ПНЕВМАТИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО РЕГУЛИРУЕМОЙ ПОДАЧИ ГАЗОВОЙ СРЕДЫ К ОБЪЕКТУ ПОТРЕБЛЕНИЯ

Полезная модель относится к области пневмоавтоматики, а именно к компрессионным системам для подачи газовой среды с постоянными параметрами давления и расхода газа, например, кислорода или азота к объекту потребления с постоянным параметром давления и переменными параметрами расхода, и может быть использована в различных областях техники в широком диапазоне изменения ее расхода потребителем для создания инертной газовой среды, используемой в химической промышленности для предотвращения пожаров и взрывов, в металлургии при подаче кислорода в качестве окислителя в процессе плавления металлов, руд и т.п. в различных видах печей и т.д.
Анализ технического уровня в данной области показал, что известно пневматическое устройство, содержащее источник газа, соединенный со входным концом трубопровода нагнетания, ресивер, регулятор давления до себя, регулятор давления после себя, линию ответвления, соединенную одним концом с линией нагнетания, а другим концом с ресивером (Патент Японии №3550931 В2 10228320А, МПК: G 05D 7/00, публ.04.08.2004 г.).
Невозможность достижения результата, обеспечиваемого заявляемым устройством, обуславливается тем, что устройство рассчитано на стабилизацию расхода газа и не работоспособно в случае, если требуется обеспечить газом потребителя с изменяемым расходом газа, и, кроме того, в нем используется ресивер значительных размеров, что приводит к значительной стоимости устройства.
Известно пневматическое устройство подачи газовой среды к объекту потребления, содержащее источник газа, соединенный со входным концом трубопровода нагнетания, выходной конец которого соединен с входным патрубком струйного аппарата, соединенным выходным патрубком со входом отводного трубопровода, выход которого подключен к объекту потребления, ресивер, снабженный предохранительным регулятором, и соединенный с одним концом всасывающего трубопровода, другой конец которого соединен с патрубком пассивного потока компрессорного аппарата (Патент РФ №1049868 А, МПК: G 05 D 7/00, публ. 23.10.83 г.).
Невозможность достижения технического результата, обеспечиваемого заявляемым устройством, обуславливается отсутствием возможности в конструкции аналога регулирования величины расхода газа в диапазоне его подачи потребителю при одновременном обеспечении постоянства его давления как у потребителя так и у источника, а также постоянства расхода источника газа.
Из известных устройств наиболее близким к заявляемому является пневматическое устройство подачи газа, содержащее источник газа постоянных параметров расхода и давления, соединенный со входным концом трубопровода нагнетания, по меньшей мере один ресивер с предохранительным регулятором, регулятор давления до себя и регулятор давления после себя, установленный на отводном трубопроводе, подключенным своим выходом к объекту потребления с постоянным давлением и переменным расходом (сведения в электронном виде через Интернет, Яндекс, http://www.cryoservice.ru/main.php?lang=rus&part=expl1, публ. 03.07.2006 г.).
Невозможность достижения заявляемого технического результата указанным устройством обуславливается тем, что в прототипе при осуществлении одного из его циклов работы, в котором осуществляется подача газа потребителю, расход которого превышает расход источника газа
при обеспечении постоянства величин их давлений, необходимо осуществлять подкачку недостающего расхода газа к потребителю либо дополнительно от источника, либо использовать ресивер большого объема при условии приближения давления в ресивере к давлению потребителя. Указанные выше недостатки приводят к значительной цене устройства, особенно при наличии нескольких ресиверов
При разработке заявляемой конструкции пневматического устройства была поставлена задача его удешевления.
При решении упомянутой задачи был достигнут технический результат, заключающийся в разработке конструкции, в которую введен струйный аппарат, позволяющий при превышении расхода газа у потребителя над расходом газа источника, не увеличивая продолжительности цикла работы, который зависит от величины разницы расходов потребителя и источника газа, объема ресивера и разницей начального и конечного давлений внутри ресивера, произвести уменьшение габаритных размеров ресивера за счет снижения внутри него давления ниже давления потребителя путем обеспечения дополнительного подсасывания из него газа.
Сущность заявляемого технического решения заключается в том, что пневматическое устройство регулируемой подачи газовой среды к объекту потребления, содержит источник газа постоянных параметров расхода и давления, соединенный со входным концом трубопровода нагнетания, по меньшей мере один ресивер с предохранительным регулятором, регулятор давления до себя и регулятор давления после себя, установленный на отводном трубопроводе, подключенным своим выходом к объекту потребления с постоянным давлением и переменным расходом.
Новым в устройстве является то, что в него введен струйный аппарат, входной патрубок которого соединен с выходным концом трубопровода нагнетания, выходной патрубок соединен со входом отводного трубопровода, а патрубок пассивного потока соединен с одним концом всасывающего
трубопровода, другой конец которого сообщен с ресивером, связанным через линию ответвления с трубопроводом нагнетания, причем регулятор давления до себя установлен на линии ответвления.
Кроме того, источник газа может быть выполнен в виде воздухоразделительной установки, струйный аппарат может быть выполнен в виде струйного компрессора, а регуляторы давления до себя и после себя могут быть выполнены в виде клапанов, содержащих сильфонные узлы с пружиной, взаимодействующие посредством толкателя с запорным клапаном.
Устройство представлено на чертежах, где изображено на:
Фиг.1 - общая схема устройства с одним ресивером;
Фиг.2 - общая схема устройства с несколькими ресиверами;
Фиг.3 - конструкция регулятора давления до себя;
Фиг.4 - конструкция регулятора давления после себя;
1
2
2
3
3
3
2
3
Пневматическое устройство регулируемой подачи газовой среды к объекту потребления содержит источник газа, выполненный в виде воздухоразделительной установки (ВРУ) 1 с воздухоразделительными каналами (на чертеже не показаны), для пропускания по ним раздельно, например, кислорода или азота, с постоянными параметрами давления P, например, 35 атм (или кг/см) и расхода газа, например, за час 40000 нм (м×атм или м×кг/см). Выход ВРУ 1 соединен со входным концом трубопровода нагнетания 2, выходной конец которого соединен со входным патрубком 3 струйного аппарата, выполненного, например, в виде струйного компрессора 4, выходной патрубок 5 которого соединен со входом отводного трубопровода 6, подключенного к объекту потребления 7 с постоянным давлением Р, меньшим, чем в источнике газа, например, 17 атм и переменным расходом газа, например, от 20000 до 60000 нм/час, в качестве которого может быть использована доменная печь, в которую подается кислород или емкости с нефтепродуктами нефтехранилищ, в которые подается азот и т.д. На отводном трубопроводе 6 установлен регулятор давления после себя 8,
выполненный, например, в виде клапана (Фиг.4), содержащего сильфонный узел, включающий пружину 9, закрепленную на мембране 10, взаимодействующий посредством толкателя 11 с запорным клапаном 12 с пружиной, с возможностью перекрывания проходного отверстия регулятора.
Патрубок пассивного потока газа 13 (Фиг.1) струйного компрессора 4 соединен с одним концом всасывающего трубопровода 14, другой конец которого соединен с воздухосборником, выполненным в виде ресивера 15 с камерой внутри него, предназначенного для накопления газа в режиме, когда потребитель отбирает газа меньше, чем его производит источник, и отдачи газа, если потребитель отбирает газа больше, чем его производит источник. Устройство может содержать по меньшей мере один ресивер (Фиг.1), либо несколько ресиверов (Фиг.2).
На ресивере установлен по меньшей мере один предохранительный регулятор 16 для стравливания давления из камеры ресивера при превышении его допустимого значения. В устройстве смонтирована линия ответвления 17 в виде трубопровода, вход которой соединен с трубопроводом нагнетания 2, а выход с ресивером 15. На линии ответвления 17 расположен регулятор давления до себя 18 (Фиг.3), конструкция которого аналогична конструкции регулятора давления после себя 8, только запорный клапан 12 расположен с другой стороны проходного отверстия.
Объем или расход газа, который может выдать ресивер равен:
где: Рн - начальное давление в ресивере до которого источник газа заполняет ресивер, когда потребление газа меньше производительности источника, кг/см;
2
Рк - конечное давление в ресивере, на момент, когда потребление газа потребителем больше производительности источника кг/см;
3
2
V - превышение расхода или объема газа потребителя над производительностью источника (м×кг/см).
2
3
2
3
3
2
Например. Компрессорная станция подает газ в ресивер с постоянными давлением 35 атм (кг/см) и расходом в час 40000 нм, при этом задается, что давление у потребителя является также постоянной величиной, например, 17 атм (кг/см), а расход газа колеблется в пределах от начального значения 20000 до конечного 60000 нм (м·кг/см). При этом изменение расхода от начального минимального до конечного максимального происходит в течение 1 часа.
Среднее превышение расхода потребителя над производительностью источника составляет в час  или в течение получаса -
Объем ресивера тогда составляет величину:
2
3
Отсюда следует, что уменьшить объем ресивера, а, следовательно, его габаритные размеры, при сохранении заданных параметров возможно за счет уменьшения величины конечного давления Рк в ресивере ниже, чем у потребителя. При этом сохраняется постоянство давления P у потребителя. Это возможно обеспечить сжатием газа забираемого из ресивера до давления 17 атм, что обеспечивается введением струйного компрессора, где в качестве активного газа используется газ источника. Предлагаемая установка позволяет уменьшить его, например, до 9-10 атм., что уменьшает объем ресивера до 200 м т.е. почти на 30%.
Устройство работает следующим образом.
Сжатый газ из источника 1 с постоянными расходом и давлением поступает через регулятор давления до себя 17, поддерживающий постоянный расход газа от источника, в ресивер и через рабочее сопло струйного компрессора 4 а также регулятор давления после себя 8 к объекту потребления 7 с постоянным параметром давления, но с переменным расходом газа в заданном в диапазоне. Расход газа через рабочее сопло
3
1
3
2
компрессора 4 меняется от 0 при давлении Р в ресивере равном P источника 1 до максимального, когда соотношение Р к Р становится критическим.
Работа устройства состоит из трех циклов.
3
3
1
При осуществлении первого цикла происходит потребление расхода газа потребителем, например, от 20000 нм/час до величины, меньшей производительности ВРУ 1, равной, например, 40000 нм/чac при обеспечении постоянными величин их давлений. При этом регулятор давления после себя 8 работает по общепринятой схеме таким образом, чтобы обеспечить постоянным давление у потребителя и пропускать к нему требуемый расход газа, для чего регулировочным винтом задается определенное натяжение пружины 9 в расчете на давление потребителя, например, 17 атм, которая через толкатель 11 воздействует на запорный клапан 12, обеспечивая ему определенное положение относительно проходного отверстия при поступлении газа из отводного трубопровода 6 в 35 атм. При этом разница в расходе газа, который не требуется потребителю поступает в ресивер сначала через патрубок пассивного потока 13 и всасывающий трубопровод 14, а затем и через открытый регулятор давления до себя 17, обеспечивающий выход газа в камеру ресивера 15, где он накапливается, изменяя давление внутри него от 9-10 атм до максимальной величины Рн. Далее газ поступает только через регулятор 18. Цикл заканчивается когда давление Рн в ресивере становится равным P.
3
1
Во втором цикле при потреблении расхода газа потребителем, равным расходу источника, т.е. 40000 нм/час газ от источника с давлением 35 атм проходит через рабочее сопло струйного компрессора 4 и через регулятор после себя 8, который преобразует его в 17 атм, к потребителю, при этом регулятор давления до себя 17 среду в ресивер не пропускает. Давление в ресивере при этом продолжает оставаться равным P.
3
Третий цикл имеет место при потреблении расхода газа потребителем, большем производительности источника газа равной 40000 н·м/час,
3
2
2
2
например, до 60000 н·м/час. В этом случае весь газ от источника поступает к потребителю, а недостающая его величина отбирается из ресивера, снижая давление внутри него. При этом регулятор давления до себя 18 стоит закрытым и весь расход источника поступает через патрубок 13 струйного компрессора. Регулятор давления после себя 8 обеспечивает постоянство давления у потребителя при переменном давлении перед ним. Когда расход газа потребителя 7 начинает превышать расход источника 1 давление в ресивере снижается до такой величины (17-18 атм), что регулятор 8 не может поддерживать необходимое давление из-за отсутствия перепада давления на нем. При давлении в ресивере падающим от 35 атм до величины, близкой к 17 атм, газ из ресивера поступает через регулятор давления после себя 8 к потребителю, при этом регулятор давления 8 поддерживает у потребителя давление в 17 атм. Как только давление в ресивере становится близким к Р, т.е. к 17 атм начинает работать струйный компрессор 4, который начинает отсасывать из ресивера газ и одновременно смешивать этот поток с газом, поступающим из трубопровода нагнетания 2 при этом на выходе из струйного компрессора образуется смешанный поток газа с давлением большим, чем давление газа в пассивном сопле струйного аппарата. Это происходит потому, что при протекании газа через струйный аппарат 4 осуществляется инжекция газа через патрубок пассивного потока из ресивера. Таким образом при достижении в ресивере давления близкого к Р в работу вступает струйный компрессор 4, который отсасывает дополнительно газ из ресивера и тем самым создает возможность для обеспечения регулятором 8 поддерживания необходимого давления. В результате понижается давление Рк, которое может быть значительно меньше P, что позволяет уменьшить объем ресивера на величину, соответствующую разнице этих давлений.
Возможность осуществления заявляемого пневматического устройства подтверждается использованием известных элементов и средств, а также недефицитных материалов, существующих и применяемых в области
пневмоавтоматики, для реализации данной конструкции, в том числе признаков, представленных на уровне функционального обобщения, с достижением технического результата, заключающегося в снижении стоимости устройства путем использования ресиверов меньшего объема, за счет того, что устройство позволяет производить подкачку газа из ресивера не только за счет пополнения его из источника, как это делается в прототипе, и что требовало значительных объемов ресиверов, но и осуществлять дополнительную подкачку из них за счет инжекции в струйном компрессоре, что позволило использовать ресиверы меньших габаритных размеров.