Устройство для непрерывной вытеснительной подачи жидкости из накопительных емкостей

 

Изобретение относится к установкам для подачи и перекачки жидкостей, включая и криогенные, и может быть использовано в газовой, химической, криогенной и других отраслях промышленности, использующих жидкости и газы под давлением. Устройство состоит из двух емкостей-накопителей, уравновешенных на плечах коромысла, качающегося на оси, закрепленной на неподвижной опоре. Коромысло взаимодействует в крайних положениях с упорами и фиксаторами. Для переключения режимов работы устройство снабжено двумя регуляторами расхода, обратными клапанами и клапанами с механическим приводом, приводимым в действие коромыслом. При выдаче сжатого газа потребителю для газификации криогенной жидкости емкости-накопители оборудованы тепловой изоляцией, а на выходе из устройства включен криогенный испаритель. Рабочая жидкость подается под избыточным давлением на вход устройства. Для наддува емкостей используется источник сжатого газа. Во время заправки жидкостью одной из емкостей-накопителей из второй емкости жидкость вытесняется потребителю давлением сжатого газа. При этом коромысло удерживается в крайнем положении фиксатором. После окончания заправки и опорожнения емкостей-накопителей фиксатор позволяет коромыслу наклониться в противоположное крайнее положение, где оно снова временно фиксируется. Регуляторы расхода уравнивают скорости заправки и опорожнения емкостей-накопителей. В варианте работы с криогенным испарителем последний используется для наддува емкостей-накопителей, жидкость из которых стекает в испаритель самотеком. Таким образом, закрепление емкостей на концах коромысла позволяет повысить надежность в работе устройства и упростить его конструкцию по сравнению с прототипом, так как при этом исключается узел уплотнения штанг, размещенных в горловинах емкостей, и поплавки. Кроме того, устройство обеспечивает автоматическую регулировку режимов выдачи рабочей жидкости потребителю и заправку жидкостью другой емкости при изменении режима потребления рабочей жидкости. 6 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к установкам для подачи и перекачки жидкостей, включая и криогенные, и может быть использовано в газовой, химической, криогенной и других отраслях промышленности, использующих жидкости и газы под давлением.

Известно устройство для непрерывной вытеснительной подачи жидкости из накопительных емкостей, содержащее две накопительные емкости, коромысло, с которым взаимодействуют средства принудительного переключения подачи и сброса давления газа из емкостей, систему трубопроводов с арматурой для автоматического переключения на заправку емкости и выдачу из них жидкости потребителю, при этом на выходе трубопровода выдачи жидкости потребителю установлен регулятор расхода с отрицательной обратной связью по давлению после регулятора (см. патент РФ 2126940, МКИ 6 F 25 J 3/00, F 17 D 3/00, 1999).

Основной недостаток известного устройства заключается в низкой надежности его работы, которая связана с его конструкцией.

Одним из основных узлов устройства является узел соединения коромысла посредством штанг с поплавками, размещенными в накопительных емкостях, который должен обеспечить подвижность штанг в горловинах емкостей и их герметичность. Однако обеспечить их подвижность в горловинах емкостей при высокой степени герметичности уплотнений при криогенных температурах очень сложно. Кроме того, при этом снижается безопасность работы установки на пожаро- и взрывоопасных криогенных жидкостях, таких как жидкий кислород. Кроме того, очень сложно технологически ввести внутрь емкостей вышеупомянутые поплавки.

Ввод поплавков в емкости приводит к снижению полезного объема последних и как следствие к снижению производительности установки за один цикл заправки емкостей сжиженным газом.

Поскольку развиваемое поплавком усилие недостаточно для прямого действия рычажного переключателя исполнительной арматуры, то требуется применение управляющего давления газа для привода трехходовых клапанов. Использование устройства для выдачи из емкостей жидкого кислорода вызывает необходимость применения в качестве газа, управляющего трехходовыми клапанами, газообразного азота, что также приводит к усложнению устройства и снижению надежности его работы. Кроме того, усложняется работа устройства при изменении потребителем расхода газа из испарителя, так как нарушаются скорости заправки одной емкости сжиженным газом и выдачи сжиженного газа из другой вследствие изменения противодавления за испарителем.

Техническая задача, решаемая изобретением, заключается в повышении надежности работы устройства и упрощении его конструкции.

Это достигается тем, что в устройстве для непрерывной вытеснительной подачи жидкости из накопительных емкостей, содержащем две накопительные емкости, коромысло, с которым взаимодействуют средства принудительного переключения подачи и сброса давления газа из емкостей, систему трубопроводов с арматурой для автоматического переключения на заправку емкостей и выдачу из них жидкости потребителю, при этом на выходе трубопровода подачи жидкости потребителю установлен регулятор расхода, согласно изобретению емкости вертикально закреплены на концах коромысла, которое снабжено узлом его фиксации при достижении одной емкостью нижнего положения, а другой - верхнего, при этом конечные участки трубопроводов заправки емкостей рабочей жидкостью и выдачи ее потребителю, подачи и сброса газа наддува из емкостей выполнены гибкими.

Узел фиксации закреплен на оси вращения коромысла и выполнен в виде кругового сектора, на периферии которого выполнены две впадины, с каждой из которых поочередно взаимодействует фиксатор, выполненный в виде подпружиненного шарика с приспособлением для изменения усилия его поджатия в виде винтового стержня.

При этом на внешней поверхности кругового сектора снаружи каждой впадины установлены упоры-ограничители угла поворота коромысла.

По другому варианту узел фиксации выполнен в виде рычага-фиксатора, одним концом связанного с коромыслом напротив оси вращения, а другим - шарнирно соединен с подпружиненной опорой, взаимодействующей с приспособлением для изменения усилия ее поджатия в виде винтового стержня.

Устройство снабжено вторым регулятором расхода, установленным на линии заправки жидкости в накопительные емкости, при этом второй регулятор имеет отрицательную обратную связь по давлению на выходе первого регулятора расхода.

При закреплении емкостей днищами на концах коромысла внутри каждой емкости установлен вертикально трубопровод с открытым верхним концом, нижний конец которого соединен с линиями наддува-дренажа газа и размещен в горловине емкости.

При использовании устройства для выдачи потребителю сжатого газа на выходе трубопровода выдачи жидкости потребителю за первым регулятором установлен испаритель, при этом линия наддува накопительных емкостей сообщена с выходом испарителя.

На фиг.1 изображена пневмогидравлическая схема устройства для регулирования подачи и выдачи газа из накопительных емкостей; на фиг.2 - второй вариант узла фиксации коромысла в увеличенном масштабе; на фиг.3 схематично изображен клапан прямого действия с тягой для механического открытия.

Устройство содержит коромысло 1 с горизонтальной осью вращения, закрепленной в подшипниках качения неподвижной фундаментной стойки 3. На концах коромысла 1 вертикально закреплены накопительные емкости 6 и 7, например, днищами с помощью цилиндрических или сферических шарниров. Емкости 6 и 7 взаимно уравновешены. Горловины емкостей 6 и 7 направлены вниз.

Устройство содержит систему заправки емкостей 6 и 7 жидкостью, состоящую из трубопроводов 20 и 21 и арматуры 23 и 25 соответственно для автоматической заправки (арматура выполнена в виде обратных клапанов). На линии подвода жидкости установлен регулятор расхода 24 с отрицательной обратной связью по давлению на выходе трубопровода выдачи жидкости 28 из устройства к потребителю. Система выдачи жидкости из емкостей потребителю состоит из трубопроводов 27 и 28 с обратными клапанами 22 и 26 соответственно. На трубопроводе 28 жидкости к потребителю установлен регулятор 29 расхода жидкости. Конечные участки 19 трубопроводов 20,27 выполнены гибкими. Это обеспечивает работоспособность устройства при опускании и подъеме емкостей 6 и 7.

Внутри емкостей 6 и 7 вертикально установлены трубопроводы 17 и 18 с открытыми концами вверху, а нижние концы соединены с системой наддува-дренажа емкостей 6 и 7. Трубопроводы 17 и 18 обеспечивают дренирование и подачу газа внутрь емкостей, имеющих одну нижнюю горловину и заполненных жидкостью. Для проточных емкостей, имеющих две горловины, трубопроводы 17 и 18 не требуются, наддув жидкости в проточных емкостях-накопителях производят через верхние горловины. На линиях наддува-дренажа емкостей 6 и 7 установлены спаренные газовые клапаны 12,13 и 14,15, штоки которых попарно соединены тягами 8 и 10 с коромыслом 1. Коромысло 1 снабжено узлом фиксации (первый вариант на фиг.1), выполненным в виде кругового сектора 5, закрепленного на оси вращения коромысла 1, на периферии которого выполнены две впадины 2, с которыми в процессе работы устройства поочередно взаимодействует подпружиненный шарик 4, размещенный вместе с пружиной в корпусе 11. Для изменения усилия поджатия шарика 4 узел снабжен приспособлением в виде винтового стержня 16. Для ограничения угла поворота сектора 5 на его торце снаружи впадин 2 установлены упоры 9, взаимодействующие с корпусом 11.

Во втором варианте (см. фиг.2) узел фиксации выполнен в виде рычага-фиксатора 32, одним концом шарнирно соединенным с коромыслом 1 напротив оси его вращения, а другим - шарнирно с подпружиненной опорой 33, размещенной в корпусе 11. Опора 33 снабжена приспособлением 16 для изменения усилия прижатия. Для ограничения угла поворота коромысла 1 на стойке 3 выполнены упоры 31.

Назначение узла фиксации - обеспечить удержание коромысла 1 в положении, когда опорожняемая емкость с рабочей жидкостью находится в нижнем положении, а заполняемая емкость - в верхнем, при этом фиксатор работает в режиме триггера. В момент окончания заправки рабочей жидкостью одной емкости и выдачи рабочей жидкости из другой емкости-накопителя на коромысле 1 создается крутящий момент, определяемый разностью их весов на коромысле 1, достигающий критической величины. Шарик 4 узла фиксации (фиг.1) под действием критической величины крутящего момента утапливается в корпус 11, и коромысло 1 наклоняется в противоположную сторону до упора 9, при этом шарик 4 входит в другую впадину кругового сектора и коромысло 1 фиксируется. По мере роста крутящего момента противоположного направления от заправки порожней емкости он снова достигает критической величины, фиксатор срабатывает аналогично и коромысло 1 переходит в первоначальное, устойчивое положение.

По другому варианту (фиг. 2), под действием критической величины крутящего момента подпружиненная опора 33 преодолевает усилие пружины и утапливается в корпусе 11. Шарнирно соединенный с опорой 33 рычаг 32 поворачивается, освобождая коромысло 1. Коромысло 1 наклоняется в сторону более тяжелой, заправленной жидкостью емкости до упора 31. В новом положении коромысло 1 снова фиксируется рычагом 32, поджимаемым подпружиненной опорой 33.

Назначение коромысла 1 - переключение клапанов 12,13 и 14,15 в моменты окончания заполнения одной и опорожнения другой емкости-накопителя. Порядок переключения клапанов 12,13 и 14,15 при повороте коромысла 1 исключает возникновение нерасчетных режимов наддува и дренирования емкостей-накопителей. В момент прохождения коромысла 1 через горизонтальное положение два ранее открытых клапана должны закрываться, а затем, после дальнейшего наклона коромысла в сторону наполненной емкости-накопителя - начинают открываться другие два клапана, ранее закрытые. Такой порядок переключения клапанов обеспечивается настройкой регулируемой длины тяг 8 и 10 и штоков клапанов 12-15 (см. фиг.3).

Назначение пружин 38 в клапанах 12,13 и 14,15 - обеспечение герметичного закрытия клапанов. При работе устройства пружины двух закрывающихся клапанов в момент закрытия последних прекращают взаимодействовать с коромыслом 1, и оно продолжает свободно наклоняться в сторону заполненной емкости-накопителя. Пружины двух открывшихся клапанов сжимаются, и через тяги 8 и 10 передают усилия сжатия коромыслу 1. Это обеспечено конструкцией тяг 8 и 10, которые имеют свободный ход на сжатие, и передают между клапанами и коромыслом только растягивающие усилия. Наиболее простой пример надежной конструкции тяг-гибкие стальные тросы регулируемой длины или раздвижная конструкция с регулируемым ограничителем хода. Пример возможной конструкции клапана с пружиной и тягой для его открытия приведен на фиг.3. Клапан состоит из корпуса 39, корпуса привода 36, возвратной пружины 37 и штока 35, на котором укреплен уплотняющий элемент 40. При открытом положении клапана возвратная пружина 37 находится в сжатом состоянии между крышкой корпуса 36 и круговым выступом на штоке 35. Корпус клапана крепится к неподвижной опоре устройства с помощью хомута 38. Шток клапана 35 подвижно соединен с траверсой 34, воздействующей одновременно на штоки 35 двух спаренных клапанов (второй клапан на фиг.3 условно не показан). Траверса 34 подвижно соединена с помощью тяги 10(8) с коромыслом 1 устройства. Соединение траверсы 34 с тягой 10(8) позволяет тяге 10(8) после закрытия клапана 40 свободно продвигаться через втулку траверсы 34 вниз (см. позиции 10 и 34, изображенные пунктиром). При наклоне коромысла 1 устройства под действием более тяжелой заполненной емкости-накопителя тяга 8 перемещается вниз. При этом связанная с тягой 8 траверса 34 и шток 35 также опускаются до закрытия клапана под действием возвратной пружины 37, после чего шток 35 клапана останавливается. Перемещение тяги 8 вниз при дальнейшем наклоне коромысла устройства происходит за счет свободного скольжения тяги 8 во втулке траверсы 34 без силовых воздействий на клапан.

Второе плечо коромысла 1 устройства (см. фиг.1) обеспечивает в это время подъем противоположной тяги 10 и открытие двух других клапанов 14 и 15, возвратные пружины которых при этом сжимаются. Устройство спроектировано таким образом, чтобы поворот коромысла 1 от одного крайнего положения до второго происходил на относительно малый угол, порядка 20...30 градусов, и вследствие этого линейные перемещения по вертикали обеих накопительных емкостей были бы невелики. Углы поворота коромысла 1 и линейные перемещения накопительных емкостей 6 и 7, тяг 8 и 10 назначаются достаточными для надежного переключения клапанов 12,13,14 и 15, и вместе с этим минимально необходимыми. За счет энергии опускания более тяжелой заполненной емкости совершается работа сжатия силовых возвратных пружин в двух спаренных клапанах прямого действия 12 и 13 или 14 и 15, которые при этом открываются. Возвратные пружины двух открывающихся клапанов играют роль демпферов, поскольку работа сжатия возвратных пружин совершается за счет потенциальной энергии опускающейся, наполненной рабочей жидкостью емкости-накопителя. При этом происходит плавное торможение коромысла 1 и безударная работа всего устройства.

Назначение регулятора расхода 24 - подстройка скорости заправки емкостей-накопителей 6 и 7 в случае изменения потребления жидкости потребителем. Регулятор 24 имеет ручную предварительную настройку расхода жидкости.

Регулятор расхода 29 обеспечивает подстройку скорости опорожнения емкостей -накопителей в случае изменения потребления жидкости потребителем. Регулятор 29 также имеет ручную предварительную настройку расхода рабочей жидкости.

На выходе из устройства установлен ручной запорный орган 30, обеспечивающий прекращение выдачи жидкости из устройства потребителю.

Регуляторы расхода 24 и 29 имеют ручки для начальной настройки.

Исходное состояние элементов устройства.

Емкости 6 и 7 пустые и находятся в положении, которое изображено на фиг. 1.

Линии подачи к устройству рабочей жидкости и газа наддува емкостей 6 и 7 соединены с соответствующими источниками (на чертеже фиг.1 условно не показаны). В качестве источника газа наддува возможно использование газовой баллонной батареи соответствующего давления. Ручной вентиль 30 выдачи газа из испарителя закрыт.

Винтовые стержни 16 настраивают фиксатор (в варианте с рычажным фиксатором - подпружиненную опору 33 с рычагом 32 на фиг.2) на критический крутящий момент (зависящий от полости рабочей жидкости), равный произведению разности весов полной и пустой емкостей на одно плечо коромысла, и вызывающий преодоление усилия удержания коромысла 1 в каждом из устойчивых положений.

Предварительно настраивают оба регулятора - 24 и 29 на номинальную скорость потребления жидкости потребителем.

Поднятая емкость 6 вверх посредством коромысла 1 и тяг 8,10 клапанами прямого действия 13 (открыт) и 14 (закрыт), а опущенная вниз емкость 7 соответственно клапанами 12 (открыт) и 15 (закрыт) подключены к системам наддува и дренажа (на чертеже условно не показаны). Фиксатор удерживает коромысло 1 с емкостями 6 и 7 в этом положении (см.фиг.1).

В варианте применения устройства для газификации криогенных жидкостей в трубопровод выдачи жидкости потребителю 28 на выходе из регулятора 29 устанавливают криогенный испаритель 42 (обратная отрицательная связь регулятора 24 осуществляется по давлению в испарителе 42) (см. фиг.1). При этом потребитель получает выходящий из испарителя 42 газ высокого давления (устройство работает в режиме прототипа). Линия выдачи газа 41 из испарителя 42 сообщается со входом системы наддува накопительных емкостей (на фиг.1 она изображена пунктиром) и обеспечивает уравнивание давления в испарителе 42 и в газовых подушках емкостей-накопителей 6 и 7. Подача криогенной жидкости в накопительные емкости 6 и 7 происходит под действием избыточного давления в источнике подачи криогенной жидкости (на фиг.1 источник подачи криогенной жидкости условно не показан). Подача криогенной жидкости из накопительных емкостей 6 и 7 в испаритель 42 происходит самотеком - под действием разности гидростатических уровней жидкости в накопительных емкостях 6 и 7 и в испарителе 42. Для обеспечения подачи криогенной жидкости самотеком в криогенный испаритель 42 последний размещают ниже гидростатического уровня емкостей 6 и 7.

Устройство работает следующим образом.

При подаче на вход регулятора 24 установки жидкости под избыточным давлением начинается заправка поднятой вверх емкости-накопителя 6. Под действием веса заливаемой в верхнюю емкость 6 жидкости возрастает крутящий момент, приложенный к коромыслу 1. Подпружиненный шарик 4 (или рычаг 32 на фиг.2) не позволяет коромыслу 1 наклониться в сторону более тяжелой емкости до тех пор, пока не будет достигнута величина критического крутящего момента, переводящего коромысло 1 во второе устойчивое положение (опрокидывающего триггер). При этом значении крутящего момента шарик 4, взаимодействующий с впадиной 2 на круговом сектор 5 коромысла 1, преодолевает усилие пружины и утапливается в цилиндре корпуса 11. Коромысло 1 начинает наклоняться в сторону опускающейся полной емкости. В варианте устройства с рычажным фиксатором (фиг. 2) в момент достижения критической величины крутящего момента внутрь корпуса 11 утапливается подвижная подпружиненная опора 33 рычага 32, что вызывает его поворот вокруг шарнира опоры 33 одновременно с коромыслом 1. Под действием большего веса заправленной емкости коромысло 1 наклоняется в сторону заполненной емкости 6 до упора 31 и запирания рычага 32 во втором устойчивом положении. Заполненная емкость-накопитель 6 при этом опускается вниз, а пустая емкость-накопитель 7 поднимается вверх.

Ручной вентиль 30 выдачи газа из испарителя открывается оператором.

Наклоняющееся коромысло 1 воздействует через тяги 8 и 10 на клапаны прямого действия 12 и 13 (закрываются), 14 и 15 (открываются), которые устанавливают для поднявшейся вверх емкости 7 режим заправки, и для опустившейся вниз емкости 6 - режим опорожнения. Обратные клапаны 23 и 26 закрываются, а клапаны 22 и 25 - открываются под действием перепада давлений жидкости. Начинается заправка емкости 7 рабочей жидкостью и одновременно начинается слив жидкости из емкости 6 потребителю. По мере опорожнения емкости 6 и заправки жидкостью емкости 7 возрастает крутящий момент, приложенный со стороны емкостей к коромыслу 1. При достижении критического значения крутящего момента произойдет срабатывание фиксатора, который освободит коромысло 1, и оно, наклоняясь в сторону более тяжелой емкости 7, вызовет ее опускание и переключение режима заправки емкости 7 на слив потребителю, а режим опорожнения поднятой при этом вверх емкости 6 сменится на заправку. Устройство завершило рабочий цикл и вернулось в исходное положение. В дальнейшем циклы заправки и опорожнения емкостей 6 и 7 повторяются.

Режим слива жидкости из заполненной емкости определяется скоростью потребления жидкости потребителем. В случае постоянной скорости потребления режим опорожнения емкости остается также постоянным, и устройство продолжает нормально функционировать. Для предотвращения непроизводительных потерь рабочей жидкости или ее неравномерной подачи потребителю необходимо обеспечить равенство скоростей заправки пустой емкости и опорожнения полной емкости.

При изменении расхода рабочей жидкости потребителем возможны два варианта: 1. Расход жидкости к потребителю возрастает относительно расхода, настроенного регулятором 24 до начала работы.

2. Расход жидкости к потребителю сокращается или прекращается полностью.

При изменениях скорости потребления рабочей жидкости и вызванных этим изменением давления в магистрали 28 потребителя оба регулятора 24 и 29 работают синхронно и уравнивают скорости заправки и опорожнения емкостей-накопителей 6 и 7. Таким образом, скорости заправки накопительных емкостей и подачи жидкости потребителю останутся равными.

При уменьшении скорости потребления жидкости или при полном прекращении ее отбора с помощью регуляторов 24 и 29 синхронно уменьшают или прекращают расход жидкости, что также выравнивает скорости заправки и опорожнения емкостей-накопителей 6 и 7 вплоть до полной остановки работы установки.

При выдаче потребителю сжатого газа через испаритель 42 процесс регулирования скорости выдачи сжатого газа и жидкости на заправку при изменении режима потребления сжатого газа осуществляется аналогично, но по давлению в испарителе.

Таким образом, закрепление емкости на концах коромысла позволяет повысить надежность работы устройства и упростить его конструкцию по сравнению с прототипом, так как при этом исключается узел уплотнения штанг, размещенных в горловинах емкостей, и поплавки. Кроме того, устройство обеспечивает регулировку режимов выдачи рабочей жидкости из одной емкости потребителю и заправку жидкостью другой емкости при изменении режима потребления рабочей жидкости.

Формула изобретения

1. Устройство для непрерывной вытеснительной подачи жидкости из накопительных емкостей, содержащее две накопительные емкости, коромысло, с которым взаимодействуют средства принудительного переключения подачи и сброса давления вытесняющего газа из емкостей, систему трубопроводов с арматурой для автоматического переключения на заправку емкостей и выдачу из них рабочей жидкости потребителю, при этом на выходе трубопровода выдачи жидкости потребителю установлен регулятор расхода, отличающееся тем, что емкости закреплены на концах коромысла, которое снабжено узлом его фиксации при достижении одной емкостью нижнего положения, а второй емкостью - верхнего, при этом конечные участки трубопроводов заправки емкостей жидкостью и выдачи его потребителю, подачи и сброса газа из емкостей выполнены гибкими.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что узел фиксации выполнен в виде кругового сектора, закрепленного на оси вращения коромысла, на периферии которого выполнены две впадины, с каждой из которых поочередно взаимодействует фиксатор, выполненный в виде подпружиненного шарика с приспособлением для изменения усилия его поджатия в виде винтового стержня.

3. Устройство по пп. 1 и 2, отличающееся тем, что на внешней поверхности кругового сектора снаружи каждой впадины установлены упоры-ограничители угла поворота коромысла.

4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что узел фиксации выполнен в виде рычага-фиксатора, одним концом шарнирно связанного с коромыслом напротив оси вращения, а другим шарнирно соединенного с подпружиненной опорой, взаимодействующей с приспособлением для изменения усилия ее поджатия в виде винтового стержня.

5. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что оно снабжено регулятором расхода с отрицательной обратной связью по давлению на выходе указанного регулятора расхода, установленного на линии заправки рабочей жидкости в накопительные емкости.

6. Устройство по пп. 1 и 2, отличающееся тем, что при закреплении емкостей днищами на концах коромысла внутри каждой емкости установлен вертикально трубопровод с открытым верхним концом, нижний конец которого соединен с линиями наддува-дренажа газа, и размещен в горловине емкости.

7. Устройство по пп. 1 и 6, отличающееся тем, что при выдаче потребителю сжатого газа на выходе трубопровода выдачи жидкости потребителю за регулятором установлен испаритель, при этом линия наддува накопительных емкостей сообщена с выходом испарителя.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3