РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬ ДЛЯ ЖИДКОЙ ИЛИ ГАЗООБРАЗНОЙ СРЕДЫ
DISTRIBUTOR FOR LIQUID OR GASEOUS MEDIUM

Изобретение относится к устройствам для распределения или разделения жидких или газообразных сред по одному или нескольким параметрам в одном распределительном устройстве. Особенность распределителя - это возможность применения для распределения и перераспределения медленнотекущих ламинарных потоков с незначительным перепадом давления: медленным самотеком или конвенцией, 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, в жидкостных отстойниках для: пищевой, химической, добывающей и других отраслях промышленности. Для распределителя характерна исключающая гидравлические удары плавность переключения, кроме того, возможны конкретные варианты с повышенной плавностью переключения. Применение для климатических систем и устройств для более экономичного решения задачи распределения воды и воздуха в зависимости от температуры, для создания и поддержания в теплоаккумуляторе температурного градиента воды передачей тепловой энергии, переносимой водой и воздухом в зависимости от температуры, в определенные области объема теплоаккумулятора, то есть в изотемпературные области. Аналогов решения задачи плавного распределения жидких или газообразных сред по нескольким параметрам в одном распределителе нет.
Решение этой задачи традиционными способами или невозможно, или требует большого количества электроуправляемых клапанов, дросселей и дроссельных задвижек - это усложняет само устройство, удлиняет трубопровод и повышает потери, например тепловые, то есть понижает его надежность и эффективность, с одной стороны, повышает стоимость - с другой.
В предлагаемом изобретении этот вопрос решен предложением конструкции распределителя для жидкой среды и настолько близкого функционально и по конструкции распределителя для газообразной среды, что позволяет характеризовать их общими признаками, присущими распределителю для жидкой и распределителю для газообразной среды. Предложены варианты конструкций распределителя для жидкости, предназначенные для расположения их внутри отстойников для различных жидкостей, а также для воды, которые предназначены для расположения их внутри теплоаккумулятора, что повышает эффективность работы этих устройств. Применение такого распределителя для теплоаккумулятора значительно уменьшает тепловые потери, а значит, и повышает энергосберегающий эффект.
Цель изобретения - расширение функциональных возможностей распределителя, предназначенного для жидкой или для газообразной среды, повышение его надежности, эффективности и экономичности.
Сущность изобретения
Распределитель состоит из полой фигуры, внутенняя полость которой представляет собой фигуру вращения. Это может быть одна из следующих фигур вращения: цилиндр, конус, шар, эллипсоид; а также часть одной из этих фигур, образуемой отсечением ее плоскостью, перпендикулярной оси вращения; или фигуру вращения сложной формы, состоящую из сочетания в одной фигуре, по меньшей мере, двух частей от вышеназванных фигур.
Внутенняя полость распределителя включает размещенные соосно центральной оси вращения внутри друг друга полые фигуры вращения - оболочки с возможностью перемещения и поворота, обеспечиваемой конструкцией опор, расположенных на центральной оси вращения одной или нескольких оболочек относительно других и корпуса распределителя. Переключение распределителя связано с возможностью совмещения определяемых управляющим распределением параметром отверстий или окон во всех оболочках и корпусе распределителя посредством поворота, по меньшей мере, одной из оболочек вокруг центральной оси вращения относительно других и корпуса, воздействием крутящего момента от поворотного средства, под действием управляющего распределением параметра, формируемого для каждой подвижной оболочки на основе сигнала соответствующего датчика. В общем случае управляющий распределением параметр может формироваться электронным устройством с числом каналов, соответствующим числу подвижных оболочек. Электронное устройство может управляться программируемым процессором, на основании сигналов от датчиков физических или химических параметров распределяемой среды для одного из его каналов, управляющего через управляемый электродвигатель одной из подвижной оболочек, а также позиционного распределения среды по направлению и(или) фактора времени для другого канала электронного устройства, аналогично управляющего следующей из подвижных оболочек. Два последние параметра могут быть заложены в программу процессора. Это дает возможность, с одной стороны, независимого управления оболочками, а с другой - согласованного с выбранным принципом распределения, в соответствии с общей корректирующей работу распределителя программой, установленной в процессор, оптимизировать работу распределителя. Динамика переключения распределения зависит от взаимного расположения совмещаемых отверстий или окон, а также диаметра отверстий или ширины окон, 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 отверстия(ий) или окна(он) во всех оболочках и корпусе распределителя до ближайшего полного последующего совмещенного состояния отверстия(ий) или окна(он) во всех оболочках и корпусе распределителя. Определены соотношения размеров отверстий или окон и их расположение, характеризующие переключение распределителя: для соблюдения дискретности переключения, минимальный угол переключения равен, по меньшей мере, удвоенному диаметру отверстия или удвоенной ширине окна, выраженных в дуговых градусах, отсчитываемых по дуге граничной окружности минимального радиуса, образуемой пересечением граничной поверхности подвижной оболочки с плоскостью поперечного сечения распределителя, проходящей через центр отверстия или окна минимально удаленного от оси вращения; для соблюдения непрерывности переключения его значение меньше двух, но больше одного диаметра отверстия или ширины окна. При этом максимальный диаметр самого отверстия или максимальная ширина окна, по меньшей мере, в два раза меньше диаметра внутренней полости распределителя. Это дает возможность изготовить варианты распределителя с повышенной плавностью переключения, исключающей смешивание фаз распределяемой среды.
Возможен распределитель как прямого, так и обратного движения через него распределяемой среды.
Все оболочки распределителя имеют, по меньшей мере, одно отверстие или окно, совмещенное с заборно-подающей трубой.
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.
Осуществление изобретения
Предложен вариант постоянного сообщения заборно-подающей трубы с внутренней обласью 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 распределителя с возможностью поворота вокруг оси вращения относительно внутренней оболочки и заборно-подающей трубы. В других вариантах заборно-подающая труба может быть заведена со стороны основания соосно или параллельно центральной оси вращения.
Например, вариант, в котором фигуры вращения, представляющие 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 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.
Соосно размещенные внутри распределителя оболочки расположены друг относительно друга и корпуса распределителя с минимальным зазором, обеспечивающим возможность их поворота относительно друг друга и(или) корпуса распределителя без трения, что особенно эффективно при вертикальном расположении оси вращения распределителя. Подвижные оболочки связаны с корпусом распределителя и другими оболочками через соосно расположенные на центральной оси опоры вращения. Поворот каждой из оболочек вокруг центральной оси вращения относительно других и(или) корпуса осуществляется воздействием крутящего момента от поворотного средства, под действием управляющего распределением параметра на приводной вал или ось, соосные центральной оси вращения, на которых подвижная оболочка закреплена.
Валы, связанные с наружными подвижными оболочками, полые, а каждый вал, связанный с внутренней подвижной оболочкой, соосно расположен внутри полого вала, связанного с наружной подвижной оболочкой и превосходит его по длине, по меньшей мере, на величину посадочного места под деталь, передающую на вал крутящий момент. Для габаритных вариантов предложен распределитель, в котором полый приводной вал объединен с осью противолежащей ему опоры вращения 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. При этом подвижная оболочка закреплена только 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. Вариант распределителя, приводные валы подвижных оболочек которого заведены внутрь корпуса распределителя с противоположных его сторон соосно оси вращения. Подвижные оболочки закреплены на приводных валах консольно. При этом консольные концы приводных волов во внутренней области распределителя соединены телескопически с возможностью перемещения их относительно друг друга. Толщина стенок оболочек и корпуса зависит от конкретного назначения распределителя. Стенки оболочек и корпуса распределителя имеют сквозные отверстия или окна, в области расположения которых граничные поверхности внутренних оболочек подобны по форме внутренней полости распределителя. Для ограничений возможных проникновений среды в зазор между оболочками граничные поверхности, относящиеся к подвижной оболочке и корпусу, а также к подвижной и неподвижным оболочкам, имеют в области расположения отверстий или окон равномерный уплотнительный контакт на границе между подвижной и неподвижной поверхностями. Часть внутренних оболочек, размещенных на границах между подвижными и неподвижными оболочками, закреплена на поверхностях соседних, закрепленных на валах и(или) опорах оболочках и функционируют, как уплотнитель в зазоре между подвижными и неподвижными оболочками. Они состоят из комбинированного материала, одна из сторон которого пружинистая и(или) эластичная прочно скреплена с соседней, закрепленной на валу и связанной с опорой оболочкой, несущей прочностную и жесткостную функцию, в единую оболочку сложной структуры, состоящую из слоистого материала, причем гладкая, обеспечивающая скольжение поверхность другой, наружной стороны обращена в сторону границы между оболочками. Внутренняя часть оболочек сложной структуры выполнена из металла с сетчато-пружинистой поверхностью, а наружная получена из полимерного материала наплавлением на металлическую сетчато-пружинистой поверхность.
В качестве более простого управления распределителем рассмотрено механическое управление в нем управляющим распределением параметром и поворотным средством, формирующими механический момент являются датчики параметров среды, с которыми через механические преобразователи связаны поворотные валы и оси подвижных оболочек.
Примером может быть вариант, управляющим распределением параметром и поворотным средством, формирующими механический момент которого, является спиральная биметаллическая пластина, расположенная внутри корпуса распределителя. Внутренний неподвижный конец пластины закреплен на заведенной внутрь распределителя соосно центральной оси вращения заборно-подающей трубе, а внешний конец биметаллической пластины закреплен на подвижной оболочке.
Как вариант для среды относительно высоких давлений предложен распределитель, внутенняя полость которого представляет собой коническую или сложную фигуру, включающую коническую часть. При этом конической формы подвижная оболочка закреплена на расположенном соосно оси вращения приводном валу, который заведен внутрь через поворотно-скользящую опору, подпружинивающую посредством винтовой пружины подвижную оболочку в направлении вдоль центральной оси вращения и не препятствующей повороту подвижной оболочки вокруг этой оси.
В качестве конкретного развития этого варианта предложены следующие: Приводной вал подвижной оболочки заведен в конической формы распределитель через поворотно-скользящую опору со стороны вершины конической фигуры или со стороны меньшего основания фигуры, состоящей из цилиндра, сопряженного с меньшим основанием усеченного конуса, с возможностью в момент переключения распределителя, кроме поворотного, осевого перемещения подвижной оболочки внутри корпуса. В области корпуса распределителя, прилегающей к вершине конуса, или в цилиндрической части корпуса между подвижной оболочкой и корпусом соосно центральной оси установлена работающая на растяжение винтовая пружина, подпружинивающая подвижную оболочку в направлении вдоль центральной оси вращения и не препятствующая ее повороту вокруг этой оси.
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, с возможностью, кроме поворотного, осевого перемещения подвижной оболочки внутри корпуса. Винтовая пружина, работающая на растяжение, связана с расположенным внутри ее валом через опору вращения или фиксаторами только осевого перемещения не препятствующими повороту вала, она установлена соосно центральной оси в цилиндрической части корпуса, прилегающей к вершине конуса между подвижной оболочкой и корпусом. Эти варианты могут быть дополнены заглушкой, предназначенная для закрытия заборно-подающей трубы, для чего приводной вал заведен внутрь распределителя и расположен по оси вращения внутри подвижной оболочки. На конце его через опору вращения закреплена заглушка, предназначенной для закрытия заборно-подающей трубы, которая заведена в распределитель соосно центральной оси вращения и конец которой удален от заглушки на расстоянее меньше предела осевого перемещения приводного вала в поворотно-скользящей опоре.
И близкий функционально, но несколько другой вариант, в котором приводной вал подвижной оболочки заведен в распределитель через поворотно-скользящую опору со стороны вершины или меньшего из оснований усеченного конуса, с возможностью в момент 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, которая заведена соосно центральной оси со стороны большего из оснований усеченного конуса, между заглушкой и заборно-подающей трубой соосно с ней расположена работающая на сжатие винтовая пружина, подпружинивающая подвижную оболочку и отжимающая заглушку от заборно-подающей трубы.
Рассмотрим наилучшие с точки зрения простоты и практичности варианты распределителя - это распределитель, внутренняя оболочка которого цилиндрической формы выполнена из трубы, жестко и герметично соединена с заборно-подающей трубой, центральная ось вращения расположена вертикально, подвижная наружная оболочка или(и) подвижный цилиндрический корпус также изготовлены из труб, они расположены соосно центральной оси вращения и закреплены на заборно подающей трубе через подшипники, а также вариант, в котором заборно-подающая труба может быть заведена со стороны основания соосно или параллельно центральной оси вращения. Корпус и внутренняя полость его представляет собой фигуру цилиндрической формы, а расположенные соосно оси вращения поворотные валы связаны с цилиндрическими подвижными оболочками трубчатой формы.
Рассмотрим конкретные варианты с точки зрения практического применения. Это вариант предназначен для внутри водонаполненного теплоаккумулятора жидкой среды. Распределитель, как и его центральная ось вращения, расположен вертикально внутри емкости гравитационного разделителя жидкости или отстойника. По высоте соотносится с глубиной отстойника так, что отверстия распределителя, соответствующие определенным значениям физического параметрам среды, расположены в соответствующих этому параметру уровнях отстойника.
Вариант для размещения внутри водонаполненного теплоаккумулятора. Этот вариант предназначен для жидкой среды, в частности для воды. Распределитель, как и его центральная ось вращения, расположен вертикально внутри водонаполненного теплоаккумулятора, поделенного горизонтальными теплоизолирующими экранами на сообщающиеся изотемпературные зоны. Он 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 отверстия распределителя, соответствующие определенным температурным значениям распределяемой воды, расположены в соответствующих им по температуре уровнях и изотемпературных зонах теплоаккумулятора. Принцип работы распределителя, то есть его переключение, под действием управляющего распределением параметра, формируемого для каждой подвижной оболочки на основе сигнала соответствующего датчика, был рассмотрен выше в раскрытии сущности и осуществлении изобретения. Устройство и принцип работы распределителя для жидкой или газообразной среды также поясняют упрощенные чертежи: Фиг 1, Фиг. 2, Фиг. 3, Фиг. 4, Фиг. 5, 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. Вариант распределителя на Фиг. 1 - этот вариант распределителя с одной подвижной оболочкой, под фронтальной проекцией представлен разрез, а под профильной - сечение по осям отверстий, соединяемых с заборно-подающей трубой. На Фиг. 2 представлен вариант с двумя подвижными оболочками, 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 по осям отверстий, соединяемых с заборно-подающей трубой. Принцип работы распределителей ясен из поперечного разреза, проходящего через центры отверстий или окон 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 оболочками. 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 или отстойника.