Проточный безмембранный гидроаккумулятор
FLOWING MEMBRANELESS HYDRAULIC ACCUMULATOR

Область техники
.
Изобретение относится к системам водоснабжения, конкретно к проточным безмембранным гидроаккумуляторам. Безмембранный гидроаккумулятор может найти широкое применение для накопления и обеспечения питьевой и технической водой малоэтажных домов городов, сельских поселений и дачных кооперативов, а также - в химическом производстве и в системах водоподготовки и хранения сточных вод пассажирских вагонов железнодорожного транспорта.
Уровень техники.
Из уровня техники известны гидроаккумуляторы /RU 46079, RU 2467254, RU 144744, RU 126022, DE 19740674, US 10590634/, выполненные в виде расширительного мембранного бака. Мембранный расширительный бак представляет собой герметичный сосуд, содержащий два отсека, разделённых гибкой мембраной: воздушный отсек содержит воздух под определенным постоянным давлением, водяной отсек соединяется с системой водоснабжения или отопления, в него поступает вода под разным давлением. Отсеки разделены эластичной мембраной, которая способна сжиматься и растягиваться, изменяя тем самым соотношение между объемами одного и второго отсеков. Отсек с воздухом имеет вентиль с ниппелем, через которое можно изменять давление воздуха в воздушном отсеке, тем самым регулируя работу мембранного бака. На корпусе бака установлено реле давления, связанное по воде с водяным отсеком, а по электрическому выходу - с управляющим входом водяного насоса, подающего воду в водяной отсек гидроаккумулятора при снижении в нем и связанной с ним в системе водоснабжения давления ниже допустимого предела.
Недостатком известных гидроакукумуляторов является недостаточная надежность их работы, связанная ограниченным сроком службы эластичного материала мембраны. Кроме того, при налипании водных отложений происходит потеря эластичности мембраны и дополнительное снижение надежности правильной работы гидроаккумулятора. Очистка мембраны от отложений или её замена требуют сложной разборки гидроаккумулятора. Указанные сложности приводят к снижению надёжности работы мембранного гидроакукумулятора, к увеличенным затратам времени на профилактическое обслуживание и увеличенным простоям в его работе.
Известен проточный безмембранный гидроаккумулятор /RU 2220367/ для дезодорирования воды тепловых электростанций (ТЭС), лишенный указанных выше недостатков, обладающий повышенной долговечностью и содержащий бак с накопительной полостью для жидкости в нижней части бака и с пневматической полостью для сжатого жидкостью газа в верхней его части. Бак снабжен входным и выходным патрубками для ввода и вывода жидкости соответственно.
При этом входной и выходной патрубки ввода и вывода жидкости установлены с нижней стороны бака, а накопительная полость бака соединена с атмосферой через водоподающую трубу, поддерживающую заданное давление сжатого воздуха в верхней пневматической полости бака весом столба жидкости в указанной трубе, выходящей вверх за пределы корпуса бака гидроаккумулятора.
Недостатком известного
проточного безмембранного гидроаккумулятора /RU 2220367/ является проблема его использования в системе водоснабжения и отопления жилых домов с давлением воды в диапазоне от 2 до 10 Бар. Создание такого давления воды на выходе указанного гидроаккумулятора требует применения водоподающей трубы высотой десятки метров. Это в свою очередь приводит к резкому увеличению массогабаритных характеристик известного безмембранного гидроаккумулятора в системе водоснабжения и отопления жилых домов по сравнению с мембранным гидроаккумулятором.
Кроме того, применение безмембранного гидроаккумулятора в системе водоснабжения и отопления связано с необходимостью учета явления взаимной диффузии воды и сжатого воздуха на границе их соприкосновения. Явление диффузии приводит к необходимости контроля давления воздуха и уровня воды в баке для своевременной компенсации потерь пружинящего эффекта сжатого воздуха, связанного с насыщением воздуха парами воды и текущим увеличением объема воды в баке гидроаккумулятора.
Проточных безмембранных гидроаккумуляторов, пригодных для использования в системе водоснабжения и отопления жилых домов, в известном уровне техники не выявлено.
Постановка задачи изобретения
Задачей изобретения
техническим результатом -
является создание проточного безмембранного гидроаккумулятора, пригодного для использования в системе водоснабжения и отопления жилых домов и производственных помещений, а повышение надежности водоснабжения с одновременным уменьшением затрат времени на профилактическое обслуживание и очистку отложений в полости бака накопителя.
Сущность изобретения
Решение поставленной задачи и, как следствие, достижение заявленного технического результата обеспечивается тем, что проточный безмембранный гидроаккумулятор содержит бак с накопительной полостью для жидкости в нижней части бака и с пневматической полостью для сжатого жидкостью газа в верхней его части. Бак снабжен входным и выходным патрубками для ввода и вывода жидкости соответственно.
Новыми отличительными признаками гидроаккумулятора по сравнению с известным /RU 2220367/ являются:
- выполнение в верхней части корпуса бака технологического окна, а в нижней части - сливного крана;
- установка и герметичное крепление в технологическом окне быстросъемного оголовка;
- крепление на быстросъемном оголовке трубного вводно-выводного устройства (ТВВУ) и реле давления (РД);
- выполнение ТВВУ в виде двух раздельно или коаксиально расположенных вертикальных труб, соединенных с соответствующими входным и выходным патрубками для жидкости.
- соединение реле давления по пневматическому входу с воздушной полостью бака, а по управляющему выходу - с электрическим разъемом подключения кабеля управления устройством подачи жидкости на входной патрубок.
Доказательство достижения заявленного технического результата
Выполнение в верхней части корпуса бака технологического окна и установка в нем быстросъемного оголовка позволяет проводить профилактический осмотр и очистку полости бака от водных отложений.
Установка в нижней части бака сливного крана дополнительно позволяет обеспечить быстрый слив грязевых отстоев и производить энергонезависимую (без использования воздушного компрессора) перезагрузку воздуха в баке. Это обеспечивается возможностью полного слива воды из бака при закрытых входном и выходном патрубках и повторном сжатии воздуха водой в пневматической полости бака путем закрытия сливного крана и повторной загрузки воды в бак через его входной патрубок.
Крепление на быстросъемном оголовке трубного вводно-выводного устройства (ТВВУ) и реле давления (РД) позволяют снимать с накопительного бака оголовок вместе с установленном на нём оборудованием. За счет этого обеспечивается оперативный доступ к полости бака для очистки её от водных отложений. При этом сокращаются сроки профилактического обслуживания проточного безмембранного гидроаккумулятора и резко уменьшаются простои в его работе.
Выполнение ТВВУ в виде двух раздельно или коаксиально расположенных вертикальных труб, соединенных с соответствующими входным и выходным патрубками для жидкости, позволяют расширить возможности реализации ТВВУ на основе доступного трубного оборудования для производителя проточного безмембранного гидроаккумулятора. Следствием этого является дополнительное ускорение профилактического обслуживания проточного безмембранного гидроаккумулятора и уменьшение простоев в его работе путем быстрой замены на быстросъемном оголовке заросших отложениями труб ТВВУ новыми трубами из доступного ассортимента.
Кроме того, крепление на быстросъемном оголовке указанного выше оборудования позволяет свести к минимуму количества сверлений в корпусе накопительного бака. Этим обеспечивается повышение прочности корпуса бака и уменьшения его массы для требуемого диапазона (ΔР = 2-10 Бар) давлений в нем.
Герметичное крепление оголовка на баке, а также герметичное крепление в оголовке ТВВУ позволяют обеспечить герметизацию полости бака от внешней атмосферы, исключить возможность утечки воды в атмосферу через водоподающую трубу /RU 2220367/ и, тем самым, повысить давление воды в баке до необходимого диапазона (ΔР = 2-10 бар) давлений в системе водоснабжения и отопления жилых домов и производственных помещений.
Соединение реле давления по пневматическому входу с воздушной полостью бака, а по управляющему выходу - с электрическим разъемом подключения кабеля управления устройством подачи жидкости на входной патрубок позволяют управлять подачей воды в водяную полость бака, а также - в связанную с ней внешнюю водяную магистраль, путем контроля уровня давления воздуха в воздушной полости бака, а не по водяному давлению, как в известных гидроаккумуляторах. Поскольку давление воздуха в воздушной полости бака уравновешено соответствующим давлением воды в водяной полости и связанной с ней внешней водяной магистрали, такое соединение позволяет косвенно (через давление сжатого водой воздуха) контролировать давления воды на выходе безмембранного гидроаккумулятора. При этом за счет эффекта сжимаемости газа происходит сглаживание гидроударов (скачков давления), возникающих в воде при заполнении бака водой и при разборе воды в водяной магистрали. Это позволяет исключить вредное влияние гидроударов на реле воздушного давления и продлить сроки его безремонтного использования.
Указанные отличия изобретения и связанные с ними новые технические свойства позволяют создать проточный безмембранный гидроаккумулятор, пригодный для использования в системе водоснабжения и отопления жилых домов и производственных помещений. При этом повышается надежность его работы и водоснабжения с одновременным уменьшением затрат времени на профилактическое обслуживание и очистку отложений в полости бака накопителя.
Таким образом обеспечивается решение поставленной задачи и достижение заявленного технического результата.
Сущность изобретения поясняется рисунками
, представленными на фиг. 1 - фиг. 3.
На фиг. 1 представлен рисунок, поясняющий конструкцию безмембранного гидроаккумулятора с вводно-выводным устройством (ТВВУ) на основе двух раздельных труб, герметично закрепленных в съёмном оголовке, на фиг. 2 - вариант конструкции безмембранного гидроаккумулятора с вводно-выводным устройством (ТВВУ) на основе двух коаксиально расположенных труб, герметично закрепленных в съёмном оголовке, а на фиг. 3 - пример применения проточного безмембранного гидроаккумулятора в системе водоснабжения и отопления жилых домов и производственных помещений с водопитанием от индивидуальной скважины.
На фиг. 1-3 обозначены:
1 - накопительный бак проточного безмембранного гидроаккумулятора;
2 - жидкость (вода);
3 - газовая рабочая среда (воздух, инертный газ);
4 - подставка (опора) для бака 1;
5 - смотровое технологическое окно;
6 - реле давления;
7 - визуальный индикатор давления сжатого воздуха (манометр);
8 - штуцер (ниппель, кран) ввода/вывода сжатого воздуха с быстроразъёмной муфтой для подключения компрессора закачки аргона и/или для подключения предельного клапана давления.
9 - оголовок гидроаккумулятора;
10 - входной патрубок для ввода воды;
11 - выходной патрубок для вывода воды;
12 - водозаборная труба;
13 - водоподающая труба;
14 - кран слива жидкости;
15 - кабель управления устройством подачи жидкости (электрический кабель);
16 - источник водоснабжения (скважина, колодец, городской водопровод);
17 - водяной насос;
18 - индикатор предельных значений уровня жидкости в баке 1;
19 - индикатор снижения пружинящих свойств газовой среды 3.
Пример конструктивного исполнения проточного
безмембранного гидроаккумулятора
Согласно фиг. 1-3 проточный безмембранный гидроаккумулятор содержит пустотелый накопительный бак 1. Корпус бака 1 выполнен герметичным из прозрачного или непрозрачного нержавеющего материала с толщиной стенок, выдерживающих давление не менее 10 бар. Для такого давления в качестве прозрачного материала корпуса бака 1 использован стеклопластик толщиной от 3 до 10 мм, а в качестве непрозрачного материала - нержавеющая сталь толщиной от 1 до 3 мм. Бак 1 выполнен цилиндрической, многогранной или фигурной формы. Для уменьшения влияния эффекта диффузии на разделе «жидкость-газ» высота (H) бака 1 выполнена с размерами, не меньшими 1.5 диаметра (D) средней площади поперечного сечения его воздушной полости. Рациональное соотношение N = Н/D для баков 1 объёмом 60 - 120 литров может находиться в диапазоне N € (2-10). Бак 1 может быть выполнен цилиндрической, многогранной или фигурной формы. Внутри бака 1 в нижней его части расположена накопительная полость 2 для жидкости, а в верхней части - пневматическая полость 3 для сжатого водой газа, например, воздуха или аргона - инертного газа. В верхней части корпуса бака 1 выполнено технологическое окно 5 для профилактического осмотра и чистки полостей 2 и 3 бака 1, а в нижней части бака - сливной кран 14 для слива грязевых отстоев и для энергонезависимой (без использования воздушного компрессора) перезагрузки воздуха в баке. В технологическом окне 5 герметично закреплен быстросъемный оголовок 9. Быстросъёмный головок 9 снабжен уплотнительной шайбой и закреплен в технологическом окне 5 бака 1 рычажными зажимами или резьбовым соединением (на фигурах не показано). На быстросъемном оголовке 9 установлено реле 6 давления (РД) и герметично закреплено трубное вводно-выводное устройство (ТВВУ). ТВВУ выполнено в виде двух раздельно или коаксиально расположенных вертикальных труб (водоподающей 13 и водозаборной 12), соединенных с соответствующими входным 10 и выходным 14 патрубками для ввода и вывода жидкости из накопительной полости 2. Для возможности оперативной замены засоренных водоподающей 13 и водозаборной 12 труб верхние их концы снабжены соответствующим резьбовым соединением для герметичного крепления их в оголовке 9 (на фигурах не показано).
Реле 6 давления (РД) соединено по пневматическому входу с воздушной полостью 3 бака, а по управляющему выходу - с электрическим разъемом подключения кабеля управления устройством 17 подачи жидкости на входной 10 патрубок. Устройство 17 подачи жидкости может выполнено в виде водяного насоса при использовании в качестве источника воды скважину, колодец или открытый водоем, или в виде электромагнитного клапана в системе централизованного водоснабжения.
Соединение реле 6 давления (РД) по пневматическому входу с воздушной полостью 3 бака позволило использовать упругие свойства воздуха для демпфирования (гашения) гидроударов (резких бросков жидкости) в процессе заполнения бака водой и при открытии кранов в выходной водной магистрали. Снижение вредного влияния гидроударов на работу реле 6 давления, в свою очередь, позволили продлить сроки его безремонтного использования и надежность работы гидроаккумулятора в целом.
Реле 6 давления выполнено в виде механического или электронного автомата управления подачей воды на входной патрубок 10 с возможностью выработки сигнала подачи воды в бак 1 при снижении на входе автомата давления воздуха, ниже заданного минимально допустимого значения, и отключения подачи воды в бак 1 - при достижении давления на входе автомата максимально допустимого значения.
Реле 6 давления, выполненное в виде механического автомата управления (МАУ) подачей воды, не требует внешнего источника электропитания и поэтому может быть рекомендовано для использования в системах водоснабжения, связанных с перебоями электричества. МАУ выполнено в виде мембранно-пружинного устройства переключения электрических контактов, снабженное регулировочными винтами замыкания контактов для минимального и максимального значения давления воздуха на входе МАУ. Недостатком МАУ является пониженная точность установки диапазона давлений срабатывания и необходимость регулярной их подстройки и периодической замены из-за старения и ослабления пружин и регулировочных винтов МАУ.
Реле 6 давления, выполненное в виде электронного аппарата управления (ЭАУ) подачей воды в отличие от МАУ обладает повышенной точностью и стабильностью заводских установок предельных давлений и поэтому не требует регулировки в процессе эксплуатации. ЭАУ содержит последовательно соединенные мембранный датчик давления с цифровым выходом, цифровое пороговое устройство и электронный коммутатор выходных контактов ЭАУ (на фигурах не показано).
Для визуального контроля уровня давления воздуха в баке на оголовке 9 может быть установлен визуальный индикатор 7 давления сжатого воздуха.
Визуальный индикатор 7 давления сжатого воздуха в баке 1 может быть выполнен в виде встроенного в ЭАУ цифрового индикатора, соединенного с выходом его мембранного датчика давления или в виде отдельного аналогового или цифрового манометра 7, соединенного по пневматическому входу через соответствующий воздушный коллектор с воздушной полостью 3 бака 1.
Аналоговый манометр 7 содержит последовательно установленные патрубок приема сжатого воздуха, мембранный или поршневой преобразователь энергии давления в механическую энергию и стрелочный индикатор с измерительной шкалой и кинематическим звеном вращения стрелочного указателя давления воздуха. Цифровой манометр содержит последовательно установленные патрубок приема сжатого воздуха, преобразователь энергии давления в электрический сигнал и цифровой индикатор давления воздуха (на фигурах не показано) в баке 1.
Для контроля уровня воды и пружинящих свойств воздуха ниже допустимых значений, требующих перезагрузки воды и/или воздуха в баке 1, последний может быть снабжен индикатором 18 визуального контроля предельных значений уровня воды в баке 1, а также - индикатором 19 снижения пружинящих свойств газовой среды.
Индикатор 18 визуального контроля предельных значений уровня воды может быть выполнен в виде меток «мин» и «мах», соответствующих диапазону предельных значений (ΔР = 2-10 Бар) давлений газовой среды, нанесенных на прозрачном корпусе бака, в виде стеклянных окон 19 видимости, врезанных в боковую поверхность непрозрачного корпус бака, или в виде встроенного в корпус магнитного датчика уровня с цифровым индикатором (на фигурах не показано). Индикатор 19 снижения пружинящих свойств газовой среды выполнен в виде меток процентного снижения объема сжатого воздуха, нанесенных на внешнюю поверхность стеклянного окна «мах» или непосредственно - на прозрачную поверхность корпуса бака 1 над меткой «мах» индикатора 18.
Численные значения пороговых значений «мин» и «мах» уровня воды и индикационные уровни снижения пружинящих свойств воздуха по индикатору 19 определяют опытным путем для баков 1 конкретной формы и объема.
Минимальное сжатие водой газовой среды 3 регистрируют при начальной загрузке бака водой путем регистрации местоположения линии водораздела «жидкость - газ» на индикаторе 18 уровня (фиг. 3) при достижении давления в баке 1 минимального значения (Р = 2 Бар) и максимальное сжатие водой газовой среды 3 - при достижении давления в баке 1 максимального значения (Р = 10 Бар).
Для уменьшения взаимной диффузии молекул газообразной и жидкой среды, а также для предотвращения развития в баке 1 бактерий и микроорганизмов в качестве пружинящей газообразной «пробки» может быть использован инертный газ, например, аргон как более дешевый из инертных газов.
При использовании аргона оголовок 6 целесообразно снабжать дополнительным трубчатым каналом для установки штуцера, ниппеля, крана ввода/вывода сжатого воздуха с быстроразъёмной муфтой 8 для подключения компрессора закачки аргона и/или для подключения предельного клапана давления.
Работа проточного безмембранного гидроаккумулятора
Работа проточного безмембранного гидроаккумулятора рассмотрена на примере его использования в системе водоснабжения жилых домов и производственных помещений от местного источника воды скважинного типа (фиг. 3).
Перед началом работы оператор производит заполнение бака 1 водой. Для этого он закрывает сливной кран 14 и кран на выходе патрубка 11 подачи воды в водную магистраль (на фигурах не показано). Далее он подключает электрический кабель 15 пуска водяного насоса 17 к выходным электрическим контактам реле 6 давления и дает разрешение на подачу электропитания «U» на водяной насос 17 путем включения соответствующего тумблера или подключения кабеля электропитания реле 6 давления к розетке электросети (на фигурах не показано).
При этом из-за отсутствия воды в баке 1 датчик давления реле 6 регистрирует отсутствие сжатия воздуха в баке и передает соответствующий сигнал (1 бар) давления на пороговое устройство реле 6 давления. Пороговое устройство сравнивает измеренное давления в баке 1 с требуемым максимально допустимым значением рабочего давления (например, 10 бар) для водопитания водяной магистрали и при недостатке давления в баке 1 формирует сигнал включения водяного насоса 17 и передает его на электронный коммутатор реле 6. Коммутатор переключает свои контакты на замыкание пусковой цепи водяного насоса 17. Насос 17 включается и подает питающую воду от источника воды - скважины 16 через патрубок 10 и водоподающую трубу 13 в полость 2 бака 1. По мере поступления воды в бак 1 воздух над водой в полости 3 сжимается. Давление воздуха передается на реле 6 и манометр 7. При достижении давления воздуха в баке 1 максимального рабочего значения (10 бар) срабатывает реле 6 давления. Реле 6 размыкает контакты электропитания цепи 15 насоса 17 и водяной насос отключается.
Оператор проверяет визуально факт сжатия воздуха в баке 1 до заданного значения по показаниям манометра 7. Одновременно регистрирует показания индикатора контроля текущего значения уровня воды и соответственно объема сжатого воздуха в накопительном баке 1 и нахождения последнего в допустимых пределах у метки «мах» индикатора 18.
При положительных результатах контроля оператор дает разрешение на автоматическую работу безмембранного гидроаккумулятора путем включения крана подачи воды на выходном патрубке 11 в магистраль разбора воды (на фигурах не показано). При этом под давлением сжатого воздуха 3 вода из полости 2 через водозаборную трубу 12 и через патрубок 11 подается в магистраль разбора воды. По мере разбора воды давление воздуха в полости 3 бака 1 уменьшается. В процессе ухода воды из бака 1 датчик давления реле 6 измеряет уменьшающееся текущее значение давление воздуха в баке 1 и передает его на пороговое устройство указанного реле 6. При снижении давления воздуха в баке 1 до минимально (например, 2 бар) допустимого значения реле 6 давления повторно включает водяной насос 17. Происходит, долив воды в бак 1. При достижении давления воздуха в баке 1 до максимально заданного (10 бар) значения реле 9 давления повторно отключает подачу воды в накопительный бак 1. Далее процесс автоматической работы безмембранного гидроаккумулятора по водоснабжению дома повторяется.
В процессе работы безмембранного гидроаккумулятора оператор или владелец дома проверяет не реже, чем 1 раз в квартал уровень сжатого воздуха в баке 1 и нахождение его в допустимых пределах по показаниям индикатора 19 контроля предельных значений объема сжатого воздуха в накопительном баке 1. При подходе показаний индикатора к минимальному пределу за счет диффузии воды в полость 3 сжатого воздуха безмембранный гидроаккумулятор перезапускают по указанному выше алгоритму в свободное от разбора воды время, например, ночью.
Данное изобретение не ограничивается приведенным примером его осуществления и перезагрузки сжатого воздуха без использования компрессора.
В рамках данного изобретения возможны и другие варианты его конструктивного исполнения и применения.
В частности, для использования безмембранного гидроаккумулятора в многоэтажных домах реле 6 и манометры 7 могут быть настроены под соответствующее давление, например, 60 бар, или заменены на серийные промышленные образцы с указанным давлением.
Для восстановления требуемого уровня сжатого воздуха или ускорения его перезагрузки в баке 1 проточный безмембранный гидроаккумулятор может быть оснащен компрессором сжатого воздуха. Корпус бака 1 безмембранного гидроаккумулятора может быть выполнен кроме описанных выше материалов из карбона, поликарбоната, полиуретана, полиэтилена, полипропилена или стекла. Для автоматизированного контроля снижения упругих свойств газовой среды в баке и своевременной её перезагрузки реле давления 6 может быть выполнено в виде контроллера с встроенной программой контроля объема и скорости уменьшения сжатого воздуха и программой его перезагрузки при достижении предельных значений указанных параметров. Для этого в заявленном гидроаккумуляторе необходимо использовать запорную арматуру и дифференциальные датчики текущего объема сжатого воздуха с цифровым управлением.
Безмембранный гидроаккумулятор может найти широкое применение для накопления и обеспечения питьевой и технической водой малоэтажных домов городов, сельских поселений и дачных кооперативов, а также - в химическом производстве и в системах водоподготовки и хранения сточных вод пассажирских вагонов железнодорожного транспорта.
Возможность широкого применения безмембранного гидроаккумулятора в химической промышленности и в железнодорожном транспорте для хранения и раздачи агрессивных сред диктуется отсутствием в гидроаккумуляторе мембраны, неустойчивой к агрессивным жидкостям. При этом в качестве «газовой пружины» в таком гидроаккумуляторе целесообразно использовать нейтральный к агрессивной жидкости инертный газ, например, аргон.
Промышленная применимость
Изобретение разработано на уровне опытного образца проточного безмембранного гидроаккумулятора. Испытания опытного образца гидроаккумулятора объемом 120 литров показали возможность его работы в течение 6 месяцев без перезагрузки газовой среды. При опытной эксплуатации опытного образца уровень воздуха 3 в его баке 1 за счет эффекта диффузии за 3 месяца работы снизился на 26%, а за 6 месяцев - 47 %. Несмотря на такое изменение безмембранный гидроаккумулятор оставался в работоспособном состоянии.
На основании опытных испытаний рекомендуется регулярная перезагрузка воды и соответственно автоматическая замена воздуха в безмембранном гидроаккумуляторе указанного объема с частотой не более 1 раза в квартал.