УСТРОЙСТВО ДЛЯ СЕПАРАЦИИ МНОГОКОМПОНЕНТНОЙ СРЕДЫ И СОПЛОВОЙ КАНАЛ ДЛЯ НЕГО
DEVICE FOR SEPARATION OF MULTICOMPONENT MEDIUM AND NOZZLE CHANNEL FOR IT

Изобретение относится к криогенной технике, а именно к устройству для сепарации многокомпонентных сред, а также к сопловому каналу для данного устройства, и может быть использовано для сжижения газов, их очистки или выделения из потока одного или нескольких целевых компонентов.
Центробежные устройства для сепарации широко используются для разделения или сжижения газов. В таких устройствах газовый поток закручивается с помощью завихрителя и подается на вход соплового канала для сепарации. При этом в ряде устройств, в т.ч. в данном, в сопловом канале в результате адиабатического расширения газ охлаждается и происходит процесс конденсации жидкой фазы. Под воздействием центробежных сил в закрученном потоке капли конденсата отбрасываются к стенкам канала с образованием на них слоя жидкой фазы, которая собирается с помощью средства отбора жидкой фазы. Это средство может иметь различную конструкцию.
Из уровня техники известно устройство для сепарации многокомпонентной газовой среды (см. патент РФ RU 2348871, F25J 3/00, 10.03.2009 /1/), содержащее форкамеру с размещенным в ней средством для закрутки газового потока, сопловой канал для сепарации потока, средство для отбора жидкой фазы и дозвуковой диффузор или комбинацию сверхзвукового и дозвукового диффузора.
Указанный аналог является наиболее близким к заявленному устройству для сепарации. Однако в указанном аналоге имеются недостатки, связанные с наличием нестационарных процессов вблизи минимального (критического) сечения канала, а также с нестационарностью положения скачков уплотнения и отрывных зон в потоке в расширяющемся (диффузорном) участке соплового канала. Наличие быстрых нестационарных процессов приводит, с одной стороны, к трудностям расчетного анализа работы сепарационного канала, с другой стороны, снижению эффективности процессов сепарации.
Из уровня техники известен сопловой канал для сепарации газового потока (см. патент РФ RU 2353764, E21B 43/34, /2/), включающий конфузорный и диффузорный участки, между которыми располагается цилиндрический канал камеры смешения эжектора и входной канал устройства отбора жидкости. Указанный аналог является наиболее близким к заявленному сопловому каналу.
Недостатком указанного выше известного средства также является наличие высокого уровня турбулентности, характерной для течения среды в камере смешения эжектора, что снижает эффективность устройства, т.к. в камере смешения происходит интенсивное турбулентное перемешивание потока, и тем самым часть капель жидкости возвращается в поток в результате процесса турбулентной диффуззии.
Задачей заявленного изобретения является создание более эффективного устройства для сепарации многокомпонентной среды.
Технический результат заявленного изобретения заключается в снижении уровня пульсации в потоке и, как следствие, в увеличении эффективности сепарации и уменьшении потерь полного давления потока среды.
Указанный технический результат достигается в конструкции соплового канала для сепарации, за счет того, что он содержит конфузорный, диффузорный и расположенный между ними цилиндрический участки, причем цилиндрический участок имеет длину образующей более 0,1D, где D - диаметр цилиндрического участка, а диффузорный участок выполнен с кольцевым уступом в виде ступени, плоскость которой расположена, перпендикулярно оси канала.
Указанный технический результат достигается также в частных вариантах выполнения канала для сепарации за счет того, что:
- упомянутый кольцевой уступ выполнен с высотой, большей, чем толщина потери импульса в пограничном слое перед уступом,
- выход из цилиндрического участка выполнен с дополнительным уступом.
Указанный технический результат достигается в конструкции устройства для сепарации многокомпонентной среды за счет того, что оно включает форкамеру с установленным в ней средством закручивания потока среды, соединенный с форкамерой сопловой канал для сепарации упомянутой конструкции и узел отбора капель и/или твердых частиц.
Указанный технический результат также достигается в частных вариантах реализации устройства для сепарации за счет того, что:
- средство для закручивания потока выполнено в виде центрального тела и лопаток, закрепленных на нем, а также на стенках форкамеры, - диаметр центрального тела не больше наименьшего диаметра канала,
- средство закручивания потока выполнено в виде центрального осесимметричного канала с подсоединенными к нему дополнительными каналами, сообщающимися с источником многокомпонентной среды, причем в поперечном сечении центрального канала, проходящем через оси дополнительных каналов, угол между осью каждого дополнительного канала и линией, соединяющей ось центрального канала с точкой пересечения стенок центрального и дополнительного каналов, составляет не менее 45°,
- узел отбора жидкой фазы выполнен в виде соединенной с сопловым каналом камеры, в стенке которой выполнены перфорационные отверстия и/или кольцевая щель.
В отличие от аналога /2/ сопловой канал устройства для сепарации имеет кольцевой уступ, позволяющий зафиксировать положение скачка уплотнения с наименьшими потерями полного давления (давления торможения). Цилиндрический участок (участок постоянного сечения) имеющий длину более 0,1D (D - диаметр цилиндрического участка), обеспечивает ослабление пульсаций, возникающих в канале при нестационарной конденсации при переходе от дозвукового к сверхзвуковому сечению. При этом, как установили авторы изобретения, сочетание указанных конструктивных элементов обеспечивает неожиданное значительное повышение эффективности сепарации потока.
На фиг.1 показан наиболее предпочтительный вариант реализации заявленного устройства для сепарации. Устройство включает последовательно размещенные: форкамеру 1 с установленным в ней средством закручивания потока среды, сопловой канал 2 для сепарации потока среды, узел 3 отбора образующейся жидкой фазы и диффузор 4 (необязательно).
уч
уч
Сопловой канал 2 для сепарации многокомпонентной среды согласно заявленному изобретению включает конфузорный (сужающийся) 5 и диффузорный (расширяющийся) 6 участки, между которыми расположен цилиндрический участок 7 (участок постоянного поперечного сечения). Наименьшая длина L указанного участка 7 составляет 0,1D, где D - диаметр цилиндрического участка (наименьший диаметр канала). Наиболее предпочтительная длина цилиндрического участка L=(0,2-0,5)D. Указанное условие обеспечивает наиболее эффективное ослабление пульсаций, возникающих в потоке в конфузорном участке 5 канала.
На диффузорном участке 6 соплового канала расположен кольцевой уступ 8, торцевая плоскость которого перпендикулярна оси канала. При этом высота h уступа 8 должна быть больше, чем толщина вытеснения пограничного слоя потока среды перед данным уступом. Указанное условие позволяет стабилизировать положение скачка и зоны отрыва потока.
Определение толщины вытеснения проводится с использованием известных газодинамических соотношений (см., например, Г.Н. Абрамович «Прикладная газовая динамика» ч.1, изд-во «Наука». 1991, стр.302), а также численных расчетов уравнений для турбулентного течения среды в канале.
В частных случаях выполнения изобретения на выходе из цилиндрического участка 7 может быть выполнен дополнительный уступ (на чертежах не показан) обеспечивающий дополнительную стабилизацию потока.
Согласно одному аспекту изобретения в качестве средства для закручивания потока может быть использовано центральное тело 9 с размещенными вокруг него лопатками 10, установленными под углом к плоскости поперечного сечения форкамеры 1. При этом лопатки 10 закреплены как на поверхности центрального тела 9, так и на внутренней поверхности форкамеры 1.
На фиг.2 показана конструкция другого варианта средства для закрутки, выполненного в виде центрального осесимметричного канала 11, предпочтительно охватывающего центральное тело 9 и являющегося частью форкамеры 1, и подсоединенных к каналу 11 дополнительных каналов 12, сообщающихся с источником многофазной среды 13. Причем в поперечном сечении центрального канала 11, проходящем через оси 14 дополнительных каналов, угол φ между осью 14 каждого дополнительного канала и линией 15, соединяющей ось центрального канала 11 с точкой пересечения стенок центрального 11 и дополнительного 12 каналов, составляет не менее 45°. Другими словами, угол φ между осью 14 каждого дополнительного канала и нормалью 15, проведенной от оси центрального канала 11 к его поверхности в точку пересечения стенок центрального 11 и дополнительного 12 каналов (в любую из двух точек), составляет не менее 45°.
Выбор угла φ в пределах 45°<φ<90° позволяет для заданного потока момента количества движения выполнить средство закрутки с наименьшими потерями полного давления при течении среды через каналы средства закрутки.
ц
ц
Предпочтительно, чтобы диаметр D центрального тела 9 был не больше, чем наименьший диаметр D канала (т.е. диаметр канала на цилиндрическом участке) (D≤D).
При размерах центрального тела больших, чем наименьший диаметр соплового канала, как следует из расчетов и опытных данных, наблюдается сильная неравномерность полного давления (давления торможения) по радиусу канала, обусловленная повышенной скоростью вращения потока вблизи оси канала после центрального тела. Это обстоятельство препятствует равномерному восстановлению полного давления потока после его торможения и приводит к потерям полного давления среды на выходе из устройства.
Узел 3 отбора жидкой фазы может быть выполнен в виде соединенной с каналом камеры, в стенке которой выполнены перфорационные отверстия и/или кольцевая щель.
Устройство также может включать диффузор 4, установленный для частичного восстановления полного давления среды.
Заявленное устройство работает следующим образом.
Многокомпонентная среда (в частности, газовая или газожидкостная смесь) поступает в форкамеру 1, где она проходит устройство для закрутки (например, лопатки 10). Далее закрученный поток попадает в конфузорную часть 5 соплового канала, где приобретает требуемое ускорение, и затем - в цилиндрический участок 7, на котором происходит ослабление пульсаций газового потока. После этого в диффузорной части 6 канала происходит адиабатическое расширение газа, сопровождающееся понижением давления температуры, и образованием капель жидкой фазы размером более 0,5 мкм, которые за счет центробежных сил отбрасываются к стекам канала. При этом за счет кольцевого уступа 8 в диффузорной части 6 происходит фиксация положения скачка уплотнения и зоны отрыва потока с наименьшими потерями давления торможения. Образовавшийся вблизи стенок обогащенный газожидкостный поток поступает в узел 3 отбора жидкой фазы, а обедненная газовая смесь, проходя через диффузор 4, выходит из устройства.
Таким образом, заявленное устройство для сепарации за счет использования сепарационного канала описанной конструкции позволяет повысить эффективность сепарации и снизить потери полного давления при течении среды в устройстве.