НАСОС ДЛЯ ЖИДКОСТИ
PUMP FOR FLUID

Изобретение относится к области машиностроения и преимущественно может быть использовано в конструкциях электрических насосов для перекачки и нагрева жидкостей.
Известен электрогидравлический насос замещения (SU 1035296 А, 1983), который используется при погружении его в водоем и содержит герметичную рабочую камеру с всасывающим и нагнетательным патрубками, присоединенными к рабочей камере в нижней ее части и снабженными прямым и обратным клапанами соответственно, и расположенный в рабочей камере испаритель, который выполнен в виде стержневого металлического электрода, вертикально установленного внутри изолирующего цилиндра с отверстием в верхней его части.
Одним из недостатков указанного известного насоса является достаточно высокое энергопотребление. Это объясняется тем, что, поскольку стержневой электрод, установленный в изолирующем цилиндре, проходит практически по всей высоте рабочей камеры, закипание воды внутри изолирующего цилиндра, необходимое для парообразования и увеличения давления в рабочей камере, происходит только после прогрева всей находящейся в камере воды до достаточно высокой температуры, составляющей на практике около 80°С. Локальное расположение в плане изолирующего цилиндра и существенно меньший его диаметр по сравнению с горизонтальным размером рабочей камеры, а также расположение изолирующего цилиндра практически по всей высоте рабочей камеры приводит к конвективному охлаждению его водой, находящейся в рабочей камере, в результате чего вода в изолирующем цилиндре не закипает, пока не прогреется весь объем воды в рабочей камере.
Другой недостаток указанного известного насоса заключается в его недостаточно высокой производительности, что обусловлено существенным значением времени цикла его работы. Это связано со значительным временем охлаждения рабочей камеры и конденсации образовавшегося в ней пара, без завершения которых не может начаться очередной цикл всасывания воды.
Известен электрогидравлический насос замещения (RU 2096667 С1, 1997), который содержит герметичную рабочую камеру с всасывающим и нагнетательным патрубками, присоединенными к рабочей камере в нижней ее части и снабженными прямым и обратным клапанами соответственно, и расположенный в рабочей камере испаритель, который выполнен в виде металлического цилиндрического стакана, коаксиально расположенного в рабочей камере на высоте, составляющей не менее 0,7 от высоты рабочей камеры, и металлического стержневого электрода, размещенного в цилиндрическом стакане на его оси. Кроме того, известный электрогидравлический насос замещения снабжен вертикальными ребрами, расположенными на наружной поверхности рабочей камеры и закрытыми кожухом, и вентилятором, расположенным сверху над рабочей камерой.
Снабжение наружной поверхности рабочей камеры указанного электрогидравлического насоса замещения вертикальными ребрами, закрытыми кожухом, и установленным сверху над камерой вентилятором, включаемым в цикле всасывания воды на продув наружного воздуха снизу вверх, позволило по сравнению с ранее рассмотренным известным аналогом сократить время цикла всасывания воды путем ускорения охлаждения рабочей камеры. Снижение энергопотребления путем уменьшения объема доводимой до кипения воды в стакане и снижения температуры и объема нагрева воды в рабочей камере в этом известном техническом решении достигается исключением (на протяжении большей части цикла вытеснения воды) конвективного перемешивания воды в рабочей камере путем отделения цилиндрического стакана от поверхности воды в рабочей камере слоем пара за счет расположения открытого сверху цилиндрического стакана с электродом в верхней части рабочей камеры коаксиально ей на уровне не менее 0,7 от высоты рабочей камеры. При этом образующийся при закипании воды в цилиндрическом стакане пар, выходя из кольцевого зазора между стенками цилиндрического стакана и рабочей камеры, нагревает их и давит на поверхность воды, одновременно равномерно обогревая ее поверхность.
Вместе с тем, этот электрогидравлический насос замещения характеризуется достаточно большим временем цикла его работы. Как отмечено в описании этого изобретения (RU 2096667 С1, 1997), при объеме рабочей камеры 6-8 л и подъеме жидкости, например, воды на высоту 8 м полный цикл работы этого насоса составляет 10-15 минут.
Наличие в конструкции электрогидравлического насоса замещения вентилятора приводит к увеличению энергопотребления.
В случае применения насоса для нагнетания воды использование в его конструкции для нагревания воды электрода, как и в рассмотренном выше аналоге, вызывает электролиз воды, что приводит к снижению качества нагнетаемой насосом воды, не позволяющему использовать ее, например, для пищевых нужд.
Кроме того, наличие вентилятора, вертикальных ребер и кожуха усложняет конструкцию указанного насоса.
Наиболее близким по конструкции к насосу для жидкости, являющемуся предметом настоящего изобретения, следует считать известный насос для жидкости (RU 89641 U1, 2009), который содержит герметичную рабочую камеру с всасывающим и нагнетательным патрубками, снабженными прямым и обратным клапанами соответственно, и расположенный в верхней части рабочей камеры испаритель в виде стакана с размещенным в его донной части резистивным нагревательным элементом на основе нихромовой проволоки. При этом всасывающий патрубок установлен в верхней части рабочей камеры выше стакана, а нагнетательный патрубок расположен в донной части рабочей камеры. Насос для жидкости, являющийся ближайшим аналогом, снабжен датчиком уровня жидкости, который установлен в донной части рабочей камеры и подключен к коммутирующему устройству.
В конструкции насоса, являющегося ближайшим аналогом, размещение всасывающего патрубка в верхней части рабочей камеры выше стакана испарителя обеспечивает при окончании стадии нагнетания, в отличие от рассмотренных выше аналогов, более интенсивную конденсацию пара под действием холодной жидкости, поступающей из всасывающего патрубка сверху. В результате этого уменьшается по сравнению с рассмотренными выше аналогами время рабочего цикла насоса для жидкости, что приводит к повышению его производительности. Как определили авторы этого технического решения при испытаниях насоса, являющегося ближайшим аналогом, при объеме рабочей камеры насоса 6-8 л и подъеме жидкости, например, воды на высоту 8 м полный цикл работы этого насоса не превышает 4-5 минут.
Размещение резистивного нагревательного элемента насоса, являющегося ближайшим аналогом, в донной части стакана испарителя обеспечивает преобразование в парообразную фазу практически всей находящейся в стакане испарителя жидкости. Это, с одной стороны, способствует повышению производительности насоса на стадии нагнетания жидкости, а, с другой стороны, обеспечивает то, что в процессе парообразования жидкости в стакане и уменьшения объема жидкости в нем вся площадь поверхности нагревательного элемента остается погруженной в остаток жидкости, обеспечивая ее дальнейший нагрев и парообразование, что предотвращает нерациональное использование электрической энергии, способствует повышению коэффициента полезного действия и позволяет снизить энергопотребление.
Указанные особенности конструкции насоса для жидкости, являющегося ближайшим аналогом, которые обеспечили повышение производительности насоса, позволили отказаться от использования в его конструкции вентилятора, кожуха и вертикальных ребер, что обеспечило снижение энергопотребления и упрощение конструкции насоса для жидкости по сравнению с ранее рассмотренным аналогом.
Поскольку при использовании в ближайшем аналоге в качестве нагревательного элемента испарителя резистивного нагревательного элемента через находящуюся в рабочей камере воду, в отличие от рассмотренных выше аналогов, электрический ток не протекает, нагнетаемая вода не подвергается электролизу. В результате этого не ухудшаются потребительские свойства перекачиваемой воды, позволяя использовать ее, например, для пищевых нужд.
Вместе с тем, при переходе насоса для жидкости, являющегося ближайшим аналогом, от стадии нагнетания к стадии всасывания конденсация пара происходит недостаточно интенсивно, что определяет достаточно существенное значение времени рабочего цикла насоса и ограничивает его производительность.
Задачей настоящего изобретения является повышение производительности насоса для жидкости.
Поставленная задача решена, согласно настоящему изобретению, тем, что насос для жидкости, содержащий, в соответствии с ближайшим аналогом, герметичную рабочую камеру, расположенный в верхней части рабочей камеры испаритель в виде стакана с размещенным в его донной части резистивным нагревательным элементом, всасывающий патрубок с прямым клапаном, установленный в верхней части рабочей камеры выше стакана испарителя, нагнетательный патрубок с обратным клапаном, установленный в донной части рабочей камеры, и датчик уровня жидкости рабочей камеры, установленный в донной части рабочей камеры, отличается от ближайшего аналога тем, что он снабжен активатором конденсации в виде пластины, превышающей по своим размерам в плане размеры в плане стакана испарителя и установленной над стаканом испарителя ниже всасывающего патрубка с образованием зазора между ней и кромкой стакана испарителя.
При наилучшем осуществлении настоящего изобретения периферийные участки пластины активатора конденсации, расположенные снаружи по отношению к стенкам стакана испарителя, перфорированы, а на верхней поверхности пластины активатора конденсации по ее контуру выполнен буртик.
Датчик уровня жидкости рабочей камеры установлен не ниже входного отверстия нагнетательного патрубка.
Входное отверстие нагнетательного патрубка расположено от дна рабочей камеры на расстоянии не менее 3 мм.
Насос для жидкости снабжен датчиком уровня жидкости испарителя, установленным в донной части стакана испарителя.
Насос для жидкости снабжен дополнительным резистивным нагревательным элементом и дополнительным датчиком уровня жидкости испарителя, установленными в верхней части стакана испарителя.
Резистивные нагревательные элементы выполнены на основе нихромовой проволоки.
Снабжение насоса для жидкости активатором конденсации в виде пластины, превышающей по своим размерам в плане размеры в плане стакана испарителя и установленной над стаканом испарителя ниже всасывающего патрубка с образованием зазора между ней и кромкой стакана испарителя, обеспечивает существенное уменьшение времени рабочего цикла насоса и повышение его производительности, что подтверждается следующими обстоятельствами.
При окончании стадии нагнетания жидкости из рабочей камеры, когда резистивный нагревательный элемент отключается от источника электрической энергии и остывает, давление в рабочей камере из-за начала конденсации пара понижается, обратный клапан нагнетательного патрубка призакрывается и приоткрывается прямой клапан всасывающего патрубка. В результате этого сначала совсем незначительное количество холодной жидкости из всасывающего патрубка поступает в рабочую камеру сверху, но не попадает в стакан испарителя, как при работе ближайшего аналога, а растекается по поверхности пластины активатора конденсации и стекает с ее кромок в виде капель вдоль стенок рабочей камеры в ее объем, расположенный под пластиной активатора конденсации, вызывая интенсивную конденсацию пара.
При наилучшем осуществлении изобретения из-за наличия на верхней поверхности пластины активатора конденсации по ее контуру буртика растекающаяся по поверхности пластины активатора конденсации жидкость стекает в объем рабочей камеры, расположенный под пластиной активатора конденсации, не с ее кромок, а через выполненные в ней перфорационные отверстия. В результате этого капли жидкости падают вниз, проходя через достаточно значительный объем рабочей камеры, ограниченный стенками рабочей камеры и размерами стакана испарителя, что приводит к еще более интенсивной конденсации пара.
Более того, поскольку при наилучшем осуществлении изобретения датчик уровня жидкости рабочей камеры установлен не ниже входного отверстия нагнетательного патрубка, а входное отверстие нагнетательного патрубка расположено от дна рабочей камеры на расстоянии не менее 3 мм, после окончания стадии нагнетания на дне рабочей камеры остается слой жидкости высотой не менее 3 мм. При ударах в этот слой жидкости падающих сверху капель жидкости возникают брызги, которые приводят к еще более интенсивной конденсации пара в донной части рабочей камеры.
Далее вследствие снижения давления в рабочей камере из-за конденсации пара через полностью открытый прямой клапан всасывающего патрубка рабочая камера наполняется жидкостью. Когда уровень жидкости в рабочей камере поднимется до уровня кромок стакана испарителя, она начнет заполнять стакан через зазор между пластиной активатора конденсации и кромкой стакана испарителя. При этом, поскольку более нагретые слои жидкости находятся сверху, стакан испарителя заполнится жидкостью, нагретой в наибольшей степени, что в дальнейшем обеспечивает уменьшение времени нагрева жидкости в стакане испарителя до парообразования, сокращая длительность стадии нагнетания жидкости.
В результате этого время рабочего цикла насоса для жидкости существенно уменьшается. Как определили авторы настоящего изобретения при испытаниях созданного ими опытного образца насоса для жидкости, при тех же исходных данных, для которых выше были приведены сведения о параметрах ближайшего аналога, то есть при объеме рабочей камеры 6 л и подъеме жидкости, например, воды на высоту 8 м полный цикл работы этого насоса не превышает 2 минут.
Отмеченное свидетельствует о решении декларированной выше задачи настоящего изобретения благодаря наличию у насоса для жидкости перечисленных выше отличительных признаков.
На чертеже показан вертикальный разрез насоса для жидкости, где 1 - корпус, 2 - крышка, 3 - рабочая камера, 4 - всасывающий патрубок, 5 - нагнетательный патрубок, 6 - стакан, 7 - нагревательный элемент, 8 - дополнительный нагревательный элемент, 9 - пробка, 10 - прямой клапан, 11 - обратный клапан, 12 - датчик уровня жидкости рабочей камеры, 13 - датчик уровня жидкости испарителя, 14 - активатор конденсации, 15 - буртик, 16 - отверстия, 17 - электрод нагревателя, 18 - дополнительный датчик уровня жидкости испарителя и 19 - электрод датчика.
Насос для жидкости содержит корпус 1 из полимерного материала, например, цилиндрической формы с крышкой 2 из полимерного материала, в результате соединения которых образована герметичная рабочая камера 3. В выполненных в крышке 2 отверстиях установлены выполненные из полимерного материала всасывающий патрубок 4 и нагнетательный патрубок 5 соответственно снаружи и внутри рабочей камеры 3 с обеспечением герметичности их присоединения, причем входное отверстие нагнетательного патрубка 5 размещено в донной части корпуса 1 на расстоянии от дна рабочей камеры 3 не менее 3 мм. Всасывающий патрубок 4 и нагнетательный патрубок 5 снабжены соответственно прямым клапаном 10 и обратным клапаном 11. Кроме того, всасывающий патрубок 4 содержит пробку 9, герметично установленную в верхней его части с помощью резьбового соединения. Насос для жидкости снабжен датчиком 12 уровня жидкости рабочей камеры, который установлен на электроде 19 датчика, герметично закрепленном в крышке 2 с помощью изолятора (на чертеже не показан), и расположен не ниже входного отверстия нагнетательного патрубка 5 для предотвращения попадания пара в нагнетательный патрубок 5 при окончании стадии нагнетания жидкости из рабочей камеры 3. Установка датчика 12 уровня жидкости рабочей камеры выше входного отверстия нагнетательного патрубка 5 более, чем на 0,3 см, нецелесообразна, так как приводит к существенному снижению объема нагнетаемой жидкости.
Насос для жидкости также содержит испаритель, который выполнен из полимерного материала в виде полого открытого сверху стакана 6, имеющего, например, цилиндрическую форму и установленного в верхней части корпуса 1 на нагнетательном патрубке 5. Объем стакана 6 испарителя составляет около 10% от объема рабочей камеры 3. Испаритель содержит резистивный нагревательный элемент 7, который установлен в донной части стакана 6 на двух электродах 17 нагревателя, герметично закрепленных в крышке 2 с помощью изоляторов. В донной части стакана 6 установлен датчик 13 уровня жидкости испарителя, установленный на электроде 19 датчика, герметично закрепленном в крышке 2 с помощью изолятора (на чертеже не показан). Испаритель также содержит дополнительный нагревательный элемент 8, который установлен в верхней части стакана 6 на двух электродах 17 нагревателя, герметично закрепленных в крышке 2 с помощью изоляторов. В верхней части стакана 6 установлен дополнительный датчик 18 уровня жидкости испарителя, установленный на электроде 19 датчика, герметично закрепленном в крышке 2 с помощью изолятора (на чертеже не показан).
Датчик 12 уровня жидкости рабочей камеры, датчик 13 уровня жидкости испарителя и дополнительный датчик 18 уровня жидкости испарителя выполнены подобно датчикам, используемым в рассмотренных выше аналогах. Нагревательный элемент 7 и дополнительный нагревательный элемент 8 выполнены, например, из нихромовой проволоки диаметром 0,5 мм в виде спирали диаметром 5 мм при расстоянии между витками спирали, равном 2,5-3,0 мм.
Насос для жидкости снабжен активатором 14 конденсации в виде пластины, выполненной из полимерного материала и превышающей по своим размерам в плане размеры в плане стакана 6 испарителя. Пластина активатора 14 конденсации выполнена, например, в виде диска и горизонтально установлена на нагнетательном патрубке 5 над стаканом 6 испарителя ниже выходного отверстия всасывающего патрубка 4 с образованием зазора между ней и кромкой стакана 6 испарителя, равного, например, 0,5-2,0 мм. Диаметр пластины активатора 14 конденсации выбран таким, чтобы между стенками рабочей камеры 3 и пластиной активатора 14 конденсации оставался кольцевой зазор размером 1-5 мм. Так, например, при рабочей камере 3, имеющей диаметр 12 см и объем 6 л, диаметр пластины активатора 14 конденсации и диаметр стакана 6 испарителя составляют соответственно 11,5 см и 7 см. Периферийные участки пластины активатора 14 конденсации, расположенные снаружи по отношению к стенкам стакана 6 испарителя, перфорированы с образованием отверстий 16, имеющих диаметр, например, 1-2 мм, а на верхней поверхности пластины активатора 14 конденсации по ее контуру выполнен кольцевой буртик 15.
Два электрода 17 нагревателя нагревательного элемента 7 и два электрода 17 нагревателя дополнительного нагревательного элемента 8 подключены к источнику электропитания (на чертеже не показан), причем один из каждой этих пар электродов 17 нагревателя подключен к источнику электропитания через коммутирующее устройство (на чертеже не показано). Электроды 19 датчика 12 уровня жидкости рабочей камеры и датчика 13 уровня жидкости испарителя подключены к управляющим входам коммутирующего устройства (на чертеже не показано). В результате этого обеспечивается возможность отключения нагревательного элемента 7 от источника электропитания (при завершении стадии нагнетания) коммутирующим устройством по сигналу с датчика 12 уровня жидкости рабочей камеры, когда в результате нагнетания жидкости ее уровень в рабочей камере 3 понизится до заданного значения, а также подключения нагревательного элемента 7 к источнику электропитания (при начале стадии нагнетания) коммутирующим устройством по сигналу с датчика 13 уровня жидкости испарителя, когда уровень жидкости в стакане 6 испарителя поднимется выше нагревательного элемента 7. Кроме того, электрод 19 дополнительного датчика 18 уровня жидкости испарителя подключен к управляющему входу коммутирующего устройства (на чертеже не показано), что обеспечивает возможность отключения от источника электропитания (на чертеже не показан) дополнительного нагревательного элемента 8, когда в результате парообразования уровень жидкости в стакане 6 испарителя опустится ниже уровня, на котором расположен дополнительный нагревательный элемент 8, а также подключения дополнительного нагревательного элемента 8 к источнику электропитания при начале стадии нагнетания после очередного наполнения жидкостью стакана 6 испарителя.
Насос для жидкости работает следующим образом.
Перед включением насоса для жидкости трубу всасывающего патрубка 4 опускают в перекачиваемую жидкость. Вывинчивают из всасывающего патрубка 4 пробку 9, заполняют через образовавшееся отверстие рабочую камеру 3, стакан 6 испарителя и всасывающий патрубок 4 жидкостью и затем ввинчивают пробку 9.
При подключении электродов 17 через коммутирующее устройство к источнику электропитания (на чертеже не показаны) через нагревательный элемент 7 и дополнительный нагревательный элемент 8 протекают электрические токи, нагревающие нагревательный элемент 7 и дополнительный нагревательный элемент 8. Нагревательный элемент 7 и дополнительный нагревательный элемент 8 нагревают жидкость, находящуюся в стакане 6 испарителя. Поскольку более нагретые слои жидкости всегда находятся сверху, то из-за наличия дополнительного нагревательного элемента 8, расположенного в верхней части стакана 6 испарителя, процесс парообразования в верхнем слое жидкости, находящейся в стакане 6 испарителя, начинается быстрее. Поскольку прямой клапан 10 всасывающего патрубка 4 закрыт, в результате образования пара давление в рабочей камере 3 повышается, открывается обратный клапан 11 нагнетательного патрубка 5 и под действием давления пара жидкость начинает вытесняться из рабочей камеры 3 через нагнетательный патрубок 5 потребителю.
Когда в результате парообразования уровень жидкости в стакане 6 испарителя понизится ниже уровня расположения дополнительного датчика 18 уровня жидкости испарителя, по сигналу с последнего коммутирующее устройство отключает от источника электропитания (на чертеже не показаны) дополнительный нагревательный элемент 8. Далее нагрев воды в стакане 6 испарителя для образования пара осуществляет только нагревательный элемент 7.
При понижении уровня жидкости в рабочей камере 3 в результате ее вытеснения через нагнетательный патрубок 5 по сигналу с датчика 12 уровня жидкости рабочей камеры коммутирующее устройство отключает от источника электропитания (на чертеже не показаны) нагревательный элемент 7, который благодаря своим свойствам быстро остывает. На этом стадия нагнетания жидкости заканчивается.
В результате начала конденсации пара давление в рабочей камере 3 незначительно понижается, обратный клапан 11 нагнетательного патрубка 5 призакрывается и приоткрывается прямой клапан 10 всасывающего патрубка 4. В результате этого сначала совсем незначительное количество холодной жидкости из всасывающего патрубка 4 поступает в рабочую камеру 3 сверху, но не попадает в стакан 6 испарителя непосредственно, а растекается по поверхности пластины активатора 14 конденсации. При этом буртик 15 препятствует отеканию жидкости с кромок пластины активатора 14 конденсации вдоль стенок рабочей камеры 3 в ее объем, расположенный под пластиной активатора 14 конденсации. Растекающаяся по поверхности пластины активатора 14 конденсации жидкость стекает в объем рабочей камеры 3, расположенный под пластиной активатора 14 конденсации через выполненные в ней отверстия 16. В результате этого капли жидкости падают вниз в достаточно значительном объеме рабочей камеры 3, ограниченном стенками рабочей камеры 3 и размерами стакана 6 испарителя, что приводит к еще более интенсивной конденсации пара. Более того, поскольку датчик 12 уровня жидкости рабочей камеры установлен не ниже входного отверстия нагнетательного патрубка 5, а входное отверстие нагнетательного патрубка 5 расположено от дна рабочей камеры 3 на расстоянии не менее 3 мм, после окончания стадии нагнетания на дне рабочей камеры 3 остается слой жидкости высотой не менее 3 мм. При ударах в этот слой жидкости падающих сверху капель жидкости возникают брызги, которые приводят к еще более интенсивной конденсации пара в донной части рабочей камеры 3.
Далее вследствие снижения давления в рабочей камере 3 из-за конденсации пара обратный клапан 11 нагнетательного патрубка 5 окончательно закрывается и через полностью открытый прямой клапан 10 всасывающего патрубка 4 рабочая камера 3 наполняется жидкостью. Когда уровень жидкости в рабочей камере 3 поднимется до уровня кромок стакана 6 испарителя, она начнет заполнять стакан 6 испарителя через зазор между пластиной активатора 14 конденсации и кромкой стакана 6 испарителя. При этом, поскольку более нагретые слои жидкости находятся сверху, стакан 6 испарителя заполнится жидкостью, нагретой в наибольшей степени, что в дальнейшем обеспечивает уменьшение времени нагрева жидкости в стакане 6 испарителя до парообразования, сокращая длительность стадии нагнетания жидкости.
Когда в результате наполнения жидкостью рабочей камеры 3 и стакана 6 испарителя все три датчика (датчик 12 уровня жидкости рабочей камеры, датчик 13 уровня жидкости испарителя и дополнительный датчик 18 уровня жидкости испарителя) станут контактировать с жидкостью, коммутирующее устройство вновь подключит электроды 17 нагревателя нагревательного элемента 7 и дополнительного нагревательного элемента 8 к источнику электропитания (на чертеже не показан), чем обеспечивается очередной цикл нагревания жидкости, ее парообразования и начало очередной стадии нагнетания.
Таким образом, изобретение обеспечивает повышение производительности насоса для жидкости.