Сильфонный насос-дозатор - регулятор расхода
BELLOW-TYPE DOSING PUMP-FLOW RATE CONTROLLER

Изобретение относится к области гидравлики, в частности к насосам и регуляторам расхода жидких сред, преимущественно токсичных, летучих, агрессивных.
Известен сильфонный глубинный насос (патент РФ №2536437 МПК F04B 47/08, опубликовано: 27.12.2014), содержащий сборный цилиндрический корпус. В нижней части корпуса размещен плунжер с возвратной пружиной, поршень со штоком. В средней части корпуса размещен разделитель сред, выполненный в виде металлического сильфона, один торец которого закреплен в ступенчатом отверстии корпуса насоса, а второй герметично перекрыт круглой пластиной, которая жестко соединена со штоком поршня. В верхней части корпуса установлен клапанный блок с двумя параллельными каналами для размещения в них соответственно всасывающего и нагнетательного клапанов. С одной стороны каналы клапанного блока соединены с полостью сильфона, с другой стороны каналы клапанного блока соединены с всасывающим и нагнетательным патрубками соответственно. Всасывающий патрубок и корпус насоса снабжены соответственно отверстиями для входа пластовой жидкости. Выход нагнетательного патрубка соединен с выходом насоса. Технический результат - повышение надежности, ремонтопригодности, удобства монтажа, ресурса работы насоса.
Известен дозировочный насос (патент РФ №2208180, МПК F04B 45/02, опубликован 10.07.2013), ближайший по технической сущности к заявляемому изобретению и принятый за прототип. По первому варианту насос содержит корпус с полостью, в которой размещен сильфон, входное и выходное устройства распределения жидкости. Один конец сильфона герметично скреплен с корпусом, а другой установлен с возможностью возвратно-поступательного движения вдоль своей оси. На подвижном конце сильфона расположен клапан так, что сообщает полость сильфона с полостью корпуса при сжатии сильфона. При этом внутренний объем сильфона гидравлически сообщен с входным устройством, а полость корпуса с выходным устройством и полость сильфона заполнена дозируемой жидкостью. По второму варианту насос содержит клапан, расположенный на подвижном конце сильфона, который установлен так, что сообщает полость сильфона с полостью корпуса при растяжении сильфона. При этом внутренний объем сильфона гидравлически сообщен с выходным устройством, а полость корпуса - с входным, полость сильфона заполнена дозируемой жидкостью. При работе насоса в системе с повышенным давлением позволяет минимизировать мощность привода подвижного конца сильфона.
В известных дозировочных насосах содержатся подвижные элементы (поршень, ротор и т.д.), перемещение которых обеспечивается устройством (штоком, валом и пр.), а рабочая полость устройства, содержащая перемещаемую жидкость, отделена от окружающей среды посредством уплотнения подвижного привода. В случае перекачки агрессивных, токсичных и летучих жидкостей возможны утечки, что не обеспечивает безопасность работы и обслуживания систем, а также нежелательны и потери компонента (например, одорантов). Как бы тщательно и совершенно не изготавливалось уплотнение подвижного элемента, оно не позволяет полностью исключить утечки жидкости.
Технической проблемой, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является создание универсального устройства, которое одновременно является насосом-дозатором и регулятором расхода.
Технический результат, на достижение которого направлено предлагаемое изобретение, заключается в повышении точности дозирования и равномерности подачи рабочей жидкости, а также надежности работы устройства и экономичности за счет обеспечения герметичности подвижных элементов и исключения потерь рабочей жидкости.
Технический результат достигается тем, что в сильфонном насосе-дозаторе, регуляторе расхода, содержащем корпус с пневмополостью, в которой размещен сильфон, один конец которого герметично скреплен с корпусом, а другой установлен с возможностью возвратно-поступательного движения вдоль своей оси, входную и выходную магистрали распределения жидкости, новым является то, что дополнительно введен второй корпус, идентичный вышеупомянутому с пневмополостью, в которой размещен сильфон, один конец которого герметично скреплен с корпусом, а другой установлен с возможностью возвратно-поступательного движения вдоль своей оси, при этом корпуса жестко соединены между собой, полости сильфонов обоих корпусов соответственно гидравлически сообщены с входной и выходной магистралями посредством входных и выходных клапанов, штоки присоединены к соответствующим сильфонам посредством упоров, выведены за корпуса и жестко связаны с тягой, к которой присоединен общий привод, обеспечивающий совместное возвратно-поступательное движение штоков, сообщенный с датчиком перемещения и блоком управления, который задает и регулирует частоту и величину перемещения штоков, полости сильфонов заполнены рабочей жидкостью.
Перемещение тяги и связанных с ней штоков может осуществляться механическим приводом.
Перемещение тяги и связанных с ней штоков может осуществляется пневматическим приводом путем подачи управляющего давления из газовой магистрали поочередно в полости сильфонов через редуктор, при этом в газовой магистрали установлены электропневмоклапаны.
Перемещение сильфонов и связанной с ними тяги ограничивается датчиками перемещения, расстояние между которыми, равное ходу штока L, может регулироваться (задаваться).
Впускной и выпускной клапаны снабжены соответственно седлом с тонкостенкой обечайкой и тарелью, обеспечивающей самоцентрирование клапана в седле, кроме того, в тарели выполнены отверстия для прохода рабочей жидкости
Датчики перемещения, электропневмоклапаны и блок управления связаны электрическими линиями управления и коммутации.
На фиг. 1 представлен продольный разрез сильфонного насоса-дозатора, регулятора расхода.
На фиг. 2 представлен продольный разрез коробки клапанной.
Позиции на фигурах: 1 - магистраль входа; 2 - магистраль выхода; 3 и 4 - корпус; 5 и 6 - крышка; 7 и 8 - фланец; 9 и 10 - сильфон; 11 и 12 - полости сильфона; 13 и 14 - пневмополости; 15 и 16 - коробки клапанные впускные; 17 и 18 - коробки клапанные выпускные; 19 и 20 - клапаны впускные; 21 и 22 - клапаны выпускные; 23, 24, 25, 26 - седла клапанов 19, 20, 21, 22, соответственно; 27 - пружина (упругий элемент); 28 - тарель; 29 - упор; 30 - корпус сальника; 31 - сальник (манжета); 32 и 33 - штоки; 34 - рейка; 35 - тяга; 36 - датчик; 37, 38, 39, 40 - пневмоэлектроклапаны; 41 - привод механический (электромеханический); 42 - блок управления (процессор); 43 - баллон; 44 - редуктор; 45 - электрические линии управления и коммутации; 46 - датчик; 47 - газовая магистраль; 48 - отверстия в тарели; L - ход штока (задаваемый и регулируемый); h - толщина тонкостенной цилиндрической обечайки седла.
Сильфонный насос-дозатор, регулятор расхода (фиг. 1 и фиг. 2) содержит два корпуса 3 и 4, внутри которых помещены сильфоны 9 и 10. Корпуса 3 и 4 жестко соединены между собой рейкой 34. С одной стороны к корпусам 3 и 4 герметично прикреплены крышки 5 и 6, а с другой стороны фланцы 7 и 8. Корпуса 3 и 4 вместе с сильфонами 9 и 10, крышками 5 и 6 и фланцами 7 и 8 образуют герметично разделенные между собой полости: полость 11 сильфона 9 с пневмополостью 13 в корпусе 3 и полость сильфона 12 с пневмополостью 14 в корпусе 4. На крышке 5 в корпусе 3 установлена коробка клапанная впускная 15 и коробка клапанная выпускная 17. На крышке 6 в корпусе 4 установлена коробка клапанная впускная 16 и коробка клапанная выпускная 18. На крышке 5 в коробке клапанной впускной 15 смонтировано седло 23 с клапаном впускным 19, пружиной 27 и тарелью 28, а в коробке клапанной выпускной 17 смонтировано седло 25 с клапаном выпускным 21, пружиной 27 и тарелью 28. На крышке 6 в коробке клапанной впускной 16 смонтировано седло 24 с клапаном впускным 20, пружиной 27 и тарелью 28, а в коробке клапанной выпускной 18 смонтировано седло 26 с клапаном выпускным 22, пружиной 27 и тарелью 28. К сильфонам 9 и 10 приварены (припаяны) упоры 29. К упорам 29 присоединены штоки 32 и 33 соответственно, которые через отверстия во фланцах 7 8 выведены вне корпусов. На фланцах 7 и 8 установлены корпуса сальников 30 с манжетами 31 для обеспечения герметичности. Штоки 32 и 33 жестко связаны с тягой 35. К тяге 35 присоединен привод 41 с возможностью отключения. Перемещение тяги 35 и связанных с ней штоков 32 и 33 осуществляется либо механическим приводом, либо (при отключенном приводе 41) пневматическим приводом, путем подачи управляющего давления поочередно в пневмополости 13 и 14 от баллона 43 со сжатым газом через редуктор 44. Перемещение тяги 35 ограничивается датчиками 36 и 46, расстояние между которыми, равное ходу L штоков 32 и 33, может регулироваться (задаваться). К пневмополостям 13 и 14 подведена газовая магистраль 47, соединяющая пневмополости 13 и 14 с баллоном 43 через электропневмоклапны 38, 39 и редуктор 44. Электропневмоклапаны 40 и 37 соединяют пневмополости 13 и 14 с атмосферой. Открытие и закрытие электропневмоклапанов обеспечивает блок управления 42 по задаваемому алгоритму работы устройства и сигналам датчиков 36 и 46, фиксирующих возвратно-поступательное перемещение тяги 35 и связанных с ней сильфонов 9, 10 в заданном диапазоне перемещений хода L штоков. Датчики, электропневмоклапаны и блок управления связаны электрическими линиями управления и коммутации 45.
Сильфонный насос-дозатор, регулятор расхода может работать от пневматического привода, или от механического. В обоих вариантах исходное положение насоса следующее: полости 11 и 12 сильфонов 9, 10 заполнены перемещаемой жидкостью; тяга 35 находится в промежуточном положении относительно датчиков 36; клапаны 37, 38, 39, 40 закрыты.
При работе с пневматическим приводом блок управления 42 подает команду на открытие клапанов 37 и 39, при этом клапаны 38 и 40 закрыты. Газ с управляющим давлением, величина которого регулируется (задается) редуктором 44, поступает из баллона 43 в пневмополость 13. Под действием давления газа сильфон 9 перемещается слева направо, давление в полости 11 сильфона 9 возрастает, что приводит к открытию клапана выпускного 21 и выталкиванию жидкости в магистраль 2. При этом клапан впускной 19 прижимается к седлу 23 вследствие усилия пружины 27 и действующего на клапан давления в полости 11, превышающего давление в магистрали входа 1. Одновременно с этим происходит перемещение вправо сильфона 10, что приводит к понижению давления в полости 12, открытию клапана впускного 20 и всасыванию жидкости из магистрали входа 1 в полость 12 сильфона 10. Клапан выпускной 22 при этом прижат к седлу 26, поскольку на него оказывает прижимающее воздействие как пружина 27, так и повышенное давление в магистрали выхода 2 по сравнению с магистралью входа 1. Для снижения препятствий перемещения сильфонов 9 и 10, пневмополость 14 сообщается с окружающей средой при открытом пневмоклапане 37. Вследствие перемещения сильфонов 9, 10 и связанных с ним штоков 32, 33 происходит перемещение тяги 35 до момента контакта с датчиком 36. В момент контакта датчика 36 с тягой 35, датчик 36 через блок управления подает команду на закрытие электропневмоклапанов 39 и 37 и открытие электропневмоклапанов 40 и 38. Газ из баллона 43 поступает в пневмополость 14 и стравливается из пневмополости 13. Происходит обратный цикл, в результате которого жидкость из магистрали входа 1 поступает в полость 11 сильфона 9 и выталкивается из полости 12 сильфона 10 в магистраль выхода 2. Обратный цикл заканчивается при перемещении сильфонов 9 и 10 справа налево до момента контакта тяги 35 с датчиком 36.
Циклы повторяются до достижения заданного количества перемещаемой жидкости. В результате единичного цикла из магистрали входа 1 в магистраль выхода 2 поступает количество жидкости, кратное величине перемещения сильфонов 9 и 10, равное ходу L штоков. Дозирование, расход и регулирование количества жидкости, подаваемой насосом, может осуществляться как изменением объема жидкости, перемещаемой в единичном цикле путем изменения хода L штоков 32 и 33, так и скоростью (частотой) перемещения сильфонов 9 и 10 путем изменения величины давления управляющего газа с помощью редуктора 44.
В режиме работы насоса с подключенным приводом 41 электропневмоклапаны 37 и 40 постоянно открыты, а электропневмоклапаны 38 и 39 постоянно закрыты. Перемещение сильфонов 9, 10 осуществляется от привода 41, который посредством тяги 35 и штоков 32 и 33 жестко связан с ними. В качестве привода может быть использован механический, электромеханический, индуктивный и прочие приводы, обеспечивающие регулируемое, возвратно-поступательное движение тяги 35. Работа впускных 19, 20 и выпускных 21, 22 клапанов и перемещение жидкости из магистрали входа 1 в магистраль выхода 2 происходит таким же образом, как и в режиме с «пневмоприводом». Работа привода 41 обеспечивается блоком управления 42, который учитывает величину перемещения тяги 35, количество и частоту циклов (с помощью датчиков 36 и 37).
В качестве датчиков 36 и 37 (детекторов перемещения) могут использоваться концевые выключатели, индуктивные, емкостные, потенциометрические, оптические и прочие сигнализаторы положения.
Надежность работы насоса и исключение протечек перемещаемой жидкости обеспечивается отсутствием в гидравлических магистралях насоса подвижных уплотнений и улучшением работы впускных 19, 20 и выпускных 21, 22 клапанов (фиг. 2) за счет того, что седла 23, 24, 25, 26 в месте контакта с клапанами впускными 19, 20 и клапанами выпускными 21, 22 выполнены в виде тонкостенных цилиндрических обечаек с возможностью упругой деформации при контакте седла с клапаном. Толщина тонкостенной обечайки седла составляет h=0,1…0,5 мм. Кроме того, клапаны 19, 20, 21, 22 установлены с возможностью самоцентрирования относительно седла, что обеспечивается их свободной посадкой в отверстии тарели 28. Отверстия в тарели 28 выполнены для снижения гидравлического сопротивления при прохождении перемещаемой жидкости через гидравлическую магистраль клапанной коробки.
Величина перемещения штоков и частота их перемещения однозначно определяют дозу рабочей жидкости, поступающей в магистраль выхода 2, и расход. Измерение хода L штоков 32, 33 и частоты перемещений позволяет измерять количество жидкости. Измерение количества жидкости за определенный промежуток времени позволяет определять расход, а регулирование (задание) частоты перемещения штоков 32, 33 и хода L штоков с помощью датчиков 36, 46 блоком управления 42 позволяет регулировать расход жидкости, поступающей в магистраль выхода 2.
Таким образом, предлагаемое устройство является универсальным и позволяет осуществлять как функцию насоса-дозатора, так и функцию регулятора расхода жидкости за счет использования двух камер соответственно с пневмополостями и сильфонами, объединенных общим штоком, а также за счет возможности регулирования величины перемещения штока и частоты его перемещения, что обеспечивает повышение равномерности и точности дозирования рабочей жидкости, повышение точности регулирования и измерения расхода жидкости. Обеспечение герметичности подвижных элементов исключает потери рабочей жидкости и повышает надежность и экономичность работы устройства.