выделение горючей составляющей и углекислого газа) достигается в случае, когда полное затухание вращательного движения потока происходит в сечении, проходящем через кольцевой зазор 30 (проход) между частями 25, 26 участка 7 трубы 2 для выхода центрального потока или за указанным сечением 1-1 в направлении движения потока. Выполнение последнего целесообразно для случая, когда разделение воздуха с раздельным выделением горючей составляющей и углекислого газа заканчивается раннее полного затухания вращательного движения потока, в результате чего несколько сокращается длина вихревой трубы 6, а следовательно, габариты вихревой установки.
Перемещение тяжелых частиц 48 воздуха (молекул CO2) ближе к оси вращения потока в случае, когда максимальное значение окружной скорости Wмакс последнего в выходном сечении 2-2 завихрителя потока 1 (фиг.1) не превышает его критического значения Wкр (Wмакс ≤ Wкр), происходит по спиралеобразной траектории с уменьшением радиуса их вращения (фиг.5). При этом при переходе на меньший радиус вращения тяжелые частиц 48, обладающие большей окружной скоростью, увеличивают угловую скорость вращения менее тяжелых частиц воздуха на указанном радиусе, отдавая часть кинетической энергии другим частицам, менее тяжелым. Самые легкие частицы, молекулы водорода (гелия) 49, включая и молекулы метана СН4, вращаясь в потоке и одновременно перемещаясь в осевом направлении вихревой трубы 6, удаляются от оси вращения с увеличением радиуса их вращения по спиралеобразной траектории (фиг.5).
Движение средней тяжести частиц (метана) 50, т.е. значение плотности (молекулярной массы) которых находится в промежутке между значениями плотностей вышеуказанных частиц 48 и 49, происходит по более сложной траектории. Эти частицы 50, совершая вращательное движение в потоке воздуха и перемещаясь в осевом направлении вихревой трубы 6, одновременно совершают и свои собственные спиралеобразные круговые вращения с уменьшающимся радиусом собственного вращения в направлении движения потока и при этом смещаясь в направлении к оси вращения потока воздуха или к его периферии, что определяется значениями их плотностей (молекулярных масс), процентным содержанием в потоке воздуха и местом их расположения в радиальном направлении в последнем, при этом они в потоке находятся во взвешенном состоянии, т.е. вращаются внутри потока (фиг.1, 5).
Объясняется вышеизложенное следующим. За счет полученной дополнительной кинетической энергии от тяжелых частиц 48 средней тяжести частицы 50 воздуха переходят на увеличенный радиус их вращения в потоке, но движение их в указанном направлении ограничивается приобретенной энергией, которой оказывается недостаточно для дальнейшего перемещения их по спиралеобразной траектории к внутренней поверхности вихревой трубы 6, и вследствие быстрого затухания вращательного движения потока указанные частицы 50 начинают собственное круговое вращение в вихревом потоке в направлении к оси вращения потока, так как процесс приобретения дополнительной кинетической энергии и т.д., что описано выше, продолжается до тех пор, пока в процессе их собственного спиралеобразного вращения радиус спирали окажется равным нулю, что соответствует полному окончанию процесса разделения частиц воздуха (газа и др.) в определенном сечении потока по длине вихревой трубы 6, когда частицы располагаются кольцевыми слоями в порядке возрастания их плотности в каждом последующем слое в направлении к оси вращения вихревого потока (фиг.5).
На фиг.5 траектория средней тяжести частицы 50 показана условно, так как частица 50, перемещаясь в потоке по своей траектории (показана на фиг.1, 5), одновременно совершает движение вместе с вращающимся потоком. Траекторию указанной частицы можно представить как бы в выделенном и только вращающемся вместе с потоком газа элементе объема последнего, в котором сама частица 50 совершает свои собственные вращательные движения и при этом перемещается в осевом направлении вихревой трубы 6. Здесь необходимо отметить, что из-за довольно малого процентного содержания метана в воздухе движение его молекул фактически происходит аналогично движению молекул водорода Н2 и гелия Не.
В случае когда максимальное значение окружной скорости Wмакс закрученного потока воздуха в выходном сечении 2-2 завихрителя потока 1 больше его критического значения Wкр (Wмакс>Wкр), физическая картина процесса замещения менее тяжелых частиц 49 воздуха тяжелыми частицами 48 аналогична вышеописанному процессу, только процесс замещения происходит в противоположном направлении, а именно, в направлении к периферии потока, т.е. от оси его вращения (фиг.1, 6). При этом процесс заканчивается в сечении потока, когда частицы газа во вращающемся потоке располагаются кольцевыми слоями в порядке возрастания их плотности (молекулярной массы) в каждом последующем слое в направлении к периферии потока. Процесс взаимного замещения частиц воздуха (газа и др.) в вихревом потоке, имеющих разную плотность (молекулярную массу), сопровождается затратой работы замещения, что подтверждается исследованиями.
В случае, когда максимальное значение окружной скорости Wмакс в выходном сечении 2-2 завихрителя потока 1 не превышает его критического значения Wкр (Wмакс ≤ Wкр), на работу вихревой установки при этом затрачивается меньшее количество энергии в сравнении со вторым случаем (Wмакс > Wкр), расходуемой на подачу и закрутку потока разделяемого воздуха в вихревой установке. Однако использование второго случая, когда максимальное значение окружной скорости Wмакс в выходном сечении 2-2 завихрителя потока 1 превышает его критическое значение Wкр (Wмакс > Wкр), для выделения горючей составляющей из воздуха наиболее эффективно, так как процентное содержание горючей составляющей в воздухе очень малое, и в этом случае в процессе выделения горючей составляющей из воздуха в вихревой установке вышеуказанная среда концентрируется у оси вращения потока, а следовательно, толщина (диаметр) в сечении потока горючей составляющей оказывается наибольшей, чем в случае, если бы она концентрировалась на периферии потока разделенного воздуха.
В последнем случае вследствие малой толщины горючей составляющей на выходе вихревой трубы 6 ее значительно сложнее качественно отделять от остальных компонентов воздуха, имеющих намного большее процентное содержание в последнем. А так как процентное содержание углекислого газа CO2 в десятки раз большее в сравнении с процентным содержанием горючей составляющей в воздухе, поэтому качество получаемого углекислого газа CO2 в вихревой установке не будет зависеть от режима ее работы, а точнее направления замещения одних частиц другими, различающимися своей молекулярной массой, при разделении воздуха.
-4
-5
-6
-6
-3
Качество получаемого CO2 определяется правильностью регулировки вихревой установки. При этом необходимо отметить, что в выделяемом из воздуха углекислом газе CO2 будут присутствовать газы криптон (Kr), закись азота (N2O), ксенон (Хе) и озон (O3), содержание которых в воздухе ничтожно мало в сравнении с содержанием в нем CO2, а их молекулярные массы и содержание в процентах по объему соответственно равны 83,8; 44,0128; 131,3; 48 и 1,1·10; 5·10; 9·10; 7·10. Необходимо также отметить, что атмосферный воздух может содержать до 0,1314% CO2 и до 2·10% СН4 [3].
Благодаря возможности регулирования ширины а кольцевого зазора 15 (прохода) между смежными торцами 16, 17 соосно установленных частей 9, 10 вихревой трубы 6 для выхода пристенного периферийного потока разделенной среды достигается возможность обеспечения выхода горючей составляющей или углекислого газа, в зависимости от режима разделения сред, с минимальным процентным содержанием других газов (примесей) в выделенных горючей составляющей или углекислом газе. Оптимальные условия выхода пристенного периферийного потока достигаются выполнением торца 17, обращенного навстречу потоку, части 10 вихревой трубы 6, расположенной на стороне выхода потока из последней 6, по крайней мере, с острой входной кромкой 20.
Возможность осевого перемещения одной 10 из частей 9, 10 вихревой трубы 6 относительно другой ее части 9 для образования кольцевого зазора 15 (прохода) достигается путем герметичного соединения торцовых стенок 13, 14 кольцевой камеры 12, охватывающей разъем 11 вихревой трубы 6, наружная поверхность которой выполняет, по крайней мере, роль боковой стенки камеры 12, с вихревой трубой 6 с обеспечением осевого вышеуказанного перемещения одной из частей последней 6 (фиг.1). Вследствие того, что при выделении горючей составляющей или углекислого газа из воздуха величина осевого перемещения мала, поэтому выбор способов для соединения торцовых стенок 13, 14 камеры 12 с вихревой трубой 6 может быть различным.
Возможность регулирования ширины b кольцевого зазора 30 (прохода) между смежными торцами 31 и 32 обеих соосно установленных частей 25, 26 участка 7 трубы 2 для выхода центрального потока позволяет обеспечить выход горючей составляющей или углекислого газа, в зависимости от режима разделения воздуха в установке, с минимальным процентным содержанием других газов, т.е. примесей. Для уменьшения гидравлического сопротивления при обтекании потоком торца 27 участка 7 трубы 2, обращенного навстречу потоку, закрытый торец 27 выполняется обтекаемой формы и заостренным. При этом стержень 28, жестко соединенный с частью 25 участка 7, может проходить через всю длину части 26 участка 7 трубы 2, а также может входить в часть 26 участка 7 только на стороне последней, обращенной навстречу потоку, соединяться с внутренней трубой, вставленной в трубу 2 по типу "труба в трубе", обеспечивая подвижность стержня ±х в осевом направлении и образуя внутри себя проход для центрального потока, т.е. отвод 2.
Выполнение торца 32 части 26 участка 7 трубы 2 с острой входной кромкой 33 для центрального потока разделенной среды обеспечивает оптимальные условия для его отвода, при которых может достигаться минимальный процент подмешивания к горючей составляющей воздуха или к углекислому газу других газов.
В связи с малым процентным содержанием горючей составляющей в воздухе для выделения ее из последнего целесообразно использование вихревых труб большого диаметра, что в свою очередь увеличивает путь замещаемых частиц во вращающемся потоке и соответственно поэтому требуется большая длина участка вихревой трубы на котором происходит вышеуказанный процесс. Поэтому в связи с интенсивным процессом затухания вращательного движения потока необходима промежуточная его дозакрутка таким образом, чтобы во входном сечении 3-3 последующего завихрителя потока 51, который является смежным предыдущему завихрителю потока 1 (фиг.7), максимальное значение окружной скорости потока Wмакс не снижалось ниже критического значения Wкр. Выполнение последнего условия может достигаться осуществлением регулирования расстоянии 11 между выходным сечением 2-2, по крайней мере, каждого предыдущего завихрителя потока 1 и входным сечением 3-3 смежного с ним последующего завихрителя потока 51 путем смещения (±х) в осевом направлении вихревой трубы 6 последующих завихрителей потока 51 (фиг.7).
Достижение максимальной эффективности разделения сред может обеспечиваться также путем регулирования угла выхода потока φ разделяемых сред к оси 52 вихревой трубы 6, по крайней мере, из каждого завихрителя потока 1, 51, для чего лопатки последнего 1, 51 в указанном случае устанавливаются с возможностью осуществления их поворота (фиг.1, 2).
При подаче в вихревое устройство 4 установки воздуха за счет энергии скоростного напора ветра максимальная эффективность разделения сред достигается путем поворота, по меньшей мере, вихревого устройства 4 установки при изменении направления ветра на угол ±β вокруг оси 53, обеспечивая при этом, по крайней мере, совпадение направления воздушного потока, создаваемого ветром, с осью 52 вихревой трубы 6 (фиг.8), для чего, по меньшей мере, вихревое устройство 4 установки устанавливается с возможностью выполнения поворота на угол ±β вокруг вышеуказанной оси 53.
С изменением скоростного напора ветра режим разделения воздуха на составляющие его газы может также изменяться. В этом случае процесс замещения тяжелых частиц (молекул) менее тяжелыми, происходивший в радиальном направлении во вращающемся потоке воздуха, например, в направлении от оси вращения потока к его периферии, начинает происходить в обратном вышеуказанному направлении, т.е. от периферии потока к его оси. Последнее требует вне зависимости от режима работы вихревого устройства 4, необходимость обеспечения подачи каждой из разделенных сред в свой индивидуальный трубопровод отвода среды.
Для обеспечения последнего вихревое устройство может снабжаться двумя дополнительными участками 34, 35 трубопроводов, каждый из которых снабжается индивидуальным регулирующим запорным устройством 36, 37 (фиг.1, 2). При этом первый дополнительный участок 34 трубопровода соединяет кольцевую камеру 12, в которую выходит пристенный периферийный поток первой из разделенной сред, или соединяет выходной участок трубопровода 18 для отвода этой же разделенной среды из вышеуказанной камеры 12 перед регулирующим запорным устройством 19, установленным на нем 18, по ходу движения первой из разделенных сред и выходной участок 21 трубы центрального потока за регулирующим запорным устройством 23, установленным на нем 21, по ходу движения второй из разделенных сред.
В свою очередь второй дополнительный участок 35 трубопровода соединяет выходной участок 21 трубы центрального потока второй из разделенных сред перед регулирующим запорным устройством 23, установленным на нем 21, по ходу движения потока вышеуказанной разделенной среды и выходной участок 18 трубопровода для отвода первой из разделенных сред из вышеуказанной кольцевой камеры 12 за регулирующим запорным устройством 19, установленным на нем, по ходу движения первой из разделенных сред. При этом при изменении режима разделения воздуха в вихревом устройстве 4, когда первая из разделенных сред, выходившая из кольцевой камеры 12 через выходной участок трубопровода 18 и установленное на нем регулирующее запорное устройство 19, начинает выходить из выходного участка 21 трубы центрального потока, а вторая из разделенных сред, выходившая из последнего участка 21 трубы центрального потока при открытом регулирующем запорном устройстве 23, установленном на нем, начинает выходить из кольцевой камеры 12 через выходной участок трубопровода 18, а регулирующие запорные устройства 36, 37, установленные соответственно на дополнительных участках 34, 35 трубопровода, были закрыты, последние открывают и производят их регулировку (фиг.1, 2).
При этом регулирующие запорные устройства 19 и 23, установленные соответственно на выходном участке трубопровода 18 кольцевой камеры 12 и на выходном участке 21 трубы центрального потока, закрывают. При переходе на исходный режим разделения воздуха в вихревом устройстве 4 все вышеприведенные операции выполняют в обратной последовательности, после чего производят регулировку вновь открытых регулирующих запорных устройств 19 и 23 (фиг.1, 2).
Для обеспечения непрерывной и устойчивой работы вихревого устройства 4 и обеспечения накопления разделенной среды кольцевая камера 12 для выходящего из первого 4 пристенного периферийного потока разделенной среды, по меньшей мере, одного вихревого устройства соединяется трубопроводом 18 отвода среды с установленным на нем регулирующим запорным устройством 19 с герметичной емкостью 38, соединенной трубопроводом 39 с отсасывающим устройством 40. При этом на трубопроводе 39 между герметичной емкостью 38 и отсасывающим устройством 40 устанавливается регулирующее запорное устройство 41. В свою очередь трубопровод 42 отвода центрального потока разделенной среды из вихревой трубы 6, по меньшей мере, одного вихревого устройства 4 с установленным на нем регулирующим запорным устройством 23 соединяется с герметичной емкостью 43, а последняя при этом соединяется с трубопроводом 44 с отсасывающим устройством 45. При этом на трубопроводе 44 между герметичной емкостью 43 и отсасывающим устройством 45 устанавливается регулирующее запорное устройство 46 (фиг.1, 2), что позволяет поддерживать в герметичной емкости 43 необходимое давление, являющееся оптимальным для соответствующего режима работы установки.
Количество параллельно работающих вихревых устройств 4 в вихревой установке может быть различным, что определяется необходимой производительностью выделяемых из воздуха сред. Различные схемные решения по соединению отдельных элементов вихревой установки приведены в [1, 2].
Для улучшения использования кинетической энергии ветра на подачу и закрутку воздуха в вихревой трубе 6 часть 54 входного участка 5 последней 6 устройства 4, расположенного, по крайней мере, между входным сечением 5-5 вихревой трубы 6 и входным сечением 4-4 завихрителя потока 1, расположенного на входном участке 5 вихревой трубы 6, в направлении движения потока воздуха выполняется в форме конфузора 55 (фиг.9). При этом на внутренней поверхности 56 конфузорного участка 55 вихревой трубы 6 могут размещаться лопатки 57, обеспечивающие закрутку входящего в него потока воздуха и повышающие тем самым эффективность в использовании энергии ветра. Направление вышеуказанной закрутки потока воздуха совпадает с направлением закрутки потока в завихрителе потока 1, установленном на входном участке 5 вихревой трубы 6 (фиг.9).
В связи с малым процентным содержанием горючей составляющей и углекислого газа в воздухе для увеличения производительности вихревые устройства 4 собираются в пучки и размещаются по месту монтажа установки в коридорном, шахматном или ином порядке. Предложенная вихревая установка может широко использоваться не только для выделения горючей составляющей и углекислого газа из воздуха, но и для выделения других его компонентов. В связи с этим выходная часть вихревых устройств установки, т.е. примыкающая к выходному сечению вихревой трубы устройства, может выполняться в иных вариантах, обеспечивая раздельный выход разделенных компонентов воздуха (смеси газа и др.) не в два, а в несколько каналов. При необходимости может устанавливаться дроссельная заслонка.
Для обеспечения возможности использования вихревой установки в различных условиях и режимах ее работы последняя может снабжаться набором сменных вихревых труб, при этом, по меньшей мере, отдельные части из них (по количеству труб) отличаются между собой своими характеристиками. Параллельно работающие (установленные) вихревые трубы в указанном случае, как правило, выполняются с одинаковыми характеристиками.
При выделении в вихревой установке водорода из воздуха, а также гелия в связи с очень малым процентным содержанием последних в воздухе необходимо полученную в ряде параллельно работающих вихревых труб среду направлять в последовательно работающее вихревое устройство для дальнейшего разделения с выделением чистого водорода и гелия.
Конструктивное выполнение последовательно с первым устанавливаемых вихревых устройств в установке, которые в свою очередь могут быть между собой соединены параллельно, осуществляется аналогично первому вихревому устройству, т.е. все особенности его конструктивного выполнения применяются и для последующих вихревых устройств.
Для оптимизации режима работы вихревой установки и возможности проведения научных исследований в вихревых трубах по их длине могут выполняться специальные каналы (сверления) для отбора проб на анализ с целью определения состава компонентов разделяемого воздуха (смеси газов и др.) в том или ином сечении вихревого устройства, а также могут предусматриваться специальные места отбора проб на трубопроводах и других элементах установки.
Вихревая установка снабжается необходимой измерительной аппаратурой для осуществления контроля за ее работой и средствами измерения для исследования процессов, происходящих в ней при работе.
Установка может выполняться полностью автоматизированной с управлением ее работой с центрального пульта управления.
Для улучшения технических характеристик и других, а именно увеличения срока ее службы, уменьшения массы установки, удешевления стоимости ее изготовления и других, отдельные ее элементы, включая вихревые трубы, могут выполняться из материалов, заменяющих металлы, например из пластмасс.
Таким образом, в основе способа выделения горючей составляющей и углекислого газа из воздуха и устройства установки лежит открытый автором в 1994 году закон свободно вращающегося вихревого потока с неоднородным полем плотностей и с разной молекулярной массой компонентов. Способ выделения и вихревая установка для его реализации могут быть использованы как для раздельного выделения горючей составляющей и углекислого газа из воздуха, так и других его компонентов, в том числе с выделением первых может одновременно осуществляться разделение азота и кислорода. Также способ и установка могут широко использоваться как в целом в предложенной установке, так и в выделенной ее части, обеспечивающей процесс разделения различных сред в вихревых потоках в различных отраслях производства, в частности химической промышленности, тепловой и атомной энергетике, транспорте, нефтегазодобывающей и перерабатывающей промышленности, и во многих других производствах.
Источники информации
1. RU, патент, 2107196, кл. 6 F04F 5/00, F25B 9/04, 1998.
2. RU, патент, 2107197, кл. 6 F04F 5/00, F25B 9/04, 1998.
3. Е.С.Фролов и др. Вакуумная техника. М.: Машиностроение, 1985, с.12.