Результат интеллектуальной деятельности: Пластинчатый дроссель для газа

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к арматуростроению, и может быть использовано в качестве регулирующего устройства для снижения давления в газовых технических устройствах.

Известен пластинчатый дроссель (см. С.А. Никитченко и др. «Конструкции, расчет и исследования дросселирующих устройств в объемном гидроприводе», с. 7-8, Зеленоград, 2017, Донской государственный университет).

Дроссель содержит разъемный корпус, в котором размещены пластины со смещенными отверстиями, между которыми размещены кольца, образующие расширительные камеры.

К недостаткам данного технического решения относится ограниченное его применение только для гидравлических систем.

Известен также пластинчатый дроссель для газа (см. RU 2059142 F16K 47/14) - прототип, содержащий разъемный корпус, в котором размещены пластины с центральным отверстием и кольцо, образующие между ними расширительные камеры, причем площади отверстий в пластинах и объема расширительных камер выполнены увеличивающимися в направлении потока проводимой среды.

К недостаткам известного решения относится соосное расположение отверстий в пластинах, благодаря чему какая-то часть потока реального газа проходит от первой до последней пластины, не теряя кинетическую энергию, которая согласно эффекту Джоуля-Томсона преобразуется в тепло.

То есть низкий удельный коэффициент снижения давления дросселем, приходящийся на одну пластину и следующую за ней камеру.

Технической задачей настоящего изобретения является повышение вышеупомянутого удельного коэффициента.

Поставленная цель достигается тем, что пластинчатый дроссель для газа, содержащий разъемный корпус, в котором размещены со смещенными отверстиями пластины, с помощью проставок между ними образованы расширительные камеры, увеличивающиеся, как и отверстия в пластинах, в направлении потока проводимой среды с определенным условием, одна половина площади пластины выполнена перфорированной, а другая - сплошной с заданной двухсторонней шероховатостью поверхности, при этом суммарная площадь отверстий и последующая за этой пластиной ширины расширительной камеры выполнена из условия обеспечения постоянной скорости прохождения проводимой среды через отверстия пластин и через расширительные камеры, при этом в каждой пластине расстояние от края отверстия ближнего ряда к сплошной части пластины не менее радиуса этого отверстия, а сплошная часть пластин выполнена с обеих сторон с шероховатостью поверхности не менее R_o 50 по ГОСТ 2789-73.

На фиг. 1 изображен продольный разрез пластинчатого дросселя для газа; на фиг. 2 - разрез по А-А на фиг. 1; на фиг. 3 - разрез по Б-Б на фиг. 1; на фиг. 4 - разрез по И-И на фиг. 1.

Пластинчатый дроссель для газа содержит корпус 1 со съемной крышкой 2. Внутри корпуса 1 размещены пластины 3 и проставки 4 образующие расширительные камеры 5. Причем каждая последующая расширительная камера имеет в направлении потока проводимой среды длину n больше, чем предыдущие, как равно и отверстие 6 в соответствующих пластинах 3, т.е.

n₁<n₂<n₃<n₄<n₅, аналогично к

d₁<d₂<d₃<d₄<d₅<d₆, причем суммарная площадь отверстий 6 в каждой пластине 3 и линейный размер n расширительных камер 5 рассчитывается из условия постоянной скорости прохождения реального газового потока через дроссель.

Половина площади пластин 3 выполнена перфорированной. А другая половина (в данном случае полукруг) - сплошной, причем с обеих сторон данные половины имеют шероховатость R_o 50 по ГОСТ 2789-73. При этом первый ряд отверстий перфорированной части пластин выполнен от оси симметрии пластин на расстоянии h₁=d₁/2 h₂=d₂/2 h_i=d_i/2.

Сборка пластинчатого дросселя для газа

Во внутреннюю полость корпуса 1 помещают до упора первую пластину с меньшим диаметром d₁ отверстий, затем самую низкую проставку 4, после этого поочередно последовательно по мере возрастания диаметров отверстий 6 и высоты проставки 4 помещают все пластины 3 и проставки 4.

Соблюдая при этом главное правило сборки дросселя, что последующие пластины устанавливаются против предыдущей с поворотом на 180°, т.е. против перфорированной части пластины расположена сплошная часть. После чего устанавливается крышка 2 и соединяется с корпусом 1.

Дроссель готов к работе.

Работа пластинчатого дросселя для реального газа

Проводимая среда (реальный газ) поступает по стрелке во входной патрубок дросселя. При этом часть поступающего объема газа проходит напрямую через отверстия 6 перфорированной части пластины 3, а другая часть газа, ударяясь о сплошную шероховатую часть пластины 3, подвергается вихреобразованию и внутреннему трению, после чего также проходит через отверстия 6 в пластине 3, разделяясь на отдельные потоки, при этом уже происходит снижение напора потока газа, так как часть кинетической энергии (внутреннее трение, вихреобразование, разделение на отдельные потоки, прохождение через отверстия) перешла в теплоту.

Далее поток газа, попадая в первую расширительную камеру 4, подвергается дальнейшей деформации: слияния потоков газа, выходящих из отдельных отверстий 6, ударение в шероховатую сплошную часть пластины 3, затем резкий поворот, сопровождающийся вихреобразованием и внутренним трением, прохождением шероховатой поверхности сплошной части предыдущей пластины 3, второму повороту с вихреобразованием и внутренним трением и вновь разделением на отдельные потоки при проходе через перфорированную часть следующей пластины 3, с последующим слиянием в один поток уже в последующей камере 4.

Таким образом, проходя все камеры, в которых газовый поток подвергается деформации, происходит снижение напора, вследствие перехода кинетической энергии в тепловую.

При этом скорость прохождения потока газа через пластины и через камеры остается постоянной, причем последняя меньше.

При эксплуатации пластинчатого дросселя для газа, содержащего мелкие твердые частицы, необходимо все пластины повернуть на 90°, для того чтобы поток твердых частиц не выпадал в осадок, а беспрепятственно проходил через все пластины и камеры дросселя.

На основе формулы Вейсбаха потери давления определяются:

где: Δр - потери давления, Па;

ς - коэффициент сопротивления;

V - скорость, м/с;

ρ - плотность проводимой среды, кг/м³.

Потеря давления в пластинчатом дросселе определяется по формуле:

где: Δpg - потери давления в дросселе, Па;

n - число пластин;

ΔPp_i - потери давления в i-ой пластине, Па;

ΔPk_i - потери давления в i-ой камере, Па.

Проведем сравнительный анализ потерь давления для одной пластины и одной расширительной камеры от количества местных сопротивлений ΔР заявленного пластинчатого дросселя для газа и выбранного за прототип По RU 2059142.

Но так как величина ≤ коэффициента местного сопротивления определяется экспериментальным путем, то анализ проводим по количеству местных сопротивлений.

При этом принимаем, что проводимая среда, число пластин, камер и скорость прохождения проводимой среды через дроссель одинакова в обоих случаях.

При этом также следует учесть, что в заявленном дросселе как отверстие в пластинах, так и объем расширительных камер рассчитываются из условий, что скорости в отверстиях всех пластин будут одинаковы, как и скорости в расширительных камерах.

Из таблицы видно, что заявляемому дросселю для газа присущи 9 видов местных сопротивлений, тогда как у прототипа 3.

Из приведенной выше формулы Вейсбаха ясно, что потери давления зависят от скорости проводимой среды во второй степени, то есть чем выше скорость, тем больше потери давления.

Выполняя требования по скорости прохождения проводимой среды:

СТО Газпром 2-4.1-212-2008 (скорость газа на выходе из клапана должна быть не более 0,3 Маха (в системе СИ 88,5 м/сек);

Ст ЦКБА 040-2006 (Максимальная скорость газа на выходе из РА должна быть не более 90 м/сек);

обеспечиваем максимально возможные потери давления, как в пластинах, так и в расширительных камерах.

Очевидно, и несомненно, что удельный коэффициент снижения давления приходящих на одну пластину и следующую за ней камеру у заявляемого дросселя для газа значительно выше.