RU2202744C2 - Vortex tube - Google Patents
Vortex tube Download PDFInfo
- Publication number
- RU2202744C2 RU2202744C2 RU2001115628A RU2001115628A RU2202744C2 RU 2202744 C2 RU2202744 C2 RU 2202744C2 RU 2001115628 A RU2001115628 A RU 2001115628A RU 2001115628 A RU2001115628 A RU 2001115628A RU 2202744 C2 RU2202744 C2 RU 2202744C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- chamber
- gas
- vortex tube
- hot stream
- ejector
- Prior art date
Links
Abstract
Description
Предлагаемая вихревая труба относится, преимущественно, к области гидропневмоавтоматики и может быть использована в нефтяной, химической и газовой отраслях промышленности, например, для регулирования давления природного газа на выходе газораспределительной станции (ГРС). The proposed vortex tube relates mainly to the field of hydropneumatic automation and can be used in the oil, chemical and gas industries, for example, to control the pressure of natural gas at the outlet of a gas distribution station (GDS).
Известна вихревая труба, которая не только генерирует холод (тепло), но одновременно при плавно изменяемой геометрии соплового ввода может быть использована как регулятор давления, например, на газораспределительной станции (см. статью В. В. Николаева и др. "Опыт эксплуатации регулируемой вихревой трубы на газораспределительной станции", в журнале "Газовая промышленность", 10, 1995 г., с.13). A vortex tube is known that not only generates cold (heat), but at the same time with a continuously variable nozzle entry geometry, it can be used as a pressure regulator, for example, at a gas distribution station (see the article by V.V. Nikolaev and others. "Operating experience of an adjustable vortex pipes at a gas distribution station ", in the journal Gas Industry, 10, 1995, p.13).
Известная вихревая труба содержит камеру энергетического разделения и диафрагму, между которыми размещен сопловой ввод с регулируемым сопловым сечением. В этой вихревой трубе сопловой ввод выполнен в виде прямоугольной улитки, построенной по спирали Архимеда, при этом сечение соплового ввода регулируется изменением высоты улитки за счет перемещения подвижного клина. Known vortex tube contains an energy separation chamber and a diaphragm, between which there is a nozzle inlet with an adjustable nozzle section. In this vortex tube, the nozzle inlet is made in the form of a rectangular snail constructed in a spiral of Archimedes, while the nozzle inlet section is controlled by changing the height of the cochlea by moving the movable wedge.
Недостатком трубы является сложность изготовления узла регулирования из-за наличия пар трения прямоугольного профиля, сопрягаемых с высокой точностью. Кроме того, это чревато эрозией, в основном, боковых деталей сопла по линиям вершин прямых углов, что приводит в процессе эксплуатации к негерметичности посадочных мест и, как следствие, - к перетечкам газа, искажению расчетной картины течения газа и, в итоге, - к снижению эксплуатационной надежности и эффективности процесса энергоразделения. Следует отметить также, что эта вихревая труба имеет ограниченные возможности по использованию эффекта Ранка-Хилша, как-то: очистка природного газа на ГРС от конденсата. The disadvantage of the pipe is the difficulty of manufacturing the control unit due to the presence of friction pairs of a rectangular profile, mated with high accuracy. In addition, this is fraught with erosion, mainly of the side parts of the nozzle along the lines of vertices of right angles, which leads to leakage of seats during operation and, as a result, to gas leakage, distortion of the calculated picture of the gas flow and, as a result, to reduce operational reliability and efficiency of the energy separation process. It should also be noted that this vortex tube has limited possibilities for using the Rank-Hills effect, such as: purification of natural gas from gas condensate from condensate.
Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является трехпоточная вихревая труба (ТВТ), которая может быть использована не только для обеспечения устойчивой работы узла редуцирования в зимний период времени (уровень температур горячего потока 50-60oС) и очистки природного газа на ГРС от конденсата, но и для низкотемпературной сепараций природных газов (см. статью Р.М. Исхакова и др. "Применение ТВТ для конденсации тяжелых углеводородов из попутного газа" в журнале "Газовая промышленность", 7, 1998 г., с.42).The closest technical solution, selected as a prototype, is a three-stream vortex tube (TWT), which can be used not only to ensure stable operation of the reduction unit in the winter period of time (temperature level of a hot stream of 50-60 o C) and purification of natural gas GDS from condensate, but also for low-temperature separation of natural gases (see the article by R.M. Iskhakov et al. "The use of TWT for condensation of heavy hydrocarbons from associated gas" in the journal "Gas Industry", 7, 1998, p. 42 )
В указанной ТВТ происходит сепарация конденсата, попадающего с исходным потоком и образующегося непосредственно в приосевой зоне полости камеры энергетического разделения при низкой температуре. ТВТ представляет собой цилиндрическую конструкцию, имеющую один вход и три выхода: два для газа (холодный и горячий потоки) и один для жидкости (газовый конденсат). Она включает тангециальный сопловой ввод, диафрагму, устройство для регулирования площади сопла и кольцевой конденсатосборник с патрубком для вывода жидкости. Площадь соплового ввода ТВТ регулируется (как и в вышеуказанном аналоге) изменением высоты прямоугольной улитки за счет перемещения подвижного клина. В связи с этим недостатком прототипа является невысокая эксплуатационная стойкость устройства регулирования сечения соплового ввода. Кроме того, не решена задача одновременного и пропорционального изменения проходных сечений отвода горячего и соплового ввода исходного потоков. Это обстоятельство приводит к изменению соотношения расходов горячего и холодного потоков через камеру энергетического разделения относительно оптимальной величины, что снижает надежность работы узла редуцирования в зимний период времени. In the specified TWT, condensate is separated, which enters with the initial stream and is formed directly in the axial zone of the cavity of the energy separation chamber at low temperature. A TWT is a cylindrical structure with one inlet and three outlets: two for gas (cold and hot flows) and one for liquid (gas condensate). It includes a tangential nozzle inlet, a diaphragm, a device for regulating the area of the nozzle and an annular condensate collector with a nozzle for liquid outlet. The area of the TBT nozzle input is regulated (as in the above analogue) by changing the height of the rectangular cochlea due to the movement of the moving wedge. In connection with this disadvantage of the prototype is the low operational stability of the device for regulating the cross section of the nozzle input. In addition, the problem of simultaneous and proportional changes in the bore sections of the outlet of the hot and nozzle input of the initial flows has not been solved. This circumstance leads to a change in the ratio of the flow rates of hot and cold flows through the energy separation chamber relative to the optimal value, which reduces the reliability of the reduction unit in the winter period of time.
Цель предлагаемого изобретения является повышение эксплуатационной надежности и расширение области применения вихревой трубы при сохранении высокой эффективности очистки газа от конденсата в широком диапазоне нагрузок. The purpose of the invention is to increase operational reliability and expand the scope of the vortex tube while maintaining high efficiency of gas purification from condensate in a wide range of loads.
Эта цель достигается тем, что вихревая труба, содержащая наружный цилиндрический корпус, соосную с ним камеру энергетического разделения, диафрагму и расположенный между ней и камерой узел регулирования сечения тангенциального соплового ввода, отличается тем, что узел регулирования выполнен в виде продольно перемещаемого сервоприводом золотника, размещенного на входе соплового ввода сжатого газа в камеру. На выходе из камеры расположен патрубок отвода горячего потока, имеющий тот же диаметр, что и камера, и образующий с ее концом кольцевую щель для вывода конденсата посредством охватывающей щель радиальной улитки. Причем кромки камеры и патрубка отвода выполнены под острым углом к направлению горячего потока, при этом за кольцевой щелью после турбулизатора труба отвода горячего потока своим выходом подключена к входу утилизирующего вихревого эжектора, установленного непосредственно за диафрагмой на холодном конце вихревой трубы. При этом эжектор и сопловой ввод выполнены одинаковыми и снабжены общим золотником, причем в качестве сервопривода может быть применен исполнительный механизм, подключенный к пилоту управления-усилителю с отбором горячего потока перед утилизирующим эжектором. This goal is achieved in that the vortex tube containing an outer cylindrical body, an energy separation chamber coaxial with it, a diaphragm, and a tangential nozzle input section control unit located between it and the camera, is characterized in that the control unit is made in the form of a spool longitudinally moved by a servo-drive located at the inlet of the nozzle inlet of compressed gas into the chamber. At the outlet of the chamber there is a branch pipe for removing the hot stream, having the same diameter as the chamber, and forming with its end an annular gap for condensate discharge through the radial cochlea enclosing the gap. Moreover, the edges of the chamber and the branch pipe are made at an acute angle to the direction of the hot stream, while behind the annular gap after the turbulator the hot stream pipe is connected with its output to the input of the utilizing vortex ejector installed directly behind the diaphragm at the cold end of the vortex tube. In this case, the ejector and nozzle inlet are made identical and equipped with a common spool, and as an actuator, an actuator connected to the pilot-control amplifier with hot flow selection in front of the utilizing ejector can be used.
На чертеже показан общий вид вихревой трубы в виде продольного разреза В-В с тремя необходимыми поперечными А-А (дважды), Б-Б в полностью открытом "левом" положении. The drawing shows a General view of the vortex tube in the form of a longitudinal section bb with three necessary transverse aa (twice), bb in the fully open "left" position.
Вихревая труба содержит наружный цилиндрический корпус 1, соосно с ним камеру 2 энергетического разделения, диафрагму 3 и расположенный между ней и камерой 2 узел регулирования сечения тангенциального соплового ввода 4. При этом узел регулирования выполнен в виде продольно перемещаемого сервоприводом золотника 5, размещенного на входе соплового ввода 4 сжатого газа в камеру 2. На выходе из камеры расположен патрубок 6 отвода горячего потока, имеющий тот же диаметр, что и камера, и образующий с ее концом кольцевую щель 7 для вывода конденсата посредством охватывающей щель 7 радиальной улиткой 8. Причем кромки камеры 2 и патрубка 6 выполнены под острым углом к направлению горячего потока, при этом за щелью 7 после турбулизатора 9 труба 10 отвода горячего потока (на чертеже труба 10 показана условно пунктирной линией) своим выходом подключена к входу 11 утилизирующего вихревого эжектора 12, установленного непосредственно за диафрагмой 3 на холодном конце вихревой трубы. Эжектор 12 и сопловой ввод 4 выполнены одинаковыми и снабжены общим золотником 5, причем в качестве сервопривода может быть применен исполнительный механизм, подключенный к пилоту управления-усилителю с отбором горячего потока перед утилизирующим эжектором 12. The vortex tube contains an outer cylindrical body 1, an energy separation chamber 2 coaxial with it, a diaphragm 3, and a section for regulating the cross section of the tangential nozzle inlet 4 located between it and the chamber 2. In this case, the control unit is made in the form of a spool 5 longitudinally moved by a servo-drive located at the nozzle inlet input 4 of compressed gas into the chamber 2. At the outlet of the chamber there is a nozzle 6 of the outlet of the hot stream having the same diameter as the chamber, and forming with its end an annular gap 7 for condensate outlet p by means of a radial cochle 8 enclosing the slit 7, and the edges of the chamber 2 and the pipe 6 are made at an acute angle to the direction of the hot flow, while behind the slit 7 after the turbulator 9 the hot flow removal pipe 10 (in the drawing, the pipe 10 is conditionally shown by a dashed line) is connected by its output to the input 11 of the utilizing vortex ejector 12 mounted directly behind the diaphragm 3 at the cold end of the vortex tube. The ejector 12 and the nozzle inlet 4 are made the same and are equipped with a common spool 5, and as an actuator, an actuator connected to the pilot-control amplifier with hot flow selection in front of the utilizing ejector 12 can be used.
Вихревая труба работает следующим образом. При втекании сжатого газа через сопловой ввод 4 в камеру 2 образуется интенсивный круговой поток, приосевые слои которого охлаждаются и отводятся через отверстие диафрагмы 3 в виде холодного потока, а периферийные слои подогреваются и вытекают через турболизатор 9 в виде горячего потока в утилизирующий вихревой эжектор 12. При этом горячий поток, омывая стенку диафрагмы 3, подогревает ее за счет теплопроводности и предотвращает обмерзание ее входных кромок. В результате однонаправленного движения обоих соединяемых потоков в отводящем трубопроводе формируется суммарный поступательно-вращательный поток, содержащий горячие наружные слои и холодные внутренние. Vortex tube works as follows. When the compressed gas flows through the nozzle inlet 4 into the chamber 2, an intense circular flow is formed, the axial layers of which are cooled and discharged through the orifice of the diaphragm 3 in the form of a cold stream, and the peripheral layers are heated and flow out through the turbolizer 9 in the form of a hot stream into the utilizing vortex ejector 12. In this case, the hot stream, washing the wall of the diaphragm 3, heats it due to thermal conductivity and prevents freezing of its inlet edges. As a result of the unidirectional movement of both connected flows in the outlet pipe, a total translational-rotational flow is formed containing hot outer layers and cold inner ones.
В сечении соплового ввода 4 в камере 2 расширение газа является изэнтальпийным. Газ имеет температуру, аналогичную температуре в системе Джоуля-Томсона. Это значит, что даже плохо работающая вихревая труба по своим характеристикам всегда сможет соперничать с системой Джоуля-Томсона. При этом нагретые периферийные слои газа, подогревая стенку камеры 2 и далее (за счет т. н. "растечки" тепла за счет теплопроводности) - узел регулирования, предотвращают возможное обмерзание его рабочих поверхностей в процессе дросселирования. In the section of the nozzle inlet 4 in the chamber 2, the gas expansion is isentalpic. The gas has a temperature similar to that in the Joule-Thomson system. This means that even a poorly working vortex tube in its characteristics can always compete with the Joule-Thomson system. At the same time, the heated peripheral layers of gas, heating the wall of the chamber 2 and beyond (due to the so-called “leakage” of heat due to thermal conductivity) —the control unit — prevent possible freezing of its working surfaces during the throttling process.
Конденсат, образующийся в приосевой зоне из-за понижения температуры, отбрасывается на стенку камеры 2, где центробежная сила значительно больше, чем в большинстве устройств сепарации, и даже очень мелкие (микронного порядка) частицы отбрасываются на стенку камеры 2 и через кольцевую щель 7, и радиальную улитку 8 отводятся в емкость-сепаратор (на чертеже не показано). При непрерывном движении газа вдоль оси камеры 2 образуется все возрастающий градиент между внешним кольцевым и внутренним потоками. В результате работы сдвига в системе температура газа в приосевой зоне опускается ниже температуры процесса Джоуля-Томсона. Это падение температуры вызывает дополнительную конденсацию, что позволяет увеличить эффективность процесса сепарации в целом. Таким образом, удается даже без предварительного подогрева избавится от нежелательного конденсата, который может нарушить нормальное функционирование узла учета газа и регулирующей пары узла регулирования вихревой трубы. Condensate formed in the near-axis zone due to a decrease in temperature is discharged to the wall of chamber 2, where the centrifugal force is much greater than in most separation devices, and even very small (micron-sized) particles are discharged to the wall of chamber 2 and through the annular gap 7, and the radial scroll 8 is discharged into a separator tank (not shown in the drawing). With the continuous movement of gas along the axis of the chamber 2, an ever-increasing gradient is formed between the external annular and internal flows. As a result of the shear in the system, the gas temperature in the axial zone falls below the temperature of the Joule-Thomson process. This temperature drop causes additional condensation, which allows to increase the efficiency of the separation process as a whole. Thus, it is possible even without preheating to get rid of unwanted condensate, which can interfere with the normal functioning of the gas metering unit and the control pair of the vortex tube control unit.
В качестве сервопривода может быть применен упомянутый выше исполнительный механизм, например поршневого типа, подключенный к пилоту управления-усилителю с отбором горячего потока перед утилизирующим эжектором. В связи с этим отпадает необходимость в системе подготовки импульсного газа на ГРС, что значительно повышает надежность работы предлагаемого устройства и ГРС в целом. As a servo drive, the aforementioned actuator, for example a piston type, connected to a pilot-control amplifier with hot flow selection in front of a utilizing ejector can be used. In this regard, there is no need for a pulsed gas preparation system for GDS, which significantly increases the reliability of the proposed device and GDS as a whole.
Кроме того, решена задача одновременного и пропорционального изменения проходных сечений отвода горячего (через утилизирующий эжектор) и соплового ввода исходного потоков. Это обстоятельство позволяет "удержать" оптимальное соотношение горячего и холодного потоков через камеру энергетического разделения в широком диапазоне нагрузок. In addition, the problem of simultaneous and proportional change in the flow cross sections of the hot outlet (through a utilizing ejector) and nozzle input of the initial flows was solved. This circumstance allows you to "keep" the optimal ratio of hot and cold flows through the energy separation chamber in a wide range of loads.
Таким образом, резюмируя вышесказанное, можно утверждать о возможности использования предложенной вихревой трубы в следующих технологических схемах:
- получение тепла для обеспечения надежной и устойчивой работы узла редуцирования в зимний период времени или при значительных (например, до 50) степенях дросселирования (уровень температур горячего потока 50-60oС);
- очистка природного газа на ГРС от конденсата (углеводорода С6 +) со степенью очистки до 90-95%;
- низкотемпературная сепарация природного газа (с увеличением выхода газового конденсата на 10-15% по сравнению с обычным дросселированием);
- осушка воздуха и других газов и газовых смесей (точка росы от +5 до - 70oС);
- генерация холода (тепла) на любом газe или газовой смеси при имеющемся перепаде давления с их дальнейшим использованием по усмотрению заказчика.Thus, summarizing the above, it can be argued about the possibility of using the proposed vortex tube in the following technological schemes:
- heat production to ensure reliable and stable operation of the reduction unit in the winter period of time or at significant (for example, up to 50) degrees of throttling (the temperature level of the hot stream is 50-60 o С);
- purification of natural gas from gas condensate from condensate (C 6 + hydrocarbon) with a degree of purification up to 90-95%;
- low-temperature separation of natural gas (with an increase in the yield of gas condensate by 10-15% compared with conventional throttling);
- drying of air and other gases and gas mixtures (dew point from +5 to - 70 o C);
- generation of cold (heat) on any gas or gas mixture at the existing pressure drop with their further use at the discretion of the customer.
Таким образом, при использовании в вихревой трубе узла регулирования, выполненного в виде продольно перемещаемого сервоприводом золотника, размещенного на входе соплового ввода сжатого газа в камеру, на выходе которой расположен патрубок отвода горячего потока, имеющий тот же диаметр, что и камера и образующий с ее концом кольцевую щель для отвода конденсата посредством охватывающей щель радиальной улитки, причем кромки камеры и патрубка отвода выполнены под острым углом к направлению горячего потока, при этом за щелью после турбулизатора труба отвода горячего потока своим выходом подключена к входу утилизирующего вихревого эжектора, установленного непосредственно за диафрагмой на холодном конце вихревой трубы, достигается главная цель предлагаемого изобретения: повышение эксплуатационной надежности и расширение области применения вихревой трубы при сохранении высокой эффективности очистки газа от конденсата в широком диапазоне нагрузок. Thus, when using a control unit in a vortex tube made in the form of a spool longitudinally moved by a servo-drive, located at the inlet of the nozzle inlet of compressed gas into the chamber, at the outlet of which there is a branch pipe for exhausting a hot stream having the same diameter as the chamber and forming with it the end of the annular gap for condensate drain by means of a radial cochlea enclosing the gap, the edges of the chamber and the branch pipe being made at an acute angle to the direction of the hot flow, while behind the gap after the turbulizate The ora pipe of the outlet of the hot stream is connected with its output to the input of the utilizing vortex ejector installed directly behind the diaphragm at the cold end of the vortex tube, the main goal of the invention is achieved: to increase operational reliability and expand the scope of the vortex tube while maintaining high efficiency of gas condensate cleaning in a wide range loads.
Claims (2)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2001115628A RU2202744C2 (en) | 2001-06-06 | 2001-06-06 | Vortex tube |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2001115628A RU2202744C2 (en) | 2001-06-06 | 2001-06-06 | Vortex tube |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2001115628A RU2001115628A (en) | 2003-03-10 |
| RU2202744C2 true RU2202744C2 (en) | 2003-04-20 |
Family
ID=20250511
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2001115628A RU2202744C2 (en) | 2001-06-06 | 2001-06-06 | Vortex tube |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2202744C2 (en) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2476784C2 (en) * | 2011-02-07 | 2013-02-27 | Андрей Владимирович Ченцов | Vortex plant for gas separation |
| CN102967076A (en) * | 2012-12-25 | 2013-03-13 | 张春堂 | Vortex tube refrigerator |
| RU2586232C2 (en) * | 2014-10-07 | 2016-06-10 | Вячеслав Александрович Смирнов | Method for vortex gas pressure reduction |
| CN112430188A (en) * | 2020-12-04 | 2021-03-02 | 西安联众安科化工有限公司 | Method for preparing isopropyl aniline by novel hydrogenation technology |
-
2001
- 2001-06-06 RU RU2001115628A patent/RU2202744C2/en active
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| ИСХАКОВ P.M. и др. Применение ТВТ для конденсации тяжелых углеводородов из попутного газа. Газовая промышленность. - 1998, № 7, с.42. * |
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2476784C2 (en) * | 2011-02-07 | 2013-02-27 | Андрей Владимирович Ченцов | Vortex plant for gas separation |
| CN102967076A (en) * | 2012-12-25 | 2013-03-13 | 张春堂 | Vortex tube refrigerator |
| CN102967076B (en) * | 2012-12-25 | 2015-01-21 | 鞍山天泩科技有限公司 | Vortex tube refrigerator |
| RU2586232C2 (en) * | 2014-10-07 | 2016-06-10 | Вячеслав Александрович Смирнов | Method for vortex gas pressure reduction |
| CN112430188A (en) * | 2020-12-04 | 2021-03-02 | 西安联众安科化工有限公司 | Method for preparing isopropyl aniline by novel hydrogenation technology |
| CN112430188B (en) * | 2020-12-04 | 2023-07-28 | 西安联众安科化工有限公司 | Novel method for preparing isopropyl aniline by hydrogenation technology |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Dincer et al. | Experimental investigation of the performance of a Ranque–Hilsch vortex tube with regard to a plug located at the hot outlet | |
| Wu et al. | Modification and experimental research on vortex tube | |
| PT1269025E (en) | Thermo-kinetic compressor | |
| US20050268973A1 (en) | Steam valve | |
| GB2260578A (en) | Heat transfer between fuel and air in supersonic jet engine | |
| RU2202744C2 (en) | Vortex tube | |
| WO1991005194A1 (en) | Constant flow rate valve | |
| US6494935B2 (en) | Vortex generator | |
| US3844744A (en) | System for discharging flue gases | |
| US4164962A (en) | Control valve for parallel flows | |
| RU2232359C2 (en) | Vortex tube | |
| RU2170891C1 (en) | Vortex tube | |
| EP0945678B1 (en) | Low NOx burner for liquid and gaseous fuels | |
| RU2282885C1 (en) | Vortex adjuster of gas pressure | |
| RU2737214C1 (en) | Thermoacoustic pressure regulator | |
| US4553925A (en) | Flow distribution header system | |
| Rejin et al. | Experimental analysis on vortex tube refrigerator using different conical valve angles | |
| RU2617856C1 (en) | Temperature-stabilizing pressure regulator | |
| JPS61500630A (en) | Boiler fluid recirculation device | |
| SU807000A1 (en) | Vortex pipe | |
| RU2237918C1 (en) | Pressure regulator | |
| RU2001124690A (en) | Vortex tube | |
| SU742662A1 (en) | Adjustable throttle | |
| RU2333422C2 (en) | Vortex burner | |
| RU2667057C1 (en) | Wide-flow pressure regulator |