РЕГУЛЯТОР МАЛЫХ РАСХОДОВ ЖИДКОСТИ
CONTROLLER OF LOW LIQUID FLOW RATES

Предлагаемое изобретение относится к области приборостроения и может быть использовано для установки и поддержания малых расходов жидкости в технологических процессах различных отраслей промышленности.
Для регулирования и поддержания постоянных расходов жидкости известен регулятор расхода /1/, содержащий корпус с входным и выходным каналами, соединенными через регулирующий клапан, образованный окном-седлом и расположенной над ним упругой пластиной, один конец которого закреплен на корпусе, а другой, свободный, контактирует с опорой поверхностью элемента настройки упругой пластины. Опорная поверхность выполнена плоской и расположена под углом относительно окна-седла. Для более точного выполнения гиперболического закона регулирования предусматривается выполнение опорной поверхности элемента настройки упругой пластины в виде параболического профиля. Регулятор расхода может содержать фиксатор начального прогиба упругой пластины, выполненный в виде прижимного винта с регулируемым вылетом, установленного в средней части упругой пластины, свободный конец которой, в свою очередь, может быть поджат к опорной поверхности элемента настройки пружинами, расположенными с ее обеих боковых сторон. В данном исполнении регулятора используется схема нагружения упругой пластины с двумя перемещающимися точками опоры, одновременно являющимися точками контакта пластины с дросселирующими кромками окна-седла и опорной поверхностью элемента настройки.
Недостатком такого регулятора является сложность конструкции и низкая надежность работы регулятора.
Другим аналогом предлагаемого регулятора расхода является гидравлическое регулирующее устройство /2/, включающее регулирующий орган, выполненный в виде сильфона с рабочей камерой и направляющей осью. Один из торцов сильфона закрыт крышкой и соединен с корпусом и направляющей осью, в которой выполнен обводной канал, перекрываемый управляющим клапаном, а другой - подвижный торец, который закрыт регулирующим клапаном с осевым отверстием для размещения в нем с кольцевым зазором направляющей оси с выполненными на ней наклонными пазами или лысками. Это делает переменной площадь кольцевого зазора по мере открытия регулирующего клапана и взаимоувязывает его с работой управляющего клапана путем дозированного пропуска рабочей жидкости в рабочую камеру. Привод управляющего клапана выполнен в виде маломощной манометрической термосистемы с термобаллоном, снабженным электроподогревательной системой. При закрытом управляющем клапане происходит перекрытие проходного отверстия устройства подвижным торцом сильфона, а при открытом - соответствующее его открытие с пропуском расхода рабочей жидкости.
Существенными недостатками регулирующего устройства являются низкая точность регулирования расхода жидкости из-за нарушения линейной зависимости перемещения торца сильфона от внешних условий (давления и температуры), а также возможность криволинейной деформации сильфона по отношению к своей оси.
Наиболее близким к заявляемому устройству является регулятор расхода /3/, включающий корпус с входными и выходными каналами, подпружиненный ступенчатый плунжер с дросселирующей кромкой. На втулке с диффузором размещена подвижная гильза, регулирующая основное задающее сечение для прохода жидкости, а внутри втулки размещен шток с профилированной иглой, образующей дополнительное задающее сечение. Обе стороны ступенчатого плунжера соединены обводной трубкой.
Расход жидкости через регулятор устанавливается основным задающим сечением. При изменении давлений входа или выхода жидкости обеспечивается постоянство перепада давления на задающих сечениях, следовательно, и постоянство расхода жидкости через регулятор.
Недостатком рассматриваемого регулятора расхода жидкости является неуправляемость дополнительного задающего сечения в процессе работы устройства. Изменение положения ступенчатого плунжера в зависимости, к примеру, от давления на выходе, приведет к изменению величины как дросселирующего сечения, так и положения профилированной иглы в дополнительном задающем сечении. Для сохранения постоянства расхода жидкости необходимо, чтобы положение профилированной иглы было установлено постоянным для заданной величины расхода.
Технической задачей предлагаемого регулятора расхода жидкости является увеличение точности регулирования малых расходов жидкости.
Техническая задача решается тем, что в известном устройстве, включающем корпус с входным и выходным отверстиями для жидкости, профилированную иглу со штоком для изменения задающего сечения, согласно изобретению профилированная игла, соединенная регулировочным штоком с управляющим приводом, выполнена с возможностью полного перекрытия центрального канала седла задающего сечения, параллельно регулировочному штоку в корпусе регулятора герметично расположена неподвижная гильза, закрытая сверху гибкой мембраной и имеющая внутри подвижный ступенчатый золотник, подпираемый снизу пружиной со сменной шайбой, в нижней части гильзы выполнены выступающая кромка для опоры золотника и кольцевой зазор для выхода жидкости из регулятора через выходное отверстие, причем выходное отверстие регулятора и пространства над седлом задающего сечения гидравлически связаны стабилизирующим каналом малого диаметра с наружной стороной гибкой мембраны гильзы, а центральный канал седла задающего сечения гидравлически связан обводным каналом с нижней торцевой частью золотника.
На чертежах 1, 2, 3 и 4 показаны схемы регулятора малых расходов жидкости. Он состоит из корпуса 1 (фиг.1), управляющего привода 2, опоры крепления 3 корпуса, направляющих 4, подвижной каретки 5, регулировочного штока 6 с фиксатором 7. В корпусе 1 регулятора (фиг.2) герметично размещены втулка 8 с сальником 9 и грундбуксой 10, седло 11, крышка 12. Кроме того, в корпусе герметично размещены гильза 13, сверху перекрытая гибкой мембраной 14, золотник 15, входящий в гильзу 13, пружина 16, подпирающая золотник 15 снизу и размещенная в крышке 17, а также заглушка 18.
В корпусе 1 выполнены входное 19 и выходное 20 отверстия для жидкости, канал 21, соединяющий центральный канал седла 11 с нижней торцевой частью золотника 15, стабилизирующий канал 22 малого диаметра, сообщающий входное отверстие 19 с внешней стороной мембраны 14.
В центральный канал седла 11 (фиг.3) входит профилированная игла 23 регулировочного штока 6 с малой конусностью, переходящая в цилиндрическую часть. Цилиндрическая часть иглы также выполнена с возможностью входа в канал седла 11 с пренебрежимо малым зазором, при котором расход жидкости через зазор между иглой 23 и каналом седла 11 полностью прекращается.
Между золотником 15 и гильзой 13 с уровня ниже выходного отверстия 20 выполнен кольцевой зазор 25 для протока жидкости (фиг.4). Золотник 15 фаской своего нижнего торца опирается в выступающую вовнутрь кромку гильзы 13, образуя изменяющуюся по высоте кольцевую щель, через которую проходит жидкость к выходному отверстию 20. Площадь сечения, отсекаемая фаской нижнего торца золотника, строго соответствует площади верхнего сечения золотника. Ширина этой щели автоматически регулируется в зависимости от перепада давления в зазоре между профилированной иглой 23 и седлом 11, силой упругости пружины 16, подпирающей снизу золотник 15. Под пружиной расположена регулировочная сменная шайба 26. Зазор между иглой 23 и каналом седла 11 образует задающее сечение регулятора для расхода жидкости.
Работа регулятора состоит в следующем.
Необходимый расход жидкости потребителю через регулятор устанавливается изменением положения штока 6 с помощью привода 2. Контроль за расходом производится с помощью расходомера (на чертежах не показан), установленного либо на линии, подводящей жидкость к входному отверстию 19, либо на линии, подведенной к выходному отверстию 20 регулятора.
1
1
2
1
2
1
2
1
1
2
1
2
2
2
вых
вых
Регулирующее перемещение штока 6 позволяет изменять положение иглы 23 в канале седла 11 и ширину образовавшегося в нем задающего сечения для протока жидкости. При протоке жидкости через это сечение образуется определенный перепад давления ΔP=P-Р (где P - давление перед входом жидкости в сечение; Р - давление на выходе из него). Давление P через канал 22 будет передаваться через гибкую мембрану 14 верхнему торцу золотника 15, а давление Р через канал 21 будет передаваться нижнему торцу золотника 15. Таким образом, на золотник 15 будет действовать сила F=ΔP∗S (где S - площадь торцов золотника), направленная сверху вниз. В то же время на золотник 15 снизу будет действовать упругая сила F пружины 16. В соответствии с балансом этих сил (F и F) золотник 15 займет строго определенное положение, открыв соответствующую щель между нижним торцом золотника и выступом гильзы 13 (фиг.4) для протока жидкости через зазор 25 к выходному отверстию 20. При этом по обе стороны открывшейся щели образуется перепад давления ΔР=P-Р (где Р - давление в выходном отверстии 20).
1
Таким образом, расход жидкости через регулятор для одной и той же пружины и толщины шайбы 26 будет определяться только положением иглы 23 в канале седла 11, т.е. задающим сечением между ними или перепадом давления ΔР. Диапазоны изменения расходов жидкости для одной и той же пружины регулируются толщиной шайбы 26, установка которой изменяет упругую силу пружины 16, действующую на золотник 15.
вых
вых
2
1
1
2
1
2
1
Постоянство установленного, т.о., малого расхода жидкости через регулятор обеспечивается следующим образом. К примеру, произошло снижение внешнего давления Р в выходном отверстии 20. Снижение значения Р также должно привести к снижению давления Р на входе в щель между золотником 15 и выступом гильзы 13. Но при этом на верхний торец золотника будет продолжать действовать давление Р. Увеличение перепада давления ΔР приведет к перемещению золотника 15 на некоторую величину вниз и уменьшению высоты щели. Это, в свою очередь, приведет к восстановлению давления P до начального значения. Таким образом, в регуляторе мгновенно восстановится перепад давления ΔР в игле несмотря на изменение перепада давления ΔР. Сохранение величины ΔР постоянной позволяет поддерживать расход жидкости через регулятор также постоянным.
вых
2
2
1
В другом случае возрастания величины внешнего Р картина будет противоположной. Стремление Р увеличиться приведет к перемещению золотника 15 вверх и снижению Р до начального значения. При этом ΔР сохранится также, как и величина расхода жидкости через регулятор.
Таким образом, изменение внешних факторов приведет только к изменению высоты щели между золотником 15 и выступом гильзы 13. Расход жидкости через регулятор при этом будет сохранен.
Малый диаметр канала 22 (0,5…1,0 мм) позволяет демпфировать пульсирующий характер движения жидкости и золотника 15 и стабилизировать расход и давление жидкости.
Небольшая конусность иглы 23 позволяет с высокой точностью регулировать малые расходы жидкости благодаря тому, что даже для небольшого изменения расхода требуется значительное вертикальное перемещение регулировочного штока 6. Конусность иглы 23 для практических случаев составляет около 0,4 град. Плавный переход конуса в цилиндр позволяет уменьшать расходы жидкости от исчезающе малых величин до нуля. Поэтому предложенное устройство позволяет регулировать малые расходы жидкости с высокой точностью.
Присутствие гибкой мембраны 14 позволяет исключить утечки жидкости через зазор между золотником 15 и гильзой 13 и значительно увеличить точность регулирования малых расходов жидкости.
Технико-экономическим преимуществом предложенного устройства является высокая точность регулирования малых расходов жидкости. Кроме того, устройство может быть использовано как дозатор малых расходов жидкости (химических реагентов, присадок, разбавителей и т.д.) в технологических процессах и аппаратах различных отраслей промышленности.
Литература
1. Патент РФ №2032927. Регулятор расхода (варианты). Заявл. 21.10.92. Опубл. 10.04.95.
2. Патент РФ №2131140. Гидравлическое регулирующее устройство. Заявл. 10.06.97. Опубл. 27.05.99.
3. Патент РФ №2164034 С1. Регулятор расхода. Заявл. 10.08.1999. Опубл. 10.03.2001.