устройство для воздействия на поток текучей среды

Формула изобретения

1. Устройство для воздействия на поток текучей среды, выполненное в виде крана, содержащего корпус с узлами соединения, с подводящим и отводящим трубопроводами и шаровым запорным элементом со сквозным отверстием, в котором установлен узел воздействия на поток, включающий направляющий аппарат и кавитатор, а в корпусе между узлами соединения выполнено отверстие, проходное сечение которого не менее проходного сечения сквозного отверстия в шаровом запорном элементе, причем при закрытом положении запорного элемента отверстие в корпусе сообщено со сквозным отверстием в запорном элементе, а узел воздействия на поток выполнен в виде сменной обоймы, в которой последовательно с зазором относительно друг друга смонтированы направляющий аппарат и кавитатор, при этом направляющий аппарат и кавитатор выполнены в виде лопастных колес одинаковой толщины, а величина зазора между ними составляет от 2 до 3 толщин направляющего аппарата или кавитатора.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что узел воздействия на поток установлен в сквозном отверстии запорного элемента посредством шлицевого соединения.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к средствам воздействия на поток текучей среды при транспортировании жидкостей по трубопроводам и может быть использовано в химической, нефтяной и других отраслях промышленности.

Известно устройство для воздействия на поток текучей среды в виде крана, содержащего корпус, имеющий узлы соединения с подводящим и отводящим трубопроводами, и шаровой запорный элемент со сквозным отверстием (Быков А.Ф. Арматура с шаровым затвором для гидравлических систем. - М. - Машиностроение, - 1971. - С.8).

Такое устройство позволяет использовать его в трубопроводах с более высокими рабочими давлениями жидкости, так как они обеспечивают высокую герметичность, а конструкция таких устройств компактна.

Однако технологические возможности такого устройства ограничены только открытием и закрытием потока, а эксплуатация устройства усложняется из-за необходимости полной его разборки для очистки внутренней поверхности проходного отверстия.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является устройство для воздействия на поток текучей среды, выполненное в виде крана, содержащего корпус с узлами соединения, соответственно, с подводящим и отводящим трубопроводами и шаровым запорным элементом со сквозным отверстием, в котором установлен узел воздействия на поток (см., например, заявку DE 2929480, F 16 К 5/05, 05.02.1981).

В данном устройстве представляется возможность, кроме операции открытия и закрытия устройства, проводить воздействие на поток текучей среды посредством устройств, которые размещают в шаровом запорном элементе. В качестве таких устройств могут быть различного рода фильтры и средства изменения режима течения текучей среды, в частности лопаточные колеса и турбинные счетчики.

Однако возможности воздействия на поток текучей среды ограничены, что связано с отсутствием информации об оптимизации размещения средств воздействия на поток текучей среды в шаровом запорном элементе.

Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является расширение технологических возможностей воздействия на поток текучей среды за счет оптимизации расположения и выполнения узла воздействия на поток текучей среды, который расположен в шаровом запорном элементе.

Поставленная задача решается за счет того, что устройство для воздействия на поток текучей среды выполнено в виде крана, содержащего корпус с узлами соединения с подводящим и отводящим трубопроводами и шаровым запорным элементом со сквозным отверстием, в котором установлен узел воздействия на поток, включающий направляющий аппарат и кавитатор, а в корпусе между узлами соединения выполнено отверстие, проходное сечение которого не менее проходного сечения сквозного отверстия в шаровом запорном элементе, причем при закрытом положении запорного элемента отверстие в корпусе сообщено со сквозным отверстием в запорном элементе, а узел воздействия на поток выполнен в виде сменной обоймы, в которой последовательно с зазором относительно друг друга смонтированы направляющий аппарат и кавитатор, при этом направляющий аппарат и кавитатор выполнены в виде лопастных колес одинаковой толщины, а величина зазора между ними составляет от 2 до 3 толщин направляющего аппарата или кавитатора.

Кроме того, узел воздействия на поток может быть установлен в сквозном отверстии запорного элемента посредством шлицевого соединения.

Анализ работы устройства воздействия на поток текучей среды показал, что снабжение устройства узлом воздействия на поток, установленным в сквозном отверстии шарового запорного элемента, позволяет расширить технологические возможности и обеспечить не только открытие и закрытие потока, но и изменить характеристики потока, например его вязкость за счет диспергирования примесей в текучей среде.

Выполнение в корпусе между узлами соединения отверстия, которое имеет проходное сечение не менее сечения сквозного отверстия в шаровом запорном элементе, позволяет при закрытом положении запорного элемента в корпусе облегчить доступ к сквозному отверстию в шаровом запорном элементе при очистке расположенного в нем узла воздействия на поток, а также облегчить возможность замены узла воздействия на поток без полной разборки устройства, поскольку снижаются требования к точности совмещения отверстия в корпусе со сквозным отверстием в шаровом запорном элементе.

Установка узла воздействия на поток в сквозном отверстии запорного элемента посредством шлицевого соединения позволяет повысить точность и надежность установки узла воздействия на поток, поскольку предотвращается возможность проворачивания узла воздействия на поток относительно шарового запорного элемента. Кроме того, узел воздействия на поток легко извлекать и устанавливать в сквозное отверстие запорного элемента при чистке узла или его замене.

Выполнение узла воздействия на поток с кавитатором и установленным перед ним по ходу потока направляющим аппаратом позволяет активно воздействовать на режим течения текучей среды и, за счет изменения структуры потока в результате формирования в потоке текучей среды кавитационных пузырьков, изменить характеристику потока, в частности его вязкость, поскольку формирование потока с кавитационными пузырьками вызывает диспергирование примесей в текучей среде. Достигается возможность формирования режима суперкавитационного течения в центральной части потока. Имеется в виду следующее. В процессе взаимодействия с лопатками кавитатора происходит отрыв потока от твердой поверхности лопаток. Сплошность потока нарушается, что приводит к образованию первичных полостей (каверн). Около поверхности этих первичных каверн образуется большое количество мелких перемещающихся нестационарных каверн, которые быстро растут до максимального размера у начала первичной (основной) каверны. Основная каверна начинается в точке присоединения потока жидкости к поверхности лопаток кавитатора на некотором расстоянии от линии отрыва потока и простирается далеко за пределы лопаток кавитатора до смыкания основного потока с образованием полости, охватывающей лопатку в центральной ее части. Таким образом формируют суперкавитацию (Р.Кнэпп, Дж.Дейли, Ф. Хэммит, Кавитация, - Москва, Мир, 1974, с.21). Наряду с присоединенной суперкавитацией лопатки создают и область вихревой кавитации, где каверны наблюдаются в центре вихрей, образующихся в зонах с большими касательными напряжениями.

И наконец, существенное значение имеют взаимное расположение и относительные размеры и выполнение элементов узла воздействия на поток. В ходе исследования было выявлено, что наиболее оптимально, когда направляющий аппарат и кавитатор выполнены в виде лопастных колес, которые имеют одинаковую толщину, а расстояние между направляющим аппаратом и кавитатором составляет величину, равную от 2 до 3 толщин направляющего аппарата или кавитатора.

Таким образом, выполнение устройства для воздействия на поток текучей среды так, как это было описано выше, позволяет добиться выполнения поставленной в изобретении задачи - расширить технологические возможности воздействия на поток текучей среды за счет оптимизации расположения и выполнения узла воздействия на поток текучей среды, который расположен в шаровом запорном элементе.

На фиг.1 представлен продольный разрез устройства для воздействия на поток текучей среды с запорным элементом в открытом положении; на фиг.2 представлен продольный разрез устройства для воздействия на поток текучей среды с запорным элементом в закрытом положении.

Устройство для воздействия на поток текучей среды выполнено в виде крана, содержащего корпус 1, имеющий узел 2 соединения с подводящим трубопроводом 3 и узел 4 соединения с отводящим трубопроводом 5 и шаровой запорный элемент 6 со сквозным отверстием 7. В сквозном отверстии 7 установлен узел 9 воздействия на поток, включающий кавитатор 10 и направляющий аппарат 11, а в корпусе 1 между узлами соединения 2, 4 выполнено отверстие 12, проходное сечение которого не менее проходного сечения сквозного отверстия 7 в шаровом запорном элементе 6. При закрытом положении запорного элемента 6 отверстие 12 в корпусе 1 сообщено со сквозным отверстием 7 в запорном элементе 6. Узел 9 воздействия на поток выполнен в виде сменной обоймы 8, в которой последовательно с зазором L относительно друг друга смонтированы направляющий аппарат 11 и кавитатор 10. Направляющий аппарат 11 и кавитатор 10 выполнены в виде лопастных колес одинаковой толщины, соответственно L₁ и L₂, а величина зазора L между ними составляет от 2 до 3 толщин направляющего аппарата 11 или кавитатора 10. Отверстие 12 закрыто герметичной крышкой 13.

Устройство для воздействия на поток текучей среды работает следующим образом.

Устройство устанавливают в трубопроводе, соединяя узел 2 с подводящим 3 и узел 4 с отводящим 5 трубопроводами. Из закрытого положения (см. фиг.2) запорный элемент 6 поворотом переводят в открытое положение (см. фиг.1) таким образом, чтобы поток текучей среды сначала поступал в направляющий аппарат 11, который закручивает, турбулизирует и ускоряет поток текучей среды. Затем закрученный турбулентный поток текучей среды натекает на кавитатор 10, вследствие чего в центральной части потока формируется суперкавитационный режим течения потока текучей среды, что обеспечивает диспергирование примесей в проходящем потоке текучей среды.

В закрытом положении запорного элемента 6 его сквозное отверстие 7 расположено соосно с отверстием 12 в корпусе 1, что позволяет легко, без разборки всего устройства для воздействия на поток текучей среды извлекать из отверстия 7 узел 9 воздействия на поток для очистки отверстия 7 и расположенных в нем конструктивных элементов (обойма 8 с направляющим аппаратом 11 и кавитатором 10), а также их замены.

В ходе проведения испытаний был установлен устойчивый режим пузырьковой и вихревой кавитации, который обеспечивал снижение вязкости нефти на 47-82%. Измерение вязкости нефти осуществлялось стандартными методами. В процессе испытаний было показано, что обеспечивается эффективный доступ к узлу 9 воздействия на поток текучей среды и сквозному отверстию 7 запорного элемента 6 при диагностике и очистке внутренней поверхности нефтепровода и беспрепятственный проход через отверстие 12 диагностических устройств и устройств механической очистки нефтепровода.