способ разделения сред с неоднородным полем плотностей и с разной молекулярной массой компонентов и вихревое устройство для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ разделения сред с неоднородным полем плотностей и с разной молекулярной массой компонентов в вихревом устройстве, включающем закрутку проходящего через завихритель потока, разделение потока среды и отвод сред через центральный и периферийный каналы, а вихревое устройство для его реализации содержит завихритель потока, установленный на входном участке вихревой трубы, и периферийный канал с кольцевым входным сечением для отвода периферийного потока и выход центрального потока разделенных сред, расположенный с противоположной входному участку вихревой трубы стороны, причем периферийный канал на своем начальном участке для отвода периферийного потока разделенной среды образован внутренней поверхностью вихревой трубы и наружной поверхностью участка трубы, расположенного внутри выходного участка вихревой трубы соосно с последней, а центральный поток указанной среды отводится по меньшей мере через один канал, которым на его начальном участке в последнем случае служит указанный участок трубы, расположенный внутри выходного участка вихревой трубы, отличающийся тем, что внутри вихревой трубы на расстоянии от завихрителя потока, размещенного на ее входном участке, установлен по меньшей мере второй завихритель потока, обеспечивающий дозакрутку последнего, при этом при выбранных конструктивных характеристиках вихревого устройства и известных характеристиках подаваемых в вихревую трубу разделяемых сред максимальная эффективность разделения сред достигается путем осуществления совместного регулирования по меньшей мере степени открытия регулирующих запорных устройств, установленных на отводах разделенных сред из каналов вихревой трубы, и расстояния между выходным сечением по крайней мере каждого предыдущего завихрителя потока и входным сечением смежного с ним последующего завихрителя потока путем смещения в осевом направлении вихревой трубы последующих завихрителей потока.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что максимальная эффективность разделения сред достигается путем осуществления совместного регулирования угла выхода потока разделяемых сред по меньшей мере из одного завихрителя потока путем поворота лопаток последнего.

3. Способ по пп.1 и 2 отличающийся тем, что максимальная эффективность разделения сред достигается путем осуществления совместного регулирования степени открытия регулирующего запорного устройства, установленного на входе в вихревую трубу.

4. Устройство для разделения сред с неоднородным полем плотностей и с разной молекулярной массой компонентов, содержащее завихритель потока, установленный на входном участке вихревой трубы, и периферийный канал с кольцевым входным сечением для отвода периферийного потока и выход центрального потока разделенных сред, расположенный с противоположной входному участку вихревой трубы стороны, причем периферийный канал на своем начальном участке для отвода периферийного потока разделенной среды образован внутренней поверхностью вихревой трубы и наружной поверхностью участка трубы, расположенного внутри выходного участка вихревой трубы соосно с последней, а центральный поток указанной среды отводится по меньшей мере через один канал, которым на его начальном участке в последнем случае служит указанный участок трубы, расположенный внутри выходного участка вихревой трубы, отличающееся тем, что внутри вихревой трубы на расстоянии от завихрителя потока, размещенного на ее входном участке, установлен по меньшей мере второй завихритель потока, обеспечивающий дозакрутку последнего, а по крайней мере каждый из отводов разделенных сред за вихревой трубой снабжен по меньшей мере одним регулирующим запорным устройством.

5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что на выходе периферийного потока разделенной среды из периферийного (начального участка) канала с кольцевым входным сечением, расположенного внутри выходного участка вихревой трубы соосно с последней, установлена дроссельная заслонка кольцеобразной формы, цилиндрическое отверстие которой свободно охватывает наружную поверхность трубы, образующей совместно с вихревой трубой указанный начальный участок канала с кольцевым входным сечением, обеспечивая взаимное перемещение последних друг относительно друга в осевом направлении вихревой трубы.

6. Устройство по пп.4 и 5, отличающееся тем, что участок по крайней мере каждой трубы, расположенный внутри выходного участка вихревой трубы соосно с последней, выполнен с возможностью смещения в осевом направлении вихревой трубы при изменении характеристик разделяемых сред и режимных параметров работы вихревого устройства.

7. Устройство по пп.4 6, отличающееся тем, что вихревая труба выполнена составной с возможностью изменения ее длины при изменении характеристик разделяемых сред и режимных параметров работы вихревого устройства.

8. Устройство по пп.4 7, отличающееся тем, что по крайней мере каждый последующий по движению потока завихритель потока установлен с возможностью смещения в осевом направлении вихревой трубы при изменении характеристик разделяемых сред и режимных параметров работы вихревого устройства.

9. Устройство по пп.4 8, отличающееся тем, что внутренняя поверхность вихревой трубы выполнена цилиндрической формы.

10. Устройство по пп.4 и 8, отличающееся тем, что внутренняя поверхность вихревой трубы по крайней мере на участках между каждыми двумя смежными завихрителями потока выполнена в форме усеченного конуса, вершина каждого из которых обращена в сторону, противоположную направлению движения потока, а на участках, на которых осуществляется перемещение разделителей потока в осевом направлении вихревой трубы, внутренняя поверхность последней выполнена цилиндрической формы.

11. Устройство по пп.4 8, отличающееся тем, что площадь проходного сечения вихревой трубы увеличивается в направлении к выходу из последней.

12. Устройство по пп.4 11, отличающееся тем, что вихревая труба снабжена по крайней мере несколькими сменными комплектами завихрителей потока, отличающимися между собой характеристиками завихрителей, а по крайней мере каждый завихритель потока вихревой трубы выполнен съемным.

13. Устройство по пп.4 11, отличающееся тем, что по крайней мере каждый завихритель потока, установленный в вихревой трубе, выполнен с возможностью изменения угла выхода потока разделяемых сред из указанного завихрителя к оси вихревой трубы в зависимости от изменения характеристик разделяемых сред и режимных параметров работы вихревого устройства.

14. Устройство по пп.4 13, отличающееся тем, что по крайней мере концентрично относительно друг друга и соосно с вихревой трубой расположенные трубы, входные участки которых размещены внутри выходного участка вихревой трубы, выполнены сменными, отличающимися друг от друга геометрическими размерами.

15. Устройство по пп.4 14, отличающееся тем, что по крайней мере каждый канал отвода разделенной среды из вихревой трубы на своем входном участке снабжен спрямителем потока.

16. Устройство по пп.4 15, отличающееся тем, что вихревая труба в работающем вихревом устройстве имеет горизонтальное расположение.

17. Устройство по пп.4 15, отличающееся тем, что вихревая труба в работающем вихревом устройстве имеет вертикальное расположение.

18. Устройство по пп.4 15, отличающееся тем, что вихревая труба в работающем вихревом устройстве расположена под углом к горизонтальной плоскости.

19. Устройство по пп. 4 18, отличающееся тем, что на входе в вихревую трубу установлено регулирующее запорное устройство.

20. Устройство по пп. 4 18, отличающееся тем, что входное отверстие вихревой трубы вихревого устройства выполнено открытым.

21. Устройство по пп.4 18 и 20, отличающееся тем, что к входному торцу вихревой трубы примыкают конфузорный участок.

22. Устройство по пп.4 21, отличающееся тем, что на входе центрального потока разделенных сред по крайней мере в каждый канал, входные участки которых расположены в выходном участке вихревой трубы соосно последней, установлена съемная диафрагма с торцевой поверхностью, обращенной навстречу потоку и выполненной в форме усеченного тела вращения, вершина которого обращена навстречу потоку.

23. Устройство по пп.4 22, отличающееся тем, что по меньшей мере первый, отсчитываемый со стороны выхода из вихревой трубы, завихритель потока расположен между внутренней поверхностью вихревой трубы и наружной поверхностью участка трубы меньшего диаметра, образующего канал круглого проходного сечения для отвода центрального потока разделенных сред из вихревой трубы.

24. Устройство по пп.4 23, отличающееся тем, что по крайней мере каждый из отводов разделенных сред за вихревой трубой снабжен вторым параллельно с первым включенным регулирующим запорным устройством, обеспечивающим независимый выпуск разделенной среды при осуществлении регулирования введенного в работу вихревого устройства.

25. Устройство по пп.4 24, отличающееся тем, что в канале, образованном двумя концентрично относительно друг друга расположенными участками труб, за выходным сечением вихревой трубы перед регулирующим запорным устройством в направлении движения потока установлена дроссельная заслонка кольцеобразной формы, цилиндрическое отверстие которой свободно охватывает наружную поверхность указанной трубы меньшего диаметра, обеспечивая взаимное перемещение последних относительно друг друга в осевом направлении вихревой трубы.

26. Устройство по пп.4 25, отличающееся тем, что вихревая труба своим входом соединена трубопроводом с герметичной емкостью, а последняя соединена трубопроводом с нагнетательным устройством, подающим разделяемые среды в герметичную емкость, при этом на трубопроводе между последним и входом в вихревую трубу установлено регулирующее запорное устройство.

27. Устройство по пп.4 и 26, отличающееся тем, что на трубопроводе, соединяющем нагнетательное устройство и герметичную емкость, установлено регулирующее запорное устройство.

28. Устройство по пп.4 19 и 22 25, отличающееся тем, что вихревая труба своим входом соединена трубопроводом с нагнетательным устройством, при этом на трубопроводе между последним и входом в вихревую трубу установлено регулирующее запорное устройство.

29. Устройство по пп.4 28, отличающееся тем, что по крайней мере каждый отвод разделенной среды вихревой трубы соединен трубопроводом с отдельной герметичной емкостью, а последняя соединена трубопроводом со своим отсасывающим устройством, при этом по крайней мере на каждом отводе разделенной среды из вихревой трубы между последней и соответствующей герметичной емкостью установлено регулирующее запорное устройство.

30. Устройство по пп.4 и 29, отличающееся тем, что по крайней мере на каждом трубопроводе, соединяющем соответствующую герметичную емкость с индивидуальным отсасывающим устройством, установлено регулирующее запорное устройство.

31. Устройство по пп.4 28, отличающееся тем, что каждый из отводов разделенных сред из вихревой трубы соединен трубопроводом с индивидуальным для каждого отвода отсасывающим устройством, при этом на трубопроводе между каждым из отводов и соответствующим отводу осасывающим устройством установлено регулирующее запорное устройство.

32. Устройство по пп.4 31, отличающееся тем, что по меньшей мере две вихревые трубы вихревого устройства соединены параллельно по меньшей мере одним одинаковым (сходственным) отводом из каждой вихревой трубы трубопроводами с герметичной емкостью, а последняя трубопроводом соединена с отсасывающим устройством, при этом между последним и герметичной емкостью установлено регулирующее запорное устройство.

33. Устройство по пп.4 31, отличающееся тем, что по меньшей мере один из отводов разделенных сред предыдущей вихревой трубы соединен с входом последующей вихревой трубы.

34. Устройство по пп. 4 31, отличающееся тем, что по меньшей мере две вихревые трубы параллельно соединены по меньшей мере одним из одинаковых для вихревых труб отводом разделенных сред с входом в одну и ту же последовательно указанным установленную вихревую трубу.

35. Устройство по пп. 4 31, отличающееся тем, что по меньшей мере два вихревых устройства, состоящие из вихревых труб, в каждом из которых по меньшей мере один из отводов разделенных сред предыдущей вихревой трубы соединен с входом в последующую вихревую трубу, параллельно соединены с помощью трубопроводов выходом по меньшей мере из одного одинакового отвода каждой последующей вихревой трубы соответствующего указанного вихревого устройства с индивидуальной для указанных отводов герметичной емкостью, при этом последняя соединена трубопроводом с отсасывающим устройством, а между последними установлено регулирующее запорное устройство.

36. Устройство по пп.4 12 и 14 35, отличающееся тем, что по крайней мере в каждом лопаточном завихрителе потока, установленном в вихревой трубе, каждый канал, образованный двумя смежными лопатками, разделен по меньшей мере на два канала по меньшей мере одним боковым участком цилиндрического пустотелого тела вращения, соосного с вихревой трубой.

37. Устройство по пп.4 12 и 14 35, отличающееся тем, что по крайней мере в каждом лопаточном завихрителе потока, установленном в вихревой трубе, каждый канал, образованный двумя смежными лопатками, разделен по меньшей мере одним участком пустотелого усеченного тела вращения, соосного с вихревой трубой, по меньшей мере на два канала.

38. Устройство по пп.4 12 и 14 35, отличающееся тем, что по крайней мере в каждом лопаточном завихрителе потока, установленном в вихревой трубе, каждый канал, образованный двумя смежными лопатками, разделен по меньшей мере одной плоской перегородкой, одна из сторон которой совпадает с соответствующей боковой поверхностью одной из граней правильного многогранника, соосного с вихревой трубой и имеющего количество граней, равное количеству каналов, образованных каждый двумя смежными лопатками завихрителя потока, при этом совмещении каждой перегородки с соответствующей гранью многогранника каждая из последних располагается между двумя смежными лопатками, по меньшей мере на два канала.

39. Устройство по пп.4 и 36 38, отличающееся тем, что по крайней мере в каждом лопаточном завихрителе потока, установленном в вихревой трубе, по меньшей мере каждый периферийный канал, образованный двумя смежными лопатками, перегородкой и по крайней мере участком внутренней поверхности вихревой трубы, в каждом сечении последней (вихревой трубы) на участке завихрителя потока симметрично разделен по меньшей мере одной перегородкой, расположенной между боковыми сторонами двух смежных лопаток.

40. Устройство по пп.4 и 36 39, отличающееся тем, что каждый торец, обращенный навстречу потоку каждой перегородки, выполненной в каждом канале лопаточного завихрителя потока, образованном двумя смежными лопатками, выполнен заостренным.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к способам разделения сред с неоднородным полем плотностей и с разной молекулярной массой компонентов, а также к устройствам для их осуществления за счет применения вихревого способа разделения сред, использование которого позволяет значительно сократить затраты энергии и упростить технологию разделения сред, и может быть использовано в различных отраслях производства, в частности химической, нефтегазодобывающей и перерабатывающей промышленности, тепловой энергетике и многих других производствах.

Известен способ разделения газовых смесей с разной молекулярной массой компонентов и вихревое устройство для его реализации, содержащее вихревую трубу с соосно установленной на одном из ее концов вихревой камерой с тангенциальным вводом в последнюю потока газовой смеси, при этом периферийный поток разделенной среды отводится с противоположной входному участку вихревой трубы стороны, на выходе из которой установлена дроссельная заслонка, выход центрального потока разделенной среды осуществляется через диафрагму, установленную соосно вихревой трубе в стенке вихревой камеры, при этом при выбранных конструктивных характеристиках вихревого устройства и известных характеристиках подаваемых в вихревую трубу разделяемых сред максимальная эффективность разделения сред достигается путем осуществления совместного регулирования дроссельной заслонки и клапанов, установленных на входе газовой смеси в вихревую камеру, на отводах разделенных сред за дроссельной заслонкой и за диафрагмой [1]

Недостатком такого способа разделения сред является невозможность его осуществления, так как газовая смесь подается в вихревую камеру при сверхкритическом истечении и сама конструкция вихревого устройства не приспособлена для его осуществления.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению является способ разделения сред, осуществляемый с помощью вихревой трубы [2] содержащей камеру энергетического разделения с двумя сопловыми вводами на одном конце и диффузором вывода горячего потока на другом, подключенным через теплообменник к одному из сопловых вводов, второй из которых соединен с источником сжатого газа, а также осевой патрубок вывода холодного потока, камера энергетического разделения со стороны сопловых вводов снабжена осесимметрично расположенным патрубком, а патрубок вывода холодного потока расположен со стороны диффузора и вокруг этого патрубка дополнительно установлена трубка, образующая с ним кольцевой зазор, подключенный к патрубку, осесимметрично расположенному со стороны сопловых вводов.

Недостатком такого способа разделения сред является невозможность его осуществления, так как разделяемые среды подаются в камеру энергетического разделения через сопловые вводы при сверхкритическом истечении, что обеспечивает только разделение сред вследствие разницы в их температурах. Конструкция же вихревой трубы не приспособлена для разделения сред с неоднородным полем плотностей и с разной молекулярной массой компонентов, имеющих одинаковую температуру.

Задача изобретения уменьшение затрат и упрощение технологии разделения сред.

Указанная задача достигается тем, что в известном способе разделения сред с неоднородным полем плотностей и с разной молекулярной массой компонентов и вихревом устройстве для его реализации, содержащем вихревую трубу с по меньшей мере одним завихрителем потока, установленным в последнем случае на ее входном участке и обеспечивающим закрутку проходящего через него поток, а периферийный канал с кольцевым входным сечением для отвода периферийного потока и выход центрального потока разделенных сред расположены с противоположной входному участку вихревой трубы стороны, периферийный канал на своем начальном участке для отвода периферийного потока разделенной среды образован внутренней поверхностью вихревой трубы и наружной поверхностью участка трубы, расположенного внутри выходного участка вихревой трубы соосно последней, а центральный поток вышеуказанной среды отводится по меньшей мере через один канал, которым на его начальном участке в последнем случае служит вышеуказанный участок трубы, расположенный внутри выходного участка вихревой трубы, и по крайней мере каждый из отводов разделенных сред за вихревой трубой снабжен по меньшей мере одним регулирующим запорным устройством, при этом при выбранных конструктивных характеристиках вихревого устройства и известных характеристиках подаваемых в вихревую трубу разделяемых сред максимальная эффективность разделения сред достигается путем осуществления совместного регулирования по меньшей мере степени открытия регулирующих запорных устройств, установленных на отводах разделенных сред из каналов вихревой трубы.

Сопоставительный анализ заявляемого технического решения с аналогом и прототипом позволяет сделать вывод о наличии новых отличительных признаков, следовательно, заявляемое техническое решение соответствует критерию "новизна".

В известных науке и технике решениях нами не обнаружены совокупности отличительных признаков заявляемого решения, проявляющих аналогичные свойства и позволяющих достичь указанный в цели изобретения результат, следовательно, решение соответствует критерию изобретения "существенные отличия".

На фиг.1 представлено предлагаемое вихревое устройство; на фиг.2 - вихревое устройство; на фиг.3 характерное изменение окружной скорости потока по радиусу в выходном сечении лопаточного завихрителя; на фиг.4 - характерное изменение окружной скорости потока w по радиусу в выходном сечении лопаточного завихрителя; на фиг.5 фрагмент выполнения торцов выходных труб; на фиг. 6 составная вихревая труба; на фиг.7-9 вихревое устройство; на фиг. 10-12 фрагмент выполнения входного участка вихревой трубы; на фиг.13 вихревое устройство; на фиг. 14, 15 вариант подачи разделяемых сред в вихревое устройство; на фиг.16, 17 вариант отвода разделенной среды из вихревого устройства; на фиг.18-21 вариант совместной работы вихревых устройств; на фиг. 22, 23 сечение А-А на фиг.2; на фиг.24-26 сечение Б-Б на фиг.1.

В способе разделения сред с неоднородным полем плотностей и с разной молекулярной массой компонентов и вихревом устройстве для его реализации (фиг. 1), содержащем вихревую трубу 1 с по меньшей мере одним завихрителем потока 2, установленным в последнем случае на ее входном участке 3 и обеспечивающим закрутку проходящего через него потока, а периферийный канал 4 с кольцевым входным сечением 1-1 для отвода периферийного потока и выход центрального потока разделенных сред расположены с противоположной входному участку 3 вихревой трубы 1 стороны, периферийный канал 4 на своем начальном участке для отвода периферийного потока разделенной среды образован внутренней поверхностью вихревой трубы 1 и наружной поверхностью участка 5 трубы 6, расположенного внутри выходного участка 7 вихревой трубы 1 соосно последней, а центральный поток вышеуказанной среды отводится по меньшей мере через один канал 8, которым на его начальном участке в последнем случае служит вышеуказанный участок 5 трубы 6, расположенной внутри выходного участка 7 вихревой трубы 1, а по крайней мере каждый из отводов 9 и 10 разделенных сред за вихревой трубой снабжен по меньшей мере одним регулирующим запорным устройством 11 и 12, при этом при выбранных конструктивных характеристиках вихревого устройства и известных характеристиках подаваемых в вихревую трубу 1 разделяемых сред максимальная эффективность разделения сред достигается путем осуществления совместного регулирования по меньшей мере степени открытия регулирующих запорных устройств 11 и 12, установленных на отводах 9 и 10 разделенных сред из каналов 4, 8 вихревой трубы 1 (фиг.1).

При этом внутри вихревой трубы 1 на расстоянии от завихрителя потока 2, размещенного на ее входном участке 3, может быть установлен по меньшей мере второй завихритель потока 13, обеспечивающий дозакрутку последнего (фиг.2); максимальное значение окружной скорости _макс закрученного в каждом завихрителе потока 2, 13 разделяемых сред в их выходном сечении 2-2 может не превышать критического значения при котором еще обеспечивается вращение наиболее тяжелых (наибольшей плотности или наибольшей молекулярной массы) частиц среды в периферийной зоне 14 (фиг.2, 3) потока, в результате чего при работе вихревого устройства в процессе затухания вращательного движения потока за выходным сечением 2-2 каждого завихрителя потока 2, 13 возникает процесс непрерывного замещения менее тяжелых частиц среды тяжелыми в направлении к оси вращения потока, в результате чего разделенная среда, обладающая меньшей плотностью или молекулярной массой, выходит из вихревой трубы 1 через периферийный канал 4, а разделенная среда, имеющая большую плотность или молекулярную массу, выходит по меньшей мере через один центральный канал 8 (фиг.3); максимальное значение окружной скорости _макс закрученного в каждом завихрителе потока 2, 13 разделяемых сред в их выходном сечении 2-2 может превышать критическое значение _кр(_макс>_кр), при котором еще обеспечивается вращение наиболее тяжелых (наибольшей плотности или наибольшей молекулярной массы) частиц среды в периферийной зоне 14 потока (фиг. 2, 4), в результате чего в процессе затухания вращательного движения потока за выходным сечением 2-2 каждого завихрителя потока 2, 13 возникает процесс непрерывного замещения менее тяжелых частиц среды тяжелыми в направлении от оси вращения потока, при этом во входном сечении 3-3 каждого последующего завихрителя потока 13 максимальное значение окружной скорости _макс сохраняется большим или достигает вышеуказанного критического значения окружной скорости _кр(_макскр), в результате чего разделенная среда, обладающая большей плотностью или молекулярной массой, выходит из вихревой трубы 1 через периферийный канал 4, а разделенная среда, имеющая меньшую плотность или молекулярную массу, выходит по меньшей мере через один центральный канал 8 (фиг. 2, 4); центральный поток разделенных сред может отводиться из вихревой трубы 1 с противоположной ее входному участку 3 стороны по меньшей мере через два канала 8, 15, при этом входные участки 5 и 16 вышеуказанных двух каналов 8 и 15, расположенные в выходном участке 7 вихревой трубы 1, образованы двумя концентрично друг относительно друга и соосно вихревой трубе 1 расположенными участками труб 6, 17, при этом по крайней мере каждый из вышеуказанных каналов 8 и 15 разделенных сред, переходящих в соответствующий отвод 10 и 18, за вихревой трубой 1 снабжен регулирующим запорным устройством 12 и 19 (фиг.2); на выходе периферийного потока разделенной среды из периферийного канала 4 с кольцевым входным сечением, расположенного внутри выходного участка 7 вихревой трубы 1 соосно последней, может быть установлена дроссельная заслонка 20 кольцеобразной формы, цилиндрическое отверстие которой свободно охватывает наружную поверхность трубы 17, образующей совместно с вихревой трубой 1 вышеуказанный начальный участок 16 канала 4 с кольцевым входным сечением, обеспечивая взаимное перемещение последних 20 и 17 друг относительно друга в осевом направлении вихревой трубы 1 (фиг.2); выходной торец 21, 22 участка 5, 16 по крайней мере каждой трубы 6, 17, расположенного внутри выходного участка 7 вихревой трубы 1 соосно последней, может быть выполнен обтекаемой формы (фиг.2); входной торец 21, 22 участка 5, 16 по крайней мере каждой трубы 6, 17, расположенного внутри выходного участка 7 вихревой трубы 1 соосно последней, может быть выполнен с острой входной кромкой 23, 24 (фиг.2, 5); участок 5, 16 по крайней мере каждой трубы 6, 17, расположенный внутри выходного участка 7 вихревой трубы 1 соосно последней, может смещаться (x₁) в осевом направлении вихревой трубы 1 при изменении характеристик разделяемых сред и режимных параметров работы вихревого устройства (фиг.2); вихревая труба 1 может быть выполнена составной, при этом длина вышеуказанной трубы 1 может изменяться при изменении характеристик разделяемых сред и режимных параметров работы вихревого устройства (фиг.1, 2, 6); расстояние l₁ между выходным сечением 2-2 по крайней мере каждого предыдущего завихрителя потока 2 и выходным сечением 3-3 смежного с ним последующего завихрителя потока 13 может не превышать длины участка вихревой трубы 1, на котором происходит полное затухание вращательного движения закрученного потока (фиг.2); расстояние l₂, l₃ между выходным сечением 2-2 завихрителя потока 13, расположенного ближе к выходу из вихревой трубы 1, и входным сечением 4-4 и 5-5 по крайней мере в каждый участок 5, 16 труб 6, 17, расположенный внутри выходного участка 7 вихревой трубы 1, может не превышать длины участка вихревой трубы 1, на котором происходит полное затухание вращательного движения закрученного потока (фиг.7); расстояние l₁ между выходным сечением 2-2 по крайней мере каждого предыдущего завихрителя потока 2 и входным сечением 3-3 смежного с ним последующего завихрителя потока 13 может не превышать длины участка вихревой трубы 1, на котором максимальное значение окружной скорости потока _макс, выходящего из выходного сечения 2-2 предыдущего завихрителя потока 2, снижается до ее критического значения _кр (фиг.21); расстояние l₂, l₃ между выходным сечением 2-2 завихрителя потока 13, расположенного ближе к выходу из вихревой трубы 1, и входным сечением 4-4 и 5-5 по крайней мере в каждый участок 5, 16 труб 6, 17, расположенный внутри выходного участка 7 вихревой трубы 1, может не превышать длины участка вихревой трубы 1, на котором максимальное значение окружной скорости потока, выходящего из выходного сечения 2-2 вышеуказанного завихрителя потока 13, снижается до ее критического значения _кр (фиг.7); по крайней мере каждый последующий по движению потока завихритель потока 13 может смещаться (х₂) в осевом направлении вихревой трубы 1 при изменении характеристик разделяемых сред и режимных параметров работы вихревого устройства (фиг.7); внутренняя поверхность 28 вихревой трубы 1 может быть выполнена в форме усеченного конуса, вершина которого обращена в сторону, противоположную направлению движения потока, по крайней мере на всем участке вихревой трубы 1, расположенном за выходным сечением 2-2 завихрителя потока 2, установленном на входном участке 3 вихревой трубы 1 (фиг.8); внутренняя поверхность 28 вихревой трубы 1 по крайней мере на участках 29 и 30 между каждыми двумя смежными завихрителями потока 2 и 13, 13 и 31 может быть выполнена в форме усеченного конуса, вершина каждого из которых обращена в сторону, противоположную направлению движения потока, а на участках 32, 33, на которых осуществляется перемещение разделителей потока 13, 31 в осевом направлении вихревой трубы 1, внутренняя поверхность последней 1 выполнена цилиндрической формы (фиг.9); площадь проходного сечения вихревой трубы 1 может увеличиваться в направлении к выходу из последней (фиг.8, 9); вихревая труба 1 может быть снабжена по крайней мере несколькими сменными комплектами завихрителей потока 2, 13, 31, отличающимися между собой характеристиками завихрителей, а по крайней мере каждый завихритель потока 2, 13, 31 вихревой трубы 1 может быть выполнен съемным (фиг.1, 2, 7, 8, 9); угол выхода потока разделяемых сред по крайней мере из каждого завихрителя потока 2, 13, 31, установленного в вихревой трубе 1, к оси последней может изменяться в зависимости от изменения характеристик разделяемых сред и режимных параметров работы вихревого устройства (фиг.1, 2, 7, 8, 9); по крайней мере концентрично друг относительно друга и соосно вихревой трубе 1 расположенные трубы 6, 17, выходные участки 5, 16 которых размещены внутри выходного участка 7 вихревой трубы 1, могут быть выполнены сменными, отличающимися друг от друга геометрическими размерами (фиг.1, 2, 7, 8, 9); по крайней мере каждый канал 4, 8 отвода разделенной среды из вихревой трубы 1 на своем входном участке может быть снабжен спрямителем потока 34, 35 (фиг.9); вихревая труба 1 в работающем вихревом устройстве может иметь горизонтальное расположение (фиг.1, 2); вихревая труба 1 в работающем вихревом устройстве может иметь вертикальное расположение (фиг. 1, 2); вихревая труба 1 в работающем вихревом устройстве может быть расположена под углом к горизонтальной плоскости (фиг.1, 2); перед входным участком 3 вихревой трубы 1, в котором размещен завихритель потока 2, может быть установлено регулирующее запорное устройство 36, регулированием степени открытия которого достигается максимальная эффективность разделения сред (фиг.10); входное отверстие 27 вихревой трубы 1 вихревого устройства может быть выполнено открытым (фиг.11); к входному торцу 38 вихревой трубы 1 может примыкать конфузорный участок 39 (фиг.12); на входе центрального потока разделенных сред по крайней мере в каждый канал 8, 15, входные участки 5, 16 которых расположены в исходном участке 7 вихревой трубы 1 соосно последней, может быть установлена съемная диафрагма 40 (в канал 8) с торцевой поверхностью 41, обращенной навстречу потока и выполненной в форме усеченного тела вращения, вершина которого обращена навстречу потока (фиг. 2, 8); по меньшей мере первый, отсчитываемый со стороны выхода из вихревой трубы 1, завихритель потока 42 может быть расположен между внутренней поверхностью вихревой трубы и наружной поверхностью участка 5 трубы 6 меньшего диаметра, образующего канал 8 круглого проходного сечения для отвода центрального потока разделенных сред из вихревой трубы 1 (фиг. 13); по крайней мере каждый из отводов 9 и 10 разделенных сред за вихревой трубой 1 может быть снабжен вторым параллельно с первым включенным 2 запорным 1 регулирующим устройством 43 и 44, обеспечивающим независимый выпуск разделенной среды при осуществлении регулирования введенного в работу вихревого устройства (фиг.1); в канале 15, образованном двумя концентрично друг относительно друга расположенными участками труб 6 и 17, за выходным сечением вихревой трубы 1 перед регулирующим запорным устройством 19 в направлении движения потока может быть установлена дроссельная заслонка 45 кольцеобразной формы, цилиндрическое отверстие которой свободно охватывает наружную поверхность вышеуказанной трубы 6 меньшего диаметра, обеспечивая взаимное перемещение последних 6 и 45 друг относительно друга в осевом направлении вихревой трубы 1 (фиг.7); подача и закрутка потока разделяемых сред в вихревую трубу 1 может осуществляться по меньшей мере под воздействием скоростного напора входящего потока сред (фиг.10, 11); подача и закрутка потока разделяемых сред в вихревую трубу 1 может осуществляться по меньшей мере за счет избыточного давления в герметичной емкости 46, размещенной между нагнетательным устройством 47, подающим разделяемые среды в последнюю 46, и регулирующим запорным устройством 36, установленным на выходе в вихревую трубу 1 (фиг.10, 14); на трубопроводе 48, соединяющем нагнетательное устройство 47 и герметичную емкость 46, может быть установлено регулирующее запорное устройство 49 (фиг.14); подача и закрутка разделяемых сред в вихревую трубу 1 может осуществляться по меньшей мере нагнетательным устройством 47, создающим избыточное давление на входе в последнюю 1 и установленным перед регулирующим запорным устройством 36 вихревой трубы 1 (фиг.15); подача и закрутка потока разделяемых сред в вихревую трубу 1 может осуществляться путем соединения по крайней мере каждого отвода 9, 10 разделенной среды из вихревой трубы 1 за регулирующим запорным устройством 11, 12 в направлении движения потока среды с отдельной герметичной емкостью 50, 51 в каждой из которых создается своим (индивидуальным) отсасывающим устройством 52, 53, соединенным с герметичной емкостью 50, 51, пониженное давление в сравнении с давлением разделяемых сред на входе в вихревую трубу 1 (фиг.16); по крайней мере каждая герметичная емкость 50, 51 может быть соединена с индивидуальным отсасывающим устройством 52, 53 через установленное между ними регулирующее запорное устройство 54, 55 (фиг.16); подача и закрутка потока разделяемых сред в вихревую трубу 1 может осуществляться по меньшей мере за счет создания в каждом из отводов 9, 10 разделенных сред из вихревой трубы 1 пониженного давления в сравнении с давлением разделяемых сред на входе в вихревую трубу 1 индивидуальным для каждого из отводов 9, 10 отсасывающим устройством 54, 55, подключенным к соответствующему отводу 9, 10 вихревой трубы 1 (устройства) через установленное между последней 1 и каждым из отсасывающих устройств 54, 55 регулирующего запорного устройства 11, 12 (фиг. 17); по меньшей мере два вихревых устройства 56, 57 могут быть соединены для параллельной работы, обеспечивая выпуск разделенной среды по меньшей мере из одного одинакового отвода, например, 10 каждого вихревого устройства 56, 57 в индивидуальную для вышеуказанного отвода 10 герметичную емкость 58 (фиг. 18); по меньшей мере один из отводов, например, 10 разделенных сред предыдущего вихревого устройства 59 может быть соединен с входом последующего вихревого устройства 60 (фиг. 19); в каждом из по меньшей мере двух вихревых устройств 56, 57, соединенных для параллельной работы, по меньшей мере один из одинаковых для вышеуказанных вихревых устройств 56, 57 отводов, например, 10 разделенных сред может быть соединен с входом в одно и то же другое вихревое устройство 61 (фиг. 20); по меньшей мере два агрегата, состоящие из вихревых устройств 59, 60, в каждом из которых по меньшей мере один из отводов, например, 10 разделенных сред предыдущего вихревого устройства 59 соединен с входом в последующее вихревое устройство 60, могут быть включены для параллельной работы, обеспечивая выпуск разделенной среды по меньшей мере из одного одинакового отвода 10 каждого последующего вихревого устройства 60 в индивидуальную для вышеуказанного отвода 10 герметичную емкость 62 (фиг. 21); по крайней мере в каждом лопаточном завихрителе потока 2, 13, 31, установленном в вихревой трубе 1, каждый канал 63, образованный двумя смежными лопатками 64, может быть разделен по меньшей мере на два канала 65 и 66 по меньшей мере одним боковым участком 67 цилиндрического пустотелого тела, соосного вихревой трубе 1 (фиг. 22); по крайней мере в каждом лопаточном завихрителе потока 2, 13, 31, установленном в вихревой трубе 1, каждый канал 63, образованный двумя смежными лопатками 64, может быть разделен по меньшей мере одним участком 68 пустотелого усеченного тела вращения, соосного вихревой трубе 1, по меньшей мере на два канала 65 и 66 (фиг.23); по крайней мере в каждом лопаточном завихрителе потока 13, установленном в вихревой трубе 1, каждый канал 63, образованный двумя смежными лопатками 64, может быть разделен по меньшей мере одной плоской перегородкой 69, одна из сторон которой совпадает с соответствующей боковой поверхностью одной из граней 70 правильного многогранника 71, соосного вихревой трубе 1 и имеющего количество граней, равное количеству каналов 63, образованных каждыми двумя смежными лопатками 64 завихрителя потока потока 13, при этом при совмещении каждой перегородки 69 с соответствующей гранью 70 многогранника 71 каждая из последних 71 располагается между двумя смежными лопатками 64 по меньшей мере на два канала 65 и 66 (фиг.22); по крайней мере в каждом лопаточном завихрителе потока 13, установленном в вихревой трубе 1, по меньшей мере каждый периферийный канал 65, образованный двумя смежными лопатками 64, перегородкой 67 и по крайней мере участком внутренней поверхности вихревой трубы 1, в каждом сечении последней (вихревой трубы) на участке завихрителя потока 13 может быть симметрично разделен по меньшей мере одной перегородкой 72, расположенной между боковыми сторонами двух смежных лопаток 64 (фиг.22); каждый торец 73, 74, обращенный навстречу потоку, каждой перегородки 67, 72, выполненной в каждом канале 63 лопаточного завихрителя потока 13, образованном двумя смежными лопатками 64, может быть выполнен заостренным (фиг.22).

Способ разделения сред с неоднородным полем плотностей и с разной молекулярной массой компонентов и работа вихревого устройства для его реализации (фиг. 1) осуществляются в соответствии с законом, открытым автором, который гласит: "В свободно вращающемся вихревом потоке среды (газа, жидкости, их смесей, диспергированной, двухфазной, пылегазовой и другой сред) с неоднородным полем плотностей (в том числе и с разной молекулярной массой компонентов) в процессе затухания вращательного движения потока за сечением по его длине, в котором максимальное значение окружной скорости достигает критического значения, обеспечивающего еще вращение наиболее тяжелых частиц среды в периферийной зоне потока, возникает процесс непрерывного замещения менее тяжелых частиц среды тяжелыми в направлении к оси вращения потока, продолжающийся до сечения, в котором среда во вращающемся потоке располагается кольцевыми слоями в порядке возрастания ее плотности в каждом последующем из них в направлении к оси вращения вихревого потока.

При максимальном значении окружной скорости большем критического значения процесс непрерывного замещения менее тяжелых частиц среды тяжелыми протекает в обратном вышеуказанному направлении, т.е. в направлении к периферии потока".

Таким образом, предложенный способ разделения сред осуществляется на использовании ранее неизвестного явления.

В вихревом устройстве (фиг.1), содержащем вихревую трубу 1 с по меньшей мере одним завихрителем потока 2, установленным в последнем (вышеуказанном) случае на ее входном участке 3, из завихрителя 2 выходит закрученный поток, среды в котором, перемещаясь в осевом направлении, одновременно осуществляют и вращательное движение. При этом при выбранных конструктивных характеристиках вихревого устройства и известных характеристиках подаваемых в вихревую трубу 1 разделяемых сред максимальная эффективность разделения сред достигается путем осуществления совместного регулирования по меньшей мере степени открытия регулирующих запорных устройств 11, 12, установленных на отводах 9, 10 разделенных сред из каналов 4, 8 вихревой трубы 1, обеспечивая этим оптимальное значение максимальной окружной скорости закрученного потока в выходном сечении завихрителя потока 2, которое может не превышать критическое значение w_кр, при котором еще обеспечивается вращение наиболее тяжелых (наибольшей плотности или наибольшей молекулярной массы) частиц среды в периферийной зоне потока, а также может превышать вышеуказанное критическое значение окружной скорости _кр. В зависимости от вышеуказанного максимального значения окружной скорости вихревого потока на выходе из завихрителя потока 2 процесс непрерывного замещения менее тяжелых частиц среды тяжелыми (большей плотности или молекулярной массы) при затухании вращательного движения потока происходит в направлении к оси вращения потока или в направлении от вышеуказанной оси, т.е. к периферии потока. В последнем случае процесс продолжается до тех пор, пока максимальное значение окружной скорости _макс в каком-то сечении потока не достигнет его критического значения _кр, при котором еще обеспечивается вращение наиболее тяжелых (наибольшей плотности или наибольшей молекулярной массы) частиц среды в периферийной зоне 14 потока (фиг.2, 3).

При дальнейшем снижении максимального значения окружной скорости _макс(_макс<_кр) в сечениях потока в направлении его движения направление замещения менее тяжелых частиц среды тяжелыми изменяется на противоположное, т.е. вышеуказанное замещение происходит в направлении к оси вращения потока.

Поэтому в последнем случае при установке только одного завихрителя потока 2 на входном участке 3 вихревой трубы 1 максимальная эффективность разделения сред достигается в случае, когда максимальное значение окружной скорости _макс вращающегося потока снижается до его критического значения _кр во входном сечении 1-1 в каналы 4, 8 разделенных сред.

В случае выхода потока разделяемых сред из выходного сечения завихрителя потока 2 с максимальным значением окружной скорости _макс, не превышающем его критического значения _кр, максимальная эффективность разделения сред достигается в случае, когда полное затухание вращательного движения происходит во входном сечении 1-1 в каналы 4, 8 разделенных сред или за указанным сечением 1-1 в направлении движения потока. Выполнение последнего целесообразно для случая, когда разделение сред заканчивается ранее полного затухания вращательного движения потока, в результате чего несколько сокращается длина вихревой трубы и, следовательно, вихревого устройства.

Перемещение тяжелых частиц среды ближе к оси вращения потока происходит по спиралеобразной траектории с уменьшением радиуса вращения. При этом при переходе на меньший радиус вращения тяжелые частицы, обладающие большей окружной скоростью, увеличивают угловую скорость вращения менее тяжелых частиц среды на указанном радиусе, отдавая часть кинетической энергии другим частицам, менее тяжелым, в результате чего процесс перемещения их (тяжелых частиц) к оси вращения ускоряется, что подтверждается экспериментальными исследованиями.

Перемещение менее тяжелых частиц среды в направлении к периферии закрученного потока происходит по спиралеобразной траектории с увеличением радиуса вращения. Процесс взаимного замещения частиц сред в вихревом потоке, имеющих разную плотность, сопровождается затратой работы замещения.

Во вращающемся потоке при соблюдении условий взаимного замещения менее тяжелых частиц среды тяжелыми в одном из вышеприведенных направлений заканчивается в сечении вихревой трубы 1, в котором разделяемые среды располагаются кольцевыми слоями в порядке увеличения или уменьшения плотности или молекулярной массы от слоя к слою в направлении к оси вращения потока. Выход разделяемых сред из вихревой трубы 1 осуществляется через периферийный 4 и по меньшей мере один центральный 8 каналы, расположенные с противоположной входному участку 3 вихревой трубы 1 стороны. При этом периферийный канал 4 образован внутренней поверхностью вихревой трубы 1 и наружной поверхностью участка 5 трубы 6, расположенного внутри выходного участка 7 вихревой трубы 1 соосно последней.

В свою очередь участок 5 трубы 6 при отводе центрального потока разделенной среды по меньшей мере через один канал 8 служит начальным участком последнего.

Вследствие быстрого затухания вращательного движения потока после выхода его из завихрителя потока 2 даже при значительно отличающейся плотности или молекулярной массе разделяемых сред процесс разделения последних не успевает завершиться полностью, особенно это касается процесса разделения сред в случае протекания его при максимальном значении окружной скорости закрученного потока сред в каждом сечении вихревой трубы на участке разделения, превышающем его критическое значение _кр(_макскр).

Для достижения лучшего качества разделения сред внутри вихревой трубы 1 на расстоянии от завихрителя потока 2, размещенного на ее входном участке 3, устанавливается по меньшей мере второй завихритель потока 13, обеспечивающий дозакрутку потока (фиг.2).

Количество завихрителей потока может быть различным, которое зависит от значений плотностей или молекулярных масс разделяемых сред. При малой разнице в последних количество завихрителей потока для достижения наиболее полного разделения сред при прочих равных условиях увеличивается.

Увеличение геометрических размеров вихревой трубы 1 устройства также приводит к увеличению количества устанавливаемых завихрителей потока для достижения необходимой эффективности в разделении сред. Качество разделения сред при прочих равных условиях зависит и от вязкости разделяемых сред, а также от ряда других факторов.

В зависимости от разности плотностей или молекулярных масс компонентов разделяемых сред и, прежде всего, от процентного содержания каждой из последних, а также от других условий максимальное значение окружной скорости _макс закрученного в каждом завихрителе потока 2, 13 разделяемых сред в их выходном сечении 2-2 может не превышать критического значения _кр(_макс>_кр), при котором еще обеспечивается вращение наиболее тяжелых (наибольшей плотности или наибольшей молекулярной массы) частиц среды в периферийной зоне 14 потока (фиг.2, 3), а также может превышать вышеуказанное критическое значение окружной скорости _кр(_макскр) (фиг.2, 4), в результате чего при работе вихревого устройства в первом случае в процессе затухания вращательного движения потока за выходным сечением 2 2 каждого завихрителя потока 2, 13 возникает процесс непрерывного замещения менее тяжелых частиц среды тяжелыми в направлении к оси вращения потока, вследствие чего разделенная среда, обладающая меньшей плотностью или молекулярной массой, выходит из вихревой трубы 1 через периферийный канал 4, а разделенная среда, имеющая большую плотность или молекулярную массу, выходит по меньшей мере через один центральный канал 8, а во втором случае в процессе затухания вращательного движения потока за выходным сечением 2 2 каждого завихрителя потока 2, 13 возникает процесс непрерывного замещения менее тяжелых частиц среды тяжелыми в направлении от оси вращения потока, при этом во входном сечении 3 3 каждого последующего завихрителя потока 13 максимальное значение окружной скорости _макс должно сохраняться большим или оно может достигать вышеуказанного критического значения окружной скорости _кр(_макскр), вследствие чего разделенная среда, обладающая большей плотностью или молекулярной массой, выходит из вихревой трубы 1 через периферийный канал 4, а разделенная среда, имеющая меньшую плотность или молекулярную массу выходит по меньшей мере через один центральный канал 8 (фиг.2 4). Наиболее предпочтительным является первый случай, когда максимальное значение окружной скорости _макс в выходном сечении завихрителей потока 2, 13 не превышает его критического значения _кр(_макскр), так как на работу вихревого устройства при этом затрачивается меньшее количество энергии в сравнении со вторым случаем, расходуемой на подачу и закрутку потока разделяемых сред в вихревом устройстве.

Второй случай (_макс>_кр) может оказаться единственно возможным или наиболее эффективным, когда в разделяемых средах одна из них, имеющая меньшую плотность или молекулярную массу, в то же время содержится в малом количестве (малое процентное содержание), так как при этом в процессе разделения сред в вихревом устройстве вышеуказанная среда к выходу из последнего концентрируется у оси вращения потока, а следовательно, толщина (диаметр) в сечении потока вышеуказанной среды будет наибольшим, чем в случае, если бы она концентрировалась на периферии потока разделяемых сред. В последнем случае вследствие малой ее толщины на выходе из вихревой трубы 1 такую среду значительно сложнее качественно отделить от остальной среды, имеющей намного большее процентное содержание.

При разделении двух сред эффективность первого достигается, как правило, только для одной из двух отделяемых сред, так как в другую попадает некоторое количество первой среды или наоборот, в зависимости от того, качество какой среды необходимо получить лучшей. В наибольшей степени качество разделения определяется типом завихрителя потока.

Закрутка потока разделяемых сред на начальном участке 3 вихревой трубы 1 может осуществляться различными способами. Наиболее распространенными из них являются способы закрутки потока с использованием лопаточных, шнековых, тангенциальных и тангенциально-лопаточных завихрителей, установленных на начальном участке 3 вихревой трубы 1 [3]

Наибольшая эффективность работы вихревого устройства при использовании шнековых, тангенциальных и тангенциально-лопаточных завихрителей достигается в случае совпадения в выходном сечении 2 2 завихрителя потока 2 (при тангенциальной закрутке за участком 3 вихревой трубы 1) центра ("нулевой точки"), вокруг которого вращаются среды, расположенные в приосевой зоне вихревой трубы 1, и в котором давление сред минимальное, с осью трубы 1 (фиг.1, 24). Последнее достигается использованием многозаходных шнековых завихрителей и симметричным выходом из них закрученного потока, а при тангенциальной закрутке симметричным входом среды в начальный участок 3 вихревой трубы 1 относительно оси последней.

В случае несимметричного входа закрученного потока в вихревую трубу 1 "нулевая точка" смещается эксцентрично от оси трубы 1 и вместе с вихревым потоком совершает круговые движения вокруг оси последней 1 (фиг. 25). Причем "нулевая точка" каждого последующего сечения потока в направлении его движения оказывается повернутой на угол друг относительно друга. Подтверждением этого является вращение стержня 63, введенного в открытый со стороны выхода потока конец вихревой трубы 1 и закрепленного в подшипнике скольжения, в противоположном направлении вращению потока [4] в чем нет никакой ошибки, это подтверждают и другие исследования автора. Поэтому в связи с изменением структуры вихревого потока при несимметричном входе сред в вихревую трубу 1 эффективность вихревого разделения сред снижается из-за невозможности осуществить надлежащий отвод разделенных сред из вихревой трубы 1 без попадания одной среды в отвод другой среды и наоборот.

Смещение центра ("нулевой точки"), вокруг которого вращается среда, расположенная в приосевой зоне вихревой трубы 1, относительно оси последней может происходить в определенной степени даже при использовании лопаточных завихрителей, что связано с технологическими отклонениями размеров, формы и т. п. отдельных лопаток завихрителя. При строгом соблюдении технологии изготовления и установки в вихревую трубу лопаточные завихрители обеспечивают симметричный ввод сред в вихревую трубу 1 (фиг.26).

Качество разделения двух сред зависит также по меньшей мере от степени открытия регулирующих запорных устройств 11, 12, установленных на отводах 9, 10 разделенных сред из каналов 4, 8 вихревой трубы 1 (фиг.1), так как при этом даже при строгом совпадении вышеуказанного центра ("нулевой точки") с осью вихревой трубы 1 в канал из разделенных одной из сред А попадает другая среда Б, а при изменении степени открытия вышеуказанных регулирующих запорных устройств в канал разделенной второй среды попадает первая среда.

Исключить вышеуказанное возможно путем отвода центрального потока разделенных сред из вихревой трубы 1 по меньшей мере через два канала 8, 15, входные участки 5, 16 которых располагаются в выходном участке 7 вихревой трубы 1, при этом по крайней мере каждый из вышеуказанных каналов 8, 15 разделенных сред за вихревой трубой 1 снабжается регулирующим запорным устройством 12, 19 (фиг. 2). В данном случае через периферийный 4 и центральный 8 каналы отводятся разделенные среды, а в канал 15, расположенный между вышеуказанными каналами 4 и 8, поступают обе разделяемые среды 1 и 11 (фиг. 24). Варьируя геометрическими размерами канала 15 и степенью открытия регулирующих запорных устройств 12 и 19, можно добиться высокого качества разделения сред.

В ряде случаев, определяемых прежде всего конструктивным выполнением отвода разделенной среды из периферийного канала 4, для улучшения работы вихревого устройства и исключения обратных токов среды на выходе периферийного потока разделенной среды из периферийного канала 4 с кольцевым входным сечением, расположенного внутри выходного участка 7 вихревой трубы соосно последней, может быть установлена дроссельная заслонка 20 кольцеобразной формы с цилиндрическим отверстием, свободно охватывающим наружную поверхность трубы 17 (фиг. 2). При этом дроссельная заслонка 20 может при открытии выходного отверстия из периферийного канала 4 перемещаться вместе с трубой 17 как единое целое. Конструкция отвода 9 разделенной среды из периферийного канала 4 вихревой трубы 1, расположенного за выходным сечением из последней, может быть различной.

Выполнение входного торца 21, 22 участка 5, 16 по крайней мере каждой трубы 6, 17, расположенного внутри выходного участка 7 вихревой трубы 1 соосно последней, обтекаемой формы, а также с острой входной кромкой 23, 24 (фиг. 2, 5) улучшает условия входа разделения сред в каналы 4, 8, 15, особенно в последнем случае, так как острая входная кромка строго фиксирует границу разделения сред во входном сечении в соответствующий канал.

Выполнение участка 5, 16 по крайней мере каждой трубы 6, 17, расположенного внутри выходного участка 7 вихревой трубы 1 соосно последней, с возможностью смещения (x₁) в осевом направлении вихревой трубы 1 (фиг. 2) позволяет при изменении характеристик разделяемых сред и режимных параметров работы вихревого устройства осуществлять его подрегулировку для соблюдения, как отмечалось ранее, оптимальных условий входа потока разделенных сред в соответствующие каналы 4, 8, 15 (фиг. 2) вихревой трубы 1.

Для осуществления вышеуказанной цели вихревая труба 1 может выполняться составной, состоящей из нескольких частей, например 25, 26, 27, а также взаимозаменяемых участков (фиг. 1, 2, 6), что позволяет при изменении характеристик разделяемых сред и режимных параметров работы вихревого устройства за счет варьирования ее длины достичь наибольшей эффективности работы вихревого устройства. Соединение отдельных частей вихревой трубы 1 друг с другом и обеспечение герметичности их стыков может осуществляться различными способами, выбор которых определяется технологичностью конструкции и надежностью работы вихревого устройства.

При установке нескольких завихрителей потока в вихревой трубе 1, что определяется характеристиками разделяемых сред, и выходе потока разделяемых сред из выходного сечения 2 2 каждого завихрителя потока 2, 13 с максимальным значением окружной скорости _макс, не превышающем его критического значения _кр, максимальная эффективность работы вихревого устройства достигается в случае, когда расстояние l₁ между выходным сечением 2 2 по крайней мере каждого предыдущего завихрителя потока 2 и входным сечением 3 3 смежного с ним последующего завихрителя потока 13 не превышает длины участка вихревой трубы 1, на котором происходит полное затухание вращательного движения закрученного потока (фиг. 2). В противном случае с момента полного затухания вращательного движения потока на оставшемся участке его пути до входного сечения 3 3 поток приобретает характер стабилизированного осевого течения в трубе, что приводит к некоторому ухудшению характеристик вихревого устройства, зависящему от длины последнего участка, а именно к некоторому снижению качества разделения сред, увеличению гидравлических потерь и габаритов устройства.

В дополнение вышерассмотренному при выходе потока разделяемых сред из выходного сечения 2 2 завихрителя потока 13, расположенного ближе к выходу из трубы 1, с максимальным значением окружной скорости _макс, не превышающем его критическое значение _кр, для достижения максимальной эффективности работы вихревого устройства расстояние l₂, l₃ между выходным сечением 2 2 вышеуказанного завихрителя потока 13 и входным сечением 4 4 и 5 5 по крайней мере в каждый участок 5, 16 труб 6, 17, расположенный внутри выходного участка 7 вихревой трубы 1 (фиг.7), не должен превышать длины участка вихревой трубы 1, на котором происходит полное затухание вращательного движения закрученного потока.

В отличие от вышеизложенного, при установке нескольких завихрителей потока в вихревой трубе 1 и выходе потока разделяемых сред из выходного сечения 2 2 каждого завихрителя потока 2, 13 с максимальным значением окружной скорости _макс, превышающим его критическое значение _кр, максимальная эффективность работы вихревого устройства достигается в случае, когда расстояние l₁ между выходным сечением 2 2 по крайней мере каждого предыдущего завихрителя потока 2 и выходным сечением 3 3 смежного с ним последующего завихрителя потока 13 не превышает длины участка вихревой трубы 1, на котором максимальное значение окружной скорости _{макс u} потока, выходящего из выходного сечения 2 2 предыдущего завихрителя потока 2, снижается до ее критического значения _кр (фиг. 2). В противном случае с момента, когда максимальное значение окружной скорости _макс в определенном сечении потока вследствие затухания вращательного движения после выхода его из предыдущего завихрителя потока 2 достигнет критического значения _кр, направление замещения менее тяжелых частиц среды тяжелыми, как отмечалось выше, изменяется на противоположное.

Следовательно, с вышеуказанного момента, когда максимальное значение окружной скорости _макс в определенном сечении потока достигнет _кр, на оставшемся участке его пути до входного сечения 3 3 последующего завихрителя потока 13 начнется процесс смешения разделяемых сред, что приведет к ухудшению характеристик вихревого устройства, причем последнее определяется величиной длины оставшегося участка пути.

В дополнение вышерассмотренному при выходе потока разделяемых сред из выходного сечения 2 2 завихрителя потока 13, расположенного ближе к выходу из трубы 1, с максимальным значением окружной скорости _макс, превышающем его критическое значение _кр, для достижения максимальной эффективности работы вихревого устройства расстояние l₂, l₃ между выходным сечением 2 2 завихрителя потока 13 и входным сечением 4 4 и 5 5 по крайней мере в каждый участок 5, 16 труб 6, 17, расположенный внутри выходного участка 7 вихревой трубы 1 (фиг.7), не должен превышать длины участка вихревой трубы 1, на котором максимальное значение окружной скорости потока, выходящего из выходного сечения 2 2 вышеуказанного завихрителя потока 13, снижается до ее критического значения _кр (фиг.7).

При установке в вихревой трубе 1 нескольких завихрителей потока выполнение по крайней мере каждого последующего по движению потока завихрителя потока 13 с возможностью смещения (tx₂) в осевом направлении вихревой трубы 1 (фиг. 7) позволяет при изменении характеристик разделяемых сред и режимных параметров работы вихревого устройства варьированием величиной вышеуказанного перемещения достигать наибольшей эффективности при работе вихревого устройства.

Крепление и установка завихрителей потока в вихревой трубе 1 может осуществляться различными способами с осуществлением фиксации завихрителей потока от проворачивания их вокруг оси вихревой трубы 1 под воздействием набегающего потока разделяемых сред.

Один из способов закрепления завихрителей потока 13, 31, установленных за входным в вихревую трубу 1 завихрителем потока 2, а также осуществления их перемещения представлен на фиг. 9. Завихритель потока 13 размещен на стержне 73 круглого поперечного сечения, причем торец стержня, обращенный навстречу потоку, выполнен обтекаемым или заостренным. Последующий завихритель потока 31 размещен на полом стержне 74, внутри которого свободно проходит вышеуказанный стержень 73 круглого поперечного сечения завихрителя потока 13. Для закрепления от проворачивания завихрителей потока 13, 31 в вихревой трубе 1 могут быть на участках их перемещения предусмотрены продольные углубления (пазы), внутрь которых входит штырь (выступ) соответствующего завихрителя потока 13, 31.

В зависимости от характеристик разделяемых сред и других условий работы вихревого устройства внутренняя поверхность 28 вихревой трубы 1 может выполняться цилиндрической формы (фиг.1, 2, 6, 7); в форме усеченного конуса с вершиной, обращенной в сторону, противоположную направлению движения потока, по крайней мере на всем участке вихревой трубы 1, расположенном за выходным сечением 2 2 завихрителя потока 2, установленном на входном участке 3 вихревой трубы 1 (фиг.8), а также по крайней мере на участках между каждыми двумя смежными завихрителями потока 2 и 13, 13 и 31 может выполняться в форме усеченного конуса с вершиной каждого из них, обращенной в сторону, противоположную направлению движения потока, а на участках 32, 33, на которых осуществляется перемещение разделителей потока 13, 31 в осевом направлении вихревой трубы 1, внутренняя поверхность последней 1 может выполняться цилиндрической формы (фиг. 9). Выбор формы внутренней поверхности 28 вихревой трубы 1 определяется, прежде всего, из условий достижения максимального качества разделения сред, а также и другими условиями. При этом форма внутренней поверхности вихревой трубы 1 может быть и иной. В дополнение к вышесказанному площадь проходного сечения вихревой трубы 1 может выполняться увеличивающейся в направлении к выходу из последней (фиг.8, 9), при этом она может увеличиваться на отдельном участке вихревой трубы в указанном направлении или участках ее, а также иметь одинаковое значение. Так, наиболее эффективной формой вихревой трубы 1 является коническо-цилиндрическая в направлении движения потока, при этом угол конусности для предотвращения отрыва потока от внутренней поверхности вихревой трубы 1 обычно не превышает 5^o.

Для достижения максимальной эффективности работы вихревого устройства в разделении сред при изменении характеристик последних и режимных параметров работы устройства вихревая труба 1 может снабжаться по крайней мере несколькими комплектами завихрителей потока 2, 13, 31, отличающимися между собой характеристиками завихрителей, при этом по крайней мере каждый завихритель потока 2, 13, 31 выполняется съемным (фиг.1, 2, 7 9).

В целях достижения максимальной универсальности вихревого устройства при разделении различных сред угол выхода потока разделяемых сред по крайней мере из каждого завихрителя потока 2, 13, 31, установленного в вихревой трубе 1, к оси последней может изменяться (фиг.1, 2, 7 9), для чего лопасти завихрителей потока выполняются поворотными. Такое выполнение зависит от размеров вихревой трубы 1 и может быть технически осуществлено для вихревых устройств большой производительности известными в технике способами.

Для этой же цели по крайней мере концентрично друг относительно друга и соосно вихревой трубе 1 расположенные трубы 6, 17, входные участки 5, 16 которых размещены внутри выходного участка 7 вихревой трубы 1, могут выполняться сменными, отличающимися друг от друга геометрическими размерами и прежде всего диаметрами (фиг. 1, 2, 7 9).

В случае необходимости, определяемой конструкцией вихревого устройства, по крайней мере канал 4, 8 отвода разделенной среды из вихревой трубы 1 на своем входном участке может снабжаться спрямителем потока 34, 35, за которым вращающийся поток приобретает осевое направление движения, а конструкция его может быть различной (фиг.9).

Расположение вихревой трубы 1 в работающем вихревом устройстве может быть различным, а именно горизонтальным, вертикальным, а также вихревая труба 1 может располагаться под углом к горизонтальной плоскости (фиг.1, 2). Выбор расположения определяется значениями плотностей разделяемых сред. При малых плотностях, как у газов, расположение может быть любое из перечисленных, а при больших значениях плотностей разделяемых сред или одной из них целесообразным является вертикальное расположение, так как при горизонтальном расположении вследствие действия гравитационных сил структура вращающегося потока претерпевает некоторые изменения, ухудшая процесс разделения сред.

В зависимости от используемой энергии на подачу в вихревую трубу 1 разделяемых сред и их закрутку в завихрителях потока последней перед входным участком 3 вихревой трубы 1, в котором размещен завихритель потока 2, может устанавливаться регулирующее запорное устройство 36, регулированием степени открытия которого достигается максимальная эффективность разделения сред (фиг. 10); входное отверстие 37 вихревой трубы 1 вихревого устройства может быть выполнено открытым (фиг. 11), при этом к входному торцу 38 вихревой трубы 1 может примыкать конфузорный участок 39 для улучшения условий входа вышеуказанных сред в вихревую трубу, а конфигурация его может быть различной (фиг. 12). Так, для вышеуказанной цели может быть использована потенциальная энергия, создаваемая нагнетательным устройством, и энергия скоростного напора. Более подробно рассмотрим это ниже.

Установка съемных диафрагм 40 (канал 8) на входе центрального потока разделенных сред по крайней мере в каждый канал 8, 15 вихревой трубы 1 расширяет диапазон использования одного и того же вихревого устройства для разделения сред, отличающихся по своим характеристикам. При этом торцевая поверхность 41 диафрагмы 40, обращенная навстречу потоку, выполняется в форме усеченного тела вращения с вершиной, обращенной навстречу потоку (фиг.2, 8).

При разделении сред, содержащих более двух компонентов, например трех, в ряде случаев, зависящих от значений плотностей или молекулярных масс разделяемых компонентов, целесообразной может являться установка по меньшей мере одного завихрителя потока 42 между внутренней поверхностью трубы 1 и наружной поверхностью участка 5 трубы 6 меньшего диаметра, образующего канал 8 круглого проходного сечения для отвода центрального потока разделенных сред из вихревой трубы 1 (фиг.13). Причем вышеуказанные завихрители потока, которых может быть несколько или по меньшей мере один, располагается в самом конце вихревой трубы 1. В этом случае одна из разделенных сред, обладающая соответствующей плотностью или молекулярной массой, отводится через канал 8, а другие среды продолжают разделяться на дальнейшем участке вихревой трубы 1 в направлении движения потока.

Для исключения поступления из отводов 9, 10 в соответствующие емкости или трубопроводы некачественно разделенных сред при вводе вихревого устройства в работу целесообразно по крайней мере каждый из отводов 9, 10 разделенных сред за вихревой трубой 1 снабжать вторым параллельно с первым включенным регулирующим запорным устройством 43, 44, обеспечивающим независимый выпуск разделенной среды (фиг.1). По окончании регулировки введенного в работу вихревого устройства производится открытие рабочих регулирующих запорных устройств 11, 12 и закрытие вышеуказанных регулирующих запорных устройств 43, 44, через которые предварительно осуществляется проверка качества разделения сред.

В необходимых случаях, зависящих в первую очередь от конструктивного выполнения отвода 18 разделенной среды из канала 15, в последнем, образованном двумя концентрично друг относительно друга расположенными участками труб 6, 17, за выходным сечением вихревой трубы 1 перед регулирующим запорным устройством 19 в направлении движения потока может устанавливаться дроссельная заслонка 45 кольцеобразной формы для обеспечения ее перемещения относительно вышеуказанной трубы 6 меньшего диаметра (фиг.7).

При разделении воздуха, представляющего из себя смесь газов, на отдельные компоненты, а также в других случаях для осуществления и закрутки потока первого в вихревую трубу 1 может быть использован скоростной (W) напор входящего потока сред (фиг.10, 11).

Подача и закрутка потока разделяемых сред в вихревую трубу 1 может осуществляться по меньшей мере за счет избыточного давления в герметичной емкости 46, размещаемой между нагнетательным устройством 47, подающим разделяемые среды в последнюю 46, и регулирующим запорным устройством 36, установленном на входе в вихревую трубу 1 (фиг.10, 14). При этом, как правило, на трубопроводе 48, соединяющем нагнетательное устройство 47 и герметичную емкость 46, устанавливается регулирующее запорное устройство 49 (фиг.14).

Подача и закрутка разделяемых сред в вихревую трубу 1 может также осуществляться по меньшей мере нагнетательным устройством 47, создающим избыточное давление на входе в последнюю 1 и установленным перед регулирующим запорным устройством 36 вихревой трубы 1 (фиг.15).

С целью использования отсасывающих устройств разделенных сред из соответствующих отводов вихревого устройства для подачи и закрутки разделяемых сред в вихревую трубу 1 по крайней мере каждый отвод 9, 10 разделенной среды может быть соединен за регулирующим запорным устройством 11, 12 в направлении движения потока с отдельной герметичной емкостью 50, 51, в каждой из которых создается своим (индивидуальным) отсасывающим устройством 52, 53 пониженное давление в сравнении с давлением разделяемых сред на входе в вихревую трубу 1 (фиг.16). При этом по крайней мере каждая герметичная емкость 50, 51 соединяется, как правило, с индивидуальным отсасывающим устройством 52, 53 через установленное между ними регулирующее запорное устройство 54, 55 (фиг. 16), что позволяет в емкости 50, 51 поддерживать заданную величину давления.

В отдельных случаях при использовании последнего способа подачи и закрутки потока разделяемых сред в вихревую трубу 1 в каждом из отводов 9, 10 разделенных сред из вихревой трубы 1 пониженное давление в сравнении с давлением разделяемых сред на входе в вихревую трубу 1 может создаваться индивидуальным для каждого из отводов 9, 10 отсасывающим устройством 52, 53, подключенным к соответствующему отводу 9, 10 вихревой трубы 1 (устройства) через установленное между последней 1 и каждым из отсасывающих устройств 52, 53 регулирующего запорного устройства 11, 12 (фиг.17).

Приведенные два последние способа подачи и закрутки разделяемых сред в вихревую трубу 1 могут быть использованы, например, при разделении воздуха, а также в других случаях.

При разделении многокомпонентных сред, а также в других случаях, например при выделении среды с малым процентным содержанием, достичь высокого качества разделения сред можно соединением по меньшей мере одного из отводов 10 разделенных сред предыдущего вихревого устройства 59 с входом последующего вихревого устройства 60 (фиг.19), при этом вышеуказанные вихревые устройства 59, 60 могут иметь одинаковые характеристики, а чаще их характеристики отличаются друг от друга, так как разделяемые среды в каждом из них оказываются различными по процентному содержанию компонентов, а также в этом случае различны и режимные параметры работы устройств.

Для достижения компактности при высоком качестве разделения сред и большой производительности в каждом из по меньшей мере двух вихревых устройств 56 и 57, соединенных для параллельной работы, по меньшей мере один из одинаковых для вышеуказанных вихревых устройств 56, 57 отводов разделенных сред может соединяться с входом в одно и то же другое вихревое устройство 60 (фиг.20).

Для обеспечения повышенной производительности по меньшей мере два вихревых устройства 56, 57 могут соединяться для параллельной работы, обеспечивая выпуск разделенной среды по меньшей мере из одного одинакового отвода 10 каждого вихревого устройства 56, 57 в индивидуальную для вышеуказанного отвода 10 герметичную емкость 58, из которой разделенная среда отсасывается устройством 55 через установленный между последними 58 и 55 регулирующего запорного устройства 53 (фиг.18).

Высокое качество разделения сред при высокой производительности и компактности может достигаться тем, что по меньшей мере два агрегата, состоящие из вихревых устройств 59, 60, в каждом из которых по меньшей мере один из отводов 10 разделенных сред предыдущего вихревого устройства 59 соединен с входом в последующее вихревое устройство 60, могут включаться для параллельной работы, обеспечивая выпуск разделенной среды по меньшей мере из одного одинакового отвода 10 каждого последующего вихревого устройства 60 в индивидуальную для вышеуказанного отвода 10 герметичную емкость 62, при этом разделенная среда из последней забирается отсасывающим устройством 55 через установленное между последними 62 и 55 регулирующее запорное устройство 53 (фиг. 21). Возможны и другие варианты подачи и закрутки в вихревых устройствах разделяемых сред, а также другие различные соединения вихревых устройств для их совместной работы.

Для закрутки разделяемых сред на последующих за первым 2 завихрителях потока, установленных в вихревой трубе 1, целесообразнее использовать лопаточные завихрители. При этом при относительно больших размерах вихревых труб 1 для предотвращения возможного смещения подвергшихся разделению сред на предыдущем участке вихревой трубы 1 до входа в последующий завихритель потока 13 (фиг.2) по крайней мере в каждом лопаточном завихрителе потока 2, 13, 31, установленном в вихревой трубе 1, каждый канал 63, образованный двумя смежными лопатками 64, может быть разделен по меньшей мере на два канала 65, 66 по меньшей мере одним боковым участком 67 цилиндрического пустотелого тела, соосного вихревой трубе 1 (фиг.22); по меньшей мере одним участком 68 пустотелого усеченного тела вращения, соосного вихревой трубе 1 (фиг.23); по меньшей мере одной плоской перегородкой 69, одна из сторон которой совпадает с соответствующей боковой поверхностью одной из граней 70 правильного многогранника 71, соосного вихревой трубе 1 и имеющего количество граней, равное количеству каналов 63, образованных двумя смежными лопатками 64 завихрителя потока 13, при этом при совмещении каждой перегородки 69 с соответствующей гранью 70 многогранника 71 каждая из последних 71 располагается между двумя смежными лопатками 64 (фиг.2, 22), а также по меньшей мере каждый периферийный канал 65, образованный двумя смежными лопатками 64, перегородкой 67 и по крайней мере участком внутренней поверхности вихревой трубы 1 (периферийные торцы лопаток завихрителя потока могут быть окольцованы), в каждом сечении последней 1 на участке завихрителя потока 13 симметрично может быть разделен по меньшей мере одной перегородкой 72, расположенной между боковыми сторонами двух смежных лопаток 64 (фиг.22).

Для вышеуказанной цели могут быть использованы перегородки других геометрических форм, обеспечивающие надлежащую закрутку потока сред.

Улучшение условий входа потока сред в завихритель потока каждый торец 73, 74, обращенный навстречу потоку, каждой перегородки 67, 72, выполненной в каждом канале 63 лопаточного завихрителя потока 13, образованном двумя смежными лопатками 64, выполняется заостренным (фиг.22).

Выбор типа завихрителей потока, а также их геометрических характеристик осуществляется комплексно, исходя не только из требуемой эффективности работы одного вихревого устройства, так как последние могут работать совместно друг с другом, но и технологическими соображениями, эксплуатационными и другими требованиями. При использовании шнековых завихрителей последние выполняются многозаходными с симметричным выходом из них закрученного потока, а при тангенциальной закрутке симметричным входом среды в вихревую трубу относительно оси последней. Возможны также и другие способы закрутки потока разделяемых сред.

Для возможности первоначальной настройки вихревого устройства для эффективной работы по разделению сред по длине вихревой трубы могут предусматриваться отборы проб для осуществления анализа и контроля. Вихревое устройство также снабжается и другими необходимыми контрольно-измерительными приборами.

Таким образом, изобретение раскрывает физическую сущность ранее неизвестного явления, сущность которого раскрыта в открытом автором законе, использование которого для разделения сред с неоднородным полем плотностей и с разной молекулярной массой компонентов в вихревом устройстве позволяет значительно сократить затраты энергии и упростить технологию разделения сред в различных отраслях производства, в частности химической, нефте- и газодобывающей и перерабатывающей промышленности, тепловой энергетике и во многих других производствах.