УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОДАЧИ ТЕКУЧЕЙ РАБОЧЕЙ СРЕДЫ
DEVICE FOR SUPPLY OF WORKING FLUID MEDIUM

Изобретение для подачи текучей рабочей среды относится к гидротранспорту с использованием давления газа и может быть применено для подачи потребителю как вязких, так и маловязких жидкостей.
Известны устройства для подачи смазок и других текучих рабочих сред путем их выдавливания из корпуса устройства или из той его части, где текучая рабочая среда находится до срабатывания, а затем ее транспортирования по коммуникациям к месту потребления. Обеспечение процессов выдавливания и транспортирования рабочей среды чаще всего достигается за счет обжатия или расширения давлением газа эластичной камеры (мешка, оболочки, колпака и т.д.) или уменьшения объема полости, в которой рабочая среда хранится, за счет прогиба или перемещения также под действием давления газа изолирующей перегородки (эластичной в виде гофрированной мембраны или стакана, подвижной в виде поршня и т.д.).
При изучении справочно-информационных и патентных фондов были выделены аналоги изобретения.
Известно устройство для подачи текучей рабочей среды, приведенное в патенте RU №2334160, МПК F16N 7/30, опубл. 20.09.2008, БИ №26, содержащее корпус с входным патрубком для газа и выходным патрубком для текучей рабочей среды. Внутри корпуса размещены камера из эластичного материала в виде стакана, открытой стороной обращенного к выходному патрубку и соединенного с корпусом, и трубчатый коллектор с радиусами скругления на свободном конце, выступающем от места заделки трубки в корпусе в виде консоли, установленной с возможностью вывода текучей рабочей среды через трубку. В выходном патрубке установлен герметизирующий элемент.
Это устройство при положительных температурных условиях имеет достаточно высокую работоспособность.
К недостаткам конструкции следует отнести возможность прорыва стенок камеры при срабатывании в условиях отрицательных температур, так как в этом устройстве камера обжимается давлением газа до упора в трубку коллектора, и при этом ее стенки в поперечном сечении образуют фигуру типа ромашки с произвольным числом лепестков. В вершине лепестка стенки прогибаются с малым радиусом, за счет чего в используемом эластичном материале камеры с большой вероятностью могут образоваться продольные трещины, приводящие к прорыву стенок камеры.
Известно также устройство для подачи текучей рабочей среды, приведенное в патенте RU №2466327, МПК F16N 7/30, F16N 11/10, опубл. 10.11.2012, БИ №31, содержащее корпус с входным патрубком для подвода газа и выходным патрубком для вывода текучей рабочей среды. Внутри корпуса размещена камера из эластичного материала, имеющая в продольном сечении форму стакана, обращенного открытой стороной к выходному патрубку. Стакан соединен с корпусом и установлен в нем с возможностью подвода к его внешней поверхности газа. Вне камеры перед выходным патрубком установлен коллектор с возможностью вывода через него текучей рабочей среды. Место соединения камеры с корпусом расположено от коллектора на расстоянии, соизмеримом с высотой камеры, а внутренний поперечный размер полости корпуса соизмерим с ее наружным поперечным размером. В выходном патрубке установлен герметизирующий элемент.
Следует отметить, что в этом устройстве эластичная камера в продольном сечении имеет так же, как в первом аналоге, форму стакана, но высота и его вместимость (объем) выполнены приблизительно в два раза меньше высоты и объема полости, занимаемой текучей рабочей средой. Поэтому она, фактически, выполняет функцию всего лишь перегородки, разделяющей полость корпуса на части, одна из которых пневматически соединяется с входным патрубком, а другая - с выходным.
При срабатывании данного устройства выдавливание текучей рабочей среды обеспечивается не в процессе обжатия камеры, как в предыдущем устройстве, а за счет полного выворачивания перегородки - стакана до упора стенок в поверхности внутренней полости корпуса и донышка - в коллектор. При этом возможность появления складок с малым радиусом изгиба отсутствует на всех стадиях выворачивания стакана в связи с недостаточностью действующей разности давлений по разные стороны перегородки.
Поэтому по сравнению с предыдущим устройством данный аналог имеет более высокую надежность срабатывания.
Общим недостатком обоих аналогов является большой разброс времени срабатывания в заданных условиях эксплуатации в связи с тем, что динамическая вязкость текучей рабочей среды сильно зависит от температуры и в ряде случаев время срабатывания устройства при отрицательной температуре приобретает недопустимо большое значение.
Известно устройство для подачи текучей рабочей среды, приведенное в патенте RU №2478867, МПК F16N 7/30, опубл. 10.04.2013, БИ №10, содержащее корпус с входным патрубком для газа и выходным патрубком для текучей рабочей среды. Внутри корпуса размещены камера из эластичного материала в виде стакана, открытой стороной обращенного к выходному патрубку и соединенного с корпусом, и коллектор вывода текучей рабочей среды, который установлен вне камеры перед выходным патрубком. Место соединения камеры с корпусом расположено от коллектора на расстоянии, соизмеримом с высотой камеры, а внутренний поперечный размер полости корпуса соизмерим с ее наружным поперечным размером. В выходном патрубке установлен герметизирующий элемент, а в коллекторе установлен пиротехничесий нагреватель, снабженный системой задействования.
В нагревателе данного устройства может быть использован высококалорийный пиротехнический состав, а в корпусе соответственно может быть выполнен патрубок для соединения нагревателя с системой задействования.
Следует отметить, что в этом устройстве эластичная камера, имеющая в продольном сечении форму стакана, фактически, также выполняет функцию перегородки, как и в аналоге - патент RU №2466327.
При срабатывании данного устройства выдавливание текучей рабочей среды обеспечивается за счет полного выворачивания стакана. При этом текучая рабочая среда дополнительно подогревается нагревателем, размещенным в коллекторе, и выдавливается из полости корпуса существенно быстрее. За счет этого, по сравнению с предыдущими аналогами разброс времени срабатывания в заданных условиях эксплуатации соответственно сокращается. По этой причине такое устройство может применяться во всех случаях, когда требуется в любых температурных условиях эксплуатации подавать текучую рабочую среду потребителю в течение короткого промежутка времени.
Данное устройство выбрано за прототип, как наиболее близкое по технической сущности и достигаемому результату.
Основными недостатками устройства, выбранного в качестве прототипа, являются:
- ограничение по вязкости рабочей среды, а именно отсутствие возможности использования в качестве текучей рабочей среды маловязких жидкостей ввиду их способности вытекания после срабатывания устройства при аварийном прорыве коммуникаций, по которым жидкость транспортируется до потребителя, за счет чего может существенно уменьшаться КПД по использованию текучей рабочей среды. Это обстоятельство приводит к вынужденному использованию таких устройств для подачи только вязких неньютоновских жидкостей;
- увеличение времени срабатывания устройства при отрицательных температурах в связи с необходимостью использования в качестве текучей рабочей среды вязких неньютоновских жидкостей.
Задачей настоящего изобретения является уменьшение времени срабатывания устройства, в том числе при срабатывании в условиях отрицательной температуры, и расширение номенклатуры жидкостей, возможных для использования.
При использовании предлагаемого изобретения достигается следующий технический результат:
- расширение эксплуатационных возможностей устройства за счет обеспечения возможности использования в качестве текучей рабочей среды как вязких, так и маловязких жидкостей;
- уменьшение времени срабатывания устройства при эксплуатации в условиях отрицательной температуры без увеличения давления рабочего газа за счет использования маловязких жидкостей;
- повышение надежности работы устройства за счет исключения зависимости технических характеристик потребителя после срабатывания, прежде всего КПД по использованию текучей рабочей среды, от состояния коммуникаций, по которым она транспортируется.
Решение поставленной задачи и достижение технического результата обеспечиваются тем, что в устройстве для подачи текучей рабочей среды с использованием давления газа, содержащем корпус с входным патрубком для газа и выходным патрубком для текучей рабочей среды, размещенную в полости корпуса перегородку из эластичного материала в виде стакана, обращенного открытой стороной к выходному патрубку, герметично соединенную с корпусом и разделяющую полость корпуса на две части, одна из которых пневматически соединена с входным патрубком для газа, а другая предназначена для размещения текучей рабочей среды и сообщается с выходным патрубком, перед которым установлен коллектор с пиротехническим нагревателем, снабженным системой задействования, согласно предлагаемому изобретению в полости корпуса между коллектором и эластичной перегородкой установлен вкладыш из материала, способного размягчаться при нагревании и затвердевать при охлаждении, вкладыш установлен в корпусе без механического контакта с коллектором и с возможностью перемещения до упора в него.
Объем материала вкладыша может быть выбран соизмеримым с объемом коммуникаций для транспортирования текучей рабочей среды.
Для прохождения текучей рабочей среды в полости корпуса через вкладыш в нем могут быть выполнены сквозные каналы, как продольные, так и поперечные.
Установка вкладыша между коллектором и эластичной перегородкой с фиксированием в корпусе без механического контакта с коллектором обеспечивает перемещение вкладыша под действием давления эластичной перегородки по направлению к коллектору до упора в него. При перемещении вкладыш способствует продвижению текучей рабочей среды в сторону коллектора, при этом вкладыш может быть выполнен как сплошным, так и со сквозными каналами. Это способствует возможности сохранения оптимального КПД по использованию текучей рабочей среды после срабатывания устройства и уменьшению времени срабатывания.
Выполнение вкладыша из материала, способного размягчаться при нагревании, позволяет ему под действием тепла от нагревателя переходить из твердого состояния в текучее состояние. При срабатывании устройства нагреватель отдает тепло сначала текучей рабочей среде, находящейся в контакте с коллектором, а затем материалу вкладыша после его упора в коллектор. Под действием тепла от нагревателя материал вкладыша становится текучим. Такое состояние материала вкладыша обеспечивает возможность его выдавливания из полости корпуса через каналы коллектора в коммуникации, по которым текучая рабочая среда транспортировалась к месту потребления.
После срабатывания устройства нагреватель остывает, материал вкладыша охлаждается и за счет выполнения его способным затвердевать при охлаждении возвращается в твердое состояние, а коллектор и коммуникации, по которым текучая рабочая среда транспортировалась к месту потребления, оказываются перекрытыми. Таким образом, возможность вытекания даже самых маловязких текучих рабочих сред при аварийном прорыве транспортных коммуникаций после срабатывания устройства полностью устраняется.
В результате повышается надежность работы устройства за счет исключения зависимости технических характеристик потребителя, прежде всего сохранения оптимального КПД по использованию текучей рабочей среды, от состояния транспортных коммуникаций после срабатывания устройства.
Выбор объема материала вкладыша соизмеримым с объемом коммуникаций для транспортирования текучей рабочей среды и выполнение во вкладыше сквозных как продольных, так и поперечных каналов также обеспечивают возможность подачи текучей рабочей среды потребителю из всей полости, где она находилась до срабатывания, и также способствуют возможности сохранения оптимального КПД по использованию текучей рабочей среды после срабатывания устройства.
В совокупности существенные признаки заявляемого устройства обеспечивают возможность решения сформулированной выше задачи изобретения и достижения технического результата.
Примеры исполнения устройства поясняются фиг. 1 и 2.
Предложенное устройство содержит корпус 1 с входным патрубком 2 для подачи газа, выходным патрубком 3 для вывода текучей рабочей среды и патрубком 4 для соединения нагревателя 5 с системой задействования (не показана). Внутри корпуса 1 размещена тонкостенная перегородка 6, которая выполнена из эластичного материала и в продольном сечении имеет форму стакана, обращенного открытой стороной к выходному патрубку 3. Перегородка 6 содержит изолирующий элемент 7 в виде бурта Т-образной формы, с помощью которого она герметично соединена с корпусом 1 на расстоянии от коллектора 8, соизмеримом с высотой стакана-перегородки 6. Коллектор 8 установлен перед выходным патрубком 3 с возможностью вывода текучей рабочей среды 9 из внутренней полости корпуса 1 через выполненные в нем каналы 10. Устройство имеет возможность подвода газа со стороны входного патрубка 2 через каналы 11 и 12 к внешней поверхности перегородки 6.
В выходном патрубке 3 установлен герметизирующий элемент 13 с разрушаемым элементом (мембраной).
Нагреватель 5, установленный в коллекторе 8, выполнен с использованием пиротехнических составов.
В полости корпуса 1 между коллектором 8 и эластичной перегородкой 6 без механического контакта с коллектором 8 установлен вкладыш 14, выполненный из материала (вещества), находящегося до срабатывания устройства в твердом (аморфном) состоянии и способного размягчаться при нагревании и затвердевать при охлаждении. Вкладыш 14 зафиксирован в корпусе за счет фиксатора 15 с возможностью разрушения этого фиксатора при срабатывании устройства и перемещения до упора в коллектор 8.
В устройстве, представленном на фиг. 2, во вкладыше 14 выполнены сквозные продольные и поперечные каналы 16 для прохождения текучей рабочей среды 9.
Устройство, представленное на фиг. 1, работает следующим образом.
При подаче команды на срабатывание от теплового импульса продуктов горения пиротехнических составов системы задействования (не показано) через патрубок 4 инициируется пиротехническая цепь (не показана) нагревателя 5 и включается внешний источник газа (не показан). По внешнему трубопроводу (не показан) через патрубок 2 газ попадает внутрь корпуса 1, где через каналы 11 и 12 доходит до стенок перегородки 6.
От нагревателя 5 интенсивно разогреваются стенки коллектора 8. За счет этого происходит нагрев, в первую очередь, части текучей рабочей среды 9, находящейся в каналах 10 коллектора 8 и вблизи его поверхностей.
В это же время под действием давления газа стенки эластичной перегородки 6 отходят от внутренней поверхности корпуса 1 и перегородка 6 начинает выворачиваться (конечное и промежуточные положения ее стенок не показаны). Практически, в самом начале выворачивания перегородки 6 под действием давления газа ее стенки и донышко упираются во вкладыш 14.
Под воздействием перемещающейся перегородки 6 на вкладыш 14 разрушается фиксатор 15 и вкладыш 14 начинает перемещаться до упора в коллектор 8, выдавливая при этом из полости корпуса 1 текучую рабочую среду 9, которая находится между вкладышем 14 и коллектором 8.
За счет перемещения перегородки 6 и вкладыша 14 объем полости, в которой текучая рабочая среда находилась до срабатывания, начинает уменьшаться, а давление в этой полости начинает расти. В процессе выворачивания перегородки 6 возрастающее давление текучей рабочей среды 9, поступающей через каналы 10, воздействует на герметизирующий элемент (мембрану) 13. При этом после достижения заданного уровня давления мембрана прорывается. Под действием давления газа подогретая текучая рабочая среда 9 через выходной патрубок 3, по мере выдавливания из внутренней полости корпуса 1 начинает по транспортным коммуникациям поступать к месту ее потребления (вид герметизирующего элемента 13 с разрушенной мембраной, транспортные коммуникации и место потребления текучей рабочей среды 9 не показаны).
В процессе протекания к потребителю подогретой текучей рабочей среды 9 происходит прогрев транспортных коммуникаций, которые остаются прогретыми в течение всего времени срабатывания устройства.
За счет продолжающейся работы нагревателя 5 происходит беспрерывный подогрев текучей рабочей среды 9, находящейся в каналах 10 коллектора 8 и вблизи его поверхностей.
В процессе дальнейшего выворачивания перегородки 6 находящаяся в полости корпуса 1 текучая рабочая среда 9, проходя через каналы 10 коллектора 8, продолжает подогреваться и по транспортным коммуникациям полностью выдавливается к потребителю.
После перемещения вкладыша 14 до упора в горячий коллектор 8 материал вкладыша размягчается и под действием прогибающейся перегородки 6 вслед за текучей рабочей средой заполняет сначала каналы 10 коллектора 8, затем свободные объемы герметизирующего элемента 13, выходного патрубка 3 и транспортных коммуникаций.
Устройство, представленное на фиг. 2, работает аналогичным образом.
Имеющееся отличие заключаются в том, что при выворачивании эластичной перегородки 6 сначала через каналы 16 происходит выдавливание из полости корпуса 1 части текучей рабочей среды, объем которой равен объему полости между донышком эластичной перегородки 6 и вкладышем 14. Затем донышко перегородки 6 упирается во вкладыш 14. После этого разрушается фиксатор 15 и вкладыш 14 начинает перемещаться до упора в коллектор 8, выдавливая при этом из полости корпуса 1 оставшуюся часть текучей рабочей среды 9, которая находится между вкладышем 14 и коллектором 8.
Следует отметить, что при срабатывании устройств, представленных на фиг. 1 и 2, за счет подогрева в местах расположения каналов 10 коллектора 8 обеспечивается уменьшение вязкости текучей рабочей среды 9. При этом возрастает скорость ее транспортирования. В результате существенно сокращается время работы устройства, что особенно важно, когда устройство срабатывает в условиях эксплуатации при отрицательной температуре.
При достижении окончательного выворачивания перегородки 6 транспортные коммуникации оказываются полностью заполненными размягченным материалом вкладыша 14, который после остывания затвердевает. Таким образом, возможность вытекания даже самых маловязких текучих рабочих сред при аварийном прорыве коммуникаций после срабатывания устройства полностью устраняется.
В процессе отработки конструкции данного устройства для изготовления перегородки 6 была использована резиновая смесь. Корпус 1 с патрубками 2 и 3 изготавливались из титановых сплавов, патрубок 4, корпус нагревателя 5 и коллектор 8 - из стали, вкладыш 14 - из парафина. Для изготовления вкладыша 14 также могут использоваться термопласты на основе, например, полиэтилена и др.
В случае выполнения устройства согласно предлагаемому изобретению обеспечивается:
- расширение эксплуатационных возможностей устройства за счет использования в качестве текучей рабочей среды как вязких, так и маловязких жидкостей;
- уменьшение времени срабатывания устройства при эксплуатации в условиях отрицательной температуры без увеличения давления газа;
- повышение надежности работы устройства за счет исключения зависимости технических характеристик потребителя после срабатывания, прежде всего КПД по использованию текучей рабочей среды, от состояния коммуникаций, по которым текучая рабочая среда транспортируется.