УСТРОЙСТВО ДЛЯ СМЕШИВАНИЯ И НАГРЕВА ГАЗОВЫХ СРЕД
DEVICE FOR MIXING AND HEATING GAS MEDIA

Изобретение относится к устройствам для подготовки и нагрева газовых смесей и может быть использовано в различных отраслях промышленности, в том числе для проведения научных исследований и испытаний подготовленных смесей различных газов, а также для их нагрева. Устройство предназначено для смешивания и нагрева газов перед их использованием.
Из авторского свидетельства СССР №1669515 известно устройство приготовления однородной газовой смеси в замкнутом объеме, которое содержит корпус (емкость) и нагреватель, охладитель, датчик давления, пороговые устройства нижнего и верхнего уровней давления, триггер, регистратор, источник питания и кнопку управления. Работа устройства основана на смене нагрева и охлаждения газов, за счет которых происходит перемешивание газов. Цикл охлаждения и нагревания повторяют до тех пор, пока не будет получена смесь требуемой однородности. Данное устройство позволяет производить быстрое и многократное смешивание газов до получения смеси требуемой степени однородности без механического перемещения деталей устройства.
Из авторского свидетельства СССР №1690831 известно устройство для смешивания газов, которое содержит подводящую полую цилиндрическую трубу, внутри которой коаксиально установлен патрубок для подвода второго газа, а в зоне соединения двух газов труба и патрубок выполнены в виде соответственно прямого и обратного полых конусов с постоянной площадью поперечного сечения. Устройство также содержит смесительную камеру в виде полого цилиндра, переходящего в полый конус с постоянной площадью поперечного сечения, а затем в цилиндр. В полом цилиндре вплотную к выходной кромке патрубка установлены, по крайней мере, шесть завихрителей с размещенной внутри каждого их них, по крайне мере, одной винтообразной перегородкой. В смесительной камере могут быть установлены дополнительные завихрители. Данное устройство применяется для смешивания газообразных тел в паротурбинных установках и позволяет при смешивании двух потоков перегретого пара с разной температурой, получить на выходе устройства изотропное рабочее тело, снизить гидравлические потери и сократить длину устройства.
Из патента на изобретение РФ №2585029 известно смешивающее устройство, которое содержит камеру смешения с входными трубами и выходным патрубком. Потоки текучей среды поступают в смеситель через центральный канал и кольцевые каналы. По меньшей мере, один из потоков закручен с определенной интенсивностью посредством любого закручивающего устройства. Данное устройство эффективно смешивает подаваемые потоки текучей среды (газов или жидкостей, в том числе в виде аэрозолей, эмульсий и суспензий) за счет достижения согласованности между геометрическими размерами устройства и интенсивностью закручивания потока.
Все вышеприведенные аналоги не позволяют нагревать газовую смесь до температур выше 300°С, производить перемешивание газов с давлениями 1…1,1 от атмосферного, а также имеют проточную конструкцию, что не позволяет получить смесь определенного объема.
Наиболее близким аналогом заявляемого изобретения, выбранным в качестве прототипа, является устройство для непрерывного смешивания, известное из патента на изобретение РФ №2466776, содержащее внутренний и внешний корпус, между которыми расположен изолирующий материал, входные, выходной патрубки и запорный клапан, а также устройство для контроля температуры - датчики температуры. Во внутреннем корпусе устройства, являющемся смесительной камерой, размещен наполнитель - сыпучая масса из керамического зернистого материала. В центре смесительной камеры расположена распределительная труба, соединенная с соединительным элементом для подвода кислорода. Образованная внутри смесительной камеры зона смешивания имеет на стороне входа повышающее скорость потока в зоне смешивания концентричное сужение поперечного сечения. Перед нижним соединительным элементом для подачи природного газа включен обратный клапан, а также запирающий клапан. Перед соединительным элементом для подачи кислорода также расположен обратный клапан, перед которым расположен запирающий клапан. Данное устройство позволяет непрерывно перемешивать газы при достаточно больших давлениях 70-170 бар и уменьшает опасность самовоспламенения образующейся смеси. При этом устройство не позволяет обеспечивать перемешивание и нагрев газов до температур свыше 200°С. Кроме того, давления газов в устройстве достаточно высоки (70-170 бар) и перемешивание газов при давлениях 1-1,1 бар невозможно.
Задачей заявляемого изобретения является получение определенного объема равномерной смеси различных газов, нагретых до необходимых температур, при незначительных давлениях.
Технический результат, достигаемый заявляемым изобретением, заключается в повышении эффективности смешивания за счет обеспечении турбулентности потоков перемешиваемых газов с одновременным нагревом получаемой смеси до температуры 250-350°С при давлениях, равных или незначительно превышающих атмосферное 1-1,1 бар.
Указанный технический результат достигается за счет того, что устройство для смешивания и нагрева газовых сред, включающее внутренний и внешний корпуса, между которыми расположен изолирующий материал, входной и выходной патрубки, устройство для контроля температуры, сыпучий наполнитель, размещенный во внутреннем корпусе, и мелкоячеистые вставки, препятствующие попаданию наполнителя в отверстия входного и выходного патрубков, согласно заявленному решению снабжено запорным клапаном, установленным в выходном патрубке, по меньшей мере, одним нагревательным элементом, установленным в полости внутреннего корпуса, и блоком управления нагрева газовых сред, при этом вход блока управления электрически связан с устройством для контроля температуры, снабженным чувствительным элементом, расположенным в полости внутреннего корпуса в области выходного патрубка, выход блока управления электрически связан с нагревательным элементом, а изолирующий материал расположен вдоль всей внешней поверхности внутреннего корпуса.
Преимущественно нагревательный элемент закреплен на поверхности внутреннего корпуса.
Устройство для контроля температуры может быть расположено на поверхности внутреннего корпуса.
Наполнитель может быть выполнен в виде шариков, сформированных из коррозионно-жаростойкой металлической проволоки.
Кроме того запорный клапан может быть снабжен грузами, подбираемыми в зависимости от давления открывания запорного клапана.
Изолирующий материал может быть выполнен из стекловаты и/или муллитокремнеземной ваты.
Заявляемое изобретение проиллюстрировано следующими графическими материалами.
На фигуре 1 показано устройство для смешивания и нагрева газовых сред в разрезе.
На фигуре 2 показан разрез запорного клапана.
Предлагаемое техническое решение - устройство для смешивания и нагрева газовых сред - поясняется примером конкретного исполнения, описанным ниже. Приведенный пример не является единственно возможным, но наглядно демонстрирует возможность достижения данной совокупностью существенных признаков изобретения заявленного технического результата.
Устройство для смешивания и нагрева газовых сред, включает внутренний 1 и внешний 2 корпуса, между которыми расположен изолирующий материал 3, выполненный из стекловаты, входной 4 и выходной 5 патрубки, устройство 6 для контроля температуры, размещенный во внутреннем корпусе 1 сыпучий наполнитель в виде шариков (на фигурах не показан), сформированных из коррозионно-жаростойкой металлической проволоки. Также во внутреннем корпусе 1 размещены мелкоячеистые вставки 7, препятствующие попаданию наполнителя в отверстия входного 4 и выходного 5 патрубков. Устройство для смешивания и нагрева газовых сред снабжено запорным клапаном 8, установленным в выходном патрубке 5. В полости внутреннего корпуса 1 установлены и закреплены два нагревательных элемента 9. Устройство для смешивания и нагрева газовых сред снабжено блоком управления нагрева газовых сред (на фигурах не показан), при этом вход блока управления электрически связан с устройством 6 для контроля температуры, снабженным чувствительным элементом, расположенным в полости внутреннего корпуса в области выходного патрубка 5, а выход блока управления электрически связан с нагревательным элементом 9. Для снижения потерь при нагреве и поддержании требуемой температуры смешиваемых газовых сред изолирующий материал 3 расположен вдоль всей внешней поверхности внутреннего корпуса 1.
В качестве мелкоячеистых вставок 7 могут быть использованы мелкоячеистые сетки и/или перфорированные пластины, выполненные из коррозионно-стойкого и жаростойкого металла, которые выбираются в зависимости от габаритов устройства для смешивания и нагрева газовых сред, а также от размеров сыпучего наполнителя.
Запорный клапан 8 снабжен грузами 10, подбираемыми в зависимости от давления открывания запорного клапана. При этом вместо грузов 10 может быть использован упругий элемент, выбираемый на этапе проектирования в зависимости от необходимого давления при открывании клапана.
Вместо стекловаты, использующейся в качестве изолирующего материала 3, может быть использована муллитокремнеземная вата.
Количество нагревательных элементов 9 выбирается в зависимости от требуемой температуры нагрева и мощности нагревательного элемента 9.
В качестве блока управления нагрева газовых сред может быть использован контроллер, который может содержать средство вывода полученной информации (дисплей).
В выходной патрубок 5 через герметизирующую прокладку 11, устанавливается запорный клапан 8. Запорный клапан 8 включает корпус 12 цилиндрической формы, запирающий цилиндр 13, на наружной цилиндрической поверхности которого выполнены пазы 14 прямоугольного сечения площадью, равной площади пропускного сечения запорного клапана 8 (фиг. 2). Для исключения выпадения запирающего цилиндра 13 из запорного клапана 8 при нештатном резком возрастании давления внутри устройства для смешивания и нагрева газовых сред в конструкции клапана предусмотрен ограничитель 15.
С одной стороны внутреннего корпуса 1 выполнен фланец 16 для крепления крышки 17 через герметизирующую прокладку 18. На поверхности крышки 17 расположено устройство 6 для контроля температуры. При этом чувствительный элемент устройства 6 для контроля температуры расположен в полости внутреннего корпуса.
Внутренний корпус 1 и крышка 17 выполнены из коррозионно-стойкого и жаростойкого металла.
Внешний корпус 2 выполняется из нержавеющей стали, но также может быть выполнен и из алюминия.
Устройство для смешивания и нагрева газовых сред работает следующим образом.
Например, при проведении испытаний оборудования в соответствии с правилами техники безопасности устройство для смешивания и нагрева газовых сред устанавливают в прочную камеру (на фигурах не показано). Контроль температуры осуществляется с помощью устройства 6 для контроля температуры, расположенного внутри корпуса 3 в области выходного патрубка. В устройство подается, например, водяной пар и водород.
Струи газов подаются во входной патрубок 4 и, проходя через мелкоячеистую сетку 7, расположенную у входного патрубка 4, и сыпучий наполнитель в виде шариков, смотанных из тонкой коррозионно-жаростойкой металлической проволоки, находящийся во внутренней полости корпуса 1, приобретают турбулентность. За счет этого пар и водород перемешиваются. Затем полученная смесь выдерживается внутри корпуса 1 и нагревается до требуемой температуры. В процессе нагрева пароводородной смеси давление внутри корпуса 1 возрастает. При возрастании давления до величины, превышающей давление, оказываемое силой тяжести грузов 10 и запирающего цилиндра 13, запорный клапан 8 открывается, и приготовленная смесь при заданной температуре поступает в рабочий объем прочной камеры. Температура смеси пара и водорода на выходе из устройства контролируется устройством 6 для контроля температуры и при достижении заданной температуры, например, 300°С, нагревательные элементы 9 выключаются. Масса запирающего цилиндра 13 и дополнительных грузов 10 предварительно рассчитывается для срабатывания запорного клапана 8 при определенном давлении. При уравнивании давления внутри корпуса 1 и давления в прочной камере запорный клапан 8 под воздействием силы тяжести запирается, и цикл повторяется заново.
Таким образом, представленный пример подтверждает выполнение заявляемым изобретением следующей совокупности условий:
- средство, воплощающее заявленное устройство при его осуществлении, предназначено для использования в газоперерабатывающей и других областях промышленности для приготовления однородных газовых смесей, в областях научных исследований и испытаний;
- для заявляемого устройства в том виде, в котором оно охарактеризовано в формуле изобретения, подтверждена возможность его осуществления.