RU2043584C1

RU2043584C1 - Vortex tube

Info

Publication number: RU2043584C1
Authority: RU
Inventors: Владимир Иванович Метенин; Александр Александрович Лобанов
Original assignee: Владимир Иванович Метенин; Александр Александрович Лобанов
Priority date: 1992-10-11
Filing date: 1992-10-11
Publication date: 1995-09-10

Abstract

FIELD: refrigerating engineering. SUBSTANCE: vortex tube, operating according to the latest progressive process of gas energy separation, is a tube with internal heat regeneration. In such a vortex tube the process of energy separation proceeds simultaneously with the process of turbulization of working medium in the energy separation chamber. The tube can be used in gas industry, since it provides for replacement of throttles in which the Joule-Thomson effect is implemented, decreasing the natural gas temperature at throttling, which causes a necessity to warm it up so as to prevent frosting-up of pressure regulator. An intolerable large amount of gas is consumed for auxiliary power. EFFECT: improved design. 3 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к холодильной технике и предназначается для использования эффекта энергоразделения газа в вихревых трубах в процессах рационального дросселирования природного газа при его транспортировке по газопроводам. В этом случае вихревая труба работает в режиме изотермического дросселирования газа, в котором с падением давления температура газа на выходе из трубы не изменяется. Это обстоятельство позволяет заменить в газовой промышленности дроссельные устройства, в которых реализуется эффект Джоуля-Томсона, понижающий при дросселировании температуру природного газа. При этом в целях исключения обмерзания регуляторов давления вынуждены подогревать газ. На эти собственные нужды при транспортировке газа расходуется недопустимо большое количество газа. Внедрение изобретения даст большую экономию газа, улучшит экологию и исключит необходимость в регуляторах давления газа. При этом следует иметь ввиду, что предлагаемая вихревая труба проста в изготовлении, надежна и устойчива в эксплуатации при любых давлениях. The invention relates to refrigeration and is intended to use the effect of energy separation of gas in vortex tubes in the processes of rational throttling of natural gas during its transportation through gas pipelines. In this case, the vortex tube operates in isothermal gas throttling mode, in which the gas temperature at the outlet of the pipe does not change with a drop in pressure. This circumstance makes it possible to replace throttle devices in the gas industry in which the Joule-Thomson effect is realized, which lowers the temperature of natural gas during throttling. At the same time, in order to avoid freezing, the pressure regulators are forced to heat the gas. Unacceptably large amounts of gas are consumed for these own needs during gas transportation. The implementation of the invention will provide greater gas savings, improve the environment and eliminate the need for gas pressure regulators. It should be borne in mind that the proposed vortex tube is easy to manufacture, reliable and stable in operation at any pressure.

Известна адиабатная вихревая труба, в которой сжатый воздух из сети поступает в ресивер, затем в сопловой ввод, где расширяется и получает закрутку. Далее закрученный поток газа попадает в коническую камеру энергетического разделения, где происходит процесс энергетического разделения газа с образованием двух потоков, из которых один, перемещающийся по периферии и имеющий более высокую температуру и давление, выходит через лопаточный диффузор. Другая периферийная часть завихренного горячего потока (рециркулирующая часть) поступает в аэродинамическую решетку (сетку). Проходя ее, газ разбивается на мелкие струи и вдувается в приосевую полость вихревой камеры энергоразделения. Рециркулирующий поток газа перемещается в приосевой области камеры энергоразделения от аэродинамической решетки к диафрагме и выходит через отверстие в диафрагме в конический осевой и щелевой диффузоры и далее в ресивер холодного потока, т.е. к потребителю. An adiabatic vortex tube is known in which compressed air from the network enters the receiver, then to the nozzle inlet, where it expands and receives a swirl. Then the swirling gas stream enters the conical chamber of energy separation, where the process of energy separation of gas occurs with the formation of two streams, one of which moving along the periphery and having a higher temperature and pressure exits through the scapular diffuser. The other peripheral part of the swirling hot stream (recirculating part) enters the aerodynamic lattice (grid). Passing it, the gas breaks into small jets and is blown into the axial cavity of the vortex chamber of energy separation. The recirculating gas stream moves in the axial region of the energy separation chamber from the aerodynamic grill to the diaphragm and exits through the hole in the diaphragm into conical axial and slot diffusers and then to the cold flow receiver, i.e. to the consumer.

Таким образом, рассматриваемая выше вихревая труба работает как энергоразделитель с получением холодного и горячего потока. Она не может служить вихревым дросселем природного газа и поэтому нуждается в больших конструктивных и технологических изменениях. Thus, the vortex tube considered above acts as an energy separator to produce a cold and a hot stream. It cannot serve as a vortex choke of natural gas and therefore needs great structural and technological changes.

Целью изобретения является расширение области рационального применения вихревой противоточной трубы путем превращения адиабатной противоточной вихревой трубы в адиабатно-изотермическую противоточную вихревую трубу, работающую в режиме изотермического дросселирования, в котором начальное давление природного газа снижается без изменения его начальной температуры. The aim of the invention is to expand the field of rational use of a vortex countercurrent tube by converting an adiabatic countercurrent vortex tube into an adiabatic-isothermal countercurrent vortex tube operating in the isothermal throttling mode in which the initial pressure of natural gas decreases without changing its initial temperature.

Это достигается тем, что противоточная вихревая труба дополнительно содержит на выходе холодного потока дроссельный клапан, примыкающий к торцу соплового аппарата со стороны диафрагмы, и внешний патрубок для отвода оптимального количества холодного потока в камеру энергоразделения для регенерации тепла, а также тангенциальный ввод газа в камеру энергразделения, выполненный в виде кольцевой многоступенчатой турбулизирующей решетки с микросоплами, которые одновременно с подачей газа генерируют акустические колебания. При этом полезный эффект от изменения структур полей параметров потока за микросоплами, отражающийся на повышении эффективности процесса энергоразделения, превалирует над увеличением гидравлических потерь в микросоплах. This is achieved by the fact that the counterflow vortex tube additionally contains a throttle valve at the outlet of the cold flow adjacent to the end of the nozzle apparatus from the diaphragm side, and an external pipe to divert the optimal amount of cold flow into the energy separation chamber for heat recovery, as well as the tangential gas injection into the energy separation chamber made in the form of an annular multistage turbulizing lattice with micro nozzles, which simultaneously with the gas supply generate acoustic vibrations. At the same time, the beneficial effect of changing the structure of the fields of the flow parameters behind micro nozzles, which affects the increase in the efficiency of the energy separation process, prevails over the increase in hydraulic losses in micro nozzles.

На фиг. 1 изображена предлагаемая вихревая труба, продольный разрез; на фиг. 2 разрез А-А на фиг. 1. In FIG. 1 shows the proposed vortex tube, a longitudinal section; in FIG. 2, section AA in FIG. 1.

Вихревая труба имеет корпус 1. С одной стороны в корпус вставлен сопловой аппарат 2. Крышкой корпуса 3 сопловой аппарат прижимается к корпусу. В корпусе по оси располагается камера 4 энергетического разделения газа, а с противоположной стороны диафрагма 5 и дроссельный клапан 6, примыкающий к торцу камеры энергоразделения со стороны диафрагмы. Горячий конец камеры энергоразделения газа соединяется с ресивером 7 смеси газов. В корпусе ресивера смонтированы аксиальная сопловая решетка 8, ее диафрагма 9 и камера решетки 10. Камера решетки соединяется с полостью дроссельного клапана патрубком 11. К корпусе ресивера смеси газов крепятся патрубок 12 смеси газов со штуцером под манометр 13 и дроссельное сопло 14, а также штуцера под манометры 15 и 16. Температуры потоков газа замеряются хромель-копелевыми термопарами 17 и 18. В трубе имеется патрубок 19 выхода газа к потребителю. The vortex tube has a housing 1. On one side of the housing, a nozzle apparatus 2. is inserted. With a housing cover 3, the nozzle apparatus is pressed against the housing. In the housing along the axis there is a chamber 4 for energy separation of gas, and on the opposite side a diaphragm 5 and a throttle valve 6 adjacent to the end of the chamber for energy separation from the side of the diaphragm. The hot end of the gas separation chamber is connected to the receiver 7 of the gas mixture. An axial nozzle grill 8, its diaphragm 9 and a grill chamber 10 are mounted in the receiver’s body. The grill chamber is connected to the throttle valve cavity by a pipe 11. A gas mixture 12 with a fitting for a pressure gauge 13 and a throttle nozzle 14, as well as a fitting, are attached to the gas mixture receiver body. for pressure gauges 15 and 16. The temperature of the gas flows are measured by chromel-kopel thermocouples 17 and 18. In the pipe there is a pipe 19 for the gas outlet to the consumer.

Рабочий процесс предлагаемой противоточной адиабатно-изотермической вихревой трубы осуществляется следующим образом. The working process of the proposed countercurrent adiabatic-isothermal vortex tube is as follows.

Сжатый газ из сети поступает в ресивер, в котором замеряются температура и давление газа, а затем входит в тангенциальный сопловой аппарат, который представляет собой коническую кольцевую многоступенчатую турбулизирующую решетку с диаметрами цилиндрических микросопел в 1 мм, где газ расширяется и получает закрутку. Угол раствора внутренней конической поверхности тангенциального соплового аппарата, примыкающего к камере энергоразделения, равен практически ее углу раствора и, следовательно, средние диаметры ступеней сопловых решеток возрастают по ходу газа, т.е. от диафрагмы холодного потока к камере энергоразделения газа. При этом струи газа, вытекающие из микросопел каждого ряда, имеют разные моменты количества движения. Далее закрученный поток тангенциально входит в коническую вихревую камеру энергетического разделения, где происходит процесс энергетического разделения газа с образованием двух потоков, из которых один, перемещающийся по периферии камеры и имеющий более высокие температуру и давление, выходит через отверстия в ресивер. Compressed gas from the network enters the receiver, in which the temperature and pressure of the gas are measured, and then enters the tangential nozzle apparatus, which is a conical annular multistage turbulizing lattice with a diameter of 1 mm cylindrical microsops, where the gas expands and swirls. The angle of the solution of the inner conical surface of the tangential nozzle apparatus adjacent to the energy separation chamber is practically equal to its solution angle and, therefore, the average diameters of the steps of the nozzle gratings increase along the gas, i.e. from the diaphragm of the cold stream to the gas separation chamber. In this case, gas jets flowing from the microproels of each row have different angular momenta. Further, the swirling flow tangentially enters the conical vortex chamber of energy separation, where the process of energy separation of gas occurs with the formation of two streams, one of which moving along the periphery of the chamber and having higher temperature and pressure exits through the openings into the receiver.

При истечении газа из микросопел тангенциального соплового аппарата одновременно со струями газа образуется целый спектр звуковых колебаний, представляющих собою, как известно из физики, продольные упругие колебания, которые как свет отражаются от внутренней поверхности камеры энергоразделения со скоростью звука и интенсифицируют в ней турбулентность и, как следствие, повышают ее эффективность. When gas flows out of the micropopel of the tangential nozzle apparatus, a whole spectrum of sound vibrations is formed simultaneously with the gas jets, which, as is known from physics, are longitudinal elastic vibrations, which, like light, are reflected from the inner surface of the energy separation chamber with the speed of sound and intensify turbulence in it and, like consequence, increase its effectiveness.

Другой поток, имеющий более низкую температуру и несколько меньшее давление, движется в приосевой области и через отверстия в диафрагме поступает в дроссельный клапан, который дозирует его через внешний патрубок в камеру аксиальной сопловой решетки. Проходя решетку с 140 цилиндрическими микросоплами диаметром в 1 мм (микросопла аксиальной сопловой решетки с отверстиями большего диаметра менее эффективны, а меньшего диаметра создают большое гидравлическое сопротивление и сложны в изготовлении), газ разбивается на мелкие струи и энергично вдувается в приосевую полость вихревой камеры энергоразделения, интенсифицируя в ней турбулентность, способствующую повышению эффективности процесса энергоразделения газа. Another stream, having a lower temperature and slightly lower pressure, moves in the axial region and through the holes in the diaphragm enters the throttle valve, which doses it through an external pipe into the chamber of the axial nozzle lattice. Passing through a grating with 140 cylindrical micro nozzles with a diameter of 1 mm (micro nozzles of an axial nozzle grating with holes of a larger diameter are less effective and smaller ones create large hydraulic resistance and are difficult to manufacture), the gas breaks up into small jets and is vigorously blown into the axial cavity of the energy separation vortex chamber, intensifying turbulence in it, contributing to an increase in the efficiency of the gas energy separation process.

Указанный выше энергичный переток газа объясняется тем, что вследствие установленного центробежного процесса расширения газа, протекающего с падением статического давления по радиусу на широком конце конической вихревой камеры энергоразделения при замене аксиальной сопловой решетки плоской стенкой в приосевой зоне образуется область низкого давления ( в цилиндрической вихревой камере энергоразделения этот процесс отсутствует). Глубина вакуума зависит от режима работы вихревой трубы, т.е. от величины массовой доли холодного потока газа, поступающего на регенерацию μ

давления Р₁ и температуры газа на входе в трубу Т₁, где G_х масса холодного потока газа; G₁ масса газа на входе в трубу. Чем больше μпри Р₁ соnst, тем больше глубина вакуума. Так, например, при Р₁ 0,26 МПа, Т₁= 295 К и μ= 1 абсолютное давление газа на оси широкого конца конической камеры энергоразделения диаметром D 42 мм, оптимальной длиной 126 мм, т.е. длиной, равной трем диаметрам трубы, оптимальным углом конусности 3^о40' и оптимальной величиной диаметра отверстия в диафрагме, равного d_x (0,48-0,50)D, составляет 3 мм ртутного столба, т.е. 400 Па.The aforementioned energetic gas flow is explained by the fact that, due to the established centrifugal process of gas expansion that proceeds with a drop in static pressure along the radius at the wide end of the conical vortex energy separation chamber, when the axial nozzle array is replaced by a flat wall, a low pressure region forms in the axial zone (in the cylindrical vortex energy separation chamber this process is missing). The vacuum depth depends on the mode of operation of the vortex tube, i.e. of the mass fraction of the cold gas flow entering the regeneration μ

pressure P ₁ and gas temperature at the inlet to the pipe T ₁ , where G _{x the} mass of the cold gas stream; G ₁ mass of gas at the inlet to the pipe. The larger μ at P ₁ const, the greater the depth of the vacuum. So, for example, at Р ₁ 0.26 MPa, Т ₁ = 295 К and μ = 1, the absolute gas pressure on the axis of the wide end of the conical energy separation chamber with a diameter of D 42 mm and an optimal length of 126 mm, i.e. length equal to three times the pipe diameter, the optimum cone angle ^of 3 40 'and the optimum value in the diaphragm aperture diameter equal to d _x (0,48-0,50) D, is 3 mm Hg, i.e. 400 Pa.

Таким образом, рециркуляция газа обеспечивается самим рабочим процессом вихревой трубы без дополнительных затрат энергии, так как широкий конец конической камеры энергоразделения помимо своего прямого назначения работает и как противоточный вихревой эжектор. Он всасывает через аксиальную сопловую решетку в камеру энергоразделения рециркулирующую часть газа G_р. При этом статическое давление газа на входе в камеру энергоразделения падает, что способствует при постоянных Р₁, Т₁ и μ увеличению скорости истечения и расхода газа через вихревую трубу G₁. При постоянных Р₁ и Т₁ с увеличением μ возрастает периферийное статическое давление горячего потока, эжекционный эффект камеры энергоразделения и, как следствие, увеличиваются G_р и ее коэффициент эжекции n_в=

μ так как при этом величина G₁ несколько падает. Увеличение G_p G_xувеличивает скорость истечения газа через сопла аксиальной сопловой решетки. Кроме того, с увеличением μ, при постоянных значениях Р₁ и Т₁растет давление Р_г и температура горячего потока Т_г, которые оказывают влияние на температуру холодного потока Т_х. В пределе при μ= 1 вихревая труба работает как дроссельное устройство с наличием эффекта Джоуля-Томсона.Thus, gas recirculation is ensured by the working process of the vortex tube without additional energy costs, since the wide end of the conical energy separation chamber, in addition to its direct purpose, also acts as a countercurrent vortex ejector. It sucks through the axial nozzle grill into the energy separation chamber the recirculating part of the gas G _p . In this case, the static gas pressure at the inlet to the energy separation chamber decreases, which contributes to the constant P ₁ , T ₁ and μ increase the flow rate and gas flow through the vortex tube G ₁ . At constant P ₁ and T ₁ with increasing μ, the peripheral static pressure of the hot stream increases, the ejection effect of the energy separation chamber and, as a result, G _p and its ejection coefficient n _in =

μ since in this case the value of G ₁ decreases somewhat. An increase in G _p G _x increases the rate of gas outflow through the nozzles of the axial nozzle array. In addition, with an increase in μ, at constant values of P ₁ and T ₁ , the pressure P _g and the temperature of the hot stream T _g increase, which affect the temperature of the cold stream T _x . In the limit at μ = 1, the vortex tube acts as a throttle device with the Joule-Thomson effect.

Таким образом, предлагаемая коническая камера энергоразделения работает по двум совмещенным принципам работы отдельных вихревых устройств: противоточного эжектора и противоточной вихревой камеры энергоразделения с тангенциальной и аксиальной сопловыми решетками. В предлагаемой вихревой трубе процесс энергоразделения в камере происходит при одновременном смешении двух потоков газа с разными температурами и практически одинаковыми давлениями. В результате этого сложного процесса полная температура смеси газа на выходе из камеры Т_см практически равна полной температуре газа на ее входе Т₁. Это утверждение вытекает и из уравнений энергий вихревого эжектора Т_см μ Т_х + (1 μ)Т_г и камеры энергоразделения Т₁ μ Т_х + (1 -μ )Т_г, из которых Т_см Т₁, т.е. без учета тепловых потерь в окружающую среду соблюдается закон сохранения энергии. Здесь (1 μ) удельное количество массы газа, поступающего в рабочую нитку газопровода, а Т_см его полная температура. Когда говорится о величине μ, имеется ввиду, что эта величина понимается не по полным температурам потока газа, а как отношение

μ, так как по полным температурам в предлагаемой вихревой трубе ее определить нельзя, ибо Т_г Т₁ или Т_см Т₁ и μ

.Thus, the proposed conical energy separation chamber operates according to two combined principles of operation of individual vortex devices: a countercurrent ejector and a countercurrent vortex energy separation chamber with tangential and axial nozzle arrays. In the proposed vortex tube, the process of energy separation in the chamber occurs with the simultaneous mixing of two gas flows with different temperatures and almost the same pressure. As a result of this complex process, the total temperature of the gas mixture at the outlet of the chamber T _{cm is} almost equal to the total temperature of the gas at its inlet T ₁ . This statement also follows from the equations of energy of the vortex ejector T _cm μ T _x + (1 μ) T _g and the energy separation chamber T ₁ μ T _x + (1-μ) T _g , of which T _cm T ₁ , i.e. excluding heat loss to the environment, the law of conservation of energy is respected. Here (1 μ) is the specific quantity of the mass of gas entering the working thread of the pipeline, and T _{cm is} its full temperature. When talking about the value of μ, it means that this value is understood not by the total temperature of the gas stream, but as the ratio

μ, since it cannot be determined from the full temperatures in the proposed vortex tube, because T _g T ₁ or T _cm T ₁ and μ

.

Вихревой эжекционный эффект, создаваемый горячим концом диффузионной камеры энергоразделения, увеличивает скорость истечения газа из осесимметричных микросопел аксиальной решетки. При истечении одновременно со струями газа образуется целый спектр звуковых колебаний, которые, как известно из физики, представляют собою продольные упругие колебания. Действия этих упругих возмущений, передающихся со скоростью звука, интенсифицируют турбулентность в камере энергоразделения и, как следствие, значительно повышает ее эффективность. Без аксиальной сопловой решетки, как показывают опыты, эффективность процесса энергоразделения резко ухудшается. The vortex ejection effect created by the hot end of the energy separation diffusion chamber increases the rate of gas outflow from axisymmetric axial-array microsopel. Upon expiration, simultaneously with the gas jets, a whole spectrum of sound vibrations is formed, which, as is known from physics, are longitudinal elastic vibrations. The action of these elastic disturbances transmitted at the speed of sound intensifies turbulence in the energy separation chamber and, as a result, significantly increases its efficiency. Without an axial nozzle lattice, experiments show that the efficiency of the energy separation process deteriorates sharply.

Оптимальный диаметр аксиальной сопловой решетки определяется опытным путем и равен D_p (0,94-0,90)D.The optimum diameter of the axial nozzle lattice is determined empirically and is equal to D _p (0.94-0.90) D.

Итак, аксиальная и тангенциальная сопловые решетки, повышающие эффективность процесса энергоразделения газа, являются генераторами большого числа непрерывно действующих механических импульсов, количественно равных числу их микросопел. Thus, axial and tangential nozzle arrays, which increase the efficiency of the gas energy separation process, are generators of a large number of continuously operating mechanical pulses, quantitatively equal to the number of their microsopels.

Для упорядочения перетока холодного газа на выходе из диафрагмы установлен дроссельный клапан, примыкающий к торцу камеры со стороны диафрагмы, с возможностью осевого перемещения и регулировкой, таким образом, перетока оптимального количества рециркулирующего газа в зарешеточное пространство, в котором при отсутствии перетока при Р₁ 2,94˙10⁵ н/м² и μ≥0,4 образуется зона глубокого вакуума. Количество перепускаемого рециркулирующего газа, соответствующее оптимальному коэффициенту эжекции камеры энергоразделения, определяется опытным путем и зависит от величин μ и Р₁. С их ростом дроссельный клапан приоткрывается.To regulate the flow of cold gas at the outlet of the diaphragm, a throttle valve is installed adjacent to the end of the chamber from the side of the diaphragm, with the possibility of axial movement and adjustment, thus, the flow of the optimal amount of recycle gas into the grating space, in which, in the absence of flow at P ₁ 2, 94˙10 ⁵ n / m ² and μ≥0.4 a zone of deep vacuum is formed. The amount of recycled recycle gas corresponding to the optimal ejection coefficient of the energy separation chamber is determined empirically and depends on the values of μ and P ₁ . As they grow, the throttle valve opens slightly.

Из описания конструкции и рабочего процесса предлагаемой вихревой трубы следует, что в ней широко и рационально используется кинетическая энергия вращательного и поступательного движений потоков газа. На входах в камеру энергоразделения имеют место два различных по температурам и назначению потока газа: один, основной, входит тангенциально через кольцевую многоступенчатую турбулизирующую решетку с микросоплами для создания многоструйного вращательного движения газа вокруг ее продольной оси. Микросопла одновременно с подачей газа генерируют акустические колебания. Другой рециркулирующий поток, входит с другого конца камеры аксиально через микросопла аксиальной решетки для создания острого струйного дутья. Этот поток газа, изменяющий характер движения газа в камере энергоразделения, вызывает перестройку полей скоростей, давлений и температур. Особенно значительно снижаются величины тангенциальных скоростей и поэтому раскрутка горячего потока в лопаточном или щелевом диффузорах теряет практический смысл. При взаимодействиях указанных потоков газа и звуковых колебаний в камере энергоразделения происходит их смешение с образованием развитой турбулентности, способствующей повышению эффективности процесса энергоразделения. При этом в камере энергоразделения создается практически постоянное статическое давление газа по радиусу камеры по всей ее длине, которое очень близко по величине к периферийному статическому давлению, т.е. к статическому давлению горячего потока на периферии камеры энергоразделения. Следовательно, в процессе энергоразделения газа статическое давление холодного потока и скорость истечения его из камеры значительно выше, чем в других ранее известных конструкциях вихревых труб. Это обстоятельство, наряду с рекордно большими значениями ΔТ_х Т₁ Т_х значительно повышает эксергетический КПД предлагаемой вихревой трубы.From the description of the design and working process of the proposed vortex tube, it follows that the kinetic energy of the rotational and translational movements of gas flows is widely and rationally used in it. At the entrances to the energy separation chamber, there are two different gas flows in temperature and purpose: one, the main one, enters tangentially through an annular multistage turbulent grating with micro nozzles to create multi-jet rotational movement of gas around its longitudinal axis. Micro nozzles simultaneously with gas supply generate acoustic vibrations. Another recycle stream enters axially from the other end of the chamber through the micro nozzle of the axial grating to create a sharp jet blast. This gas flow, which changes the nature of the gas movement in the energy separation chamber, causes a restructuring of the velocity, pressure and temperature fields. The tangential velocities are especially significantly reduced, and therefore the promotion of the hot flow in the scapular or slot diffusers loses its practical meaning. During the interactions of these gas flows and sound vibrations in the energy separation chamber, they mix with the formation of developed turbulence, which contributes to an increase in the efficiency of the energy separation process. In this case, an almost constant static gas pressure is created in the energy separation chamber along the radius of the chamber along its entire length, which is very close in magnitude to the peripheral static pressure, i.e. to the static pressure of the hot stream at the periphery of the energy separation chamber. Therefore, in the process of gas separation, the static pressure of the cold stream and its outflow rate from the chamber are significantly higher than in other previously known eddy tube designs. This circumstance, along with record-high values of ΔT _x T ₁ T _x significantly increases the exergy efficiency of the proposed vortex tube.

Итак, аксиальная сопловая решетка и эжекционный эффект, создаваемый конической камерой энергоразделения, не только улучшают характеристики вихревой трубы, но и повышают статическое давление газа в процессе энергоразделения и при всех значениях μ и при Р₁ соnst увеличивает расход газа, проходящего через вихревую трубу.Thus, the axial nozzle lattice and the ejection effect created by the conical energy separation chamber not only improve the characteristics of the vortex tube, but also increase the static gas pressure during the energy separation process and, at all values of μ and at Р ₁ const, increases the flow rate of gas passing through the vortex tube.

Исходя из сказанного, предлагаемую камеру энергоразделения практически можно назвать изобарической. Изобарность процесса энергоразделения согласуется и с тем известным в физике фактом, что звуковые волны, т.е. продольные акустические колебания, образующиеся при истечении газа из микросопел аксиальной решетки, распространяются в камере энергоразделения со скоростью звука. Описать при этом механизм процесса преобразования кинетической энергии в тепло в вихревой камере энергоразделения с физической точки зрения пока невозможно. Based on the foregoing, the proposed energy separation chamber can almost be called isobaric. The isobaricity of the energy separation process is consistent with the fact that physics knows that sound waves, i.e. longitudinal acoustic vibrations generated during gas outflow from the microsopel of the axial lattice propagate in the energy separation chamber with the speed of sound. It is not yet possible to describe the mechanism of the process of conversion of kinetic energy into heat in a vortex chamber of energy separation from a physical point of view.

Исследования показывают, что изобарность процесса энергоразделения и эффективность рабочего процесса вихревой трубы, характеризуемая функциями ΔТ_х f( μ) и q_вт φ( μ), зависит при Р₁ соnst от оптимальных геометрических размеров ее основных элементов, главным от угла конусности камеры энергоразделения и величины диаметра отверстия в диафрагме d_x.Studies show that the isobaricity of the energy separation process and the efficiency of the vortex tube working process, characterized by the functions ΔТ _х f (μ) and q _w φ (μ), depends at Р ₁ const on the optimal geometric dimensions of its main elements, mainly on the cone angle of the energy separation chamber and the diameter of the hole in the diaphragm d _x .

Величина давления газа, поступающего в рабочую нитку газопровода, регулируется при Р₁ соnst путем изменения диаметров отверстий в диафрагме камеры энергоразделения d_x и в дроссельном сопле d_г, т.е. путем изменения величины μ, а следовательно, путем изменения давления в камере энергоразделения. Оптимальная величина μи, следовательно n_в, должна изменяться в тех пределах, при которых наблюдается докритический режим истечения газа из микросопел тангенциальной сопловой решетки, позволяющей автоматически регулировать необходимые давление и расход газа у потребителя. Таким образом, эксплуатационный переменный режим работы предлагаемой вихревой трубы зависит от внешней нагрузки рабочей нитки газопровода и определяется опытным путем, так как он зависит от большого количества факторов. С увеличением расхода газа за вихревой трубой происходит падение давления у вихревой трубы, что передается по газовому тракту в камеру энергоразделения и расход газа через микросопла тангенциальной сопловой решетки возрастет, так как сопловой аппарат работает на докритических перепадах давления. С ростом давления за вихревой трубой происходит обратное явление. По этой причине регуляторы давления газа в рабочей нитке газопровода не требуются.The pressure of the gas entering the working thread of the gas pipeline is regulated at P ₁ const by changing the diameters of the holes in the diaphragm of the energy separation chamber d _x and in the throttle nozzle d _g , i.e. by changing the value of μ, and therefore by changing the pressure in the energy separation chamber. The optimal value μ and therefore n _in should vary within the limits at which there is a subcritical regime of gas outflow from the micropopel tangential nozzle lattice, which allows you to automatically adjust the necessary pressure and gas flow at the consumer. Thus, the operational variable mode of operation of the proposed vortex tube depends on the external load of the working thread of the gas pipeline and is determined empirically, since it depends on a large number of factors. With an increase in the gas flow rate behind the vortex tube, a pressure drop occurs at the vortex tube, which is transmitted through the gas path to the energy separation chamber and the gas flow rate through the micro nozzles of the tangential nozzle array will increase, since the nozzle apparatus operates at subcritical pressure drops. With increasing pressure behind the vortex tube, the opposite phenomenon occurs. For this reason, gas pressure regulators in the working thread of the gas pipeline are not required.

В предлагаемом устройстве снижение давления газа происходит в три ступени. Наибольшее снижение по ходу газа происходит в микросоплах тангенциального соплового аппарата. Здесь степень расширения газа определяется величиной μ которая выбирается из расчета того, чтобы обеспечивался докритический режим истечения газа, который, как известно из теории истечения газов из сопел, определяет не только пропускную способность вихревой трубы, т.е. производительность по расходу газа, но и позволяет автоматически без регуляторов давления регулировать величину давления и расхода газа в рабочей нитке газопровода, вплоть до наступления критического режима истечения. In the proposed device, the decrease in gas pressure occurs in three stages. The greatest decrease along the gas occurs in the micro nozzles of the tangential nozzle apparatus. Here, the degree of expansion of the gas is determined by the value of μ, which is selected to ensure a subcritical regime of gas outflow, which, as is known from the theory of gas outflow from nozzles, determines not only the throughput of the vortex tube, i.e. gas flow rate, but also allows you to automatically adjust the pressure and gas flow rate in the working line of the gas pipeline without pressure regulators, up to the onset of a critical expiration mode.

Далее из-за наличия гидравлических и тепловых сопротивлений, незначительное снижение давления газа происходит в камере энергоразделения. Третья ступень снижения давления имеет место в дроссельном сопле на выходе газа из камеры энергоразделения и поступающего в рабочую нитку газопровода, который обладает большим гидравлическим и тепловым сопротивлениями, оказывающими влияние на величину d_г, а следовательно, и на рабочий процесс вихревой трубы, т.е. на величину μ.Further, due to the presence of hydraulic and thermal resistances, a slight decrease in gas pressure occurs in the energy separation chamber. The third stage of pressure reduction takes place in the throttle nozzle at the gas outlet from the energy separation chamber and the gas pipeline entering the working string, which has large hydraulic and thermal resistances that affect the value of d _g and, consequently, the working process of the vortex tube, i.e. . by the value of μ.

Чем выше скорость газа в рабочей нитке газопровода, тем выше гидравлические сопротивления и чем ниже температура газа, тем меньше тепловое сопротивление. The higher the gas velocity in the working thread of the gas pipeline, the higher the hydraulic resistance and the lower the gas temperature, the lower the thermal resistance.

В целях энергозатрат на транспортировку газа и сохранения изоляции рекомендуется, как известно, ограничивать скорость газа в газопроводах до 25 м/с и понижать его температуру ниже 50^оС.In view of energy consumption for the gas transport and store the insulation is recommended, as is known, to limit the velocity of the gas in pipelines up to 25 m / s and lower its temperature below 50 ° ^C.

Является целесообразным без дополнительных затрат энергии понижать температуру газа ниже 50^оС за счет уменьшения его потенциальной энергии. Однако эта задача требует особых конструктивных решений, выходящих за пределы конструкции рассматриваемой установки.It is appropriate without additional energy costs to lower the gas temperature below 50 ^{° C} by reducing its potential energy. However, this task requires special design solutions that go beyond the design of the installation in question.

Таким образом, падение давления газа, поступающего из камеры энергоразделения в рабочую нитку газопровода, идущего к потребителю, происходит через изменение характера процесса энергоразделения газа в вихревой камере. Иными словами, падение давления в вихревой камере с сохранением начальной температуры газа на ее выходе, объясняется затратой энергии на температурное разделение газа и на эжекцию холодного потока, идущего на регенерацию тепла. Сам процесс энергоразделения является как бы изотермическим редуктором давления с переменной степенью редукции, т.е. с переменной величиной μ. Эта возможность является важным свойством процесса энергоразделения, что делает предлагаемую вихревую трубу, работающую в режиме вихревого дросселирования газа, незаменимым изотермическим газовым дросселем, резко отличающимся от общеизвестного неизотермического дросселя, в котором имеет место эффект Джоуля-Томсона. Thus, the pressure drop of the gas coming from the energy separation chamber into the working thread of the gas pipeline going to the consumer occurs through a change in the nature of the gas separation process in the vortex chamber. In other words, the pressure drop in the vortex chamber while maintaining the initial temperature of the gas at its outlet is explained by the expenditure of energy on the temperature separation of the gas and on the ejection of the cold stream going to heat recovery. The process of energy separation itself is like an isothermal pressure reducer with a variable degree of reduction, i.e. with variable μ. This feature is an important property of the energy separation process, which makes the proposed vortex tube operating in the vortex gas throttling mode an indispensable isothermal gas choke, which differs sharply from the well-known non-isothermal choke, in which the Joule-Thomson effect takes place.

На предельных режимах работы вихревой трубы, когда μ= 0 или μ 1, труба работает как обычный простой дроссель с проявлением эффекта Джоуля-Томсона и температура газа изменяется в первом случае за счет дросселирования в сопле с диаметром отверстия d_г (см. фиг. 1), а во втором случае в диафрагме с диаметром отверстия d_x и выходом газа в атмосферу. На этих предельных режимах работы трубы без процессов энергоразделения невозможно регулировать давления и температуры газа на ее выходах.At the extreme operating conditions of the vortex tube, when μ = 0 or μ 1, the pipe works like a regular simple choke with a Joule-Thomson effect and the gas temperature changes in the first case due to throttling in the nozzle with a hole diameter d _g (see Fig. 1 ), and in the second case, in a diaphragm with a hole diameter d _x and a gas outlet to the atmosphere. At these extreme operating modes of the pipe, it is impossible to control the pressure and temperature of the gas at its outlets without energy separation processes.

Как следует из описания, предлагаемую вихревую трубу, работающую по новейшему прогрессивному технологическому процессу энергоразделения газа, можно назвать вихревой трубой с внутренней регенерацией тепла. В такой вихревой трубе процесс энергоразделения газа протекает одновременно с процессом турбулизации рабочего тела в камере энергоразделения газа. Эти новейшие технологические и конструктивные признаки, в которых заложены новые физические принципы процесса энергоразделения газа, представляют собой новую ветвь вихревого машиностроения. As follows from the description, the proposed vortex tube, working according to the latest progressive technological process of energy separation of gas, can be called a vortex tube with internal heat recovery. In such a vortex tube, the process of energy separation of gas proceeds simultaneously with the process of turbulization of the working fluid in the chamber of energy separation of gas. These latest technological and design features, which embody the new physical principles of the gas separation process, represent a new branch of vortex engineering.

Испытание адиабатно-изотермической вихревой трубы указанных выше размеров показывает, что при давлении воздуха на входе в трубу Р₁ 4,9˙10⁵ н/м² и температуре Т₁ 292К, температура воздуха на выходе из трубы 291,6К. Незначительное отклонение в величинах температур воздуха на входе в трубу и на ее выходе свидетельствует о несовершенстве ее тепловой изоляции и поэтому не противоречит закону сохранения энергии. Таким образом, предлагаемая вихревая труба может работать в режиме адиабатно-изотермического дросселирования газа. Она работает на докритических режимах истечения газа из сопел тангенциального соплового аппарата. Поэтому регуляторы давления газа в газопроводах не нужны. Она сама регулирует давление и расход газа, поступающего в рабочую нитку газопровода.Testing of the adiabatic-isothermal vortex tube of the above dimensions shows that when the air pressure at the inlet to the pipe R _{1 is} 4.9˙10 ⁵ n / m ² and the temperature is T ₁ 292K, the air temperature at the outlet of the pipe is 291.6K. A slight deviation in the values of air temperatures at the inlet to the pipe and at its outlet indicates the imperfection of its thermal insulation and therefore does not contradict the law of conservation of energy. Thus, the proposed vortex tube can operate in adiabatic isothermal gas throttling mode. It operates on subcritical regimes of gas outflow from the nozzles of the tangential nozzle apparatus. Therefore, gas pressure regulators in gas pipelines are not needed. She herself regulates the pressure and flow rate of gas entering the working thread of the pipeline.

В заключении заметим, что если отводить некоторую долю холодного газа помимо регенерации через патрубок 20 на какие-либо производственные нужды, то предлагаемая вихревая труба будет работать не в режиме изотермического дросселирования газа, а в своем обычном режиме с выдачей холодного и горячего потоков газа необходимых параметров, т.е. будет работать в режиме адиабатической вихревой трубы. Температуры и давления этих потоков будут зависеть при Р₁ соnst от величины μ. С ростом μ температура и давление горячего потока будет возрастать, а ΔТ_хТ₁ Т_х будет уменьшаться.In conclusion, we note that if a certain proportion of cold gas is diverted in addition to regeneration through pipe 20 for any production needs, the proposed vortex tube will not work in the isothermal throttling mode of the gas, but in its usual mode with the delivery of cold and hot gas flows of the necessary parameters , i.e. will work in adiabatic vortex tube mode. The temperatures and pressures of these flows will depend at P ₁ const on the value of μ. As μ increases, the temperature and pressure of the hot stream will increase, and ΔT _x T ₁ T _x will decrease.

Изобретение расширяет область рационального применения вихревой трубы, работающей на воздухе, и делает ее более универсальной. The invention expands the field of rational use of a vortex tube working in air, and makes it more universal.

Claims

1. Vortex tube containing a conical chamber for energy separation of gas with a single nozzle inlet of compressed gas, a diaphragm with axial and helical diffusers for the removal of the cold stream, a blade diffuser for the output of the hot stream and an aerodynamic grid installed at the end that overlaps the cross section of the hot end of the vortex energy separation chamber, characterized in that the pipe further comprises a throttle valve at the outlet of the cold stream to ensure dosing, depending on the operating mode of the pipe, about the amount of cooled recycle gas in its axial region, and the valve is mounted with the possibility of axial movement and its working surface facing the diaphragm.

2. The pipe according to claim 1, characterized in that, in order to increase efficiency, nozzle nozzles are made in its walls in the form of several rows of channels directed tangentially to the inner profiled surface of the gas energy separation chamber.

3. The pipe according to claims 1 and 2, characterized in that, in order to divert the optimum amount of cold flow from the throttle valve to the axial nozzle lattice, it is equipped with an external pipe.