ТРУБОПРОВОД ДЛЯ ТЕКУЧЕЙ СРЕДЫ
FLUID MEDIUM PIPELINE

Изобретение относится к трубопроводу для текучей среды, содержащему трубу, соединитель, имеющий соединительный патрубок и установленный на одном конце трубы, и нагревательное устройство для нагревания по меньшей мере части трубы и по меньшей мере части соединителя, при этом соединительный патрубок окружает часть сквозного канала, проходящего через соединитель (EP 1070642).
Изобретение описано ниже на примере трубопровода для текучей среды, используемого для транспортировки мочевины из накопительного бака к месту потребления. Мочевину применяют в дизельных двигателях, чтобы уменьшить выброс оксидов азота.
Если такой трубопровод установлен в механическом транспортном средстве, то при низкой температуре окружающей среды существует опасность замерзания в нем мочевины, которая уже не сможет течь. Поэтому трубопровод нагревают. При этом нагревают не только трубу, но пытаются нагревать также и соединитель.
При температуре -11°С мочевина становится твердой, то есть она замерзает и не может течь из бака к месту потребления, например к впрыскивающему насосу. Согласно определенным стандартам нагревательное устройство должно размораживать мочевину в трубопроводе в течение определенного времени. Для этого требуется определенная мощность нагрева, и нагревательное устройство соответственно должно иметь большие размеры. Это увеличивает массу транспортного средства и расход энергии.
В то время как труба, как правило, имеет определенную эластичность и, в принципе, может без проблем допускать увеличение объема, вызванное замерзанием жидкости внутри трубопровода, соединитель чаще всего не обладает такой податливостью. Поэтому существует опасность повреждения соединителя вследствие замерзания жидкости.
В основе изобретения лежит задача - создать нагреваемый трубопровод для текучей среды, который даже при низких температурах окружающей среды быстро приходит в состояние готовности к эксплуатации.
Эта задача решена в трубопроводе для текучей среды описанного выше типа посредством того, что проходное поперечное сечение сквозного канала по меньшей мере на части его длины составляет максимум 60% проходного поперечного сечения трубы.
Жидкость, протекающая через трубопровод, может максимально заполнять проходное поперечное сечение. Если проходное поперечное сечение внутри соединителя будет меньше, то в этом месте будет находиться меньшее количество жидкости, которая может замерзнуть. Чем меньше объем жидкости, которая может замерзнуть, тем быстрее этот объем жидкости можно разморозить. Кроме того, увеличение объема при замерзании жидкости также зависит от ее объема. Меньший объем расширяется в абсолютном выражении меньше, чем больший объем. Поэтому опасность повреждения соединителя расширяющейся при замерзании жидкостью меньше.
Проходное поперечное сечение сквозного канала на части его длины предпочтительно составляет максимум 50% проходного поперечного сечения трубы. Поэтому проходное поперечное сечение сквозного канала на этой части длины можно сделать равным лишь половине проходного поперечного сечения трубы. Благодаря этому уменьшается объем жидкости, которая может замерзнуть в соединителе и которую нужно будет размораживать. Однако при этом проходное поперечное сечение остается достаточным, чтобы жидкость протекала через соединитель без существенного сопротивления.
Нагревательное устройство предпочтительно выполнено в виде нагревательного стержня, который проходит из трубы в соединительный патрубок соединителя и уменьшает проходное поперечное сечение сквозного канала в соединительном патрубке. Нагревательный стержень выполняет две функции. Во-первых, он дает тепло, которое может непосредственно передаваться жидкости, находящейся в трубопроводе, то есть не требуется, чтобы это тепло передавалось жидкости через материал соединителя или трубы. Во-вторых, нагревательный стержень заполняет часть свободного пространства внутри соединителя. Там, где находится нагревательный стержень, жидкость не может находиться и замерзать.
Нагревательный стержень предпочтительно выполнен гибким. Поэтому его можно вставить в трубу, которая имеет непрямолинейную форму. Другое преимущество выполнения нагревательного стержня гибким состоит в том, что его можно вывести из соединителя сбоку, если сквозной канал прямолинейный. Правда, в этом случае нагревательный стержень будет проходить не по всему сквозному каналу, а лишь по части его длины. Однако это некритично, так как нагревательный стержень должен размораживать лишь небольшой объем жидкости. Как только жидкость будет разморожена, тепло от нее будет передаваться замороженным областям жидкости и, соответственно, размораживание будет происходить быстро.
Соединитель предпочтительно имеет выходной канал для нагревательного средства, образующий со сквозным каналом угол, не равный 0°, причем в сквозном канале установлен рамповый элемент, имеющий направляющую поверхность, проходящую из сквозного канала к выходному каналу для нагревательного средства, и уменьшающий поперечное сечение сквозного канала за соединительным патрубком. Рамповый элемент тоже имеет две функции. Если нагревательный стержень вводят в соединитель через соединительный патрубок, то направляющая поверхность обеспечивает поворот нагревательного стержня в выходной канал для нагревательного средства, так что он не доходит до соединительного геометрического элемента и не мешает там образованию соединения между соединителем и сопрягаемым элементом. Во-вторых, рамповый элемент уменьшает объем внутри соединителя. Там, где находится рамповый элемент, уже не может находиться жидкость, которая может замерзнуть. Рамповый элемент находится в том месте, где нагревательный стержень уже отклонен и не используется для непосредственного нагревания жидкости внутри соединителя. Таким образом, рамповый элемент создает благоприятные условия также в отношении уменьшения нагреваемого объема жидкости.
Рамповый элемент предпочтительно заполняет сквозной канал в плоскости, проходящей через сквозной канал и выходной канал для нагревательного средства, а в перпендикулярной к ней плоскости оставляет в сквозном канале свободное проходное поперечное сечение. Рамповый элемент как бы разделяет сквозной канал на две половины, расположенные параллельно направлению потока справа и слева от рампового элемента. Получается достаточное проходное поперечное сечение для протекания жидкости. Однако между этими половинами сквозной канал полностью заполнен рамповым элементом и жидкость здесь находиться не может.
Ширина рампового элемента предпочтительно составляет максимум 50% наибольшей ширины сквозного канала в области рампового элемента.
Остальные 50% ширины остаются свободными для протекания жидкости, то есть не перекрыты рамповым элементом. Даже если поперечное сечение сквозного канала круглое и рамповый элемент расположен в области наибольшего диаметра, то имеется достаточная площадь поперечного сечения, чтобы жидкость могла протекать через соединитель. В то же время максимальная ширина 50% достаточна для образования достаточно широкой направляющей поверхности для конца нагревательного средства, который должен отклоняться рамповым элементом к выходному каналу для нагревательного средства.
Рамповый элемент предпочтительно выполнен как одно целое с соединителем. Например, если соединитель представляет собой литое изделие, то рамповый элемент может быть отлит заодно с ним. Таким образом, для изготовления рампового элемента и его установки в соединитель практически не требуется дополнительных затрат. При этом рамповый элемент на обоих концах направляющей поверхности соединен с корпусом, так что направляющая поверхность удерживается настолько хорошо, что конец нагревательного средства может скользить по ней, не сдвигая ее, что исключает непопадание конца нагревательного средства в выходной канал для нагревательного средства.
Между периферийной стенкой, ограничивающей сквозной канал в соединительном патрубке, и нагревательным стержнем предпочтительно предусмотрен зазор с максимальным размером 1 мм в направлении, перпендикулярном к оси сквозного канала. В результате слой жидкости или слой льда между нагревательным стержнем и соединительным патрубком имеет максимальную толщину 1 мм и может быть быстро разморожен.
Ниже со ссылками на чертежи описан предпочтительный вариант осуществления изобретения. На чертежах:
фиг.1 схематично изображает продольный разрез соединителя с присоединенной трубой,
фиг.2 - разрез II-II на фиг.1 и
фиг.3 - разрез модифицированного соединителя.
На фиг.1 показан нагреваемый трубопровод 1 для текучей среды с соединителем 2 и трубой 3. Труба является гибкой. Она может быть выполнена из экструдированного полимера или из материала, который используют для шлангов. Понятие «труба» включает также и шланг.
Труба 3 надета на соединительный патрубок 4 соединителя и уплотнена уплотнительным кольцом 5. На своей наружной стороне соединительный патрубок 4 имеет ступенчатый профиль. При необходимости труба 3 может фиксироваться на соединительном патрубке 4 также при помощи стяжного элемента, например хомута или подобного элемента.
Через соединительный патрубок 4 проходит сквозной канал 6, который далее проходит прямолинейно через весь соединитель до соединительного геометрического элемента 7, как видно на фиг 2. При помощи соединительного геометрического элемента 7 соединитель 2 может быть закреплен на соединительном патрубке другого трубопровода, бака или агрегата. Точная форма соединительного геометрического элемента 7 в данном случае не играет роли. Однако он должен быть выполнен таким образом, чтобы соединение между соединителем 2 и соединительным патрубком трубопровода было достаточно прочным и герметичным.
В свободном поперечном сечении трубы 3 расположено нагревательное средство 8, показанное штриховыми линиями. В рассматриваемом варианте нагревательное средство 8 выполнено в виде гибкого нагревательного стержня, который содержит по меньшей мере один электронагревательный элемент, заделанный в экструдированный полимерный материал. Предпочтительно имеются два электронагревательных элемента, соединенные друг с другом на удаленном от соединителя 2 конце, так что электрическое питание требуется лишь на одном конце нагревательного средства. Нагревательное средство 8 является упругим и гибким. Однако оно обладает определенной собственной жесткостью, поэтому, когда трубу 3 (вместе с находящимся в ней нагревательным средством) надвигают на соединительный патрубок 4, нагревательное средство 8 будет вдвигаться в сквозной канал 6 в соединительном патрубке 4.
Нагревательное средство 8 должно выйти из соединителя 2, не достигнув соединительного геометрического элемента 7, чтобы не мешать соединению, образованному с помощью этого элемента 7. С этой целью соединитель имеет выходной канал 9 для нагревательного средства, продольная ось 10 которого расположена под углом α к продольной оси 11 сквозного канала 6. Угол α больше 0° и предпочтительно находится в диапазоне от 20° до 80°.
Выходной канал 9 для нагревательного средства расположен в патрубке 12, установленном под углом α к продольной оси 11 сквозного канала 6. В патрубке 12 находится уплотнительное кольцо 13, герметично прилегающее к нагревательному средству 8 для предотвращения выхода текучей среды из выходного канала 9. Уплотнительное кольцо 13 зафиксировано в выходном канале 9 с помощью пробки 14, расположенной в патрубке 12. Пробка 14 лишь удерживает уплотнительное кольцо на месте, но не сжимает его.
Как сказано выше, нагревательное средство 8 обладает определенной собственной жесткостью. Поэтому не требуется дополнительных средств для поворота нагревательного средства 8, конец которого, по существу, направляется через сквозной канал 6 вдоль продольной оси 11 так, чтобы оно вышло из выходного канала 9. Для этого в сквозном канале 6 установлен рамповый элемент 15, который, в частности, виден на фиг.2. Рамповый элемент 15 выполнен как одно целое с соединителем 2. Если соединитель 2 представляет собой литое изделие, то рамповый элемент 15 изготавливается вместе с ним в процессе литья под давлением.
Рамповый элемент 15 имеет направляющую поверхность 16, которая скруглена, то есть выполнена без перегибов. Направляющая поверхность 16 проходит от «нижней стороны» сквозного канала 6, то есть от стороны, расположенной напротив выходного канала 9 для нагревательного средства, до выходного канала 9 для нагревательного средства и продолжается в стенке этого канала. Таким образом, конец нагревательного средства 8 может скользить по направляющей поверхности 16, не встречая препятствий в виде уступов, перегибов, канавок и т.п. Когда нагревательное средство 8 вводят через соединительный патрубок 4 в сквозной канал 6, конец нагревательного средства благодаря направляющей поверхности 16 рампового элемента 15 поворачивается так, что автоматически попадает в выходной канал 9 для нагревательного средства.
В плоскости разреза согласно фиг.1, то есть в плоскости, проходящей через продольную ось 11 сквозного канала 6 и продольную ось 10 выходного канала 9 для нагревательного средства, рамповый элемент 15 полностью заполняет сквозной канал 6, см. фиг.1. Таким образом, рамповый элемент 15 на обоих концах направляющей поверхности 16 соединен с корпусом 17 соединителя 2. Благодаря этому отсутствует опасность, что рамповый элемент 15 опрокинется, когда на него действует усилие от конца нагревательного средства 8. Однако, как видно на фиг.2, рамповый элемент 15 заполняет сквозной канал 6 не полностью, а оставляет свободными два расположенных поперек к плоскости, показанной на фиг.1, проходных поперечных сечения 18, 19, через которые, как и прежде, при эксплуатации может протекать текучая среда. Правда, рамповый элемент 15 несколько уменьшает свободное поперечное сечение сквозного канала 6, но оно все же остается достаточно большим для протекания текучей среды.
Оба проходных поперечных сечения 18, 19 имеют ширину, которая меньше диаметра нагревательного средства 8. Поэтому в любом случае обеспечивается, что при введении нагревательного средства 8 в соединитель 2 оно будет поворачиваться посредством направляющей поверхности 16 в направлении к выходному каналу 9. Ширина рампового элемента 15 составляет максимум 50% наибольшей ширины сквозного канала 6 в области рампового элемента 15.
Если нагревательное средство имеет некруглое поперечное сечение и, соответственно, нельзя говорить о его диаметре, то ширина нагревательного средства 8 в направлении ширины проходных поперечных сечений 18, 19 больше ширины этих проходных поперечных сечений 18, 19, так что и в этом случае тоже гарантируется надежный поворот нагревательного средства благодаря рамповому элементу 15 при вдвигании нагревательного средства в соединитель.
Нагреваемый трубопровод 1 для текучей среды с таким соединителем 2 изготавливается сравнительно просто. Нужно лишь предварительно установить нагревательное средство 8 в трубу 3 так, чтобы оно выступало из трубы 3 на заданную длину. Таким образом, перед тем, как надвинуть трубу 3 на соединительный патрубок 4, нагревательное средство 8 уже вставлено в сквозной канал 6 в соединительном патрубке 4. Если затем трубу 3 вместе с нагревательным средством 8 переместить дальше, чтобы надвинуть ее на соединительный патрубок 4, то конец нагревательного средства 8 благодаря направляющей поверхности 16 рампового элемента 15 повернется и войдет в выходной канал 9 и затем может выйти из соединителя 2.
Разумеется, можно сначала вставить в соединитель 2 одно нагревательное средство 8, а затем надеть на него и на соединительный патрубок 4 трубу 3.
2
2
Как видно на фиг.1, проходное поперечное сечение сквозного канала 6 внутри соединительного патрубка 4 меньше проходного поперечного сечения трубы 3. Например, если внутренний диаметр трубы 3 составляет 6 мм и диаметр сквозного канала 6 внутри соединительного патрубка 4 составляет 4,75 мм, то при использовании нагревательного стержня диаметром 4 мм проходное поперечное сечение внутри трубы будет равно 10,5 мм, а проходное поперечное сечение сквозного канала 6-5,1 мм. Таким образом, проходное поперечное сечение сквозного канала 6 внутри соединительного патрубка 4 составляет лишь 49% площади проходного канала внутри трубы 3.
Если нагревательный стержень 8 расположен по центру, то между внутренней периферийной стенкой соединительного патрубка 4 и нагревательным средством 8 образуется кольцевой зазор шириной 0,375 мм. Этого кольцевого зазора достаточно для прохождения через соединитель достаточного количества мочевины. Правда, во многих случаях нагревательный стержень не будет находиться по центру. Однако при указанных размерах зазор между соединительным патрубком 4 и нагревательным стержнем имеет максимальную ширину 0,75 мм, если нагревательный стержень 8 прилегает к внутренней стенке соединительного патрубка 4.
На фиг.3 показан модифицированный вариант выполнения соединителя. Одинаковые и функционально одинаковые элементы обозначены теми же цифровыми позициями, что и на фиг.1 и 2.
В то время как в соединителе согласно фиг.1 и 2 сквозной канал проходит прямолинейно (такой соединитель обозначают как «0°-соединитель»), сквозной канал 6 в соединителе 2 согласно фиг.3 изменяет направление на 90°. Такой соединитель обозначают как «90°-соединитель».
Здесь также видно, что нагревательный стержень 8 заполняет сквозной канал на части его длины таким образом, что проходное поперечное сечение сквозного канала 6 существенно меньше, чем проходное поперечное сечение трубы. Нагревательный стержень 8 проходит через соединитель 2 прямолинейно, то есть выходной канал для нагревательного средства является как бы прямолинейным продолжением соединительного патрубка 4.
Объем, нагреваемый нагревательным стержнем 8 не непосредственно, по существу, соответствует объему соединителя 2 согласно фиг.1 и 2.