Устройство для дозированной выдачи криогенной жидкости
APPARATUS FOR DISPENSING CRYOGENIC LIQUID

Изобретение относится к криогенной технике, а именно к устройствам для капельного дозирования криогенной жидкости в герметизируемые емкости, перемещаемые транспортером, для создания в них безопасной инертной среды и избыточного давления после герметизации этих емкостей.
Известно устройство дозированной выдачи криогенной жидкости, включающее сосуд для криогенной жидкости, блок с концентрическим отверстием, диаметр которого регулируется, установленный на дне сосуда, и трубопровод подачи газа для организации дискретного вытекания криогенной жидкости из сосуда (см. патент US 5385025). Недостатками указанного устройства являются:
- большой теплоприток к емкости с криогенной жидкостью и низкая производительность герметизируемых емкостей порядка 200-500 в минуту, обусловленные несовершенством конструкции дозатора.
Наиболее близким по своей технической сущности, выбранного в качестве прототипа, является устройство для дозированной выдачи криогенной жидкости, содержащее сосуд для криогенной жидкости с клапаном заправки и поддержания уровня и штуцером для отвода пара, дозатор, включающий клапан с управляемым приводом и цилиндр с входными отверстиями, а также седло с выходным соплом, сообщенным концевым формирователем впрыскиваемой криогенной жидкости, входные отверстия цилиндра, соединенные с полостью сосуда для криогенной жидкостной этом концевой формирователь впрыскиваемой криогенной жидкости снабжен подогревателем, а клапан своей торцевой кромкой образует с седлом запорное соединение в закрытом состоянии, причем клапан подпружинен пружиной и снабжен регулируемым ограничителем хода. (см. патент РФ 2374555), Несмотря на то, что в устройстве за счет размещения дозатора в вакуумную полость, общую с сосудом для криогенной жидкости и компоновки управляемого привода, выполненного в виде пневмоцилиндра, вынесенного в теплую зону, удается за счет уменьшения теплопритоков повысить надежность дозирования равных объемов криогенной жидкости, оно обладает рядом недостатков, главными из которых являются:
- конструктивная сложность и ненадежность, обусловленные устройством дозатора и привода, требующего сложной системы контроля и управления;
- сложность компоновки дозатора и взаимосвязанного с ним сосуда с криогенной жидкостью в систему транспортера для герметизируемых емкостей;
- неустойчивая работа контура естественной циркуляции в зоне поршня с небольшим объемом криогенной жидкости и трение поршневой манжеты уплотнения о стенки цилиндра при повышенном числе ходов приводят к выдаче разных объемов криогенной жидкости в каждую однотипную емкость с продуктом.
Задачей изобретения является упрощение конструкции и эксплуатации с обеспечением надежного дозирования равных объемов криогенной жидкости в широком диапазоне изменения впрыскиваемых доз и скоростных характеристик транспортера.
Эта задача решается тем, что в устройстве для дозированной выдачи криогенной жидкости, содержащем сосуд для криогенной жидкости с клапаном заправки и поддержания уровня и штуцером для отвода пара, дозатор, включающий клапан с управляемым приводом и цилиндр с входными отверстиями, а также седло с выходным соплом, сообщенным с концевым формирователем впрыскиваемой криогенной жидкости, входные отверстия цилиндра, соединенные с полостью сосуда для криогенной жидкости, при этом концевой формирователь впрыскиваемой криогенной жидкости снабжен подогревателем, а клапан своей торцевой кромкой образует с седлом запорное соединение в закрытом состоянии, причем клапан подпружинен пружиной и снабжен регулируемым ограничителем хода, дозатор установлен непосредственно в сосуде для криогенной жидкости, при этом цилиндр с окнами для прохода криогенной жидкости смонтирован в днище внутренней обечайки сосуда и в нем установлено съемное седло, направляющая клапана, клапан, пружина клапана и привод клапана, выполненный в виде управляемого быстродействующего электромагнита, а формирователь впрыскиваемой жидкости выполнен в виде двух металлорукавов и головки, в которой установлен обратный клапан, выходное сопло и камера для обдува головки, при этом наружный металлорукав соединен с днищем наружной обечайкой сосуда, а внутренний - с цилиндром дозатора, а кроме того сосуд для криогенной жидкости снабжен регулятором давления «после себя», установленном на штуцере для отвода пара, и регулятором давления «до себя», обеспечивающих стабильное давление в газовой подушке сосуда, а также испарителем наддува и магистралью с нагревателем и дюзой, подключенных от испарителя наддува к камере для обдува головки формирователя впрыскиваемой жидкости.
Проведенный анализ уровня техники позволил установить, что заявителем не обнаружен аналог, характеризующейся совокупными признакам и, идентичными всем существенным признакам заявленного изобретения, следовательно, оно соответствует критерию изобретения.
Предложенной устройство изображено на Фиг. 1.
Устройство для дозированной выдачи криогенной жидкости содержит сосуд 1 для криогенной жидкости с экранно-вакуумной изоляцией, дозатор в виде цилиндра 2 с окнами 3 для прохода криогенной жидкости, смонтированного в днище внутренней обечайки 4 сосуда 1, при этом в цилиндре 2 установлены: съемное седло 5, направляющая клапана 6 с отверстиями 7, клапан 8 с пружиной 9, привод клапана, выполненный в виде быстродействующего управляемого электромагнита 10, и нижняя гайка 11 с отверстиями 12, крепящая направляющую клапана 6 и электромагнит 10 в цилиндре 2 а также устройство содержит формирователь впрыскиваемой криогенной жидкости, выполненный в виде двух металлорукавов и головки 13, в которой установлен подпружиненный обратный клапан 14, штуцер 15 с выходным соплом 16 и камера 17 для обдува головки 13, при этом наружный металлорукав 18 соединен с днищем наружной обечайки 19 сосуда 1, а внутренний металлорукав 20 - с цилиндром 2, а кроме того сосуд 1 для криогенной жидкости снабжен датчиком 21 замера давления в газовой подушке сосуда 1, клапаном 22 заправки и слива криогенной жидкости, регулятором давления 23 «до себя», установленном на штуцере 24 газосброса, ручным клапаном газосброса 25, предохранительным клапаном 26, а также испарителем наддува 27 с клапаном 28, регулятором поддержания давления 29 «после себя» в газовой подушке сосуда 1 и магистралью 30 с нагревателем 31 и дюзой 32, подключенными после испарителя наддува 27 к камере 17 для обдува головки 13. Для монтажа и демонтажа деталей и узлов дозатора, смонтированного внутри сосуда 1, на последнем закреплена съемная крышка 33 с герморазъемом 34 и кабель 35 для подключения электромагнита 10. Заполнение криогенной жидкостью сосуда 1 может производиться как от стационарной емкости, так и от заправщика, подсоединенного к трубопроводу 36, на котором перед клапаном заправки 22 и слива криогенной жидкости установлен клапан продувки 37. Контроль уровня криогенной жидкости в сосуде 1 выполняется с помощью уровнемера 38.
Размещение дозатора непосредственно в сосуде 1 для криогенной жидкости позволяют проектировать и изготавливать сосуд, объем которого будет обеспечивать непрерывную работу разливочной линии без дозаправки или с минимальным количеством дозаправок криогенной жидкостью, а подключение формирователя жидкости к дозатору с помощью металлорукавов существенно упрощает монтаж устройства в системе разливочной или фасовочной линии.
Устройство для дозированной выдачи криогенной жидкости работает следующим образом.
После заполнений сосуда 1 криогенной жидкостью и предварительного этапа отладки процесса дозирования равных объемов криогенной жидкости в каждую однотипную емкость с продуктом на транспортере разливочной или расфасовочной линии переходят к штатному режиму работы устройства, который осуществляется по следующему технологическому алгоритму. По команде из системы контроля и управления (на чертеже не показано) выдается сигнал, по которому на электромагнит 10 подается токовый импульс, обеспечивающий быстрый подъем клапан 8. В результате клапан 8 под действием усилия электромагнита 10 преодолевает усилие пружины 9 усилие от противодействия столба жидкости и давления в газовой полости сосуда 1 и открывает проход криогенной жидкости из объема сосуда 1 через окна 3 и окно седла 5, установленные в цилиндре 2, который вместе с клапаном 8, направляющей клапана 6 с отверстиями 7 для прохода криогенной жидкости, электромагнитом 10, пружинной и гайкой 11 с отверстием 12 для прохода криогенной жидкости смонтирован в днище внутренней обечайки 4 сосуда 1. В результате подъема клапана 8 криогенная жидкость под действием давления в газовой подушке, выполняющей в процессе выдавливания роль «поршня», передает давление на жидкость, оставшуюся от предыдущего цикла в формирователе впрыскиваемой криогенной жидкости, выполненного в виде двух металлорукавов и головки 13, в которой установлен подпружиненный обратный клапан 14 и штуцер 15 с выходным соплом 16 и камера 17 для обдува головки 13, принтом наружный металлорукав 18 подсоединен к днищу наружной обечайки 19 сосуда 1, а внутренний металлорукав 20- к цилиндру 2 симметрично сосуду 5. Под действием избыточного давления криогенной жидкости обратный клапан 14 открывается и через выходное сопло 16 происходит впрыск криогенной жидкости в емкость, находящуюся на транспортере. Впрыск криогенной жидкости прекращается после отключения электромагнита 10 по истечении заданного времени, что приводит к автоматической посадке клапана 8, на седло 5 и закрытию обратного клапана 14, а подача следующей дозы криогенной жидкости будет производиться с началом нового цикла.
Вполне понятно, что объем дозы криогенной жидкости при постоянных геометрических размерах седла 5, обратного клапана 14 и выходного сопла 16 при стабильном давлении в газовой подушке сосуда 1, контролируемого датчиком давления 21 будет являться функцией времени открытия клапана 8.
Клапан 8 сразу же закрывается под действием пружины 9 после прекращения подачи тока в электромагнит 10, при этом ток на период времени удержания клапана 8 в открытом состоянии автоматически падает относительно пускового импульса до величины требуемого для удержания клапана, этим самым обеспечивается минимальная величина тепловыделения от электромагнита 10. Стабилизация требуемого давления в газовой подушке сосуда 1 обеспечивается работой двух заранее отстроенных регуляторов, один из которых - регулятор давления 29 «после себя», установлен после испарителя наддува 27, криогенная жидкость в который подается из сосуда 1 с помощью клапана 28. В случае появления тенденции повышения давления в газовой подушке сосуда 1, регулятор давления 29 «после себя» будет закрываться, снижая расход газа подаваемого в подушку сосуда 1. В том случае, если он переходит в «стоп» режим, а давление будет подрастать, то вступит в работу регулятор давления 23 «до себя», установленный на штуцере 24 газосброса, таким образом поддерживая стабильным давлением в газовой подушке сосуда 1, при этом; разность давлений в работе регуляторов отстраивается минимальной, чтобы выдача дозы криогенной жидкости изменялась минимально. В то же время в отличие от известных устройств и установок дозированной инжекции криогенной жидкости в устройстве появляется еще одна возможность регулировать объем впрыскиваемой жидкости наряду с изменением периода открытия клапана 8 дозатора, а именно, за счет изменения давления в газовой подушке сосуда 1, что позволяет обеспечить надежное дозирование равных объемов криогенной жидкости в широком диапазоне изменения, как объемов впрыскиваемых капель, так и изменение скоростного режима впрыскивании равных объемов доз криогенной жидкости.
Для исключения обмерзания головки 13 формирователя впрыскиваемой криогенной жидкости, особенно в период возможных остановок в работе конвейера, в камеру 17 после испарителя наддува 27 подается газообразный крисагент, который подогревается до температуры 15-20°С в нагревателе 31 и по магистрали 30 и дюзу 32 поступает в камеру 17.
В процессе работы устройства происходит постоянный расход криогенной жидкости, что сопровождается снижением уровня жидкости, который постоянно контролируется с помощью уровнемера 38. При достижении минимального допустимого уровня, предусмотрена возможность дозаправки криогенной жидкости от стационарной или транспортной емкости. Для того чтобы не нарушить режим работы устройства вначале открывают клапан продувки 37 и проводят захолаживание заправочной магистрали 36 до появления жидкой фазы после клапана З7. Затем клапан 37 закрывают, плавно открывают клапан 22 и подают чистую жидкость в сосуд 1, контролируя рост уровня по уровнемеру 38, при достижении уровня, равного номинальному значению, клапан 22 закрывают. В процессе заполнения объема сосуда 1 криогенной жидкостью объем газовой подушки уменьшается, но давление в ней остается стабильном, так как вступает в работу регулятор 23 поддержания давления «до себя» и производит сброс части газа из газовой подушки в атмосферу. В процессе эксплуатации устройства также возможна аварийная потеря вакуума общего и для сосуда 1 и формирователя впрыскиваемой криогенной жидкости. Потеря вакуума будет сопровождаться резким ростом давления в сосуде, которое, как уже отмечалось, контролируется датчиком давления 21 и от которого поступает в этом случае сигнал, формирующий в системе контроля и управления команду на отключение электромагнита 10 и остановку транспортера, а сброс паров, образующихся в сосуде 1 от теплопритоков, осуществляется в этом случае через предохранительный клапан 26 в безопасную для эксплуатирующего персонала зону. Электромагнит 10 с помощью кабеля 35 через герморазъем 34, установленный на крышке 33 с тепловой изоляцией, подключается к системе контроля и управления, при этом габариты крышки 33, установленной на сосуде 1, позволяют выполнить весь комплекс работ по замене съемного седла 5, замена клапана 8 с пружиной 9 и электромагнита 10 в случае их отказа или выполнения работ, определенных техническим регламентом.
Первоначальное заполнение сосуда 1 криогенной жидкостью от транспортной или стационарной емкости выполняется при открытом ручном клапане 25 газосброса через магистраль 36 с помощью клапана 22 при контроле давления в сосуде с помощью датчика 21 и уровнемера 38, а удаление криогенной жидкости из сосуда 1 в случае выполнения профилактических работ производится через клапан 22 и магистраль 36 в стационарную или транспортную емкость.
Таким образом, предложенные технические решения, заложенные в устройство для дозированной выдачи криогенной жидкости, а именно, замена традиционного принципа дозирования с помощью поршня с управляемым приводом от сервопривода или линейного привода, вынесенных в теплую зону обслуживания, на дозатор, выполненный в виде клапана с управляемым быстродействующим электромагнитом, размещенным непосредственно в сосуде с криогенной жидкостью, в сочетании с вынесенной конструкции формирователя криогенной жидкости позволяют реализовать поставленную техническую цель - упростить конструкцию при обеспечении надежного дозирования равных объемов криогенной жидкости в широком диапазоне впрыскиваемых доз и скоростного режима впрыскивания.