СМЕСИТЕЛЬ ГАЗОВ
GAS MIXER

Смеситель газов предназначен для получения смеси нескольких газов, используемой в качестве защитной среды в процессах сварки, в качестве дыхательной смеси в условиях погружения на большие глубины или других условиях, связанных с необходимостью изменения состава газовой смеси в процессе работы.
В настоящий момент существует большое количество смесителей, которые имеют в своем составе анализаторы расхода, давления и концентрации газов (патент DE 10125863 A1, МПК B01F 3/02 от 28.11.2002 и FR 2810260 A1, МПК B01F 3/02 от 21.12.2001), а также ресиверы для выравнивания расхода и давления (патент JP 3241627B2, МПК B01F 3/02 от 25.12.2001). Полученные анализаторами данные используются для регулирования параметров процесса смешивания, таких как расход, давление и концентрация компонентов в газовой смеси.
Недостаток подобных смесителей состоит в том, что, во-первых, они обладают большими габаритами, во-вторых, большой постоянной времени регулирования и невысокой точностью регулирования, что не обеспечивает постоянство заданной концентрации компонентов газовой смеси во времени и, как следствие, в сварочном производстве, неудовлетворительно сказывается на химическом составе шва и его свойствах.
Существуют смесители, предназначенные для конкретных целей, которые имеют малые габариты, но при этом весьма упрощенный вариант регулирования, не позволяющий достигнуть должных результатов. Одним их таких является универсальный газовый смеситель УГС-1, изготовляемый на Барнаульском аппаратурно-механическом заводе и предназначенный для создания бинарных газовых смесей для сварочного производства (фигура 1).
2
2
2
Принцип работы смесителя следующий: задающий газ под давлением 1 кгс/см, подведенный к штуцеру 2 по каналам в нижнем корпусе смесителя, проходит в камеру равного давления Г и дросселю 9, откуда, дросселируя, поступает в камеру смешения В. Одновременно, давлением задающего газа в камере равного давления Г мембрана 3 прогибается в сторону камеры Б и через толкатель 4 открывает редуцирующий клапан. Основной газ (под давлением 3 кгс/см), подведенный к штуцеру 1, через зазор между редуцирующим клапаном 5 и его седлом 6 поступает в камеру Б и, уравновешиваясь давлением в камере Г, становится равным в этой камере 1 кгс/см. Из камеры Б основной газ через соединительную трубку 7 поступает к дросселю 8, откуда в смесительную камеру В, где, смешиваясь с газом, поступающим через штуцер 2 («задающий газ»), подается через штуцер 10 в качестве двухкомпонентной смеси потребителю.
Недостатком смесителя является то, что компоненты газовой смеси подаются через дросселирующие отверстия с разными размерами, поэтому зависимость расхода компонентов от перепада давления будет иметь для отверстий различные кривые графика.
1
2
На фигуре 2 представлен общий график зависимости расхода Q от перепада давления Δр. Для отверстий малых размеров d график имеет более крутое восхождение, чем для больших отверстий d. Установить точное соотношение расходов можно только при определенном перепаде давления. В тоже время на производстве величина давления в подводящих магистралях в течение рабочей смены изменяется, поэтому точность дозирования компонентов смеси нарушается даже при наличии газового редуктора, который имеет свой порог чувствительности регулирования.
Также недостатком является конструкция редуцирующего клапана и седла, исключающая возможность широкого регулирования расхода основного газ в смеси.
Техническим результатом является устранение указанных недостатков прототипа, то есть повышение точности регулирования дозирования компонентов и увеличение диапазона регулирования расхода, при сохранении небольших габаритов, а также расширение технологических возможностей за счет увеличения смешиваемых компонентов, т.е. создание полигазовой смеси. Технический результат достигается тем, что предлагаемый смеситель состоит из нескольких блоков, в каждом из которых происходит смешивание двух компонентов газовой смеси. На фигуре 3 представлен один из блоков смесителя. Регуляторы расхода 8, установленные в корпусе смесителя, связаны общим рычагом 9, при повороте которого в одну сторону седла 5, в корпусе регулятора приближаются друг к другу, а при повороте в противоположную сторону - удаляются. При сближении штоки регуляторов 3 упираются в жесткие пластины на мягкой диафрагме 6, установленной в переборке 10, герметично разделяющей камеры дозирования 1. Упираясь в пластины, штоки открывают подпружиненные клапаны 4, и газы начинают поступать в камеры дозирования. Таким образом, каждый из двух газов поступает в свою камеру дозирования через свой регулятор расхода.
Точность регулирования расхода газа и его диапазон зависит от отношения площади зазора Sк между клапаном 4 и седлом 5 к площади зазора Sш между отверстием в седле 5 и штоком 3: регулирование возможно при условии, что Sк<Sш. В случае увеличения площади зазора Sк диапазон расхода газа растет, в случае ее уменьшения - сокращается. Как только Sк становится равным Sш и их отношение равняется 1, процесс регулирования диапазона расхода газа заканчивается. Дальнейшее увеличение Sк при постоянном значении Sш не приведет к увеличению расхода газа.
Регулирование расхода осуществляется с помощью того же рычага 9. При дальнейшем сближении регуляторов увеличивается площадь зазора между клапаном и седлом и, как следствие, расход газа, а при отдалении регуляторов расход уменьшается.
Компоненты смеси из камер дозирования имеют выход в камеру смешивания 2 через общую подвижную относительно камер дозирования стенку 7, выполненную из чередующихся между собой металлических и резиновых пластин, в которых просверлены отверстия. Отверстия расположены соосно, имеют одинаковую форму, но их размеры у резиновых пластин больше, чем у металлических (фигура 4). При прохождении газа через систему отверстий возникает сопротивление известное как «лабиринтное уплотнение»: газ перетекает через преграды (металлические пластины) в широкие емкости (отверстия в резиновых пластинах), из-за чего возрастает аэродинамическое сопротивление и газ теряет избыточную энергию, повышая, тем самым, точность дозирования компонентов.
Величина давления, которая устанавливается в камере, зависит от квадрата скорости перетекания газа через отверстия.
Величина перепада давления определяется как
где ζ - безразмерный коэффициент местного сопротивления;
ρ - плотность газа;
V - средняя скорость перетекания газа через отверстие.
При одинаковых отверстиях коэффициент местного сопротивления ζ будет одинаковым, и поэтому величина полного давления в каждой камере будет определяться скоростью перетекания газа V через одно отверстие.
Для постоянства процентного содержания газов в смеси необходимо поддерживать равенство скоростей перетекания газов через отверстие. Поддержание равенства осуществляется по следующему принципу. Если в одной из камер дозирования 1 скорость перетекания газа будет возрастать, то общее давление в камере увеличится, что приведет к перемещению диафрагмы в сторону противоположной камеры. Одновременно с этим регулятор расхода в камере с большим давлением сократит зазор между клапаном и седлом, и расход газа уменьшится. В тоже время под давлением диафрагмы 6 зазор между клапаном и седлом регулятора в камере с меньшим давлением увеличится и в камеру начнет поступать большее количество газа, до тех пор пока не выровняются величины давлений и скорости перетекания газов через отверстия в обеих камерах.
Таким образом, обеспечивается автоматическое поддержание заданной концентрации компонентов смеси, которая зависит от количества открытых в камеру смешивания отверстий, а это количество регулируется перемещением стенки относительно камер дозирования и разделяющей их переборки, что возможно без прекращения работы смесителя.
Отличие плотностей и вязкостей газов и изменение в связи с этим их скорости перетекания может быть учтено расчетным путем и последующей корректировкой состава смеси или количества открытых отверстий.
При необходимости иметь смесь из более чем двух компонентов, к существующему блоку, в который входят два регулятора расхода, две камеры дозирования и одна камера смешивания, добавляют второй, третий и т.д. блок, в котором в качестве первого газа используется смесь предыдущего блока и добавляется новый (третий, четвертый и т.д.) газ. Таким образом, можно создать не только бинарную, но и полигазовую смесь.