ВИХРЕВОЙ АППАРАТ
VORTEX APPARATUS

Изобретение относится к вихревым аппаратам и может применяться для получения холода, тепла и очистки газов и газовых смесей от конденсирующихся примесей в различных отраслях промышленности в условиях изменения расхода (давления) газов.
Известен вихревой аппарат для аналогичных целей (Заявка №2007101957/15, дата подачи заявки 19.01.2007, решение ФИПС о выдаче патента на изобретение от 25.12.2008), содержащий корпус с верхней и нижней крышками с вводными и выводными патрубками, с верхней, средней и нижней перегородками, образующими с корпусом камеры, вихревую трубу с трубой холодного потока с цилиндрическим винтовым закручивающим устройством (ВЗУ) на одном конце и штоком на другом конце, выведенную через верхнюю перегородку под верхнюю крышку, а шток вне верхней крышки, и снабженную устройством регулирования расхода газа, обеспечивающим возвратно-поступательное движение ВЗУ в цилиндрической гильзе, закрепленной на входе трубы горячего потока, в свою очередь, закрепленную в средней и нижней перегородках.
Недостатками данной вихревой трубы являются следующие:
- оказалось затрудненной точное регулирование расхода газа из-за трудности учета усилий, затрачиваемых на возвратно-поступательные перемещения вихревой трубы и штока через сальниковые устройства;
- необходимость обеспечения герметичности в сальниковых устройствах соответствующим их зажимом, чтобы исключить утечки, повышающих необходимые усилия на перемещение трубы и штока;
- не решены вопросы эффективной сепарации жидкой дисперсной фазы - конденсата без уноса вне аппарата.
Наиболее близким по большинству признаков является вихревой аппарат (Патент РФ №2341335 С2, Бюл. №35, 20.12.2008), содержащий корпус с верхней крышкой и нижней крышкой-конденсатосборником, с вводными и выводными патрубками с верхней и нижней перегородками, образующими с корпусом камеры последовательно для холодного потока, приемную и общую, сообщающуюся с камерой холодного потока трубками, вихревую трубу с трубой холодного потока с цилиндрическим ВЗУ на конце, другим концом выведенную через верхнюю перегородку в камеру холодного потока и снабженную устройством регулирования расхода исходного сжатого газа с помощью регулировочной шайбы на торце ВЗУ, шток которого выведен вне верхней крышки, с трубой горячего потока, закрепленную в нижней перегородке, в которую свободно входит ВЗУ, на расстоянии от которого труба горячего потока имеет поперечные прорези и охватывающую их кольцевую камеру с отводными каналами, подведенными в зазор между корпусом и тонкостенным цилиндром, свободный конец трубы горячего потока, выполненный в виде сопла, охвачен конфузорно-диффузорным элементом, образующими совместно инжектор, за соплом установлен подвижный клапан со стержнем, снабженный механизмом его осевого перемещения вне нижней крышки-конденсатосборника.
Недостатками данного вихревого аппарата (ВА) являются:
- трудность учета потерь усилий на преодоление трения в устройстве регулирования расхода исходного сжатого газа при перемещениях трубы холодного потока и стержня в механизме осевого перемещения стержня клапана в сальниковом устройстве, а также при перемещениях регулировочной шайбы на торце ВЗУ;
- вывод конденсата из кольцевой камеры вовнутрь корпуса аппарата несколько снижает эффективность отделения конденсата от газа в случаях образования большего объема конденсата;
- технические решения устройства регулирования расхода исходного газа и механизма регулирования режима работы ВА и инжектора при внешнем воздействии оказались сложными при монтаже;
- осталась возможность утечек газа через сальниковые устройства вне вихревого аппарата.
Задачей изобретения является:
- исключение выше перечисленных недостатков в аналоге и наиболее близком варианте конструкции вихревого аппарата, а именно повышение надежности при регулировании изменений расхода (давления) и режима его работы, а также упрощение сборки узлов и конструкции в целом.
Поставленная задача решается тем, что вихревой аппарат, содержащий корпус с верхней крышкой и нижней крышкой-конденсатосборником, с вводными и выводными патрубками, с верхней и нижней перегородками, образующими с корпусом последовательно камеры для холодного потока, приемную и общую сообщающуюся с камерой холодного потока трубками вихревую трубу с трубой холодного потока с цилиндрическим винтовым закручивающим устройством на конце, другим концом выведенной через верхнюю перегородку в камеру холодного потока и снабженной устройством регулирования расхода исходного сжатого газа, и с трубой горячего потока, закрепленной в нижней перегородке с цилиндрической гильзой внутри на входе, в которую свободно входит винтовое закручивающее устройство, при этом диаметр гильзы, начиная со среза винтового закручивающего устройства, постепенно и равномерно увеличивается до диаметра трубы горячего потока, причем на расстоянии от закручивающего устройства труба горячего потока имеет поперечные прорези и охватывающую их кольцевую камеру с отводными каналами, свободный конец трубы горячего потока, выполненный в виде сопла, охвачен конфузорно-диффузорным элементом, образующими совместно инжектор, а за соплом установлен подвижный клапан со стержнем, снабженный механизмом его осевого перемещения, отличающийся тем, что труба холодного потока неподвижно зафиксирована в верхней перегородке, при этом устройство регулирования расхода исходного сжатого газа выполнено в виде сильфона с функцией калиброванной пружины, обеспечивающего при его растяжении или сжатии возвратно-поступательное движение винтового закручивающего устройства в цилиндрической гильзе, причем длина их хода обеспечивается штоком, закрепленным на выходе трубы холодного потока в крестовине и свободно проходящем по ее оси через трубки в крестовинах по концам сильфона и имеющим на свободном конце упор на расстоянии от нижней крестовины, при этом механизм осевого перемещения клапана со стержнем выполнен в виде насаженного и закрепленного на стержне верхней заглушкой сильфона с функцией калиброванной пружины, установленного на опору, зафиксированную на фланце корпуса, причем отводные каналы кольцевой камеры выведены вне корпуса аппарата.
На фиг.1 представлен вихревой аппарат в продольном разрезе.
На фиг.2 показан в продольном разрезе узел, определяющий длину хода сильфона и возвратно-поступательного движения ВЗУ.
Вихревой аппарат содержит корпус 1, верхнюю крышку 2 и нижнюю крышку-конденсатосборник 3 с фланцами, патрубки тангенциального ввода 4 и вывода 5 газов, и вывода 6 конденсата, перегородки верхнюю съемную 7 и нижнюю 8, образующие с корпусом камеры последовательно для холодного потока 9, приемную 10 с фланцами и общую 11 с фланцами, сообщающуюся с камерой холодного потока 9 трубками 12, вихревую трубу (ВТ) с трубами горячего потока 16, закрепленную в нижней перегородке 8, и холодного потока 13. Труба холодного потока 13 с цилиндрическим ВЗУ 14 на конце другим концом выведена через верхнюю перегородку 7 в камеру холодного потока 9 и зафиксирована в узле 29, неподвижно закрепленном в верхней перегородке 7. ВЗУ 14 свободно входит в цилиндрическую гильзу 17, установленную неподвижно на конце внутри трубы горячего потока 16. Между перегородкой 7 и ВЗУ 14 труба холодного потока 13 снабжена устройством регулирования расхода исходного сжатого газа в виде сильфона 15 с функцией калиброванной пружины, обеспечивающего возвратно-поступательные движения ВЗУ 14 в цилиндрической гильзе 17 в зависимости от воздействия на ВЗУ 14 давления исходного сжатого газа, величину которого определяет его расход. Длина хода сильфона 15 и ВЗУ 14 в цилиндрической гильзе 17 определяется штоком 30 (см. фиг 2), зафиксированным на выходе трубы холодного потока 13 в крестовине 34 и свободно проходящим по его оси через трубки в крестовинах 32 и 33 по концам сильфона 15, и имеющим на свободном конце упор 31 на расстоянии от нижней крестовины 32.
Труба горячего потока 16 на расстоянии от ВЗУ 14 имеет поперечные прорези 18, охваченные снаружи кольцевой камерой 19. Отводной канал конденсата 20 выведен вне корпуса 1 через специальный узел. Свободный конец трубы горячего потока 16, выполненного в виде сопла 21, охвачен зафиксированным на трубе конфузорно-диффузорным элементом 22, образующими совместно инжектор. За соплом 21 установлен подвижный клапан 23 со стержнем 24, снабженный механизмом его осевого перемещения в виде насаженного и закрепленного на стержне 24 верхней заглушкой сильфона 25 с функцией калиброванной пружины. В свою очередь, сильфон 25 установлен на опору 26, зафиксированную на фланце корпуса 1, при этом конец стержня свободно проходит через отверстие в опоре 26, центрируя механизм по осевой линии ВТ.
Вихревой аппарат работает следующим образом: сжатый исходный газ, содержащий конденсирующиеся примеси, например, высококипящие углеводороды и влагу, по тангенциальному вводному патрубку 4 поступает в приемную камеру 10, омывая трубки 12 и трубу холодного потока 13, которые охлаждают газ за счет проходящего по ним холодного потока. Далее газ поступает в винтовые каналы ВЗУ 14, захватывая внесенный и образовавшийся конденсат и разгоняясь до около- и звуковых скоростей; уже в винтовых каналах начинается процесс температурного разделения газа на горячий и холодный потоки и активная конденсация влаги и высококипящих паров, продолжающийся и после истечения струй из каналов ВЗУ 14. Доля охлажденного потока, пройдя диафрагменное отверстие ВЗУ 14, по трубе холодного потока 13 поступает в камеру холодного потока 9, откуда по трубкам 12 попадает в общую камеру 11, отдавая последовательно «холод» исходному сжатому газу и нагретому потоку через стенку трубы горячего потока 16. Горячий поток, имея более высокий уровень давления чем холодный, проходит раскрутку в крестовине 27 и истекает через сопло 21, инжектируя холодный поток. Под воздействием центробежных сил конденсат, в основном, распределяется на внутренней поверхности трубы горячего потока 16. Жидкая пленка, достигнув поперечных прорезей 18, удаляется через них в кольцевую камеру 19, откуда через отводной канал 20 удаляется вне аппарата. Конденсат, не выделенный через прорези 18 и вновь образовавшийся в горячем потоке, и содержащийся в холодном потоке, с помощью конденсатоотводника 28 по винтовому каналу стекает в крышку-конденсатосборник 3 и удаляется вне ВА через патрубок 6.
ВА рассчитывается на определенный диапазон расходов исходного газа, т.е. на минимум и максимум, определяющего минимальное и максимальное проходные сечения каналов ВЗУ и сопла в инжекторе, при которых в режиме «запирания» реализуется эффект Ранка-Хилыпа.
Минимальное сечение выходных каналов ВЗУ имеет место при нахождении его полностью в цилиндрической части цилиндрической гильзы. Сильфон 14 находится в первоначальном «сжатом» состоянии (см. фиг.1 и 2).
При увеличении расхода (давления) исходного сжатого газа от минимального растет его динамическое давление на ВЗУ (как на поршень), при котором сильфон 15 будет растягиваться, поскольку труба холодного потока 13 зафиксирована в узле 29. Движение ВЗУ 14 в конфузорную часть цилиндрической гильзы 17 приводит к увеличению выходных сечений каналов, обеспечивающих большую пропускную способность по газу.
Также под воздействием истекающих струй из сопла 21 на клапан 23 будет сжиматься сильфон 25, сохраняя необходимое сечение для выхода газа, обеспечивающее оптимальную работу инжектора. Исходное (расчетное) положение ВЗУ 14 в цилиндрической части гильзы 17 определяет минимальный расход газа при оптимальном режиме в части его температурного разделения.
Растяжение сильфона 15 происходит на расчетную длину его хода, определяемую упором 31 на свободном конце штока 30 (см. фиг.2).
Длину хода можно подкорректировать путем ввинчивания или вывинчивания штока 30 в крестовине 34 специальным ключом вводимым через винтовое пробковое отверстие в верхней крышке 2 (не показано).
Таким образом, исходя из поставленной задачи в предложенном устройстве изобретения «Вихревой аппарат»:
- удалось исключить трудно учитываемые затраты энергии на преодоление трения в сальниковых устройствах;
- устройства регулирования расхода газа через ВЗУ и механизма осевого перемещения клапана со штоком, меняющего (и при этом сохраняющего оптимальную скорость) сечение сопла при изменении расхода горячего потока, упрощены конструктивно и просты в использовании;
- удалось решить вопрос удаления конденсата из кольцевой камеры вне зависимости от количества конденсата путем вывода его вне корпуса ВА;
- поскольку имеет место самостоятельные сборочные узлы: трубы горячего потока, трубы холодного потока и узел механизма регулирования осевого перемещения клапана с конденсатоотводом обеспечена доступность и надежность их сборки и сборки ВА в целом;
- исключены возможные утечки газа и конденсата вне вихревой трубы удалением внешних сальниковых устройств.