ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ БУФЕР
HYDRAULIC BUFFER

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в гидравлических системах для передачи гидравлической энергии между рабочими жидкостями с разными температурами с пониженным теплообменом между ними.
Уровень техники
Известны устройства для передачи гидравлической энергии между изолированными друг от друга рабочими жидкостями (гидравлические буферы) в виде гидропневматических аккумуляторов (далее - аккумуляторов), корпус которых содержит по меньшей мере два резервуара переменного объема, заполняемые жидкостями через соответствующие порты, причем указанные резервуары переменного объема отделены друг от друга разделителем, подвижным относительно корпуса.
В качестве гидравлических буферов применяют, как правило, аккумуляторы с эластичными разделителями, например, в виде эластичных полимерных мембран или баллонов [1].
В случае использования аккумуляторов для передачи гидравлической энергии между рабочими жидкостями с разными температурами их недостатком является высокий уровень тепловых потерь, обусловленный теплообменом между жидкостями через разделитель и стенки корпуса аккумулятора.
Предложенная в [1] система для разделения двух жидких сред в нефтехимических компрессорах, выбранная в качестве ближайшего аналога, включает аккумулятор, который соединен одним своим портом с магистралью уплотняющей жидкости, а другим портом - с баком с жидкостью, нейтральной по отношению к газу на выходе компрессора. Данное применение аккумулятора позволяет эффективно изолировать друг от друга две жидкости с разными свойствами и передавать между ними давление. Однако в приложениях, где температуры одной и другой жидкости отличаются, такое применение стандартного аккумулятора в качестве буфера между жидкостями будет приводить к интенсивному теплообмену между жидкостями через разделитель аккумулятора, к нежелательному охлаждению более горячей жидкости и нагреву более холодной, а также к общим потерям тепла в системе.
Сущность изобретения
Задачей настоящего изобретения является создание гидравлического буфера для передачи гидравлической энергии между рабочими жидкостями с разными температурами с пониженным теплообменом между ними.
Решение поставленной задачи достигается тем, что предложен гидравлический буфер (далее - буфер), содержащий корпус, в котором выполнены по меньшей мере два отделенных друг от друга резервуара переменного объема, каждый из которых сообщается со своим портом в корпусе. Резервуары переменного объема отделены друг от друга по меньшей мере двумя разделителями, между которыми выполнен по меньшей мере один буферный резервуар, заполняемый рабочей жидкостью, предпочтительно, с низкой теплопроводностью, т.е. не превышающей 0,2 Вт/м/К.
Таким образом, при передаче гидравлической энергии между рабочими жидкостями с разными температурами теплообмен между ними происходит по меньшей мере через один буферный резервуар и два разделителя, отделяющих буферный резервуар от резервуаров с рабочими жидкостями разных температур.
Подвижные разделители могут быть выполнены в виде поршней. Для уменьшения тепловых потерь на циклический нагрев и охлаждение массивных стенок корпуса буфера разделители предпочтительно выполнены эластичными, например, в виде эластичных мембран или в виде эластичных баллонов, вложенных друг в друга. Такое исполнение разделителей позволяет избежать контакта между рабочими жидкостями с разными температурами и одним и тем же участком стенок корпуса, а значит, и потерь на термоциклирование этого участка корпуса. В исполнении буфера с баллонными разделителями с корпусом контактирует только одна из жидкостей, т.е. температура корпуса не меняется при передаче энергии между жидкостями. При использовании эластичных баллонов в качестве разделителей, целесообразно придавать им сферическую форму, обеспечивающую минимальное отношение площади поверхности к внутреннему объему. В исполнении буфера с мембранными разделителями объемы резервуаров переменного объема меняются только за счет деформации разделителей, но не за счет изменения соотношения площадей поверхностей корпуса, находящихся в контакте с жидкостями, что также позволяет избежать термоциклирования корпуса.
Для повышения рабочего диапазона температур предпочтительно по меньшей мере один из эластичных разделителей выполнять из материала, допускающего использование при повышенных температурах, предпочтительно 200°С или выше, например, из полиамидных или кремнийорганических полимеров. Возможно также исполнение по меньшей мере одной эластичной мембраны из металла.
Для снижения теплообмена через конвекционные потоки жидкости в буферном резервуаре в нем выполняют средства подавления конвекции.
В варианте исполнения буфера с разделителями в виде вложенных друг в друга эластичных баллонов средства подавления конвекции выполняют в виде гибкого пористого наполнителя (например, вспененного полиуретана с открытыми порами), заполняющего объем буферного резервуара.
В варианте исполнения буфера с разделителями в виде эластичных мембран средства подавления конвекции могут быть также выполнены как совокупность вложенных друг в друга элементов, предпочтительно, цилиндрических, размещенных внутри буферного резервуара вдоль его оси. Цилиндрические элементы выполнены с возможностью взаимного осевого перемещения наподобие телескопической конструкции, и, не препятствуя синхронному движению мембран, значительно уменьшают при этом конвекцию жидкости внутри буфера.
Для еще большего снижения конвективных потерь тепла буферный объем предпочтительно заполняют жидкостью с пониженной теплопроводностью (не выше 0,2 Вт/м/К) и повышенной вязкостью (не менее 50 сСт при рабочей температуре 100°С или выше).
Для еще большего снижения теплопередачи по стенкам корпуса буфера корпус включает по меньшей мере один теплоизолирующий элемент, выполненный так, что его теплопроводность по меньшей мере в одном направлении не превышает 20 Вт/м/К, причем указанный теплоизолирующий элемент образует внешние стенки по меньшей мере одного буферного резервуара.
Более подробно детали изобретения описываются в нижеприведенном примере, иллюстрируемом чертежами, на которых представлены:
Фиг.1 - схематическое изображение гидравлического буфера с одним буферным резервуаром и двумя разделителями в виде эластичных баллонов, вложенных друг в друга.
Фиг.2 - схематическое изображение гидравлического буфера с двумя разделителями в виде эластичных мембран и одним буферным резервуаром и вложенной в него совокупностью коаксиальных цилиндров.
Гидравлический буфер по Фиг.1 включает корпус 1, в котором выполнены резервуары переменного объема 2 и 3, сообщающиеся с портами 4 и 5 соответственно. Резервуары переменного объема 2 и 3 отделены друг от друга двумя подвижными разделителями в виде эластичных баллонов 6 и 7, между которыми выполнен буферный резервуар 8, сообщающийся с портом 9.
На Фиг.2 представлен буфер с подвижными разделителями в виде эластичных мембран 6 и 7 и средствами подавления конвекции в виде совокупности коаксиальных цилиндров 10, размещенных в буферном резервуаре 8.
При передаче гидравлической энергии от первой рабочей жидкости с первой температурой, заполняющей через порт 4 резервуар переменного объема 2 (Фиг.1, 2), ко второй, заполняющей резервуар переменного объема 3, разделитель 6, в силу своей эластичности, деформируется, передавая избыточное давление и объемную подачу жидкости, заполняющей буферный резервуар 8. Последняя через эластичный разделитель 7 передает давление и объемную подачу второй рабочей жидкости со второй температурой, заполняющей резервуар переменного объема 3 и вытесняя ее в порт 5. Аналогично передаются давление и объемная подача, и в обратном направлении - от второй жидкости к первой. Таким образом обеспечивается двусторонняя передача гидравлической энергии между гидравлическими подсистемами с разными температурами. Благодаря тому, что площади поверхности корпуса 1, находящиеся в контакте с первой и второй рабочими жидкостями, в процессе передачи гидравлической энергии не меняются (видно из Фиг.1, 2), теплопередача по корпусу определяется лишь конфигурацией его стенок (толщиной стенок и длинами теплопередающих участков) и их теплопроводностью. В исполнении по Фиг.2 корпус содержит теплоизолирующий элемент 11, выполненный из материала с пониженной теплопроводностью вдоль оси буфера, например, из нержавеющей стали с теплопроводностью не более 20 Вт/м/К, или, предпочтительно, из композитного материала, у которого теплопроводность вдоль оси буфера не более 5 Вт/м/К. Увеличением длины теплоизолирующего элемента 11 и использованием материала с пониженной теплопроводностью теплопередача через этот элемент корпуса может быть снижена до заданной малой величины. Таким образом, основной теплообмен между первой и второй рабочими жидкостями происходит через сам буферный резервуар 8, а именно, через помещенные в нем жидкость и средства подавления конвекции. В буферный резервуар 8 помещают жидкость, предназначенную к работе при заданных давлении и температурах и обладающую низкой теплопроводностью (например, вазелиновое масло или силиконовое масло с коэф-том теплопроводности в диапазоне 0,1-0,15 Вт/м/К) либо высокой вязкостью, предпочтительно, обладающую и тем, и другим, например, силиконовое масло с теплопроводностью менее 0,15 Вт/м/К и с вязкостью от 50 сСт при рабочих температурах более горячей жидкости (предпочтительно, при температурах 100°С или выше). Высокая вязкость жидкости затрудняет развитие конвекционных потоков в буферном резервуаре, что в совокупности с пониженной теплопроводностью снижает конвективную теплопередачу между мембранами 6 и 7, а значит и между первой и второй рабочими жидкостями. Совокупность коаксиальных цилиндров 10 в буферном резервуаре 8 (Фиг.2) также препятствует развитию конвекционных потоков в жидкости буферного резервуара 8. Цилиндры выполняют из материала с низкой теплопроводностью, предпочтительно, не более 1 Вт/м/К (например, для температур до 150°С - из полимера типа полипропилена с коэффициентом теплопроводности порядка 0,2 Вт/м/К, а для температур до 300°С - из полимера типа полиимида с коэффициентом теплопроводности 0,5 Вт/м/К). В других исполнениях гидравлического буфера с мембранными разделителями средства подавления конвекции могут включать несколько дополнительных мембран, разбивающих буферный резервуар на несколько последовательно расположенных буферных резервуаров.
Буферный резервуар 8 гидравлического буфера с баллонными разделителями по Фиг.1 может дополнительно содержать средства подавления конвекции в виде гибкого пористого наполнителя, например на основе вспененного полиуретана с открытыми порами (не показан на фигуре). В этом случае между баллонами 6 и 7, образующими буферный резервуар 8, не возникает конвективной теплопередачи и теплообмен между первой и второй рабочими жидкостями максимально снижен.
Вышеописанные исполнения являются примерами воплощения основного замысла настоящего изобретения, которое предполагает также множество других вариантов исполнения, не описанных здесь подробно, например, отличающихся выбором материалов для разделителей, теплоизолирующей вставки, типом жидкости в буферном резервуаре, варинатами исполнения средств подавления конвекции и применяемых в них материалов, а также количеством последовательно расположенных буферных резервуаров.
Таким образом, предложенные решения позволяют создать гидравлический буфер для передачи гидравлической энергии между рабочими жидкостями с разными температурами со следующими качествами:
- пониженной теплопередачей между рабочими жидкостями, а значит и пониженными тепловыми потерями при передаче гидравлической энергии,
- технологичностью изготовления с применением элементов стандартных гидравлических аккумуляторов.
Список литературы
1. X.Экснер, Р.Фрейтаг, Д-р X.Гайс, Р.Ланг, И.Оппольцер, П.Шваб, Е.Зумпф, У.Остендорфф, М.Райк «Гидропривод. Основы и компоненты», Издание 2-е на русском яз., Бош Рексрот АГ Сервис Автоматизация Дидактика Эрбах Германия, 2003, стр.152.