ВИХРЕВАЯ ТРУБА
VORTEX TUBE

Изобретение относится к холодильной технике и предназначено для использования эффекта энергоразделения газа в вихревых трубах в процессах рационального дросселирования природного газа при его транспортировке по газопроводам.
Известна вихревая труба (см. патент РФ №2043584, МПК F25B 9/02, опубл. 10.09.1995), содержащая коническую камеру энергетического разделения с односопловым улиточным вводом сжатого газа, на стенках которого выполнены каналы, тангенциально направленные к внутренней профилированной поверхности камеры энергетического разделения, диафрагму с диффузорами для отвода холодного и горячего потоков, установленную на торце аэродинамическую сетку, дроссельный клапан на выходе холодного потока с внешним патрубком.
Недостатком вихревой трубы является невозможность обеспечения поступления сжатого газа нормированных параметров, т.е. идеального газа, когда отсутствует в нем влага, а также твердые частицы загрязнений (ржавчина и окалина), которые изменяют скорость закрутки газа и не позволяют получать заданные параметры холодного и горячего потоков как по температуре, так и по давлению.
Следовательно, известная вихревая труба не может эффективно работать на природном газе, который транспортируется с перечисленными загрязнениями.
Технической задачей предлагаемого изобретения является обеспечение заданных параметров энергетического разделения сжатого природного газа вне зависимости от наличия и степени концентрации в нем каплеобразных и твердых частиц загрязнений.
Технический результат достигается тем, что вихревая труба содержит коническую камеру энергетического разделения с односопловым улиточным вводом сжатого газа, на стенках которого выполнены каналы, тангенциально направленные к внутренней профилированной поверхности камеры энергетического разделения, диафрагму с диффузорами для отвода холодного и горячего потоков, установленную на торце конической камеры энергетического разделения аэродинамическую сетку, дроссельный клапан на выходе холодного потока с внешним патрубком, при этом односопловый улиточный ввод содержит направляющую саморегулирующуюся лопасть, которая входным концом жестко, а выходным через гибкую связь соединена с внутренней поверхностью односоплового улиточного ввода, причем гибкая связь выполнена в виде пружины с переменной жесткостью и установлена с возможностью перемещения лопасти относительно внутренней поверхности односоплового улиточного ввода сжатого газа.
На фиг.1 изображена принципиальная схема вихревой трубы, на фиг 2 - односопловый улиточный ввод с направляющей саморегулирующейся лопастью.
Вихревая труба содержит коническую камеру 1 энергетического разделения с односопловым улиточным вводом 2 сжатого природного газа. На внутренних стенах односоплового улиточного ввода 2 выполнены канавки 3, тангенционально направленные к внутренней профилированной поверхности 4 конической камеры 1 энергетического разделения. Диафрагма 5 соединена с диффузором 6 горячего потока и диффузором 7 холодного потока, который через дроссельный клапан 8 связан с выходным патрубком 9 холодного потока. Диффузор 6 связан с выходным патрубком 17 горячего потока.
На торце конической камеры 1 энергетического разделения установлена аэродинамическая сетка 10. На внутренней поверхности 11 односоплового улиточного ввода 2 укреплена лопасть 12. Причем лопасть 12 входным концом 13 укреплена, например, посредством кронштейна 14, укреплена жестко к поверхности внутренней 11, а выходным концом 15 соединена с внутренней поверхностью 11 посредством гибкой связи в виде пружины 16 с переменной жесткостью.
Следовательно, лопасть 12 установлена с возможностью перемещения выходным концом 15 относительно внутренней поверхности 11 односоплового улиточного ввода 2 сжатого природного газа.
Вихревая труба работает следующим образом.
Сжатый природный газ с нормированными параметрами, т.е. без наличия в нем каплеобразных и твердых частиц в виде ржавчины и окалины (идеализированный газ) поступает в односопловый улиточный ввод 2 где, тангенциально перемещаясь, воздействует на лопасть 12, расположение которой отрегулировано на сжатый газ без загрязнений и занимающую положение I (фиг.2) относительно внутренней поверхности 11 и, получив закрутку, далее перемещается по канавкам, направленным тангенциально к внутренней профилированной поверхности 4, и поступает в коническую камеру 1, где энергетически разделяется с образованием двух потоков.
Один поток после аэродинамической сетки 10, перемещающийся по периферии конической камеры 1 и имеющий более высокую температуру и давление, выходит через периферийные отверстия диафрагмы 5 и диффузор 6 горячего потока и далее через выходной патрубок 17 подается к потребителю.
Другой поток после аэродинамической сетки 10, имеющий более низкую температуру и несколько меньшее давление, движется в приосевой области конической камеры 1 и через осевое отверстие диафрагмы 5 и диффузор 7 холодного потока поступает в дроссельный клапан 8, который дозирует его перед подачей к потребителю через выходной патрубок 9. При этом поддерживаются заданные параметры энергетически разделенных потоков, как горячего, так и холодного, по температуре и давлению.
В реальных условиях эксплуатации сжатый природный газ насыщен как каплеобразной, так и твердыми частицами ржавчины и/или окалины (см., например, Ионин А.А. Газоснабжение. М.: Стройиздат, 1989, 410 с.), поэтому по мере перемещения этой смеси из односоплового улиточного ввода 2 по канавкам 3, тангенциально направленным к внутренней профилированной поверхности 4, перед поступлением в коническую камеру 1 энергетического разделения наблюдается возрастание центробежных сил потока за счет дополнительного ускорения частиц загрязнений (см., например, Седов Л.И. Механика сплошных сред. М.: Наука, 1987, 443 с.).
Это приводит к переходу в пульсирующий режим поступления потока в коническую камеру 1, что изменяет характер движения сжатого природного газа и вызывает перестройку полей скоростей, давлений и температур.
Для устранения данного явления внутри односоплового улиточного ввода 2 выполнена лопасть 12, жестко соединенная своим входным концом 13, например, посредством кронштейна 14. Тогда поток сжатого природного газа с загрязнениями в виде каплеобразных и твердых частиц ударяется о поверхность лопасти 12 и под действием центробежных сил воздействует на гибкую связь в виде пружины 16, поворачивая лопасть 12 на определенный угол вокруг кронштейна 14 (положение II на фиг.2). Причем угол поворота зависит от концентрации загрязнений, находящихся в потоке сжатого природного газа, т.е. суммарных центробежных сил, и автоматически регулируется переменной жесткостью пружины 16.
При этом в камере 1 энергетического разделения создается практически постоянное (не зависимое от концентрации частиц загрязнений) статическое давление как по радиусу, так и по всей ее длине, следовательно, наблюдается образование интенсивной турбулентности, способствующей повышению эффективности процесса энергоразделения (см., например, стр.13, Халатов А.А. Теория и практика закрученных потоков. Киев: Наук. думка, 1989, 192 с.).
Таким образом, эксплуатационный изменяющийся во времени режим работы предложенной вихревой трубы в условиях изменяющейся концентрации каплеобразных и твердых частиц загрязнений, сопутствующих транспортируемому газу, позволяет автоматически, т.е. за счет угла перемещения лопасти 12 в односопловом улиточном вводе 2, поддерживать необходимые давление и температуру как холодного, так и горячего энергетически разделенных потоков.
Оригинальность предлагаемого технического решения по расширению области применения вихревой трубы, работающей на сжатом природном газе с наличием загрязнений в виде каплеобразных и твердых частиц, заключается в том, что достигается обеспечение постоянных заданных параметров давления и температуры энергетически разделенных потоков путем размещения на внутренней поверхности односоплового улиточного ввода лопасти, входной конец которой выполнен жестко закрепленным, а выходной конец выполнен с гибкой связью в виде пружины с переменной жесткостью.