УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕНЕНИЯ НАПРАВЛЕНИЯ ПРОТЕКАЮЩЕЙ В ТРУБОПРОВОДЕ СРЕДЫ
FACILITY FOR CHANGE OF DIRECTION OF MEDIUM FLOW IN PIPELINE

Изобретение относится к устройству для изменения направления протекающей в трубопроводе среды.
Во многих областях технического использования ставится задача направлять сформированный, осесимметричный, нескрученный профиль потока по изогнутому трубопроводу. В качестве примера можно назвать калибровочное устройство для расходомеров. При этом колено трубы, изогнутое под 90° - обычный и необходимый геометрический элемент для изменения направления потока среды в пространстве. Важным для высокоточной и воспроизводимой калибровки расходомера - другие варианты осуществления относятся, в частности, к магнитно-индуктивным измерительным приборам, или же к другим принципам измерения расхода, основанным на учете профиля скорости (к примеру, ультразвук, термический принцип измерения), или же особо чувствительны к изменениям профиля скорости (к примеру, вихрь) - является то, что протекающая в трубопроводе среда имеет в высшей степени стационарный, осесимметричный, нескрученный профиль потока. Таким образом, для возможности осуществления высокоточной калибровки необходимо обеспечить, чтобы среда на определенном входном участке перед калибруемым расходомером имела этот стабильный, осесимметричный, нескрученный профиль потока. Определенным входным участком является, к примеру, целое кратное диаметра трубопровода. При больших номинальных внутренних диаметрах свыше 1 метра - такой диаметр не является редкостью у магнитно-индуктивных расходомеров и у ультразвуковых расходомеров - входной участок равен, следовательно, нескольким метрам. Для установки калибровочного устройства для расходомеров с большим номинальным внутренним диаметром в распоряжении должно иметься, таким образом, достаточно большое пространство.
С точки зрения минимизации падения давления при изменении направления среды в трубопроводе известно много форм изгибов под 90°. В качестве примера можно назвать колена труб, изгибы с направляющими пластинами, изгибы в исполнении трубного сегмента или другие оптимальные форма изгибов. В последнем из названных вариантов осуществления используется методика обратного дизайна с помощью компьютерных расчетов.
В калибровочных установках для калибровки расходомера ранее указанные изгибы применяются лишь относительно - и в равной степени в силу нескольких причин: - указанные изгибы создают в потоке помехи, которые частично очень стабильны и от места их возникновения до положения расходомера не затухают, то есть которые не смешиваются. В качестве возможных помех здесь можно назвать, в частности, образование вторичных завихрений, кручения, неравномерного распределения по массе (к примеру, напластование, отдельные струи) в потоке и возникновение нестационарных эффектов. Для устранения помех/эффектов в потоке известны различные выпрямляющие формы. Так, выпрямление может осуществляться посредством принудительного параллельного направления струй потока с помощью секций труб, выпрямителей с зубцами или сотовых выпрямителей. Далее смешивание может форсироваться посредством создания падения давления в трубопроводе. Падение давления в трубопроводе может создаваться посредством перфорированных пластин, решеток или Vortabs.
- чтобы сконструировать, к примеру, калибровочное устройство по методике обратного дизайна, необходимы относительно высокие инвестиционные затраты,
- к тому же калибровочные устройства, в которых используются вышеуказанные колена труб, требуют много места.
В основе изобретения лежит задача - предложить устройство, которое позволяет изменять направление протекающей в трубопроводе среды с постоянным, в основном, профилем потока, причем сохранять распределение потока по массе и устранять возможно имеющее место в потоке кручения по типу секционного трубного выпрямителя. В предпочтительном варианте профиль потока при использовании устройства в соответствии с изобретением в калибровочном устройстве для расходомеров на определенном входном участке постоянен, осесимметричен, не скручен и сформирован цельным.
Задача решается посредством колена трубы в соответствии с изобретением, которое включает в себя следующие составляющие:
- Множество отдельных труб и, по меньшей мере, одну первую перфорированную пластину и одну вторую перфорированную пластину с выемками, причем количество выемок в обеих перфорированных пластинах соответствует количеству отдельных труб.
- Первая перфорированная пластина предусмотрена в зоне входа, а вторая перфорированная пластина предусмотрена в зоне выхода с целью удержания и направления отдельных труб.
- Отдельные трубы соответственно имеют в средней зоне изгиб под заданным углом изгиба, причем угол изгиба каждой отдельной трубы соразмерен таким образом, что отдельные трубы образуют пучок с поперечным сечением, в основном, круглой формы.
- Отдельные трубы располагаются в пучке, в основном, параллельно друг другу.
- Зона входа и зона выхода каждой отдельной трубы выполнены прямыми.
В соответствии с изобретением общая масса потока в трубопроводе разделяется по отдельным трубам и затем ориентируется в новом направлении. За счет решения в соответствии с изобретением значительно снижается образование вторичных потоков в отдельных трубах, так как образование вторичных потоков в первом приближении обратно пропорционально относительному изгибу отдельных труб. Падение давления в отдельных трубах зависит, таким образом, в меньшей степени от изгиба и в большей степени от длины отдельных труб. Вследствие этого сформированное на входе распределение массы потока в известной степени в неизмененном виде поворачивается по колену трубы в другую плоскость потока. Если профиль потока на входе колена трубы стационарен, выполнен цельным, нескрученным и осесимметричным, то профиль потока обладает данными свойствами также и на выходе колена трубы. Имеющее место скручивание устраняется посредством решения в соответствии с изобретением.
В соответствии с предпочтительным вариантом усовершенствования устройства в соответствии с изобретением отдельные трубы или выемки в обеих перфорированных пластинах расположены в концентрических кольцевых слоях. К примеру, колено трубы с номинальным внутренним диаметром 1200 мм собрано из 63 отдельных труб. Все отдельные трубы имеют один и тот же внутренний диаметр d. Одна отдельная труба расположена в центре на центральной оси колена трубы, другие отдельные трубы размещены в кольцевых слоях, вокруг центральной отдельной трубы. В предпочтительном варианте отдельные трубы и перфорированные пластины выполнены из металла или из пластмассы.
В качестве особо предпочтительного рассматривается вариант осуществления, когда устройство в соответствии с изобретением является частью калибровочного устройства или когда формирование профиля потока имеет особое значение. В предпочтительном варианте оно подключено перед калибруемым расходомером.
В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления далее предусмотрена выпрямительная пластина, которая позиционирована после зоны выхода; выпрямительная пластина имеет множество отверстий, причем количество отверстий в выпрямительной пластине превышает количество выемок в одной из двух перфорированных пластин. Посредством распределения отверстий в перфорированной пластине оба вторичных завихрения, которые возникают в каждой отдельной трубе, целенаправленно завихряются и уничтожаются. В предпочтительном варианте перфорированная пластина размещена вниз по течению, на определенном расстоянии от второй перфорированной пластины, на выходе колена трубы. Предпочтительно данное определенное расстояние равно примерно половине номинального внутреннего диаметра трубопровода.
Изобретение разъясняется более подробно на основании последующих чертежей, на которых представлено:
Фиг.1 - вид сбоку на предпочтительный вариант осуществления колена трубы в соответствии с изобретением,
Фиг.2 - вид сверху на колено трубы в соответствии с обозначением А-А на Фиг.1,
Фиг.3 - вид в перспективе на колено трубы и
Фиг.4 - колено трубы в соответствии с изобретением, встроенное в калибровочное устройство для расходомеров.
На Фиг.1-3 представлены различные точки зрения на предпочтительный вариант осуществления колена 1 трубы в соответствии с изобретением. Колено 1 трубы в соответствии с изобретением состоит из некоего множества отдельных труб 3 и по меньшей мере из первой перфорированной пластины 4 на входе колена 1 трубы и второй перфорированной пластины 5 на выходе колена 1 трубы. Обе перфорированные пластины 4, 5 имеют множество выемок 2, причем количество выемок 2 в обеих перфорированных пластинах 4, 5 соответствует количеству отдельных труб 3. В предпочтительном варианте отдельные трубы 3 и перфорированные пластины 4, 5 выполнены из металла, к примеру, из инструментальной стали или из пластмассы.
Первая перфорированная пластина 4 на входе и вторая перфорированная пластина 5 на выходе колена 1 трубы служат для удержания и направления отдельных труб 3. Отдельные трубы 3 в средней зоне 6 имеют, соответственно, изгиб под заданным углом а изгиба, причем угол а изгиба каждой отдельной трубы 3 соразмерен таким образом, что отдельные трубы 3 образуют пучок с поперечным сечением, имеющим, в основном, форму круга. В представленном случае угол а изгиба равен 90°. В пучке отдельные трубы 3 располагаются, в основном, параллельно друг другу.
В представленном случае колено 1 трубы состоит из 63 отдельных труб 3, причем отдельные трубы 3 имеют идентичный внутренний диаметр d. Отдельные трубы 3 располагаются на концентричных окружностях. Одна отдельная труба 3 расположена в центре, вокруг данной, позиционированной по центру, отдельной трубы 3 в четырех положениях располагаются другие отдельные трубы 3. Соответствующий относительный изгиб отдельной трубы 3 зависит от радиуса r изгиба и от внутреннего диаметра d. Если отношение радиуса R изгиба трубопровода 9 к диаметру D трубопровода 9 или колена 1 трубы R/D равно 1,5, тот отдельные трубы 3 имеют относительный изгиб r в пределах от 11 до 21. Зона 7 входа и зона 8 выхода каждой отдельной трубы 3 выполнены прямыми и по длине в несколько раз больше внутреннего диаметра d.
Как упомянуто ранее, назначение колена 1 трубы в соответствии с изобретением состоит в том, чтобы сформированный цельным осесимметричный, нескрученный профиль потока повернуть, к примеру, на 90° и при этом сохранить его распределение по массе. Для этого поток общей массы в трубопроводе 9 разделяется по отдельным трубам 3 колена 1 трубы и затем поворачивается в другом направлении. Посредством решения в соответствии с изобретением образование вторичных потоков в отдельных трубах 3 в значительной степени уменьшается, так как образование вторичных потоков примерно обратно пропорционально относительному изгибу r/d. Падение давления в отдельных трубах 3 зависит в меньшей степени от изгиба r/d и в большей степени от длины отдельных труб 3. Вследствие этого сформированный на входе профиль потока в известной степени в неизмененном виде поворачивается по колену 1 трубы в другую плоскость потока. Если профиль потока SP на входе колена 1 трубы постоянен, сформирован цельным и осесимметричным, то профиль потока SP обладает данными свойствами, по меньшей мере, приблизительно, также и на выходе колена 1 трубы.
На Фиг.4 колено 1 трубы в соответствии с изобретение встроено в калибровочное устройство для расходомеров 11. Между коленом 1 трубы и расходомером 11, подлежащим калибровке, предусмотрена выпрямительная пластина 12. Выпрямительная пластина 12 имеет множество отверстий 13, причем количество отверстий 13 в выпрямительной пластине 12 превышает количество выемок 2 в обеих перфорированных пластинах 4, 5. За счет распределения отверстий 13 в выпрямительной пластине 12 оба вторичных вихря, возникающих в каждой отдельной трубе 3, целенаправленным образом завихряются и уничтожаются. В предпочтительном варианте выпрямительная пластина 12 позиционируется относительно второй перфорированной пластины 5 на выходе колена 1 трубы вниз по течению с зазором, равным приблизительно половине номинального внутреннего диаметра D трубопровода 9.
Обозначения:
1 - колено трубы
2 - выемки
3 - отдельные трубы
4 - первая перфорированная пластина
5 - вторая перфорированная пластина
6 - средняя зона
7 - зона входа
8 - зона выхода
9 - трубопровод
10 - среда
11 - расходомер
12 - выпрямительная пластина
13 - отверстие.