САНИТАРНО-ТЕХНИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО, РАБОТАЮЩЕЕ ПРИ ПОВЫШЕННОМ ДАВЛЕНИИ
SANITARY-ENGINEERING INSTALLATION THAT OPERATES AT HIGHER PRESSURE

Заявляемое изобретение относится к санитарно-техническому оборудованию туалетов жилых и общественных зданий, а более конкретно к смывным устройствам, работающим при повышенном давлении, близком к давлению водопроводной сети. Благодаря этому возникает возможность существенно минимизировать расход воды и обеспечить высокие водо- и энергосбережение.
Санитарно-техническое устройство (СТУ), работающее под давлением, обычно состоит из унитаза и смывного бачка, ключевым элементом последнего является напорный резервуар, служащий для накопления воды и воздуха под давлением. По каналу напуска при закрытом канале выпуска вода из водопроводной сети под давлением (до 4 атм) поступает в напорный резервуар до тех пор, пока находящийся в нем воздух будет сжат до этого давления. После чего поступление воды в напорный резервуар прекращается и в объеме резервуара устанавливается высокое давление водопроводной сети, энергия которого запасается в объеме сжатого воздуха, условно называемом «воздушной подушкой». После открытия выпускного канала «воздушная подушка» начинает расширяться и под давлением вода изливается в унитаз, при этом давление внутри напорного резервуара падает. Таким образом, стенки напорного резервуара, изготавливаемые обычно из металла, находятся под воздействием значительной знакопеременной нагрузки и в этой связи возникают требования к механической прочности напорного резервуара, соответственно отражающиеся на технологичности и материалоемкости, а следовательно, и на стоимости СТУ.
Очевидно, что важную роль в обеспечении механической прочности при оптимальной материалоемкости напорного резервуара играет геометрическая форма резервуара. Чем ближе форма тонкостенного напорного резервуара к сферически симметричной, тем меньшие механические деформации будет испытывать оболочка напорного резервуара, так как известно [P.P.Чугаев. Гидравлика. Техническая механика жидкостей. Энергия, ЛО, 1975 г.] в замкнутом сосуде давление жидкости и газа постоянно во всем объеме. Однако в настоящее время широко распространена геометрическая форма смывных бачков «сливного» типа, на смену которым должны прийти смывные бачки, работающие под давлением, и которая в настоящее время доминирует на мировом рынке. Она отработана многими десятилетиями развития и представлена параллелепипедными и пирамидальными формами, вошедшими в мировую моду, изменение которой требует изменения эстетических представлений общества, достаточно инерционных по своей природе. Однако применение таких форм напорных резервуаров в СТУ, работающих при повышенном давлении, приводит к понижению механической прочности и соответственно к повышению материалоемкости напорных резервуаров.
Поэтому в настоящее время существует значительное многообразие технических решений геометрических форм напорных резервуаров, работающих под давлением. Параллелепипедные и пирамидальные по форме напорные резервуары [ПМ №13050 опубл. 20.03.2000 г.] близки по форме смывным бачкам «сливного» типа и для обеспечения своей механической прочности требуют большего количества материала (обычно нержавеющей стали), чем другие также известные геометрические формы напорных резервуаров, а именно цилиндрические, а также сферические [Заявка ПНР №250363 от 23.02.87 г., US 2004187201 опубл. 30.09.04]. Напорные резервуары такой формы обладают повышенной механической прочностью при меньшей материалоемкости. Однако смывные бачки на основе этих напорных резервуаров не слишком удобны для сочленения их с унитазом и для монтажа на их наружной поверхности механического привода, необходимого для осуществления управления выпускным каналом.
Известно также техническое решение конструкции напорного резервуара, которое можно взять за прототип. Геометрическая форма прототипа представляет собой комбинацию сферических и цилиндрической поверхностей [Патент US 7322053 от 29.01.2008 г.] и потому обладает повышенной механической прочностью и пониженной материалоемкостью. Согласно данному техническому решению напорный резервуар представляет собой лежащий на боку цилиндр (3), с обеих сторон закрытый выпуклыми частями сферической формы (4). Схематическое изображение геометрической формы напорного резервуара прототипа представлено на фиг.1. Соотношение конкретных размеров этой конструкции должно учитывать общепринятые условия эксплуатации СТУ, прежде всего, жилых зданий и эстетику туалетных комнат. Отметим два установившихся соотношения размеров смывных бачков. Первое из них выражается в том, что осевая ширина напорного резервуара не должна превышать ширину торца чаши унитаза, а второе состоит в том, что осевая ширина цилиндрической части (5) должна соответствовать задней полке торца унитаза, на которой крепится смывной бачок. С учетом этих положений проанализируем геометрическую форму прототипа. Из фиг.1 следует, что радиус выпуклых частей (4) напорного резервуара прототипа больше радиуса его цилиндрической части (5). По этой причине при стыковке этих частей на границе возник «излом» (11), который является сосредоточием механических напряжений, и для поддержания механической прочности которого необходимо в условиях работы под давлением либо увеличить толщину материала (обычно нержавеющей стали), либо изменить геометрию «стыка». В первом случае возрастет материалоемкость напорного резервуара, что нежелательно. Во втором случае изменятся габариты устройства, поскольку для ликвидации вышеупомянутого «излома» (11) надо не только уравнять радиусы выпуклых и цилиндрической частей оболочки напорного резервуара прототипа, но и добиться совмещения касательной к сферической части оболочки (4) и направляющей цилиндра (5). Последнее будет гарантировать ликвидацию «излома» на границе выпуклой и цилиндрической частей резервуара. И если в связи с уменьшением радиуса выпуклых частей уменьшится объем напорного резервуара конструкции прототипа, то соответственно при постоянстве давления уменьшится объем запасаемой резервуаром воды под давлением и понизится эффективность смыва СТУ, работающего под давлением, что является также значительным недостатком.
Отметим еще один недостаток конструкции напорного резервуара прототипа, обусловленный спецификой физического механизма его работы. Дело в том, что эффективность его работы напрямую зависит от давления воды в стояке водопроводной сети, которое уменьшается с увеличением номера этажа здания, где необходимо действовать СТУ. И поскольку с уменьшением давления уменьшается и объем запасаемой в напорном резервуаре воды, для поддержания постоянства объема запасаемой воды, необходимой для эффективной работы СТУ, приходится увеличивать геометрический объем напорного резервуара. Но геометрия прототипа такова, что его объем зависит в основном от радиуса цилиндрической части (5) напорного резервуара, которая располагаясь в задней части СТУ определяет расстояние от унитаза до стенки туалетной комнаты или толщину стены, в которой может быть замурован напорный резервуар. С возрастанием номера этажа высотного дома расстояние от СТУ до задней стенки туалетной комнаты или толщину стены, внутри которой может быть помещен напорный резервуар, необходимо увеличивать. Это усложняет условия эксплуатации такого СТУ, работающего под давлением, за счет возникновения дополнительных требований к площадям и конструкциям стен туалетных комнат в строящихся домах и потребует переделки туалетных комнат в существующих зданиях, тем самым существенно повысив затраты на ввод в эксплуатацию СТУ, работающих под давлением на основе напорных резервуаров конструкции прототипа. Таким образом возникает техническое противоречие, состоящие в том, что повышение механической прочности и понижение материалоемкости в прототипе, т.е. в напорном резервуаре, состоящем из полусферических и цилиндрической деталей, приводит к созданию СТУ, работающих под давлением, применение которых в многоэтажных зданиях потребует переделки туалетных комнат и соответственно существенного увеличения затрат на ввод их в эксплуатацию.
В тоже время в связи с нарастанием в мире дефицита водных и энергоресурсов в настоящее время актуальна задача создания водо- и энергосберегающих устройств для массового применения в существующих и строящихся высотных домах, т.е. компактных, универсальных, высоконадежных и дешевых. Именно такими могут стать СТУ, работающие под давлением, придя на смену СТУ со смывными бачками «сливного» типа, в частности после решения задачи оптимизации их конструкции и стандартизации габаритов, обеспечивающих возможность размещения новых СТУ в габаритах существующих туалетных комнат.
Указанная задача успешно решается в СТУ работающем под давлением включающем в себя помимо прочего унитаз, а также смывной бачок, состоящий из каналов напуска и выпуска воды, и напорного резервуара для накопления воды и воздуха при повышенном давлении, представляющего собой герметичный тонкостенный сосуд, оболочка которого выполнена в виде двух выпуклых поверхностей, соединенных друг с другом цилиндрической деталью, соединенные цилиндрической деталью (5) выпуклые части оболочки напорного резервуара изготовлены в виде двух половинок трехосного эллипсоида (9), разрезанного по плоскости сечения максимальной площади, на каждой из которых смонтирован либо канал напуска (2), либо канал выпуска (1) воды, эллипсоид сориентирован относительно унитаза так, что плоскость симметрии эллипсоида, проходящая через его самую длинную и самую короткие оси совпадает с вертикальной плоскостью симметрии унитаза, а размер оси эллипсоида средней длины не превышает максимальную ширину верхнего торцевого сечения унитаза (Фиг.2).
Новизна заявляемого изобретения заключается, прежде всего, в ранее неизвестной геометрической форме напорного резервуара СТУ, работающего при повышенном давлении, существенность отличий которого подтверждается рядом значительных преимуществ заявляемого технического решения перед прототипом. Первым важным преимуществом заявляемого технического решения перед прототипом является идеальность формы в связи с идеальным сочленением эллипсоидальной (9) и цилиндрической (5) частей поверхности напорного резервуара, поскольку на общей границе этих поверхностей касательные к эллипсоидальной поверхности и направляющие цилиндрической поверхности совпадают. Таким образом, на поверхности напорного резервуара гарантируется отсутствие изломов, являющихся сосредоточием механических напряжений, которые особенно при знакопеременной нагрузке существенно уменьшают механическую прочность напорного резервуара и требуют дополнительного расхода материала для упрочнения этой области.
Другим важным преимуществом заявляемого технического решения перед прототипом является возможность при заданном общем объеме напорного резервуара и заданной ширине торца унитаза вариацией размеров только самой длинной оси эллипсоида подобрать геометрическую форму напорного резервуара требуемого объема с гарантированной механической прочностью и максимально приспособленной к оптимальному расположению в существующей туалетной комнате на любом верхнем этаже здания, в частности, с минимальным расстоянием до задней стены туалета, поскольку меньшая ось эллипсоида может быть выбрана имеющей постоянную длину, располагаться на плоскости симметрии унитаза и в связи с чем максимальная габаритная длина совокупности унитаз + смывное устройство в плоскости торца унитаза оказывается постоянной и независящей от объема напорного резервуара.
Еще одним преимуществом заявляемого напорного резервуара является возможность размещения выпускного канала в нижней узкой части его объема ниже торцевой плоскости унитаза и тем самым минимизации «мертвого» объема воды, накапливающейся ниже выпускного канала в конце рабочего цикла.
Наряду с основным вариантом заявляемого технического решения возможны дополнительные его усовершенствования, имеющие существенные отличия:
- отличием является то, что выпуклые части (10) напорного резервуара выполнены в виде двух половин эллипсоида вращения. (Фиг.3)
Такая форма напорного резервуара, являясь аксиально-симметричной, может быть изготовлена в частности электроимпульсной штамповкой с большей точностью и, следовательно, позволяет снизить разброс между максимальным и минимальным механическим напряжением в корпусе напорного резервуара, тем самым повысив его механическую прочность.
- отличием является то, что в приосевой области поверхности по меньшей мере одной из выпуклых частей напорного резервуара изготовлена впадина (Фиг.4).
Поскольку приосевые области выпуклых частей (трехосного эллипсоида или эллипсоида вращения) обладают значительной площадью и минимальной кривизной, а тем самым подвержены максимальной деформации при распирающих и стягивающих воздействиях сил возрастающего и соответственно падающего давления в напорном резервуаре при повышении давления во время заполнения его водопроводной водой и при падении давления во время истечения воды, то создание впадины (6) в этой области повысит сопротивляемость изменению формы резервуара, т.е. его механическую прочность.
- отличием является также то, что на поверхности каждой выпуклой части напорного резервуара изготовлена по крайней мере одна замкнутая концентрической относительно оси эллипсоида формы канавка (Фиг.5).
Каждая концентрическая замкнутая канавка (7) на гладкой поверхности выпуклой части напорного резервуара представляет собой по сути своей ребро жесткости, которое повышает механическую прочность почти плоской части оболочки напорного резервуара, имеющего форму как трехосного эллипсоида, так и эллипсоида вращения.
- отличием также является то, что в объеме напорного резервуара между его выпуклыми частями установлена по крайней мере одна жесткая стойка (8), параллельная оси эллипсоида, ограничивающая прогиб оболочки при изменении давления внутри напорного резервуара (Фиг.6).
Наличие таких стоек (8) делает неподвижными по меньшей мере две, находящиеся напротив друг друга точки на поверхности выпуклых частей, и уменьшает площади свободных участков поверхности выпуклых частей, подвергающихся воздействию сил давления, которые, как известно, в свою очередь пропорциональны величине этих площадей, поскольку давление внутри всего объема воды и воздуха постоянно. Таким образом, заявляемое СТУ, работающее под давлением, состоит из стандартного унитаза и напорного резервуара принципиально новой геометрической формы, представляющего собой трехосный эллипсоид с каналами напуска и выпуска воды на противоположных эллиптических поверхностях. Размеры малой и средней осей этого эллипсоида выбираются постоянными для всех СТУ, предназначенных для разных этажей здания. В частности размер средней оси выполняется не превышающим максимальную ширину верхнего торцевого сечения унитаза, длина малой оси эллипсоида выбирается в соответствии с допустимым расстоянием до стенки туалетной комнаты или в соответствии с конкретным размером толщины стены, в которую может быть замурован напорный резервуар. Эллипсоид в пространстве сориентирован так, что малая и средняя оси размещаются в торцевой плоскости унитаза. Необходимые изменения объема напорного резервуара, в частности связанные с изменениями давления на разных этажах зданий, производятся посредством вариации длины самой большой оси эллипсоида, перпендикулярной плоскости торца унитаза. Таким образом СТУ с разными объемами напорных резервуаров будут иметь одинаковую максимальную площадь поперечного сечения, параллельного плоскости пола туалета, и могут размещаться в туалетной комнате стандартной площади на любом этаже здания, поскольку ширина СТУ и расстояние до стены будут постоянными, а изменения объема напорного резервуара будут происходить за счет вариации его вертикального размера, при этом сам эллипсоид будет ориентирован своей эллиптической поверхностью параллельно задней стенке туалетной комнаты.
Заявляемое СТУ работает следующим образом. При закрытом выпускном канале вода из водопровода заполняет объем напорного резервуара, сжимая находящийся в нем воздух до давления 2-5 атм. После открытия выпускного крана вода под давлением сжатого воздуха осуществляет смыв, а после этого выпускной канал закрывается и рабочий цикл повторяется.
Таким образом, заявляемая оригинальная форма напорного резервуара позволяет построить СТУ, работающее под давлением, обладающее повышенной механической прочностью и приспособляемостью к размещению на верхних этажах зданий.
Краткое описание чертежей
Фиг.1. Форма оболочки напорного резервуара - прототипа заявляемого изобретения.
Фиг.2. Форма оболочки напорного резервуара основного варианта заявляемого изобретения.
Фиг.3. Форма оболочки напорного резервуара первого дополнительного варианта заявляемого изобретения.
Фиг.4. Форма оболочки напорного резервуара второго дополнительного варианта заявляемого изобретения.
Фиг.5. Форма оболочки напорного резервуара третьего дополнительного варианта заявляемого изобретения.
Фиг.6. Устройство оболочки напорного резервуара четвертого дополнительного варианта заявляемого изобретения.
На чертежах позициями обозначены:
1 - выпускной канал; 2 - напускной канал; 3 - крепежные болты; 4 - выпуклые части оболочки напорного резервуара прототипа в виде частей полусферы; 5 - цилиндрическая часть оболочки напорного резервуара; 6 - центральная зона эллипсоидной части оболочки, выполненная в виде впадины; 7 - концентрическое углубление в виде канавки на выпуклой поверхности напорного резервуара; 8 - жесткая стойка, ограничивающая прогиб выпуклых частей оболочки напорного резервуара; 9 - выпуклые части напорного резервуара основного варианта изобретения в виде половин трехосного эллипсоида; 10 - выпуклые части напорного резервуара дополнительного варианта изобретения в виде половин эллипсоида вращения; 11 - излом на месте стыковки сферической и цилиндрической частей оболочки напорного резервуара прототипа.
Пример практического осуществления изобретения.
Проверка жизнеспособности заявляемого технического решения была проведена посредством изготовления напорного резервуара, имеющего форму эллипсоида вращения (фиг.3) и изготовленного из листовой нержавеющей стали марки Н36-377-1-10-02-63 толщиной 1 мм методом электроимпульсной штамповки. Напорный резервуар был изготовлен из двух сваренных вместе по торцевым границам цилиндрической части эллиптических днищ с наружным диаметром 377 мм. Ширина резервуара составила 118 мм. Внутренний объем достигал 9 литров. Напорный резервуар крепился к СТУ двумя парами болтов M10×16 (3). Приваренные к нижним частям днищ штуцеры (1) и (2) выполняли роль каналов выпуска (1) и напуска воды (2) соответственно. Канал напуска воды (2) соединялся с водопроводной сетью. Канал выпуска воды (1) через выпускной кран, соединенный с управляющим приводом, соединялся с унитазом. Напорный резервуар работал следующим образом. При закрытом выпускном канале через канал напуска (2) водопроводная вода под давлением заполняла резервуар, оттесняя воздух в его верхнюю часть объема и сжимая его до давления водопроводной сети (2-5 атм) в зависимости от этажа, где располагался СТУ. При достижении соответствующего давления поступление воды прекращалось и напорный резервуар был готов к работе. Для осуществления смыва открывался выпускной канал (1) и вода под давлением устремлялась в унитаз. При этом давление в напорном резервуаре падало и он снова был готов к напуску воды из водопроводной сети. Напорный резервуар, изготовленный согласно заявляемому изобретению вопреки малой толщине стенок (~1 мм), не испытывал видимых деформаций формы при давлении более 5 атм при испытаниях в течение нескольких месяцев. В тоже время для получения аналогичных результатов при изготовлении нами напорных резервуаров параллелепипедной формы приходилось толщину стенок выбирать порядка 2,5-2 мм и применять дополнительные меры повышения механической прочности в виде ребер жесткости, внутренних стяжек и т.п. Таким образом, экспериментальная проверка показала эффективность заявляемого технического решения.