ПАРАМЕТРИЧЕСКИЙ РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬ ЖИДКОЙ И ГАЗОВОЙ СРЕДЫ
PARAMETRIC LIQUID AND GAS MEDIUM DISTRIBUTOR

Изобретение относится к устройствам для распределения или разделения жидких и газообразных сред по одному или нескольким параметрам в одном распределительном устройстве, а также разделения жидкой и газообразной и разделения среды в зависимости от ее фазового состояния. Основное назначение параметрического распределителя - это возможность применения для разделения и распределения, а также перераспределения жидких и газовых сред. Может применяться также для медленнотекущих ламинарных потоков, что дает возможность использовать распределитель в жидкостных отстойниках для забора или подачи конкретной жидкостной фазы в конкретный уровень или перераспределения без смешивания фаз, а также в теплотехнике, в отопительных и климатических системах: воздуховодах вентиляционных систем с естественной или принудительной тягой, в жидкостных отопительных системах, в частности в водяных теплоаккумуляторах, а также для: пищевой, химической, добывающей и других отраслей промышленности. Аналогом является распределитель для воды, представленный в заявке Российской Федерации №2013138983, 20.08.2013, на изобретение «Гелиоэнергетическое сооружение с функцией водообмена». Прототипом является распределитель, представленный в заявке Российской Федерации №2013138995, 20.08.2013, на изобретение «Устройство для микроклимата», предназначенный для распределения воды или воздуха в зависимости от температуры для климатических систем; то есть распределитель, представленный в аналоге и прототипе, предназначен для узкого применения в климатических системах с очень малым давлением и предусматривает распределение воды или воздуха только по одному их параметру - температуре. В прототипе не решена задача универсальной конструкции распределителя, предназначенного для распределения жидкой и газообразной среды или их разделения. Изобретение решает задачи распределения или разделения жидких и газообразных сред по нескольким параметрам в одном распределителе. Решение этих задач одним относительно простым устройством отсутствует.
В предлагаемом изобретении этот вопрос решен предложением конструкции распределителя для жидкой и газообразной среды, что позволяет выполнить варианты, способные работать с обеими фазами сред и осуществлять разделение жидкой и газообразной сред или среды в зависимости от ее фазового состояния.
Цель изобретения - расширение функциональных возможностей и областей применения параметрического распределителя, предназначенного для жидкой и газообразной среды, повышение его надежности и эффективности.
Сущность изобретения
Корпус параметрического распределителя жидкой и газообразной среды состоит из полой фигуры с внутренней полостью, представляющей собой фигуру вращения. Это может быть одна из следующих фигур вращения: цилиндр, конус, шар, эллипсоид; а также часть одной из этих фигур, образуемая отсечением ее плоскостью, перпендикулярной оси вращения; или фигура вращения сложной формы, состоящая из сочетания в одной фигуре по меньшей мере двух вышеназванных фигур или их частей. Внутри корпуса соосно центральной оси вращения и друг другу размещены полые фигуры вращения - оболочки с возможностью поворота, обеспечиваемой конструкцией опор, связанных с оболочками валами и (или) осями, соосными центральной оси вращения, по меньшей мере одной из оболочек относительно других и (или) корпуса распределителя. Материал и толщина стенок оболочек и корпуса зависят от варианта конструктивного исполнения, связанного с назначением распределителя и оболочек. На границе между подвижной оболочкой и корпусом и (или) другой подвижной оболочкой располагаются неподвижные оболочки, плотно скрепленные с прилегающими к ним поверхностями подвижных оболочек и корпуса распределителя, они выполняют функцию коррекции формы граничных поверхностей между подвижными оболочками и (или) подвижной оболочкой и корпусом распределителя, обеспечивающую уплотнение граничного зазора. Для уплотнения зазора предложена коническая форма граничной поверхности, которая обеспечивается за счет коррекции ее соответствующей формой неподвижных оболочек, скрепленных с соседними граничными сопрягаемыми поверхностями подвижных оболочек или поверхностью подвижной оболочки и корпуса распределителя. Стенки оболочек и корпуса распределителя имеют сквозные окна, в области расположения которых граничная поверхность каждой оболочки подобна по форме соседней и внутренней полости корпуса распределителя.
Окна распределителя представляет собой одну из следующих форм: круглую, квадратную, прямоугольную, треугольную или сложную форму, представляющую собой сочетание и сопряжение в ней по меньшей мере двух этих форм. Переключение распределителя связано с возможностью совмещения, определяемого(мых) управляющим распределителем параметром, окна(он) во всех оболочках и корпусе распределителя посредством поворота по меньшей мере одной из оболочек вокруг центральной оси вращения относительно других и (или) корпуса воздействием крутящего момента от поворотного средства на подвижную оболочку. Под действием привода поступательного перемещения по меньшей мере одна подвижная оболочка распределителя имеет возможность в период переключения в пределах, определяемых ее формой, продольными осевыми размерами и конструкцией опор, продольного относительно центральной оси поступательного перемещения по отношению к другим оболочкам и (или) корпусу распределителя. По меньшей мере одна из граничных поверхностей подвижной оболочки, выполненной с возможностью поступательного перемещения, по меньшей мере в области расположения окон имеет коническую форму, то есть соответствует фигуре усеченного конуса. Управляющий распределением параметр формируется электронным устройством с числом каналов, соответствующим числу подвижных оболочек. Электронное устройство может управляться программируемым процессором на основании сигналов от датчиков физических и (или) химических параметров распределяемой среды и (или) фактора времени. Характер распределения среды позиционный и по направлению. Все оболочки имеют по меньшей мере одно окно, совмещенное с заборно-подающей трубой. Кроме варианта, в котором заборно-подающая труба соединена с отверстием или окном в корпусе распределителя с возможностью совмещения при переключении распределителя с соответствующими отверстиями или окнами в подвижных оболочках, предназначенными для соединения заборно-подающей трубы с внутренней областью распределителя, предложен вариант, в котором заборно-подающая труба на период переключения распределителя, закрывается заглушкой, связанной с приводной осью или приводным валом через опору вращения или шарнирно. Это решение актуально для варианта, в котором заборно-подающая труба заведена в распределитель соосно центральной оси вращения, как и приводной(ые) вал(ы), но с противоположной стороны, при этом соосно с ней на подвижной оболочке, выполненной с возможностью поступательного перемещения, закреплена заглушка заборно-подающей трубы, она связана с оболочкой шарнирно или через опору вращения крепежом ажурной конструктивной формы: сетчатым, решетчатым или состоящим из отдельных элементов, например спиц, с формой сечения: прямоугольной, овальной или круглой.
Осуществление изобретения
Для осуществления конструктивных вариантов распределителя с разными характеристиками, обеспечивающими его применение в разных областях техники, определены соотношения размеров окон и их расположение, характеризующие динамику переключения распределителя: динамика переключения распределения зависит от соотношения, определяемого взаимным расположением совмещаемых окон и их шириной, то есть их поперечными по отношению к центральной оси вращения размерами, это соотношение является параметром дискретности динамики переключения распределения и определяет минимальный угол переключения распределителя - угол относительно оси вращения, на который должна быть повернута подвижная оболочка относительно ближайшего полного предыдущего совмещенного состояния окна(он) в подвижной оболочке и корпусе распределителя до ближайшего полного последующего совмещенного состояния окна(он) в подвижной оболочке и корпусе распределителя. Для соблюдения дискретности переключения минимальный угол переключения равен по меньшей мере удвоенной ширине окна, выраженной дуговых градусах, отсчитываемых по дуге граничной окружности минимального радиуса, образуемой пересечением граничной поверхности подвижной оболочки с плоскостью поперечного сечения распределителя, проходящей через максимально широкую часть окна, для соблюдения непрерывности переключения его значение меньше двух, но больше одной максимальной ширины окна. Максимальная ширина самого окна по меньшей мере в полтора раза меньше диаметра внутренней полости распределителя.
Эти характеристики дают возможность изготовить варианты распределителей с повышенной плавностью переключения, исключающей смешивание фаз распределяемой среды. Подвижные оболочки связаны с корпусом распределителя и другими оболочками через соосно расположенные на центральной оси опоры. Переключение распределителя осуществляется в период действия на подвижную оболочку с конической граничной поверхностью привода продольного перемещения в направлении большего из оснований усеченного конуса граничной поверхности воздействием крутящего момента от поворотного средства под действием управляющего распределением параметра на приводной вал, соосный центральной оси вращения, на котором подвижная оболочка закреплена. Валы, связанные с наружными подвижными оболочками, полые, каждый вал, связанный с внутренней подвижной оболочкой, соосно расположен внутри полого вала, связанного с наружной подвижной оболочкой, и превосходит его по длине на величину: продольного перемещения, захвата для подключения привода продольного перемещения и посадочного места под деталь, передающую на вал крутящий момент. При этом подвижная оболочка с граничной поверхностью формы усеченного конуса закреплена на расположенном соосно оси вращения приводном валу, который заведен внутрь через поворотно-скользящую опору, подпружинивающую посредством возвратной винтовой пружины подвижную оболочку в направлении вдоль центральной оси вращения. Вариант с телескопическим соединением валов, в котором полый приводной вал объединен с осью противолежащей ему опоры внутренней подвижной оболочки распределителя одним расположенным по центральной оси вращения валом, целым или состоящим из частей, соединенных между собой, и осью противолежащей опоры телескопически, с возможностью продольного перемещения подвижной оболочки под действием на нее привода продольного перемещения. При этом подвижная оболочка закреплена на полом приводном валу консольно, и (или) этот вал, связанный с поворотным средством, скреплен с внутренней подвижной оболочкой крепежом ажурной конструктивной формы: сетчатым, решетчатым или состоящим из отдельных элементов, например спиц, с формой сечения: прямоугольной, овальной или круглой.
Предложен вариант, в котором приводной вал подвижной оболочки заведен в распределитель через поворотно-скользящую опору со стороны вершины или меньшего из оснований усеченного конуса внутренней граничной поверхности распределителя с возможностью в период переключения распределителя, кроме поворотного, осевого перемещения подвижной оболочки внутри корпуса. Приводной вал расположен по оси вращения внутри подвижной оболочки, на конце его через опору вращения закреплена заглушка, предназначенная для закрытия заборно-подающей трубы, заведенной соосно центральной оси со стороны большего из оснований усеченного конуса, между заглушкой и заборно-подающей трубой, соосно с ней, расположена работающая на сжатие возвратная винтовая пружина, подпружинивающая подвижную оболочку и отжимающая заглушку от заборно-подающей трубы. А также два следующих конструктивно близких варианта.
Приводной вал подвижной оболочки заведен в распределитель с внутренней граничной поверхностью конической формы через поворотно-скользящую опору, со стороны вершины конической полости или со стороны меньшего основания внутренней полости, состоящей из цилиндра, сопряженного с меньшим основанием усеченного конуса. В области полости распределителя, прилегающей к вершине конуса, или в цилиндрической части полости корпуса между подвижной оболочкой и корпусом соосно центральной оси установлена работающая на растяжение возвратная винтовая пружина, подпружинивающая подвижную оболочку в направлении вдоль центральной оси вращения. Приводной вал подвижной оболочки заведен в распределитель через поворотно-скользящую опору со стороны цилиндра, сопряженного с меньшим основанием усеченного конуса, или меньшего из основания усеченного конуса внутренней граничной поверхности распределителя. Возвратная винтовая пружина, работающая на растяжение, связана с расположенным внутри ее валом через опору вращения или фиксаторами осевого перемещения, она установлена соосно центральной оси в цилиндрической части корпуса, прилегающей к вершине конуса между подвижной оболочкой и корпусом. Предложен вариант жесткого скрепления заборно-подающей трубы с внутренней областью распределителя, в нем заборно-подающая труба расположена соосно внутри полых приводных валов. Она герметично соединена с внутренней оболочкой, а на полых приводных валах закреплены средняя и наружная оболочки или корпус с возможностью, определяемой конструкцией опор, продольного поступательного перемещения и (или) поворота вокруг оси вращения относительно внутренней оболочки и заборно-подающей трубы. Вариантом его конкретного практического осуществления может быть распределитель, в котором внутренняя оболочка цилиндрической формы выполнена из трубы, жестко и герметично соединена с заборно-подающей трубой, расположенной вертикально и соосно с внутренней оболочкой, подвижная наружная оболочка или (и) подвижный цилиндрический корпус также изготовлены из труб, они расположены снаружи внутренних оболочек соосно оси вращения и закреплены на заборно-подающей трубе через подшипники.
Другой вариант сообщения заборно-подающей трубы с внутренней областью распределителя, в котором фигуры вращения представляют собой внутренние подвижные оболочки, имеют по меньшей мере с одной из сторон кольцевые окна. Они образованы отсечением частей фигур вращения плоскостями, перпендикулярными оси вращения, к такому окну, расположенному вокруг наружного приводного вала, подведена заборно-подающая труба; при этом подвижные оболочки связаны с приводными валами и осями противолежащих опор вращения крепежом ажурной конструктивной формы: сетчатым, решетчатым или состоящим из отдельных элементов, например спиц.
Предложен конкретный вариант - формирующий управляющий распределителем параметр, таким управляющим распределением температурным параметром и поворотным средством, формирующим механический момент, является спиральная биметаллическая пластина, расположение которой обеспечивает ей тепловой контакт с распределяемой средой. Внутренний неподвижный конец пластины закреплен на заборно-подающей трубе, расположенной соосно центральной оси вращения, а внешний конец биметаллической пластины закреплен на подвижной оболочке. Рассмотрены конкретные варианты привода, так приводом прямого поступательного перемещения подвижной оболочки и заглушки, перекрывающей заборно-подающую трубу, может служить устройство на электромагнитном принципе функционирования, а приводом возвратного перемещения - возвратная винтовая пружина или то же электромагнитное устройство. Для других вариантов, если распределитель расположен вертикально соосно центральной оси вращения, то приводом прямого поступательного перемещения может служить устройство на электромагнитном принципе функционирования, а возвратного - сила тяжести. Предложены неподвижные оболочки, корректирующие граничные поверхности. Они плотно скреплены с поверхностями соседних и поверхностью корпуса, состоят из комбинированного материала, одна из сторон которого пружинистая и (или) эластичная прочно скреплена с поверхностью корпуса или соседней подвижной оболочки, несущей прочностную и жесткостную функции, в единую оболочку сложной структуры, состоящую из слоистого материала, причем гладкая, обеспечивающая скольжение поверхность другой наружной стороны обращена в сторону границы между оболочками или оболочкой и корпусом. Внутренняя часть оболочек сложной структуры выполнена из металла с сетчато-пружинистой поверхностью, который служит упругой арматурой для наружной части неподвижной оболочки, состоящей из полимерного материала, наплавленного на металлическую сетчато-пружинистую поверхность.
Рассмотрены варианты для конкретного применения.
Это распределитель, который предназначен для фазового разделения подаваемой в него среды, состоящей из смеси жидкой и газообразной фаз.
Распределитель, как и его центральная ось вращения, расположен вертикально, заборно-подающая труба заводится внутрь емкости гравитационного разделителя жидкой и газовой сред сверху, но выходное отверстие ее расположено ниже верхних окон, предназначенных для газовой составляющей среды, а окна для жидкой составляющей среды расположены в нижней области разделителя. А также распределитель для климатических систем. Он предназначен для жидкой среды, в частности для распределения воды по температурному параметру, как и его центральная ось вращения, распределитель расположен вертикально внутри водонаполненного теплоаккумулятора, поделенного горизонтальными теплоизолирующими экранами на сообщающиеся изотемпературные зоны. Распределитель установлен в теплоаккумуляторе через соответствующие его наружному диаметру отверстия в теплоизолирующих экранах, при этом он имеет такую высоту по отношении к глубине теплоаккумулятора, что проходит через все изотемпературные зоны и окна распределителя, соответствующие определенным температурным значениям распределяемой воды, расположены в соответствующих им по температуре уровнях и изотемпературных зонах теплоаккумулятора.
Принцип работы параметрического распределителя показан на примере Фиг. 4, под воздействием привода продольного перемещения подвижная оболочка 8 перемещается вверх, при этом растягивается возвратная пружина 11, заглушка 12 перекрывает заборно-подающую трубу 1, ослабляется уплотнение зазора неподвижными оболочками 10, что обеспечивает экономичный поворот подвижных оболочек поворотным средством, под действием управляющего распределением параметра, формируемого для каждой подвижной оболочки на основе сигнала соответствующего датчика, на угол переключения 13, по окончании которого прекращается воздействие привода продольного перемещения, и возвратная пружина 11 возвращает распределитель в исходное состояние.
Устройство и принцип работы распределителя для жидкой и газообразной среды также поясняют Фиг. 1-6. На них обозначены: заборно-подающая труба 1, корпус 2, внутренняя подвижная оболочка 3, опора вращения, соосная центральной оси вращения, 4, приводной вал внутренней подвижной оболочки 5, отверстия или окна 6, крепеж ажурной конструктивной формы 7, наружная подвижная оболочка 8, полый приводной вал наружный подвижной оболочки 9, неподвижные оболочки, корректирующие форму граничных поверхностей, 10, возвратная пружина 11, заглушка заборно-подающей трубы 12, угол переключения 13.
Вариант распределителя на Фиг. 1 - это вариант распределителя с двумя подвижными оболочками. Коррекцией формы граничных поверхностей между корпусом и подвижной оболочкой неподвижными оболочками 10 внутренняя подвижная оболочка 3 закреплена на приводном валу 5 крепежом ажурной конструктивной формы из прямоугольных в сечении спиц 7; под фронтальной проекцией представлен разрез, а под профильной - сечение плоскостями по осям отверстий, соединяемых с заборно-подающей трубой.
На Фиг. 2 представлен вариант с двумя подвижными оболочками без коррекции формы граничных поверхностей, под фронтальной проекцией представлен разрез, а под профильной - сечение по осям отверстий, соединяемых с заборно-подающей трубой.
Принцип работы распределителей ясен из поперечного разреза, проходящего через центры отверстий или окон и представленного на виде сверху, и сечения поперечной плоскостью по осям отверстий, соединяемых с заборно-подающей трубой, представленного под видом сбоку.
На Фиг. 3 представлен один из вариантов распределителя, рекомендуемого для жидкостей с одной подвижной оболочкой, а на Фиг. 4 представлен вариант с двумя подвижными оболочкам и неподвижными оболочками, корректирующими форму граничных поверхностей 10, возвратной пружиной 11, заглушкой заборно-подающей трубы 12, на нем обозначен угол переключения 13.
Принцип работы распределителей на Фиг. 3 и Фиг. 4 ясен из сечений поперечными плоскостями, проходящими через центры отверстий или окон, представленными под фронтальным видом и видом распределителя сбоку.
На Фиг. 5 представлен вариант с внутренней оболочкой герметично и жестко соединенной с заборно-подающей трубой и подвижной наружной оболочкой или корпусом распределителя. Он рекомендуется для установки внутри теплоаккумулятора.
На Фиг. 6 представлен вариант без возвратной пружины, в котором приводом возвратного поступательного перемещения подвижной оболочки служит устройство на электромагнитном принципе функционирования или сила тяжести.