МЕМБРАННЫЙ НАСОС
MEMBRANE PUMP

Изобретение касается насосов, а именно тепловых насосов, и может быть использовано в технологии перекачивания жидких и газообразных сред, предпочтительно в тех областях техники, где в качестве побочного продукта получают большое количество нагретых теплоносителей - жидких и газообразных.
Известен насос (патент RU 2027904, МПК F04B 19/24, 1995), содержащий камеру теплообмена и камеру компрессии, корпус, разделенный эластичной мембраной на указанные камеры, причем в стенке корпуса в камере компрессии выполнены впускной и выпускной клапаны, кроме того, в корпусе размещено рабочее тело. (RU 2027904 C1, 27.01.95).
Недостатком известного насоса следует признать сложность его конструкции.
Известен мембранный насос, содержащий корпус, внутренний объем которого разделен мембраной на две камеры, верхнюю и нижнюю, в корпусе размещены впускной и выпускной клапаны, соединенные с магистралями перекачиваемой среды, в нижней камере расположена перекачиваемая среда с наличием воздушной полости между ней и мембраной. (RU 2272177 C2, 20.03.2006).
Недостатком известного мембранного насоса является снижение качественных показателей, заключающихся в изменении концентрационной вязкости перекачиваемой среды из-за ее первоначального нахождения в неподвижном состоянии в нижней камере на уровне закрытых впускного и выпускного клапанов, что приводит к последующему выпадению осадка и, соответствующего изменения вязкости, а это увеличивает энергоемкость устройства в целом, также дополнительно обусловленного наличием теплообменника нагрева и охлаждения рабочего тела, сложностью поддержания процесса испарения и конденсации рабочего: тела в камере теплообменника, а также сложность поддержания точности и надежности дозировки перекачиваемой среды при вертикальном перемещении мембраны и особенно без изменяющегося давления перекачиваемой среды.
Технической задачей предлагаемого изобретения является снижение энергоемкости в технологии перекачивания жидких и газообразных сред путем выполнения корпуса нижней камеры из биметалла, а мембраны из магнитной жидкости, что устраняет изменение качественных параметров перекачиваемой среды и необходимость наличия в камере теплообмена процессов испарения и конденсации, а также снабжение мембранного насоса регулятором давления с системой контроля и приводом перемещения мембраны.
Технический результат по снижению энергоемкости и увеличению точности дозировки в условиях изменяющихся качественных параметров концентрации и давления перекачиваемых жидких и газообразных сред достигается тем, что мембранный насос содержит корпус, внутренний объем которого разделен мембраной на две камеры, верхнюю и нижнюю, в нижней камере размещены впускной и выпускной клапаны, соединенные с магистралями перекачиваемой среды, в нижней камере расположена перекачиваемая среда с наличием воздушной полости между ней и мембраной, при этом корпус нижней камеры выполнен из биметалла. При этом материал биметалла с внутренней стороны нижней камеры имеет коэффициент теплопроводности в 2,0-2,05 раза выше, чем коэффициент теплопроводности материала биметалла с внешней стороны корпуса, кроме того, мембрана выполнена из магнитной жидкости, расположенной над магистралями перекачиваемой среды с возможностью вертикального перемещения вверх и вниз и удерживаемой через воздушный зазор магнитным полем кольцевого магнита, причем вертикальное перемещение мембраны осуществлено посредством привода, включающего электродвигатель и передачу с зубчатыми колесами и снабжен регулятором давления, содержащим последовательно соединенные блок сравнения, блок задания, электронный усилитель с блоком нелинейной обратной связи и магнитный усилитель с выпрямителями на выходах, установленным между электродвигателем и передачей с зубчатыми колесами регулятором скорости перемещения мембраны, представляющим собой блок порошковых электромагнитных муфт, подключенных к магнитному усилителю, и датчиком давления, размещенным в нижней камере и соединенным с блоком сравнения регулятора давления.
На фиг.1 приведена принципиальная схема предложенной конструкции мембранного насоса, на фиг.2 - элемент корпуса нижней камеры из биметалла.
Мембранный насос состоит из корпуса 1, стенки которого выполнены из немагнитного материала, внутренний объем которого разделен мембраной 2 на две камеры, верхнюю 3 и нижнюю 4, в нижней камере 4 размещены впускной 5 и выпускной 6 клапаны. Впускной клапан 5 соединен с магистралью перекачиваемой среды 7, а выпускной клапан 6 соединен с магистралью перекачиваемой среды 8. В нижней камере 4 между дном корпуса 1 и мембраной 2 находится воздушная полость 9. При этом мембрана 2 выполнена из магнитной жидкости и расположена над магистралями 7 и 8 перекачиваемой среды с возможностью вертикального перемещения вверх и вниз и удерживается через воздушный зазор 10 магнитным полем кольцевого магнита 11, причем вертикальное перемещение мембраны осуществляется, посредством привода, включающего электродвигатель 12 и передачу с зубчатыми колесами 13. Мембранный насос снабжен регулятором давления 14, включающим последовательно соединенные блок сравнения 15, блок задания 16, электронный усилитель 17 с блоком нелинейной обратной связи 18, магнитный усилитель 19 с выпрямителями на выходах, установленным между электродвигателем 12 и цепной передачей с зубчатыми колесами 13, регулятором 20 скорости вращения привода вертикального перемещения мембраны 2, представляющим собой блок порошковых электромагнитных муфт, подключенных к магнитному усилителю 19, и датчиком 21 давления, размещенным в воздушной полости 9 и соединенным с регулятором давления 14.
Корпус 1 нижней 4 камеры выполнен из биметалла 22, при этом материал биметалла 22 с внутренней стороны 23 нижней 4 камеры имеет коэффициент теплопроводности в 2,0-2,5 раза (например, алюминий с коэффициентом теплопроводности 204 Вт/(м·°С), см. стр.3122 Нащокин В.В. Техническая термодинамика и теплопередача. М.: 1980 - 469 с.ил) выше, чем коэффициент теплопроводности материала 24 биметалла 22 (например, латунь с коэффициентом теплопроводности 85 Вт/(м·°С), см. стр 312 там же) с внешней стороны корпуса 1 нижней камеры 4.
Мембранный насос работает следующим образом.
Перед началом процесса перекачивания сред - нагретых теплоносителей, например воды или крови, в корпусе 1 в нижней камере 4 находится определенное количество перекачиваемой среды, на уровне расположения впускного 5 и выпускного 6 клапанов, находящихся в закрытом состоянии.
В результате различия значений температур перекачиваемой среды внутри нижней 4 камеры и снаружи корпуса 1 возникает разность температур и соответственно температурный градиент от 3 до 5 и более градусов, а выполнение корпуса 1 нижней 4 камеры из биметалла таким образом, что материал 23 со стороны нагретого теплоносителя имеет коэффициент теплопроводности, в 2,0-2,5 раза превышающий коэффициент теплопроводности материала 24 со стороны окружающей мембранный насос среды, приводит к образованию термовибрации (см., например, Дмитриев В.Г. Биметаллы. Пермь 1996. - 378 с. ил). Вследствие этого, наблюдаем интенсивное перемешивание слоев перекачиваемой среды, что не допускает выпадение из нее осадка, поддерживая нормированную концентрацию соответствующих компонентов.
Между перекачиваемой средой в нижней камере 4 и мембраной 2 в виде магнитной жидкости имеется воздушная полость 9, давление в которой фиксируется датчиком давления 21, соединенным с регулятором давления 14. Для начала процесса перекачивания включается электродвигатель 12, который, воздействуя через регулятор скорости 20 на передачу с зубчатыми колесами 13, перемещает посредством них вертикально вверх кольцевой магнит 11, и через воздушный зазор 10 и немагнитную стенку корпуса 1 кольцевой магнит 11 воздействует на мембрану 2, выполненную из магнитной жидкости, перемещая ее вертикально вверх (из положения I к положению II). При смещении мембраны 2 в виде магнитной жидкости вертикально вверх происходит разрежение в воздушной полости 9, что фиксируется датчиком давления 21, открывается впускной клапан 5 и перекачиваемая среда (вода или кровь) поступает из магистрали 7 в нижнюю камеру 4.
По мере поступления перекачиваемой среды в нижнюю камеру 4 ее уровень поднимается выше расположения выпускного клапана 6 с магистралью 8.
В связи с разрежением в воздушной полости 9 возникает перепад давлений в нижней камере 4 (разрежение) и верхней камере 3 (атмосферное давление). При достижении заданного значения перепада давлений, определяемого высотой подъема мембраны 2, выполненной из магнитной жидкости, сигнал, поступающий с датчика давления 21, размещенного в воздушной полости 9, в регулятор давления 14, превышает нормированный сигнал блока 16 задания и на выходе блока 15 сравнения появляется сигнал отрицательной полярности, поступающий на вход электронного усилителя 17, одновременно с сигналом отрицательной обратной связи от блока 18 нелинейной обратной связи. Сигнал с выхода электронного усилителя 17 поступает на вход магнитного усилителя 19, где он усиливается по мощности, выпрямляется и поступает на обмотку блока порошковых электромагнитных муфт регулятора 20 скорости, тем самым изменяя направление перемещения мембраны 2 сверху вниз посредством цепной передачи с зубчатыми колесами 13 при помощи электродвигателя 12. В воздушной полости 9 давление увеличивается, впускной клапан 5 закрывается, а выпускной клапан 6 открывается и перекачиваемая среда из камеры 4 по магистрали 8 перемещается к потребителю до тех пор, пока уровень перекачиваемой среды станет ниже уровня расположения выпускного клапана 6, мембрана 2 в виде магнитной жидкости при этом смещается вниз к положению I.
При достижении исходного давления в воздушной полости 9, фиксируемого датчиком давления 21, в нижней камере 4 остается лишь перекачиваемая среда ниже уровня расположения выпускного клапана 6, и выпускной клапан 6 закрывается. Сигнал с датчика давления 21, поступающий в регулятор давления 14, имеет значение ниже нормированного значения сигнала блока 16 задания и на выходе блока 15 сравнения появится сигнал положительной полярности, поступающий на вход электронного усилителя 17. Положительная полярность сигнала электронного усилителя 17 вызывает увеличение тока возбуждения на выходе магнитного усилителя 19, воздействует на обмотку блока порошковых электромагнитных муфт регулятора 20 скорости, тем самым изменяя направление перемещения мембраны 2 снизу вверх, посредством цепной передачи с зубчатыми колесами 13 при помощи электродвигателя 12. В результате процесс перекачивания сред повторяется по циклической схеме: вначале идет процесс наполнения перекачиваемой средой нижней камеры 4, потом поступление ее в магистраль 8, т.е. к потребителю, при этом достаточно высока точность дозировки при изменяющемся давлении источника поступления перекачиваемой среды, которая достигается за счет разрыва мембраны 2, выполненной из магнитной жидкости, при резком или значительном повышении давления, в результате чего часть воздуха через образовавшееся отверстие в мембране 2 из нижней камеры 4 поступает в верхнюю камеру 3. Мембрана 2, выполненная из магнитной жидкости, после выхода порции воздуха из нижней камеры 4 в верхнюю камеру 3 самовосстанавливается, т.е. восстанавливает свою сплошность. В нижней камере 4 давление уменьшается. Во время этого процесса скорость перекачивания изменяется значительно меньше, чем давление, что позволяет избегать гидроударов при перекачивании сред, особенно при необходимости соблюдения точности дозировки и давления.
Оригинальность предлагаемого изобретения заключается в поддержании нормированных параметров перекачиваемой среды по составу и концентрации, как в процессе подготовки, так и последующей транспортировки через мембранный насос за счет постоянного термовибрационного встряхивания, массы жидкости, находящейся внутри нижней камеры на уровне впускного и выпускного клапанов, а также в обеспечении высокой точности дозировки перекачиваемой среды вне зависимости от ее температуры и вязкости, определяющих характер изменения давления источника (например, теплоносителя, когда используется низкопотенциальная энергия воды при работе теплового насоса или в медицине при переливании крови), путем использования электропривода с автоматизированной системой управления и контроля дозировки поступления перекачиваемой среды в цикличном режиме перемещения мембраны в виде магнитной жидкости, удерживаемой в рабочем состоянии кольцевым магнитом и импульсно реагирующей на изменение давления в воздушной полости корпуса мембранного насоса.