способ нагнетания жидкости пульсационным аппаратом и пульсационный аппарат для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ нагнетания жидкости пульсационным аппаратом, включающий поочередное ударное заполнение полузамкнутых емкостей подаваемым из сопл газом при повышенном давлении и последующий выпуск газа из емкостей в расширительную камеру с созданием разрежения в полузамкнутых емкостях, отличающийся тем, что в процессе разрежения в полузамкнутые емкости всасывается жидкость, а при ударном заполнении емкостей газом жидкость вытесняется из них.

2. Пульсационный аппарат для нагнетания жидкости, содержащий корпус с подводящим и отводящим газ патрубками, коаксиальное газораспределительное устройство с соплами, сообщающееся с подводящим патрубком, и полузамкнутые емкости, закрепленные открытыми концами внутри корпуса, отличающийся тем, что аппарат снабжен камерами с патрубками для высоконапорной и низконапорной жидкостей, а каждая полузамкнутая емкость снабжена двумя клапанами, размещенными на заглушенном конце, один из которых подключен к камере с низконапорной жидкостью, а другой к камере с высоконапорной жидкостью.

3. Аппарат по п. 2, отличающийся тем, что клапаны каждой полузамкнутой емкости выполнены в виде вихревых элементов, имеющих тангенциальный и радиальный каналы, при этом один из вихревых элементов подключен радиальным каналом к камере с низконапорной жидкостью, а тангенциальным каналом к полузамкнутой емкости, другой вихревой элемент подключен радиальным каналом к полузамкнутой емкости, а тангенциальным каналом к камере с высоконапорной жидкостью.

4. Аппарат по пп. 2 и 3, отличающийся тем, что каждая полузамкнутая емкость снабжена сильфоном или гибкой мембраной, разделяющими полузамкнутую емкость на две части, одна из которых подключена к полости корпуса, а другая через клапаны к камерам с низконапорной и высоконапорной жидкостями.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к струйной технике и может быть использовано для получения холода в установках сбора, подготовки и переработки углеводородных газов.

Известен способ охлаждения газа в пульсационном аппарате (см. а.с. СССР N 624071, кл.F 28 B 9/00, 1978 г.), включающий спонтанное ударное заполнение полузамкнутых емкостей исходным газом, отвод от полузамкнутых емкостей тепла, выделяемого газом при их ударном заполнении, и последующий сброс из них газа в расширительную камеру с получением холодильного эффекта и разрежения в полузамкнутых емкостях.

Известен пульсационный аппарат (см. а.с. СССР N 624071, кл. F 28 B 9/00, 1978 г.), для осуществления выше описанного способа охлаждения газа, содержащий несколько полузамкнутых емкостей, расположенных в одной плоскости, газораспределительное устройство с соплом, размещенным в плоскости полузамкнутых емкостей, и расширительную камеру, сообщающуюся с газораспределительным устройством, полузамкнутыми емкостями и патрубками, отводящими газ.

Недостатком описанного способа охлаждения газа в данном аппарате является спонтанное ударное заполнение исходным газом полузамкнутых емкостей. Из-за спонтанного заполнения исходным газом некоторые из полузамкнутых емкостей оказываются недогруженными по газу, сжатие последнего в них происходит неэффективно. При этом из газа выделяется, а следовательно, и отводится малое количество тепла, общая энтальпия газа остается высокой, и при расширении газа от давления с получением холодильного эффекта не производится никакой внешней работы, что обуславливает узкую область применения данного способа и аппарата для его осуществления в установках сбора, подготовки и переработки углеводородных газов, которая ограничивается только получением холода.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу является способ охлаждения газа в пульсационном аппарате (см. а.с. N 1020723, кл. F 25 B 9/00, 1983 г.), включающий поочередное заполнение полузамкнутых емкостей исходным газом, подаваемым из сопла, и последующий сброс газа из полузамкнутых емкостей в расширительную камеру с получением холодильного эффекта и разрежения в полузамкнутых емкостях.

Наиболее близким по достигаемому результату и по технической сущности к заявляемому решению является пульсационный аппарат (см. а.с. СССР N 1020273, кл. F 25 B 9/00, 1983 г.) для осуществления охлаждения газа по описанному способу, содержащий корпус с подводящим и отводящим газ патрубками и полузамкнутыми емкостями, выходящими открытыми концами внутрь корпуса, а также установленное внутри корпуса с возможностью вращения и сообщающееся с подводящим газ патрубком газораспределительное устройство с соплом, а также расширительную камеру. При организованном поочередном ударном заполнении исходным газом полузамкнутой емкости оказываются равномерно загруженными по газу, сжатие газа в полузамкнутых емкостях происходит более эффективно, чем при спонтанном заполнении газом полузамкнутых емкостей. При этом выделяется, и соответственно, отводится большее количество тепла, уменьшается общая энтальпия газа, и при расширении последнего получается более высокой холодильный эффект.

Недостатком описанного способа охлаждения газа является не полное использование энергии, возникающей при ударном заполнении емкостей, что приводит к снижению эффективности процесса и обуславливает узкую область применения данного способа и аппарата для его осуществления в установках сбора, подготовки и переработки углеводородных газов, которая ограничивается только получением холода.

Целью настоящего изобретения является повышение эффективности и расширение функциональных возможностей за счет более полного использования энергии, выделяющейся при ударном заполнении полузамкнутых емкостях и последующем сбросе газа в расширительную камеру, подачу жидкости при сбросе газа и отбор при ударном заполнении.

Указанная цель достигается тем, что в способе нагнетания жидкости пульсационным аппаратом, включающем поочередное ударное заполнение полузамкнутых емкостей исходным газом, подаваемым из сопел, при сбросе газа в расширительную камеру осуществляют подачу жидкости в полузамкнутые емкости с последующим ее отбором при ударном заполнении. В полузамкнутые емкости жидкость подают путем ее всасывания под действием разрежения, а ударным заполнением полузамкнутых емкостей повышают давление жидкости и вытесняют ее из полузамкнутых емкостей.

Пульсационный аппарат для нагнетания жидкости, содержащий корпус с подводящим и отводящим газ патрубками и полузамкнутыми емкостями, закрепленными открытыми концами внутри корпуса и сообщающиеся с подводящим газ патрубком коаксиальное газораспределительное устройство с соплами и расширительную камеру, дополнительно снабжен камерами с патрубками для низконапорной и высоконапорной жидкостей, глухой конец каждой полузамкнутой емкости снабжен двумя клапанами, один из которых подключен к камере с низконапорной жидкостью, а другой к камере с высоконапорной жидкостью.

Клапаны каждой полузамкнутой емкости могут быть выполнены в виде вихревых элементов, имеющих тангенциальный и радиальный каналы, при чем один из вихревых элементов подключен радиальным каналом к камере с низконапорной жидкостью, а тангенциальным каналом к полузамкнутой емкости, второй вихревой элемент подключен радиальным каналом к полузамкнутой емкости, а тангенциальным каналом к камере с высоконапорной жидкостью.

Кроме того, каждая полузамкнутая емкость может быть дополнительно снабжена сильфоном или гибкой мембраной, разделяющими полузамкнутую емкость на две части, одна из которых подключена к полости корпуса, а другая через каналы к камерам с низконапорной и высоконапорной жидкостями.

Наличие отличительных от прототипа признаков в заявляемых способе и устройстве свидетельствует от их соответствии критерию изобретения "новизна".

Для подачи в полузамкнутую емкость жидкости путем ее всасывания под действием разрежения аппарат дополнительно снабжен камерой с патрубком для низконапорной жидкости, а глухой конец полузамкнутой емкости снабжен клапаном, подключенным к камере с низконапорной жидкостью. Для повышения давления жидкости и вытеснения ее из полузамкнутой емкости ударным заполнением полузамкнутой емкости исходным газом, аппарат дополнительно снабжен камерой с патрубком для высоконапорной жидкости, а глухой конец полузамкнутой емкости снабжен клапаном, подключенным к камере с высоконапорной жидкостью.

Подача в каждую полузамкнутую емкость жидкости путем ее всасывания под действием разрежения, создаваемого путем сбрасывания газа из полузамкнутой емкости, повышения давления и вытеснения жидкости из полузамкнутой емкости ударным заполнением последней исходным газом позволяют произвести работу по перемещению и нагнетания жидкости от давления разрежения до давления, создаваемого при ударе газа, т.е. получить дополнительную функцию. Например, для прокачки абсорбента или повышения давления абсорбента с целью подачи его в абсорбер газа.

Дополнительное снабжение пульсационного аппарата камерой с патрубком для низконапорной жидкости и снабжение глухого конца каждой полузамкнутой емкости клапаном, подключенным к камере с низконапорной жидкостью, позволяет произвести всасывание низконапорной жидкости под действием разрежения. Дополнительное снабжение пульсационного аппарата камерой с патрубком для высоконапорной жидкости и снабжение глухого конца каждой полузамкнутой емкости клапаном, который подключен к камере с высоконапорной жидкостью, позволяют повысить давление жидкости и вытеснить ее из полузамкнутой емкости ударным заполнением последней исходным газом. Таким образом, дополнительное снабжение пульсационного аппарата камерами с патрубками для низконапорной и высоконапорной жидкостей, снабжение глухого конца каждой полузамкнутой емкости двумя клапанами, один из которых подключен к камере с низконапорной жидкостью, а другая к камере для высоконапорной жидкости, позволяет произвести работу по перемещению и нагнетанию жидкости при расширении газа с получением холодильного эффекта, т.е. выполнить дополнительную функцию.

Возможное выполнение клапанов каждой полузамкнутой емкости в виде вихревых элементов, имеющих тангенциальный и радиальный каналы, и подключение одного из вихревых элементов радиальным каналом к камере с низконапорной жидкостью, а тангенциальным каналом к полузамкнутой емкости, второго вихревого элемента радиальным каналом к камере с высоконапорной жидкостью позволяет произвести процессы всасывания, нагнетания жидкости в полузамкнутых емкостях и вытеснение ее из последних под действием разрежения и ударного заполнения газом полузамкнутых емкостей с частотой до 50 Гц, при которых обычные клапаны неработоспособны, т.е. расширить функциональные возможности при высокой частоте подачи исходного газа в полузамкнутые емкости и сбросе газа из них.

Дополнительное снабжение каждой полузамкнутой емкости сильфоном или гибкой мембраной, разделяющими полузамкнутую емкость на две части, одна из которых подключена к полости, а другая сообщается через клапаны к камерам с низконапорной и высоконапорной жидкостей позволяет отделить исходный газ от перемещаемой и нагнетаемой среды и произвести работу по перемещению и нагнетанию газожидкостных смесей и, таким образом, расширить функциональные возможности способа охлаждения газа и пульсационного аппарата для его осуществления.

Так как в известных технических решениях не найдено, чтобы в пульсационных аппаратах добивались расширения функциональных возможностей за счет подачи в каждую полузамкнутую емкость жидкости путем ее всасывания под действием разрежения, создаваемым сбросом газа из полузамкнутых емкостей ударным заполнением их исходным газом, делается вывод о новизне.

Снабжение пульсационного аппарата, содержащего корпус с подводящим и отводящим газ патрубками и полузамкнутыми емкостями, газораспределительное устройство с соплами, расширительную камеру, камерами с патрубками для низконапорной и высоконапорной жидкостей, позволило использовать кинетическую энергию ударного сжатия газа для получения дополнительной работы, например, для повышения давления жидкой среды с целью ее транспортировки или подачи в аппарат, находящейся под давлением.

Таким образом, получение нового положительного эффекта (расширение функциональных возможностей аппарата) в результате снабжения аппарата новыми существенными признаками обуславливает соответствие изобретения критерию "изобретательский уровень".

Способ нагнетания жидкости реализуется в пульсационном аппарате,

На фиг. 1 и фиг.2 представлен фронтальный разрез аппарата; на фиг.3 - разрез в плане (А-А); на фиг.4 местный разрез (Б-Б); на на фиг.5 местный разрез (В-В); на фиг.6,7,8 выполнение клапанов в виде вихревых элементов.

Способ нагнетания жидкости в пульсационном аппарате (фиг.1-8) осуществляется следующим образом. Исходный газ с давлением 8 МПа и температурой 300 К подают во вращающееся против часовой стрелки газораспределительное устройство. Затем поочередно ударно заполняют полузамкнутые емкости, где газ сжимается до температуры 450 К. Нагретый газ передает свое тепло стенкам полузамкнутых емкостей и отводится конвекцией окружающей среды. По мере вращения газораспределительного устройства газ сбрасывается в расширительную камеру при давлении 3,5 МПа, где он расширяется и охлаждается до температуры 264 К и отводится. Процесс ударного заполнения полузамкнутых емкостей газом и сброс его в расширительную камеру протекает очень быстро и достигает 50 Гц.

Под действием разрежения жидкости всасываются в полузамкнутые емкости при давлении 3,5 МПа из камеры с низконапорной жидкостью. При ударном заполнении газом полузамкнутых емкостей повышается давление жидкости до 7,5 МПа и жидкости вытесняются в камеру с высоконапорной жидкостью. Количество жидкости, поступающей в камеру с высоконапорной жидкостью из полузамкнутой емкости при ее ударном заполнении газом больше, чем количество жидкости, проникающей в камеру с низконапорной жидкостью в полузамкнутые емкости при сбросе газа из нее в расширительную камеру.

При сбросе газа жидкость из камеры с низконапорной жидкостью попадает в часть полузамкнутой емкости. Движение жидкости при этом прямолинейное. При ударном заполнении газом полузамкнутых емкостей осуществляется обратное движение жидкости. Количество жидкости, поступающей в камеру с высоконапорной жидкости из полузамкнутых емкостей, проникающей в камеру с низконапорной жидкостью в полузамкнутые емкости при сбросе газа в расширительную камеру.

Таким образом в пульсационном аппарате одновременно с охлаждением газа происходит перемещение и нагнетание жидкости, которое можно использовать, например, для повышения давления жидкой среды с целью ее транспортировки или подачи в аппарат, находящийся под давлением.

Пульсационный аппарат для нагнетания жидкости содержит корпус 1 (фиг. 1,2) с подводящим и отводящим газ патрубками 2,3 и полузамкнутыми емкостями 4 (фиг.1,2,3,5,6), закрепленные своими открытыми концами внутри корпуса 1, а также установленное внутри корпуса 1 с возможностью вращения газораспределительное устройство 5 с соплами 6. Сопла 6 (фиг.4) установлены с наклоном. Пульсационный аппарат содержит расширительную камеру 7. Газораспределительное устройство 5 (фиг.5) имеет канал 8 с отверстиями 9,100 и 11 для отвода газа из полузамкнутых емкостей 4 в расширительную камеру 7 (фиг.1,2). Аппарат дополнительно снабжен камерами 12,13 с патрубками 14,15 (фиг.1,2,6) для низконапорной и высоконапорной жидкостей, глухой конец 16 (фиг.1,2) каждой полузамкнутой емкости снабжен двумя клапанами 17, 18, клапан 17 при этом подключен к камере 12 с низконапорной жидкостью, а клапан 18 к камере 13 с высоконапорной жидкостью.

Кроме того, каждая полузамкнутая емкость 4 (фиг.2) дополнительно снабжена сильфоном 19, разделяющим полузамкнутую емкость 4 на две части, одна из которых подключена к полости корпуса 1, а другая сообщается через клапаны 17,18 с камерами 12,13 для низконапорной и высоконапорной жидкостей.

Клапаны 17,18 (фиг. 6,7), выполненные в виде вихревых элементов, имеют тангенциальный 20 и радиальный 21 каналы, при этом один из вихревых элементов 17 (фиг.6,7) подключен радиальным каналом 20 к камере с низконапорной жидкостью, а тангенциальным каналом к полузамкнутой емкости. Второй вихревой элемент 18 (фиг.6,8) подключен радиальным каналом 21 к полузамкнутой емкости 4, а тангенциальным каналом 20 к камере 13 с высоконапорной жидкостью.

Таким образом, в пульсационном аппарате одновременно с охлаждением газа производится перемещение и нагнетание жидкости и газожидкостной смеси, чего невозможно достичь по прототипу.

Устройство работает следующим образом. Исходный газ с давлением 8,0 МПа и температурой 300 К подают через патрубок 2 во вращающееся против часовой стрелки газораспределительное устройство 5 (фиг.1,2). Момент вращения газораспределительному устройству 5 сообщает реактивное усилие, возникающее при истечении исходного газа из наклонно установленных сопел 6 (фиг.5) в полузамкнутые емкости 4. Истекая из сопла 6 исходный газ поочередно ударно заполняет полузамкнутые емкости 4. При ударном заполнении газ сжимается в полузамкнутых емкостях 4 и нагревается до температуры 450 К. Нагретый газ передает свое тепло стенкам полузамкнутых емкостей 4. Тепло отводится от полузамкнутых емкостей 4 конвекцией окружающего воздуха, имеющего температуру 238 К. По мере вращения газораспределительного устройства 5 к заполненным полузамкнутым емкостям 4 подходит канал 8 с отверстиями 9,10 и 11, чеpез которые сбрасывается из полузамкнутых емкостей 4 газ в расширительную камеру 7, в которой давление 3,5 МПа. После опорожнения в расширительной камере 7 газ расширяется и при этом охлаждается до температуры 264 К. Под действием разрежения клапан 17 открывается, из камеры 12 жидкостью под давлением 3,55 МПа всасывается в полузамкнутые емкости 4 (фиг.1,2). А при ударном заполнении полузамкнутых емкостей 4 исходным газом, подаваемым из сопел 6, повышается давление жидкости до величины порядка 7,5 МПа. Под действием этого давления клапан 18 открывается, а клапан 17 зарывается, и жидкость исходным газом вытесняется в камеру 13. При всасывании жидкости клапан 18 закрыт под действием разности давлений в камере 13 и полузамкнутых емкостей 4. Низконапорная жидкость покидает камеру 13 через патрубок 15.

При высоком числе оборотов газораспределительного устройства 5 процесс ударного заполнения газом полузамкнутых емкостей 4 и сбросе из них газа в расширительную камеру 7 протекает очень быстро и достигает 50 Гц. При такой частоте конструкции клапанов 17 и 18, содержащие движущиеся механические детали (фиг.1,2) не успевают срабатывать и перекачивания жидкости не происходит. Выполнение клапанов 17 и 18 в виде вихревых элементов (фиг.6,7,8) позволяет решить задачу по перекачке жидкости при частоте заполнения и сброса газа из полузамкнутых емкостей 50 Гц. Работают вихревые клапаны 17,18 следующим образом. При сбросе газа жидкость через радиальное отверстие 21 попадает в полость клапана 17 и через тангенциальный канал 20 в полость полузамкнутой емкости 4. Давление жидкости в данном случае обуславливается только потерями давления на изменение направления движения под углом 90 град. При ударном заполнении газом полузамкнутых емкостей 4 обратное движение жидкости из полузамкнутых емкостей 4 через клапан 17 осуществляется следующим образом. Жидкость попадает через тангенциальный канал 20 в полость клапана 17 и приобретает вращательное движение, при котором сопротивление клапана в несколько раз больше, чем при прямолинейном движении жидкости. Поэтому количество жидкости, вытекающей из полузамкнутых емкостей 4 при ударном заполнении ее газом, меньше количества жидкости, поступающей в полузамкнутые емкости при сбросе газа из полузамкнутых емкостей 4. Работа клапана 18 происходит следующим образом. Жидкость под действием ударного воздействия газа проходит через радиальный канал 21 и через тангенциальный канал 20 клапана 18 в камеру 13. При этом движение жидкости прямолинейное и сопротивление клапана небольшое. При сбросе газа из полузамкнутых емкостей 4 жидкость из камеры 13 поступает в тангенциальный канал 20 в полость клапана 18 и приобретает вращательное движение, при котором сопротивление клапана возрастает. Поэтому количество жидкости, которое поступает в камеру 13 через клапан 18 из полузамкнутых емкостей 4 при ее ударном заполнении газом больше, чем количество жидкости, проникающей из камеры 14 в полузамкнутые емкости 4 при сбросе из нее газа в расширительную камеру 7. Таким образом, осуществляется перекачивание жидкости с помощью клапанов 17,18, выполненных в виде вихревых элементов.

Наличие сильфона 19, разделяющего полузамкнутую емкость 4 на две полости (фиг. 2), одна из которых входит внутрь корпуса 1, а другая сообщается через клапаны 17,18 с камерами 12,13 позволяет перекачивать жидкости, содержащие газ без смешивания газовой части последней с исходным газом, подаваемым в полузамкнутую емкость. Таким образом, наряду с охлаждением газа в пульсационном аппарате реализуется перемещение и нагнетание газожидкостной смеси.