Вихрова труба і спосіб редукування газу з її використанням

Реферат: Винахід належить до енергетики, зокрема до способів редукування газу на газорозподільних станціях газотранспортних магістралей, і може бути використаний в пристроях вихрового розділення вхідного потоку для використовування розділених різнотемпературних потоків в різних технологіях температурної обробки як початковрго потоку, так і інших продуктів. Запропонована вихрова труба, що містить в корпусі вхідні канали для високонапірного потоку, сполучені з порожниною гарячого потоку, сполученою через діафрагму з порожниною холодного потоку, і низьконапірні виходи з зазначених порожнин, згідно з винаходом, містить додаткову порожнину у вигляді кільцевої камери, яка з'єднує порожнину гарячого потоку через її тангенціальні вікна з низьконапірним виходом. Відповідно до іншого варіанта виконання вихрова труба містить додаткову порожнину у вигляді кільцевої камери ззовні порожнини холодного потоку і змішувач потоків, сполучений з порожниною холодного потоку і кільцевою камерою, яка сполучена з порожниною гарячого потоку. Відповідно до іншого варіанта виконання вихрова труба містить додаткові порожнини у вигляді кільцевих камер ззовні зазначених порожнин і змішувач потоків, причому порожнина гарячого потоку через тангенціальні вікна сполучена кільцевими камерами і прорізами в корпусі між ними із змішувачем потоків, сполученим з порожниною холодного потоку і низьконапірним виходом. На базі зазначених варіантів виконання створено пристрій і спосіб редукування газу. Досягається UA 102003 C2 (12) UA 102003 C2 отримання компактної вихрової труби, що забезпечує підвищення її енергоємності, а також підвищення комплексної ефективності і надійності редукування газу. UA 102003 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Вихрова труба (варіанти), пристрій і спосіб редукування газу з її використанням. Пропонований винахід належить до енергетики, зокрема до способів редукування газу на газорозподільних станціях (ГРС) газотранспортних магістралях, і може бути використаний в пристроях вихрового розділення вхідного потоку для використовування розділених різнотемпературних потоків в різних технологіях температурної обробки як початкового потоку, так і інших продуктів. Вихрові труби і енергорозділення вхідного в них потоку використовують в техніці розподілу газів, а саме в пристроях редукування газу на газорозподільних станціях (ГРС) газотранспортних магістралей. Відомі вихрові труби (а.с. СРСР № 1096462,1976г. №1539477, 1990r.F25B 9/02), які містять тангенціальний вхід високонапірного газу в порожнину гарячого потоку через діафрагму, сполучену з порожниною холодного потоку. Недоліком цих пристроїв є обмежена одним вхідним каналом пропускна спроможність. Найближчою за технічною суттю є вихрова труба, що містить вхідні канали високонапірного газу в порожнину гарячого потоку через діафрагму, сполучену з порожниною холодного потоку і низьконапірними виходами (патент US 1.952.281, 1934 г. - прототип). Проте відомий пристрій має недоліки: - відсутність попутного підкручення гарячого потоку і рекуперативного збереження тепла, що утворилося, в довгомірній його порожнині; - опозитна спрямованість розділених потоків обумовлює громіздкість конструкції при необхідності їх об'єднання для змішування; - потреба збільшення габаритів вихрової установки при введенні додаткових елементів для відбору тепла поза межами порожнини гарячого потоку; - гідравлічні втрати розподілу потоку на периферії труби обумовлені неоптимальною формою вхідних каналів. Таким чином, у відомому пристрої не розв'язується задача компактності вихрової труби, що забезпечує її енергоємність. Відомі пристрої редукування газу, і способи, здійснювані за допомогою цих пристроїв, полягають в регульованому дроселюванні потоку газу, заздалегідь підігрітого за рахунок підведення до нього тепла для виключення гідратації при редукуванні (патент РФ № 2079040 від 16.08.94 г. М. кл. F17D1/04). Проте відомі пристрої і способи забезпечують редукування газу без гідратації за рахунок спалювання природного газу для підігріву потоку газу перед редукуванням, а це підвищує енерговитрати, знижує екологічні показники і рівень безпеки експлуатації ГРС. Відомий пристрій редукування газу, що містить вузол редукування газорозподільної станції у вигляді вихрової труби з регулятором (патент РФ № 2177584 від 24.01.2000 г. М. кл. F17D1/04- прототип). У відомому пристрої вхід вихрової труби сполучає високонапірний газопровід з порожниною гарячого потоку, яка через діафрагму сполучена з порожниною холодного потоку, і виходу із змішувача гарячого і холодного потоків, сполученого з низьконапірним газопроводом, в якому понижені енерговитрати, поліпшені екологічні показники і підвищена безпека експлуатації ГРС. Проте, у вказаному пристрої через некомпактну компоновку роздільних апаратів (вихрової труби, теплообмінника, ежектора і т.д.) знижується ефективність тепломасообміну, недостатні пропускна здатність та здатність вихороутворення труби Ранка-Хілша, а працездатність ГРС без контрольного регулятора знижують загальну ефективність даного пристрою. Відомий також спосіб редукування газу, що полягає у використовуванні перепаду тиску регульованої вихрової труби для підігріву газу при змішуванні різнотемпературних його потоків (патент РФ № 2177584 від 24.01.2000 г. М. кл. F17D1/04 - прототип). Відповідно до відомого способу редукування газу здійснюють у вузлі редукування ГРС, в якому природний газ по високонапірному газопроводу надходить в регульовану вихрову трубу Ранка-Хілша, де за рахунок перепаду тиску розділяється на два різнотемпературні потоки (гарячий і холодний) з подальшим їх змішуванням в ежекторі, сполученому з низьконапірним газопроводом. При цьому змішуванні утворюється змішаний теплий потік без гідратоутворень. Проте, відомий спосіб має обмежену енергоємність і недостатню надійність редукування через відсутність можливості покращення подачі, контрольного регулювання тиску і роздільного розташування елементів вузла редукування. Таким чином, у відомому способі і пристрої задача комплексної ефективності енергоємності компактної установки при надійності редукування газу способом і конструкцією прототипу не розв'язується позитивно через відсутність засобів багатофункціонального і ергономічного використовування складових пристрою. 1 UA 102003 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 В основу винаходу поставлена задача за рахунок зміни конфігурації внутрішніх порожнин у вихровій трубі, ведення нових елементів і вибору оптимальної форми вхідних каналів отримати компактну вихрову трубу, що забезпечує підвищення її енергоємності. В основу винаходу поставлена також задача в пристрої редукування газу за рахунок установки вдосконаленої вихрової труби і зміни комутації каналів створити компактну конструкцію при багатофункціональному призначенні її елементів, вирішивши також задачу комплексної ефективності - енергоємності установки при надійності редукування газу. В основу винаходу поставлена також задача в способі редукування газу за рахунок використовування вдосконаленої вихрової труби, що забезпечує багатокамерне суміщене редукування з підігрівом газу підвищити комплексну ефективність і надійність редукування газу. Поставлена задача розв'язується тим, що вихрова труба, що містить в корпусі вхідні канали для високонапірного потоку, сполучені з порожниною гарячого потоку, сполученою через діафрагму з порожниною холодного потоку, і низьконапірні виходи з зазначених порожнин, згідно з винаходом, містить додаткову порожнину у вигляді кільцевої камери, яка з'єднує порожнину гарячого потоку через її тангенціальні вікна з низьконапірним виходом. Додаткова порожнина розташована зовні порожнини гарячого потоку. Вхідні канали, переважно, мають щілиновидну форму, наприклад у вигляді овалу, паралельного поздовжній осі порожнини гарячого потоку, причому довжина овалу менше довжини вхідного каналу. Поставлена задача розв'язується також тим, що вихрова труба, що містить корпус з вхідними каналами для високонапірного потоку, сполученими з порожниною гарячого потоку, яка через діафрагму сполучена з порожниною холодного потоку, і низьконапірний вихід, відповідно до винаходу, містить додаткові порожнини у вигляді кільцевих камер ззовні зазначених порожнин і змішувач потоків, причому порожнина гарячого потоку через тангенціальні вікна сполучена кільцевими камерами і прорізами в корпусі між ними із змішувачем потоків, сполученим з порожниною холодного потоку і низьконапірним виходом. Поставлена задача розв'язується також тим, що вихрова труба, що містить вхідні канали для високонапірного потоку, сполучені з порожниною гарячого потоку, сполученою через діафрагму з порожниною холодного потоку, і низьконапірний вихід, відповідно до винаходу, містить додаткову порожнину у вигляді кільцевої камери ззовні порожнини холодного потоку і змішувач потоків, сполучений з порожниною холодного потоку і кільцевою камерою, яка сполучена з порожниною гарячого потоку. Поставлена задача розв'язується також тим, що в пристрої редукування газу що містить вузол редукування газорозподільної станції у вигляді вихрової труби з регулятором, згідно з винаходом, регулятор і вихід вихрової труби сполучені через контрольний регулятор газорозподільної станції з низьконапірним газопроводом. . Поставлена задача розв'язується також тим, що в способі редукування газу, що полягає у використовуванні перепаду тиску регульованої вихрової труби при редукуванні для підігріву газу за рахунок змішування різнотемпературних його потоків, згідно з винаходом, редукування здійснюється багатокамерно одночасно з відбором тепла іншим теплоносієм в камері зовні вихрової труби тепломасообміном різнотемпературних потоків газу і контрольним регулюванням тиску низьконапірного газопроводу. Відповідно до запропонованого способу здійснюється стрічкова подача високонапірного потоку і додаткове підкручення гарячого потоку газу при міжкамерному його перетіканні. Порожнини гарячого і холодного потоків є розширювальними камерами усередині циліндрів відповідних потоків. Винахід пояснюється кресленнями, на яких представлено Фіг. 1 - вихрова труба двопотокова, поздовжній розріз, Фіг. 2 - поперечний розріз труби по площині вхідних каналів, Фіг. 3 - форма вхідних каналів, Фіг. 4 - поперечний переріз тангенціальних вікон порожнини, Фіг.5 - вихрова труба однопотокова, поздовжній розріз, Фіг. 6, 7, 8 - варіанти поперечних розрізів вихрової труби, Фіг. 9 - варіант виконання вихрової труби, поздовжній розріз, Фіг. 10 - поперечний розріз варіанта вихрової труби, Фіг. 11 - пристрій редукування газу. Вихрова труба (фіг. 1) містить на корпусі 1 опозитно встановлені на одній поздовжній осі циліндри 2 і 3 з порожнинами 4, 5 відповідно гарячого і холодного потоку, розділені діафрагмою 6 в корпусі 1. Зовні циліндра 2 з порожниною 4 гарячого потоку встановлений стакан 7 з патрубком 8 низьконапірного виходу. Стакан 7 утворює з циліндром 2 кільцеву камеру 9, поєднуючу порожнину 4 гарячого потоку через тангенціальні вікна 10 циліндра 2 з 2 UA 102003 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 низьконапірним виходом патрубка 8. Порожнина 5 холодного потоку циліндра 3 також має низьконапірний вихід 11. В корпусі 1 високонапірний вхід газу в порожнину 4 гарячого потоку утворено тангенціальними каналами 12 і 13 (фіг. 2) щілиновидної форми у вигляді овалу 14 (фіг. 3), розташованого паралельно поздовжній осі циліндра 2. Вихрова труба (Фіг. 1) є двопотоковим варіантом виконання вихрової труби, що має роздільні низьконапірні виходи гарячого і холодного потоків газу. Високонапірний газ по тангенціальних каналах 12 і 13 корпусу 1 вихрової труби надходить в порожнину 4 циліндра 2. Виконання входу з двох каналів 12 і 13 дозволяє збільшити швидкість обертання потоку при підвищенні пропускної спроможності пристрою. Під час входу високонапірного газу в порожнину 4 починається зниження тиску газу при виділенні тепла згідно з ефектом Ранка-Хілша. Канали 12 і 13 мають щілиновидну форму овалу 14 паралельного поздовжній осі пристрою, що обумовлює стрічкову подача газу і забезпечує оптимальне притиснення вхідного струменя до внутрішньої поверхні порожнини 4, що сприяє утворенню ефективного температурного поля цього потоку. Порожнина 4 є розширювальною камерою високонапірного потоку газу в трубі Ранка-Хілша, де закручений потік газу розділяється на гарячий, на периферії, що йде вгору, і в центрі холодний, що надходить через діафрагму 6 в порожнину 5 холодного потоку. Гарячий потік з камери 4 через тангенціальні вирізи (вікна) 10 в циліндрі 2, продовжуючи закручуватися, надходить в кільцеву камеру 9, утворену концентричними циліндром 2 і стаканом 7, який зовні теплоізольований (умовно не показано). Гарячий потік газу, проходячи по кільцевій камері 9, підтримує теплоутворення в порожнині 4 і надходить через патрубок 8 в низьконапірний газопровід. Однопотокова вихрова труба (Фіг. 5) на корпусі 15 в одній поздовжній осі по обидві сторони, встановленої в центрі корпусу діафрагми 16, містить циліндри 17 і 18 з порожнинами і 9 і 20 відповідно гарячого і холодного потоків. Зовні цих циліндрів концентрично встановлені зовнішні стакани 21 і 22, утворюючи кільцеві камери відповідно 23 і 24, сполучені між собою прорізами 25 в корпусі 15. В корпусі 15 виконані діаметрально опозитно один одному вхідні високонапірні тангенціальні канали 26 і 27 (Фіг. 6, 7, 8) щілиновидної форми у вигляді овалу 28, розташованого паралельно поздовжній осі циліндра 17, у верхній частині якого є тангенціальні вікна 29. Кільцева камера 24 сполучена з камерою змішування 30 вихрової труби 31, що містить загальний низьконапірний вихід 32. На фіг. 9, 10 показана вихрова труба, порожнина 19 гарячого потоку якої сполучена із змішувачем 30 і порожниною 20 холодного потоку у-подібним трубним трактом. Це спрощений варіант вихрової труби, що заявляється, для труб малого діаметра. Описана вище однопотокова вихрова труба 31 (Фіг. 5) є основою запропонованого нового пристрою редукування газу. Пристрій редукування газу (Фіг. 11) містить первинний вузол редукування газу газорозподільної станції (станція умовно не показана), запропоновану вихрову трубу 31, вихід 32 якої сполучений з низьконапірним газопроводом через вторинний вузол редукування контрольний регулятор 33 газорозподільної станції, сполучений з регулятором 34 вихрової труби. Спосіб редукування газу здійснюється в процесі роботи описаних вище вихрової труби 31 і пристрою редукування газу (Фіг. 11). Суть способу полягає у використовуванні перепаду тиску регульованої вихрової труби при редукуванні для підігріву газу за рахунок змішування рїзнотемпературних його потоків, при якому редукування здійснюється багатокамерно одночасно з відбором тепла іншим теплоносієм в камері зовні вихрової труби і тепломасообміном різнотемпературних потоків газу, а потім контрольним регулюванням тиску низьконапірного газопроводу. Високонапірний газ по каналах 26 і 27 овальної форми 28 надходить в порожнину 19 циліндра 17 вихрової труби 31. Виконання входу з двох каналів 26 і 27 дозволяє збільшити швидкість обертання потоку при підвищенні пропускної спроможності пристрою. Під час входу високонапірного газу в камеру 19 починається первинне багатокамерне (послідовно камери: 19 і 20, 23, 24, 30) редукування, зниження тиску газу при виділенні тепла згідно з ефектом РанкаХілша. Канали 26 і 27 мають щілиновидну форму овалу 28, паралельного поздовжній осі пристрою, що зумовлює стрічкову подачу газу і забезпечує оптимальне притиснення вхідного струменя до внутрішньої поверхні камери 19, що сприяє утворенню ефективного температурного поля цього потоку. Виконання довжини овалу 28 менше довжини вхідного каналу 26 або 27 зумовлює спрямовану ламінарність високонапірного потоку. 3 UA 102003 C2 5 10 15 20 25 30 35 Порожнина 19 є розширювальною камерою високонапірного потоку газу в трубі РанкаХілша. де закручений потік газу розділяється на гарячий, на периферії що йде вгору, і в центрі холодний, що надходить через діафрагму 16 в камеру 20 холодного потоку. Гарячий потік з камери 19 через тангенціальні вирізи (вікна) 29 в циліндрі 17, продовжуючи закручуватися, надходить в кільцеву камеру 23, утворену концентричними циліндром 17 і стаканом 21, який зовні теплоізольований. Гарячий потік газу, проходячи по кільцевій камері 23, підтримує теплоутворення в порожнині 19 і надходить через прорізи 25 корпусу 15 і камеру 24 в порожнину змішувача 30, яка утворена циліндром 18 холодного потоку і зовнішнім теплоізольованим стаканом 22, і далі через загальний низьконапірний вихід 32 до сполучення з газопроводом. Використовування концентричних кільцевих камер 23 і 24 для сполучення порожнин 19 і 20 послідовно розташованих на одній осі скорочує габарити пристрою і покращує його компоновку. Крім того, в кільцевій камері 23 є можливість розміщення теплообмінника (умовно не показаний) для відбору тепла іншим теплоносієм, наприклад водою, тосолом, і ліколем, на обігрів приміщень і ін., а в камері 24 - для охолодження повітря приміщень. Оскільки гарячий потік має більшу свободу утворення на периферії, обмеженій діаметром циліндра 17, а утворення холодного потоку в центрі вихрового потоку відповідає діаметру діафрагми 16, то об'єм гарячого потоку (до +70 °C) в 2-2,5 рази більше холодного потоку (до 20 °C) Це зумовлює утворення теплого змішаного потоку до +15 °C що дозволяє гарантовано виключити гідратацію при редукуванні газу на ГРС. Окрім того, надлишок теплової енергії гарячого потоку може використовуватися для обігріву приміщень. Вище представлено первинне багатокамерне редукування газу з одночасним його самопідігрівом в модернізованій вихровій трубі Ранка-Хілша, з використанням багатофункціонального призначення її і елементі, забезпечуючих суміщене редукування з підігрівом газу і можливістю відбору тепла іншим теплоносієм та тепломасообмін різнотемпературних потоків газу. Вторинне контрольне редукування вже підігрітого газу здійснюється контрольним регулятором 33 ГРС, підтримуючим заданий тиск в низьконапірному газопроводі управлінням тиску і витрати газу на вході у вихрову трубу 31 через регулятор 34 або виході даного пристрою 31 автономно. Таким чином, за рахунок багатокамерного первинного з підігрівом у вихровій трубі і вторинного контрольного редукування газу шляхом введення високонапірного газу каналами овальної форми в розширювальну камеру, сполучення тангенціальними вікнами порожнини гарячого потоку і кільцевими камерами зовні цієї порожнини через прорізи корпусу діафрагми зі змішувачем потоків, забезпечується підвищення комплексної ефективності використовування ефекту Ранка-Хілша, енергоємність компактної конструкції при багатофункціональному призначенні її елементів. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 40 45 50 55 1. Вихрова труба, що містить корпус з вхідними каналами для високонапірного потоку, сполученими з порожниною гарячого потоку, сполученою через діафрагму з порожниною холодного потоку, і низьконапірний вихід, яка відрізняється тим, що вона містить додаткові порожнини у вигляді кільцевих камер ззовні зазначених порожнин і змішувач потоків, причому порожнина гарячого потоку через тангенціальні вікна сполучена кільцевими камерами і прорізами в корпусі між ними із змішувачем потоків, сполученим з порожниною холодного потоку і низьконапірним виходом. 2. Спосіб редукування газу, що полягає у використанні перепаду тиску регульованої вихрової труби при редукуванні для підігріву газу за рахунок змішування різнотемпературних його потоків, який відрізняється тим, що редукування здійснюють багатокамерно у вихровій трубі за п. 1 одночасно з відбором тепла іншим теплоносієм, тепломасообміном різнотемпературних потоків газу і контрольним регулюванням тиску низьконапірного газопроводу. 3. Спосіб редукування газу за п. 2, який відрізняється тим, що здійснюють стрічкову подачу високонапірного потоку і додаткове підкручування гарячого потоку газу при міжкамерному його перетіканні. 4 UA 102003 C2 5 UA 102003 C2 6 UA 102003 C2 7 UA 102003 C2 8 UA 102003 C2 9 UA 102003 C2 10 UA 102003 C2 11 UA 102003 C2 12 UA 102003 C2 Комп’ютерна верстка Д. Шеверун Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 13