ДВУПОЛОСТНОЙ СОСУД ДАВЛЕНИЯ С ИЗМЕНЯЮЩИМСЯ ОБЪЕМОМ ПОЛОСТЕЙ
DOUBLE-CAVITY PRESSURE VESSEL WITH VARYING VOLUME OF CAVITIES

Изобретение предназначено для использования преимущественно: при транспорте и хранении газов и жидкостей в качестве контейнера; в гидравлических системах в качестве аккумулятора давления. Изобретение может быть использовано также в качестве силового устройства, например, амортизатора.
Известно решение, применяющееся при транспорте и хранении газов и жидкостей, в котором используется двуполостной сосуд как контейнер для жидкости, способный опорожняться за счет выдавливания жидкости воздухом (Патент США 3209785 с приоритетом от 05.10.65 "Pressure vessel" - Сосуд давления). В этом случае двуполостной сосуд состоит из жесткого герметичного и прочного корпуса цилиндрической формы, внутренняя полость которого разделена на две части - центральную и периферийную - мягкой газонепроницаемой цилиндрической оболочкой, имеющей по краям кольцевые утолщения, которые защемляются между корпусом и вставленными в полюсные отверстия корпуса фланцами, которые, в свою очередь, надеты на трубу, расположенную по оси цилиндра, и распираются пружиной. Благодаря эластичности разделительной оболочки объемы полостей могут изменяться один относительно другого. Для возможности сборки одно из полюсных отверстий выполняется большим, чем другое, и через него оболочка с элементами конструкции, обеспечивающими герметичность, вставляется внутрь сосуда. Для герметизации большого отверстия применяется дополнительный фланец, в котором образованы каналы, позволяющие раздельно соединять центральную и периферийную части с трубопроводами для подачи/отвода жидкости и газа. В описываемом решении воздух подается в периферийную часть, выдавливая жидкость из центральной.
Известно решение (Патент США 3744527 с приоритетом от 10.07.73 "Pulse damper unit for hydraulic system" - Гаситель пульсаций давления в гидросистемах), при котором двуполостной сосуд используется как аккумулятор давления в гидросистемах. Сосуд в этом случае выполнен аналогично предыдущему. Внутренняя полость жесткого прочного герметичного сосуда разделена соосной с ним мягкой газонепроницаемой оболочкой на центральную и периферийную части. Края оболочки герметично защемлены между фланцами, надетыми на расположенную вдоль оси цилиндра трубу, и оболочка вместе с трубой и фланцами вставлена внутрь сосуда через полюсные отверстия большего диаметра, чем фланцы. На концы трубы навернуты промежуточные детали, позволяющие герметизировать полюсные отверстия в жестком корпусе. Центральная полость соединяется с гидросистемой каналами, проходящими через трубу, а периферийная часть соединятся с воздушной системой через штуцер, врезанный в боковую поверхность сосуда.
При реализации обоих решений возникают трудности, связанные с необходимостью поместить внутри жесткого прочного и герметичного корпуса мягкую разделительную оболочку, обеспечив при этом герметичность соединения оболочки с корпусом. Кроме того, соприкосновение оболочки с двумя различными средами - газом в одной полости и жидкостью в другой - налагает на материал оболочки повышенные, в ряде случаев трудновыполнимые, требования нейтральности по отношению к обеим средам.
Общим недостатком обеих решений является необходимость применения для оболочек растягивающихся эластичных материалов, так как площадь поверхности, ограничивающей внутренний объем оболочки, увеличивается с увеличением этого объема.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению решением является пневмогидравлический аккумулятор по заявке на изобретение 2000111058/06 от 2002.04.20, опубликованной за номером 2000111058 20 апреля 2002 г. В этом случае мягкая разделительная оболочка выполняется в виде мешка, образованного соединением по периметру двух плоских элементов, представляющих развертки полусфер. Оболочка вставляется внутрь жесткого прочного и герметичного сосуда через отверстие, закрытое фланцем, и разделяет внутреннюю полость сосуда на две части: внутреннюю и наружную по отношению к оболочке. Внутренняя полость оболочки соединяется с подводящим/отводящим трубопроводом посредством штуцера, проходящего через фланец и герметично связанного с оболочкой с помощью пяты, вставленной в отверстие, выполненное в плоской части оболочки, и прижимающей края отверстия к фланцу. Несжимаемая жидкость из гидросистемы поступает через штуцер внутрь оболочки, которая, расправляясь из плоского состояния, сжимает газ (воздух), находящийся во внешней по отношению к оболочке части сосуда. Сжатый газ образует упругую подушку, сглаживающую пульсации давления. Это конструктивное решение может применяться при использовании сосуда в качестве контейнера для газообразных и жидких продуктов. В этом решении может быть исключено растяжение оболочки мешка, так как его внутренний объем может увеличиваться за счет "раздувания" сложенной изначально оболочки.
Однако и в этом случае сохраняется необходимость в применении жесткого прочного разбирающегося и одновременно герметичного корпуса сосуда, что требует усложненных конструктивных решений и, как правило, удорожает сосуд. Сохраняются также повышенные требования к материалу оболочки мешка, работающему в соприкосновении с двумя различными средами.
Предлагаемое изобретение решает обе задачи: исключает требование герметичности жесткого прочного корпуса и устраняет соприкосновение одной оболочки с обеими средами, наполняющими сосуд.
Сущность решения состоит в том, что двуполостной сосуд с изменяемым объемом полостей состоит из жесткого прочного корпуса, способного без разрушения и деформаций выдерживать требуемое внутреннее давление и помещенных внутри него один подле другого двух не связанных друг с другом мешков, изготовленных из мягких материалов, непроницаемых для заполняющих мешки веществ. Каждый из мешков снабжается, по крайней мере, одним штуцером, герметически соединенным с мешком, и свободно, без уплотнений, проходящим из сосуда наружу через отверстия в стенках жесткого прочного корпуса. Герметичность заделки штуцеров в оболочку мешка достигается любым известным способом, например зажимом краев отверстия в оболочке между пятой штуцера и стенкой корпуса (упомянутая заявка на изобретение 2000111058/06 от 2002.04.20). Размеры и форма оболочки каждого мешка выбраны таким, чтобы в случае его заполнения средой под избыточным давлением мешок мог бы распространиться на всю свободную внутреннюю полость жесткого прочного корпуса без возникновения в каких-либо местах оболочки растягивающих напряжений, превышающих допустимые для материала мешка. При этом сам жесткий прочный корпус выполняется заведомо газопроницаемым, что достигается любым известным методом, например созданием гарантированных зазоров в местах состыковки составных частей корпуса.
Внутренняя полость каждого мешка предназначается для определенного рабочего тела, например один мешок наполняется воздухом, а другой - жидкостью, работающей в гидросистеме.
Таким образом, внутри жесткого прочного корпуса образуются две изолированные друг от друга полости, отделенные друг от друга мягкой, не допускающей перепада давлений перегородкой, что обеспечивает пригодность устройства для выполнения функций и аккумулятора давления в гидросистемах, и контейнера для транспортирования и хранения газов и жидкостей. При этом герметичность каждой полости обеспечивается оболочкой образующего ее мешка, а жесткий прочный корпус должен быть негерметичным для исключения образования воздушных пузырей между мешком и стенкой корпуса. Это упрощает конструкцию разборного корпуса. С другой стороны, оболочка мешка соприкасается только с тем рабочим телом, для которого этот мешок предназначен, что исключает необходимость выбора для оболочки мешка материала, стойкого к разным рабочим телам.
Оболочка, по крайней мере, одного из мешков может быть снабжена ребрами из эластичного материала, которые, благодаря повышенному сопротивлению деформациям, выравнивают их по всем частям сосуда.
Так как оболочки мешков не несут нагрузок, мешки для облегчения их изготовления могут выполняться в виде рукава из мягкого материала с вклеенными в него донышками из того же или другого мягкого материала, герметично склеивающегося с материалом рукава.
В отдельных случаях применения двуполостного сосуда давления с изменяющимся объемом полостей требуется обеспечить неполное опорожнение какого-либо из мешков или обоих из них. В этом случае для ограничения сжатия мешка внутри него может быть установлен пустотелый элемент с перфорированными стенками. При этом связь канала штуцера с полостью мешка осуществляется через этот элемент путем соединения его внутренней полости со штуцером, изолированным от полости мешка каналом. Располагаясь внутри мешка, полый элемент препятствует возможному слипанию противоположных стенок мешка при его опорожнении.
В случаях, когда форма жесткого корпуса и режим работы сосуда способствуют повышенному трению наружных поверхностей мешков друг о друга и/или о стенки жесткого прочного корпуса, внешняя поверхность, по крайней мере, одного мешка может быть частично или полностью покрыта оболочкой из антифрикционного материала, например фторопласта.
Чертежи, поясняющие сущность изобретения.
На фиг.1 показан продольный разрез двуполостного сосуда с изменяемым объемом полостей.
На фиг.2 показан поперечный разрез двуполостного сосуда с изменяемым объемом полостей в сечении, заполненном преимущественно мешком, предназначенным для газа.
На фиг.3 показан поперечный разрез двуполостного сосуда с изменяемым объемом полостей в сечении, заполненном преимущественно мешком, предназначенным для жидкости.
Пример осуществления изобретения показан на фиг.1. Жесткий прочный корпус состоит из цилиндрической обечайки 1, на которую с обоих торцов навернуты днища 2 и 3. Внутри корпуса помещены два мешка 4 и 5. В мешок 4 вставлен штуцер 6, а в мешок 5 вставлены штуцера 7 и 8. Штуцера 6 и 7 герметично заделаны в мешки посредством защемления горловины каждого мешка между конусным хвостовиком штуцера и навернутой на штуцер специальной гайкой. Внешняя часть штуцеров с гайкой свободно вставлена в сквозные отверстия, выполненные в днище 3. Герметизация штуцера 8 в мешке 5 обеспечена зажимом краев отверстия в мешке между пятой штуцера и днищем 2 с помощью навернутой на штуцер прижимной гайки.
Оболочки обоих мешков имеют размер в направлении оси цилиндра обечайки, равный или несколько превышающий при развернутом в длину мешке расстояние между днищами 2 и 3 жесткого прочного корпуса. Периметр поперечного сечения оболочки каждого мешка равен или несколько превышает периметр поперечного сечения внутренней полости жесткого прочного корпуса. Таким образом, каждый из мешков может расправиться под действием давления находящегося в нем жидкого или газообразного вещества, заняв весь свободный внутренний объем жесткого прочного корпуса. Это видно на поперечных разрезах (фиг.2. и 3). Разрез, показанный на фиг.2, выполнен в плоскости, где площадь сечения преимущественно занята мешком 4. Мешок 5 в этой плоскости сложен и прижат к обечайке 1 жесткого прочного корпуса. Разрез, показанный на фиг.3, выполнен в плоскости, где площадь сечения преимущественно занята мешком 5. Мешок 4 в этой плоскости сложен и прижат к обечайке 1 жесткого прочного корпуса.
В резьбовом соединении днища 2 с обечайкой 1 (фиг.1) предусмотрен зазор 9 и шлиц 10, которые обеспечивают газопроницаемость жесткого прочного корпуса. Кроме того, резьбовые соединения ничем не герметизируются, а посадка штуцеров 6 и 7 в отверстиях днища 3 выполняется с гарантированным зазором. Это улучшает газопроницаемость жесткого прочного корпуса.
Оболочка мешка 5 снабжена ребрами из эластичного материала (фиг.1-3, поз.11).
Для упрощения технологии изготовления мешок 5 выполнен в виде рукава 12, изготовленного из мягкого эластичного материала, с вклеенным в него донышком 13. Мешок 4 также имеет вклеенное донышко 14 с встроенным в него штуцером 6.
Внутри мешка 4 помещен полый элемент 15, выполненный в виде сплющенной с одного конца трубы с перфорированными стенками. Не сплющенный конец трубы имеет конус, плотно вставленный в хвостовик штуцера 6. Внутренняя часть конуса образует канал, соединяющий штуцер с внутренней частью полого элемента. Причем стенки канала не имеют перфорации.
Оболочка мешка 4 снаружи имеет дополнительную оболочку 16, выполненную из антифрикционного материала.
Описанное устройство может успешно функционировать по обоим основным назначениям: в качестве аккумулятора давления и самоопорожняющегося контейнера для жидкостей и газов.
При использовании двуполостного сосуда давления с изменяющимся объемом полостей в качестве аккумулятора давления в гидросистемах один из мешков, например мешок 5, через штуцера 7 и 8 присоединяют к линии гидросистемы, где необходимо поддерживать постоянное давление, сглаживая пульсации расхода жидкости. Штуцер 6 мешка 4 либо закрывают заглушкой, либо присоединяют к источнику газа (сжатого воздуха) постоянного давления. В случае применения заглушки необходимо заранее, до присоединения штуцера 7 к гидросистеме, заполнить мешок 4 воздухом так, чтобы он расправился на весь свободный объем полости жесткого прочного корпуса. После этого можно навернуть заглушку и присоединиться к гидросистеме. Жидкость, находящаяся в гидросистеме при давлении, превышающем атмосферное, начнет перетекать в мешок 5, заставляя его расправляться и сжимать находящийся в мешке 4 воздух. Перетекание будет происходить до тех пор, пока мешок 4 сожмется до уровня, при котором давление находящегося в нем воздуха станет равным давлению жидкости в гидросистеме. В этом состоянии воздушная подушка, образовавшаяся в мешке 4, будет демпфировать колебания давления, вызванные колебаниями расхода жидкости в гидросистеме, для чего в гидросистемах и предназначен аккумулятор давления.
В случае применения двуполостного сосуда давления с изменяющимся объемом полостей в качестве контейнера, например, для транспортировки газа один из мешков, например мешок 4, с помощью штуцера 6, на котором устанавливают запорную арматуру, соединяют с источником газа избыточного давления. Открыв запорную арматуру, наполняют мешок 4 газом до давления источника, после чего арматуру закрывают. Под действием давления газа мешок 4 расправляется, занимает весь свободный объем полости жесткого прочного корпуса и прижимает порожний мешок 5 к стенке. При этом между мешком 4 и жестким прочным корпусом не могут образовываться пустоты, так как имеющийся в этом объеме воздух свободно выходит через канал, образованный зазором 9 и шлицем 10 (фиг.1), а также через другие неплотности жесткого прочного корпуса.
В таком состоянии сосуд отсоединяют от источника газа и используют для транспортировки или хранения газа. Для опорожнения контейнера от газа без снижения давления штуцер 7 и/или штуцер 8 мешка 5 присоединяют к гидросистеме, способной нагнетать жидкость под требуемым давлением. После этого штуцер 6 через запорное устройство присоединяют к потребителю. При открытом запорном устройстве и включенной гидросистеме жидкость из нее через штуцер 7 начинает заполнять мешок 5, выжимая газ из мешка 4. Давление, под которым газ выходит из мешка 4 к потребителю, всегда равно давлению в гидросистеме, вплоть до полного опорожнения мешка 4. В состоянии полного опорожнения мешок 4 оказывается сложенным и прижатым к обечайке 1, как показано на фиг.3.
С целью повторного применения контейнера в системах, где предусмотрен свободный слив жидкости, штуцер 8 подключают к баку для слива жидкости, который располагается ниже опорожняемого контейнера, а штуцер 7 соединяют с пространством в верхней части этого бака. В этом случае жидкость переливается самостоятельно под действием гравитации. При этом благодаря перепаду давления, создаваемому разностью уровней жидкости в контейнере и баке, мешок 4 полностью расправляется, а мешок 5 складывается и прижимается к стенке жесткого прочного корпуса.
Ребра 11, которыми снабжена оболочка мешка 5, образуют упругий скелет, который оказывает некоторое противодействие изменению формы мешка, что содействует упорядочиванию деформаций мешка при изменении его объема. При этом эффекты случайных локальных отклонений свойств оболочки от средних значений, приводящие к неравномерной деформации, оказываются малы по сравнению с усилием от ребер, что и содействует равномерности деформаций.
Установленный в полости мешка 4 полый элемент 15 препятствует слипанию стенок мешка 4 при его опорожнении.
В случае применения двуполостного сосуда давления с изменяющимся объемом полостей в качестве контейнера в системе, где слив жидкости производится под давлением, установленный в мешке 4 полый элемент 15 позволяет оставлять в мешке необходимое по условиям применения количество газа, достаточное для вытеснения жидкости в сливной бак. При опорожнении полости мешка 4 за счет нагнетания жидкости в полость мешка 5 оболочка мешка 4 складывается и по мере расходования из нее газа прижимается к поверхности полого элемента 15. При этом давление газа внутри и снаружи полого элемента, а также давление жидкости в мешке 5 до момента, когда оболочка мешка 4 полностью закроет перфорацию полого элемента 15, остаются одинаковыми, поскольку газовые объемы связаны отверстиями перфорированной стенки полого элемента, а жидкость отделена от газа мягкой оболочкой, не воспринимающей перепад давлений. С момента, когда перфорация оказывается полностью закрытой сложившейся оболочкой мешка 4, давление газа внутри полого элемента перестает зависеть от давления жидкости, и оставшийся в ней газ более не вытесняется. Количество остаточного газа зависит от внутреннего объема полого элемента, что позволяет обеспечить требования, связанные с конкретным применением изобретения. После перекрытия выхода из штуцера 6 и соединения штуцера 7 и/или штуцера 8 со сливным баком для жидкости оставшийся внутри полого элемента газ, находящийся под давлением, начинает расширяться, расправляя мешок 4 и выдавливая тем самым жидкость из мешка 5. Соответствующим выбором внутреннего объема полого элемента 15 можно создать запас остаточного газа, достаточный для выдавливания всей жидкости из мешка 5.
Антифрикционная оболочка 16, облегающая мешок 4, защищает оболочки мешков 4 и 5 от вредного воздействия трения одной о другую при относительном изменении объемов мешков.