УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОДАЧИ ТЕКУЧЕЙ СРЕДЫ

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОДАЧИ ТЕКУЧЕЙ СРЕДЫ
Полезная модель относится к области механики, а именно к нагнетанию текучей среды путем непосредственного контакта и может быть использована в автономных устройствах для подачи высоковязких сред, например, уплотнительных паст в уплотнения и узлы арматуры газо-, нефте- и водопроводов с целью устранения утечек.
Общеизвестны и широко применяются устройства для подачи текучей среды, содержащие текучую среду и топливный заряд с узлом запуска, размещенные в полостях корпуса через подвижный разделительный элемент. В частности, известно применение таких устройств в авиационноракетной технике для аварийных систем, для вытеснения из баков окислителя и горючего в жидкостные ракетные двигатели 1. Системы характеризуются высокими техническими показателями при давлениях вытеснения жидкостей до 100 МПа и более, однако их применение ограничивается маловязкими жидкостями и временами работы изделий, исчисляемыми десятками секунд.
Известны также устройства для перекачки текучих сред, использующие в качестве топливного заряда взрываемую газовую смесь. Так, конструкция взрывонасоса 2 включает корпус, полость которого разделена подвижным порщнем на нагнетательную и взрывную камеры. Нагнетательная камера выполнена в виде участка магистрального трубопровода и снабжена всасывающими и нагнетательными клапанами, а взрывная камера снабжена форсункой для подачи горючей смеси, узлом ее воспламенения и подвижной крышкой с клапаном сброса отработанных газов. Текучая среда может вытесняется под давлением до 30 МПа с частотой циклов от 2 до 50 Гц. Возможности насоса также ограничены перекачкой маловязких жидкостей, а взрываемые газовые смеси сложно использовать в автономных устройствах.
В качестве прототипа, как наиболее близкое по технической сущности и выполняемым функциям, выбрано автономное устройство набивки уплотнительной пасты с источником высокого давления 3. В корпусе устройства установлен сменный брикет с наружным слоем теплоизоляции, полость брикета разделена подвижным разделительный элементом - поршнем на две, в одной из которых размещена текучая среда, а во второй - топливный заряд с узлом запуска. По данным разработчика, устройство позволяет развивать повышенные давления подачи (20 ... 100 МПа) для гарантированного проникновения пасты в зазоры арматуры. Недостатком прототипа является необходимость использования избыточно высоких давлений в сочетании с малыми временами работы (предпочтительные давления подачи высоковязких паст находятся на уровне 10...15 МПа, на которые рассчитывается обычно арматура газовых магистралей, а времена вытеснения до 10-30 минут), что обусловлено объективными сложностями поддержания предпочтительных параметров газогенераторами на твердых топливах из-за значительных тепловых потерь продуктами сгорания и сложностью теплоизоляции высоконагруженных элементах конструкции при таких временах работы.
Целью полезной модели является улучшение расходно-временных характеристик подачи высоковязких сред.
Поставленная цель в устройстве для подачи текучей среды, содержащем размещенные в полости корпуса текучую среду с подвижным разделительным элементом и топливный заряд с узлом запуска, достигается за счет того, что между зарядом и текучей средой установлены последовательно обратный клапан и пневмогидравлический аккумулятор давления с опертой в исходном состоянии разделительной мембраной, при этом объем полости от обратного клапана до разделительного элемента заряда равен объему полости текучей среды и заполнен гидравлической жидкостью (ГЖ).
Введение пневмогидравлического аккумулятора давления с начальным давлением воздуха, равным минимально потребному давлению подачи текучей среды, после заполнения его гидравлической попости промежуточной ГЖ и последующей отсечки полости от полости топливного заряда (при понижении давления вследствие охлаждения продуктов сгорания) обеспечивает вытеснение текучей среды ГЖ давлением не ниже потребного в течение требуемого, теоретически неограниченного, времени. Это время определяется начальным объемом текучей среды, ее реологическими характеристиками, существенно зависящими от температуры, располагаемым перепадом давления подачи, геометрией уплотняемых поверхностей арматуры и при работе в зимнее время может составлять десятки минут. Время вытеснения ГЖ в аккумулятор определяется внутрибаллистическими характеристиками топлива, формой заряда, тепловыми и гидравлическими потерями рабочих тел и др., и в предложенном устройстве непосредственно не связано с временем подачи текучей среды, как это имеет место в прототипе. Функцию согласования рациональных параметров работы подсистем устройства подачи текучей среды под давлением не ниже заданного и с временем подачи, на 2 - 3 порядка превышающего время вытеснения ГЖ продуктами сгорания топливного заряда (10-40 сек), выполняет аккумулятор давления с обратным клапаном.
МПКР04Р1 /14
ва с объекта и проведения технического обслуживания, включающего очистку полостей, передавливания ГЖ через обратный клапан с дозированной щелью, открывающейся при малых перепадах давления, в корпус укладываются новый брикет уплотнительной пасты и топливный заряд с узлом запуска. Устройство готово к новому запуску.
Дальнейшие предложения направлены на усовершенствование описанной выше конструкции и расширение его функциональных и эксплуатационных возможностей.
Рациональная силовая схема, компактность и технологичность конструкции обеспечиваются при выполнении устройства следующим образом: полость корпуса в средней части разделена перегородкой с обратным клапаном, на торцах корпуса установлены съемные крышки - со штуцером подачи текучей среды на одной из них и с размещенным в полости крышки топливным зарядом и узлом запуска - на второй, пневматическая полость аккумулятора давления образована охватывающей корпус силовой цилиндрической или сфероидальной оболочкой, а гидравлическая - облегающей поверхность корпуса эластичной мембраной, при этом гидравлическая полость аккумулятора сообщена с полостью текучей среды перфорацией.
При реализации устройств с объемами текучей среды более 1 - 2 л габариты и массы могут вырасти настолько, что более предпочтительными могут оказаться схемы с выполнением емкостей для текучей среды, ГЖ и топливного заряда в виде отдельных сосудов, соединенных межу собой трубопроводами и являющихся т.о. гидравлически эквивалентными приведенным выше конструкциям.
Для повышения безопасной эксплуатации устройства в загазованной или взрывоопасной атмосфере предложено сообщать полость топливного заряда с атмосферой через микродроссель и / или отверстие, вскрываемое при аномальном повышении давления, при этом канал (каналы) для сброса газа снабжать выходным насадком - огнепреградителем, например, выполненным из высокопористого металлокерамического материала. При нормальной работе устройства продукты сгорания через микродроссель постепенно истекают в атмосферу, понижая давление в полости топливного заряда до атмосферного. При аномальной работе - при заклинивании подвижного поршня между зарядом и гидравлической жидкостью, перекрытии канала обратного клапана инородным телом и т.п., вскрывается дополнительное отверстие, например, закрытое срезаемым штифтом или прорывной мембраной, через которое продукты горения истекают в атмосферу, рассеиваясь на выходе из насадка -огнепреградителя на мелкие низкоскоростные и низкотемпературные струйки, не приводящие к воспламенению или взрыву загазованной среды.
Предложено для работы в помещениях, особо опасных по взрыву, выполнять топливный заряд из состава, образующего при сгорании огнетушащий аэрозоль. В настоящее такие составы разработаны многими топливными организациями (см. например, патент РФ № 2075984 «Аэрозолеобразующий огнетушащий состав, МПК А 62 D 1/00, опробованный в газогенераторах давления до 200 МПа) и широко применяются в аэрозольных огнетушителях объемного пожаротушения, в т. ч. и для ингибирования горения и взрывов смесей метана и других горючих газов.
Сущность полезной модели поясняется на чертежах, где показаны:
фиг.1 - общий вид устройства;
фиг.2 - диаграмма работы устройства в координатах «давление - время.
Показанное на фиг.1 устройство для подачи текучей среды содержит корпус 1, в средней части которого установлена перегородка 2 с обратным клапаном 3, образующая равные по объему полости 4 и 5 с размещенными в них текучей средой 6 и ГЖ 7 соответственно. Один торец корпуса закрыт съемной крышкой 8 со штуцером 9 подачи текучей среды 6. В крышке 10 размещены заряд 11 аэрозольного топлива, пиропатрон 12 системы запуска, канал 13, закрытый срезаемым штифтом 14 с микродросселем. Канал 13 снаружи закрыт насадком - огнепреградителем 15, выполненным из высокопористого металлокерамического материала. ГЖ 7 отделена от полости топливного заряда 11 и текучей среды подвижными поршнями 16 и 17. Снаружи корпуса 1 размещен пневмогидравлический аккумулятор давления 18 с эластичной разделительной мембраной 19, опирающейся на корпус 1. Гидравлическая полость 20 аккумулятора сообщена с полостью 4 корпуса перфорацией 21, а пневматическая полость имеет штуцер 22 для заполнения ее схсатым воздухом и установки манометра 23.
Работа устройства. Предварительно через штуцер закачивают в лневматическую полость аккумулятора 18 воздух до давления минимальной подачи текучей среды, например, до 10 МПа, контролируя его ло манометру 23. Снаряженное устройство с помощью штуцера 9 монтируют на арматуре, подлежащей уплотнению, и подачей электро им пульса на пиропатрон 12 воспламеняют топливный заряд 11. Под действием давления продуктов сгорания заряда, превышающего давление в пневматической полости аккумулятора, ГЖ 7 энергично вытесняется из полости 5 через обратный клапан 3 в полость между перегородкой 2 и поршнем 17, и через перфорацию 21 в гидравлическую полость 20, отжимая эластичную мембрану 19 аккумулятора в положение 24, как это показано на нижней части фиг.1. По мере вытеснения ГЖ 7 из полости 5 поршень 16 перемещается в крайнее левое положение 25. После окончания горения топлива давление продуктов сгорания (за счет охлаждения и истечения
через канал микродросселя штифта 14) в полости 5 падает, обратный клапан 3 закрывается, разрывая гидравлическую связь между полостями 4 и 5. Передаваемое через поршень17 давление ГЖ постепенно вытесняет текучую среду 6 через штуцер 9 в уплотняемую арматуру.
Характер изменения давлений вытеснения среды 6 (сплошная линия) и в полости 5 корпуса (штрих-пунктирная линия) по времени работы приведен на фиг.2. Индексами Т1, Т2, ТЗ и Т4 по оси абсцисс обозначены соответственно времена: вытеснения ГЖ из полости 5, сгорания заряда 11; истечения газа до давления, близкого к атмосферному; окончание работы устройства. Индексами Ро, Р 1 и Р2 обозначены соответственно давления: начальное в пневматической полости аккумулятора, максимальное вытеснения текучей среды и максимальное в полости топливного заряда. Цифры в скобках иллюстрируют округленные расчетные значения величин - времени в секундах, давлений в МПа, - полученные для устройства с объемом пневматической полости аккумулятора давления, равного удвоенному объему текучей среды.
Приведенные на диаграмме кривые иллюстрируют характер изменения давления подачи текучей среды при работе в наиболее рациональных режимах - при умеренных перепадах давлений и длительных воздействиях. После вытеснения всей ГЖ из полости 5 в полость20 аккумулятора давления (время Т1) дальнейшее истечение среды происходит в автомодельном режиме и не зависит от параметров в полости 5 топливного заряда. Поэтому время вытеснения Т4 может колебаться в значительных пределах - от нескольких минут в жаркое время года для низковязких типов паст до нескольких десятков минут - в зимнее время. Контроль полноты вытеснения среды может осуществляться по отношению (Р - Ро)/ (Р1- Ро), где Р - текущее давление в аккумуляторе 18, определяемое по манометру 23.
Характер изменения давления в полости 5 топливного заряда показывают слабое влияние разбросов параметров горения заряда по давлению на истечение среды. При аномальном горении (кривая 26), при достижении давления среза штифта 14 последний открывает канал истечения 13 и давление в полости резко падает, предотвращая силовое разрушение корпуса.
Предлагаемая конструкция устройства для подачи высоковязких сред за счет реализации рациональных режимов набивки уплотнений позволяет, по мнению заявителя, существенно повысить качество набивки и уровень регламентных и аварийных работ на магистральных нефте,- газо- и продуктопроводах.
1.М.Баррер, А.Жомотт, Б.Вебек, Ж.Вандеркерхове. Ракетные двигатели. М.: Оборонгиз. 1962. Стр. 361-365.
2.Авторское свидетельство СССР № 1707272 «Взрывонасос. МПК F 04 F 1/16, F 04 В 19/22.
3.Автономное устройство набивки уплотиительной пасты с источником высокого давления (твердотопливным газогенератором). Проспект научно-производственной фирмы «Арм-Гарант. Издательство «Талер, г. Уфа. 1998 г.
Директор
ЛИТЕРАТУРА
Л.В Казанцев
f.i