СПОСОБ ПЕРИСТАЛЬТИЧЕСКОГО ПЕРЕМЕЩЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СРЕД И ПЕРИСТАЛЬТИЧЕСКИЙ НАСОС СОЛОВЬЕВА О.В. Российский патент 1994 года по МПК F04B43/12 

Изобретение относится к насосостроению, преимущественно к насосам перистальтического типа перерабатывающей промышленности, и может быть использовано в различных отраслях народного хозяйства для переключения и транспортировки различных технологических сред, в том числе и вязких с твердыми включениями из резервуаров и с больших глубин.

Известен перистальтический насос, содержащий корпус, в котором установлен эластичный насосный трубопровод, взаимодействующий с роликами ротора и имеющий восстанавливающие элементы в виде газозапорных эластичных трубчатых камер, установленных снаружи вдоль боковых образующих насосного трубопровода.

Недостатком является сложность конструкции, низкая долговечность эластичного насосного трубопровода из-за обкатывания по нему роликами и существенный износ при перекачке или транспортировке жидкой среды с твердыми включениями.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату, принятым за прототип, является перистальтический насос, содержащий корпус, выполненный из сплошной трубы с эластичным рабочим органом в виде шланга, герметично закрепленного на концах корпуса, замкнутую полость, соединенную с системой подвода и отвода энергоносителя и образованную между наружной поверхностью шланга и внутренней поверхностью корпуса.

Недостатком является наличие зазора между корпусом и наружной поверхностью эластичного рабочего органа, что приводит к провисанию последнего под тяжестью перекачиваемой среды и неравномерному его пережатию, существенно снижая быстродействие насоса и его производительность. Кроме того, способ перемещения содержимого насоса основан на эффекте передавливания из одной полости в другую, что связано с трением скольжения перекачиваемой среды о стенки и между ее слоями, а это существенные энергетические потери. При этом жесткие выступающие элементы на внутренней поверхности корпуса способствуют быстрому изнашиванию рабочего органа, снижая надежность насоса.

Цель изобретения - повышение производительности и надежности в работе.

Это достигается тем, что в способе перистальтического перемещения технологических сред, предусматривающем подвод и отвод энергоносителя в замкнутую полость, вытеснение технологической среды путем выпучивания эластичного рабочего органа, подвод и отвод энергоносителя осуществляют циклично с образованием перемещающихся замкнутых энергетических объемов, последние производят тороидальное перекатывание технологической среды по внутренней поверхности рабочего органа путем волнового деформирования его стенок, при этом частоту и амплитуду деформирования регулируют расходом энергоносителя.

Цель достигается тем, что в перистальтическом насосе, содержащем корпус, выполненный из сплошной трубы с эластичным рабочим органом в виде шланга, герметично закрепленного на концах корпуса, замкнутую полость между наружной поверхностью шланга и корпусом, сообщенную с системой подвода и отвода энергоносителя, шланг непосредственно примыкает без зазора к внутренней стенке корпуса, а на входе энергоносителя в корпус на его внутренней поверхности выполнена кольцевая проточка, соединенная с системой подвода энергоносителя, при этом кольцевая проточка образует с наружной поверхностью шланга замкнутую камеру переменного объема с возможностью перемещения последнего и отвода из нее энергоносителя в конце корпуса через выполненное в нем дроссельное отверстие и кран в атмосферу, причем наружная поверхность шланга обладает адгезионными свойствами к внутренней поверхности корпуса.

На внутреннюю поверхность корпуса нанесена вязкая среда.

Корпус и рабочий орган выполнены из прозрачного материала.

На фиг. 1 изображен продольный разрез перистальтического насоса в вертикальном положении; на фиг. 2 - то же в горизонтальном положении; на фиг. 3 - процесс деформирования рабочего органа и механизм движения частиц технологической среды.

Перистальтический насос содержит корпус 1 с кольцевой проточкой 2 на входе и дроссельным отверстием 3 с краном 4 на выходе, рабочий орган 5 в виде эластичного шланга, образующий с корпусом 1 и кольцевой проточкой 2 замкнутую камеру 6 изменяемого объема. В проточку 2 подсоединена система 7 подачи энергоносителя через управляемый обратный клапан 8, связанный с реле времени.

Перистальтический насос работает следующим образом.

В корпусе 1, выполненном в виде сплошной трубы из прочного материала, расположен рабочий орган 5, представляющий собой эластичный шланг или трубопровод, который плотно прикреплен к корпусу 1 по образующим входного и выходного отверстий. Наружная поверхность рабочего органа 5 обладает адгезионными свойствами к внутренней поверхности корпуса 1 либо на внутреннюю поверхность корпуса 1 нанесена вязкая или липкая среда. Наружная поверхность рабочего органа 5 плотно без зазора прилегает к внутренней поверхности корпуса 1, и благодаря адгезии или вязкой среде обеспечивается надежное уплотнение от перетекания сжатого воздуха между рабочим органом 5 и корпусом 1.

Транспортируемая технологическая среда (см. фиг. 1 и 2) поступает во внутреннюю полость рабочего органа 5 и заполняет его. По команде от реле времени включают обратный клапан 8 и осуществляют подачу энергоносителя, например сжатого воздуха, по системе 7 в кольцевую проточку 2 камеры 6 на входе в перистальтический насос. Проточка 2 выполнена для облегчения деформирования рабочего органа 5 в первоначальный момент подачи сжатого воздуха.

Принимая во внимание то, что рабочий орган 5 плотно прикреплен к корпусу 1 по образующей его входа поступающий в камеру 6 сжатый воздух, преодолевая адгезионные силы сцепления наружной поверхности рабочего органа 5 с внутренней поверхностью корпуса 1 или силы сцепления вязкой среды, последовательно перемещает стенки рабочего органа 5 в направлении от внутренней поверхности корпуса 1 к центральной оси насоса (см. фиг. 1). Объем камеры 6 увеличивается одновременно в радиальном и осевом направлениях. Увеличение объема камеры 6 в радиальном направлении приводит, например, к полному перекрытию проходного сечения рабочего органа 5, отсекая часть транспортируемой среды от основной массы. Дальнейшее поступление сжатого воздуха продолжает увеличивать объем камеры 6, но уже только в осевом направлении, вытесняя поступательно отсеченную часть транспортируемой среды в сторону выхода из насоса.

Частичное перекрытие проходного сечения обуславливается различным физическим состоянием транспортируемой технологической среды, например, присутствие в жидкой фазе мелких или значительных твердых включений, перемещение кускового жира или мясного шрота и т.д., что повышает износостойкость рабочего органа 5 и надежность работы всего перистальтического насоса.

По команде от реле времени обратный клапан 8 прекращает подачу воздуха в камеру 6, образуется замкнутый уравновешенный воздушный объем, заключенный между изогнутыми от деформирования стенками рабочего органа 5 и частью внутренней поверхности корпуса 1. По форме этот объем напоминает кольцевую камеру с расположенной в центре и радиально сжатой цилиндрической частью рабочего органа 5, переходящей на торцах этой камеры в конусообразно вогнутые поверхности. Адгезионные силы или силы сцепления вязкой среды позволяют сохранить форму изогнутых стенок, удерживая замкнутый воздушный объем в заданных пределах.

Со стороны входа в насос поступающая транспортируемая среда воздействует на переднюю торцовую конусообразно вогнутую поверхность камеры 6, преодолевает усилия, сжимающие стенки рабочего органа 5, распрямляет их и вместе с упругими силами эластичного материала прижимает обратно к внутренней поверхности корпуса 1 (см. фиг. 1 и 2). Объем камеры 6 уменьшается, а давление Р воздуха внутри нее возрастает (см. фиг. 3). Увеличение давления воздуха внутри замкнутого объема передается во все стороны одинаково, следовательно, произведение увеличения давления на площадь противоположной конусообразно вогнутой поверхности камеры 6 дает величину усилия, которое, воздействуя на эту поверхность, вызывает перемещение стенок рабочего органа 5 в обратном направлении, т.е. от внутренней поверхности корпуса 1 к центральной оси пропорционально перемещению на передней торцовой поверхности. Таким образом, на передней торцовой поверхности камеры 6 со стороны входа в насос, и на противоположной со стороны выхода из насоса стенки рабочего органа 5 двигаются в противоположных направлениях (колебательно в противофазе) перпендикулярно продольной оси насоса, тем самым позволяя перемещаться вдоль этой оси замкнутому воздушному объему, вытесняя поступательно отсеченную часть транспортируемой среды к выходу.

По мере заполнения на входе в насос внутренней полости рабочего органа 5 следующей порцией транспортируемой среды подается сигнал от реле времени, включающий обратный клапан 8, и снова подают сжатый воздух по системе 7 в кольцевую проточку 2 камеры 6. Образовывают новый подвижный воздушный объем, перемещающий поступательно к выходу вновь отсеченную порцию транспортируемой среды, а вместе с ней и все образованные ранее порции и воздушные объемы.

Происходит непрерывное циклическое объемное сжатие стенок единого эластичного рабочего органа 5 и образование ими последовательно чередующихся подвижных замкнутых воздушных объемов и объемов, заполненных порциями транспор- тируемой среды. При этом одни и те же изогнутые на торцовых поверхностях стенки составляют для воздушных объемов вогнутые конусообразные поверхности, а для объемов, заполненных транспортируемой средой, - выпуклые. Отсюда усилие, равное произведению увеличения давления на площадь поверхности изогнутой торцовой стенки со стороны воздушного объема, передается этой же стенкой на частички транспортируемой среды, находящиеся в соседнем объеме.

Перемещение стенок рабочего органа 5 от корпуса 1 к центральной оси насоса представляет собой процесс одновременного перемещения стенок и их сжатие, т. е. во время движения стенок происходит уменьшение диаметра проходного отверстия, цилиндрическая форма которого переходит в конусообразную. В связи с этим, перемещающиеся стенки воздействуют на частички транспортируемой среды по нормали с силой N, которая раскладывается на составляющие: силу Т - в радиальном направлении перпендикулярно центральной оси и силу F - вдоль оси насоса (см. фиг. 3). Действие этих сил заставляет частички участвовать одновременно в двух движениях: со стенками к центральной оси и вдоль оси, выталкиваемые друг другом с конусообразной поверхности за счет уменьшения диаметра проходного сечения. Результирующая этих движений перемещает частички по криволинейным траекториям. Следовательно, объемная деформация стенок рабочего органа 5 при переходе их из цилиндрической формы в конусообразную создает вращающий момент М частичкам транспортируемой среды, направленный по часовой стрелке в сторону выхода из насоса.

В продольном сечении насоса (см. фиг. 3) линейная скорость частичек, находящихся на внутренней поверхности цилиндрической части рабочего органа 5, меняется от Vо=0 до максимума V_мах вблизи центральной оси, т.е. линейная скорость потока транспортируемой среды, а вместе с ней и величина момента М меняются обратно пропорционально величине радиуса насоса. Это говорит о том, что предлагаемый способ перистальтического перемещения полностью исключает скольжение транспортируемой среды о стенки и проскальзывание (сдвиг) между ее слоями.

Пройдя расстояние до противоположной конусообразной поверхности этого же объема, частички транспортируемой среды воздействуют на нее и вместе с упругими силами материала распрямляют стенки рабочего органа 5. Процесс распрямления стенок представляет собой обратную картину их сжатия: одновременное перемещение от центральной оси трубопровода к внутренней поверхности корпуса 1 и распрямление, т.е. во время движения стенок происходит увеличение диаметра проходного отверстия, конусообразная форма торцовой поверхности переходит в цилиндрическую. Распрямляющиеся стенки рабочего органа 5 захватывают и переносят частички транспортируемой среды к корпусу 1, сообщают им другой вращающий момент М₁, совпадающий по направлению с первым моментом М. Частички транспортируемой среды, захваченные стенками рабочего органа 5 и перенесенные на периферию потока к корпусу 1, остаются вместе со стенками на их цилиндрической части относительно неподвижными до подхода следующего воздушного объема, а за полный цикл колебания стенок совершают как минимум один оборот вокруг своей оси. Другими словами порция транспортируемой среды, заключенная в замкнутом объеме, при колебательном движении стенок на его торцах совершает перекатывание по внутренней поверхности рабочего органа 5 без проскальзывания и сдвига между слоями. В то время, как в известных насосах, происходит скольжение транспортируемой среды по внутренней поверхности и сдвиг между слоями, на что уходит основная часть энергии перемещения.

Известно, что трение качения на порядок меньше трения скольжения, следовательно, предлагаемый способ перистальтического перемещения, а точнее перекатывания, технологических сред по трубопроводу позволяет значительно снизить сопротивление, увеличивая тем самым его пропускную способность и производительность. Но наибольший эффект от использования предлагаемого способа получают при транспортировании пластических и вязких сред, так как их адгезионные свойства практически не создают сопротивления, а наоборот, помогают стенкам более эффективно (без проскальзывания) совершать процесс перекатывания.

Если рассматривать процесс течения по предлагаемому способу в аксонометрической проекции, то он выглядит в виде тороидального перекатывания, где максималь- ная величина кинетической энергии потока сосредоточена вблизи центральной оси насоса, т.е. внутри самого потока, и убывает до 0 на его периферии, а именно на внутренней поверхности стенок рабочего органа 5, что подтверждает вывод об отсутствии трения скольжения транспортируемой среды о стенки насоса.

Перемещаясь к выходу, порция транспортируемой среды выходит из насоса, а следующий за ней воздушный объем, сжимая стенки рабочего органа 5 у выхода, открывает тем самым дроссельное отверстие 3, соединяющее воздушный объем с атмосферой через кран 4. Сжатый воздух выходит в атмосферу, стенки рабочего органа 5 возвращаются и плотно прижимаются к внутренней поверхности корпуса 1, закрывая дроссельное отверстие 3 и освобождая выход из насоса очередной порции транспортируемой среды, до подхода следующего воздушного объема.

Скорость перемещения транспортируемой среды регулируется путем увеличения или уменьшения расхода сжатого воздуха через дроссельное отверстие 3 при помощи открывания или закрывания крана 4. Полное закрытие крана 4 приводит к прекращению процесса, так как замкнутый воздушный объем, остановившийся у выхода, перекрывает проходное рабочее сечение насоса.

По окончании подачи транспортируемой среды насос, продолжая работать в прежнем режиме, автоматически самоочищается. В этом случае циклическая подача сжатого воздуха по системе 7 в проточку 2 камеры 6, при отсутствии транспортируемой среды со стороны входа, приводит постепенно к объемному сжатию рабочего органа 5 по всей длине насоса, вытесняя остатки содержимого на выход. Для ускорения этого процесса подачу сжатого воздуха в проточку 2 осуществляют непрерывно, блокируя обратный клапан 8. Потеря сырья практически исключена, нет необходимости в осуществлении разборки насоса для удаления остатков содержимого, а санитарную обработку проводят моющим раствором или горячей водой, включая его по тому же принципу.

Предлагаемая конструкция насоса выгодно отличается от известных тем, что в процессе эксплуатации можно плавно изменять его пропускную способность и производительность путем уменьшения или увеличения частоты образования замкнутых воздушных объемов либо их размеров. Например, при вертикальном расположении насоса (см. фиг. 1) и большой его протяженности, когда гравитационные силы начинают оказывать существенное влияние, целесообразно увеличить размер воздушных объемов и частоту их образования, уменьшая этим объемы, заполненные технологической средой.

Для визуального контроля за характером прохождения транспортируемой среды, состоянием рабочего органа 5 и функционированием других элементов заявленного устройства корпус 1 и рабочий орган 5 выполнены из прозрачного материала, что позволяет предупредить аварийную ситуацию и повысить надежность в работе насоса.

Заявленный объект может работать как самостоятельно при наличии гидростатического давления или действия гравитационных сил, так и в паре с нагнетающим насосом малой мощности, причем насос служит только для формирования порции перекачиваемой среды.

В перерабатывающей промышленности предлагаемое устройство находит широкое применение в качестве самоочищающегося насоса или объемного дозатора для транспортировки жира, мясного фарша, творога и других продуктов, обладающих адгезионными свойствами и вызывающих в связи с этим огромные затруднения при перекачивании из-за сопротивления по длине трубопровода, что влечет за собой падение производительности, перерасход энергии, неизбежные потери сырья при санитарной обработке и т.д.

Надежную работу предлагаемого устройства можно наблюдать и в других отраслях народного хозяйства, например откачивание вязких сред из резервуаров большой емкости, добыча нефти из отработанных скважин или откачивание со дна моря и т.д., там, где откачиваемая среда обладает запасом какой-либо энергии.

Таким образом, предлагаемое техническое решение повышает производительность при перекачивании и транспорти- ровке различных сред, в том числе и вязких с твердыми включениями, путем снижения сопротивления и ускорения прохождения через насос в результате предлагаемого перистальтического воздействия, а отсутствие вращающихся или трущихся рабочих органов повышает износостойкость эластичного рабочего органа и тем самым надежность в работе.

Использование: в насосостроении, в насосах перистальтического типа перерабатывающей промышленности в различных отраслях народного хозяйства для перекачивания и транспортировки различных технологических сред, в том числе и вязких с твердыми включениями из резервуаров и с больших глубин. Сущность изобретения: перистальтический насос содержит корпус 1 с кольцевой проточкой 2 на входе и дроссельным отверстием 3 с краном 4 на выходе, рабочий орган 5 в виде эластичного шланга, образующий с корпусом 1 и проточкой 2 замкнутую камеру 6 изменяемого объема. В проточку 2 подсоединена система 7 подачи энергоносителя через управляемый обратный клапан 8, связанный с реле времени. 2 с и 2 з.п.ф-лы, 3 ил.

1. Способ перистальтического перемещения технологических сред, включающий подвод и отвод энергоносителя в замкнутую полость, вытеснение технологической среды путем выпучивания эластичного рабочего органа, отличающийся тем, что подвод и отвод энергоносителя осуществляют циклично с образованием перемещающихся замкнутых энергетических объемов, последние производят тороидальное перекатывание технологической среды по внутренней поверхности рабочего органа путем волнового деформирования его стенок, при этом частоту и амплитуду деформирования регулируют расходом энергоносителя. 2. Перистальтический насос, содержащий корпус, выполненный из сплошной трубы с эластичным рабочим органом в виде шланга, герметично закрепленного на концах корпуса, замкнутую полость между наружной поверхностью шланга и корпусом, сообщенную с системой подвода и отвода энергоносителя, отличающийся тем, что шланг непосредственно примыкает без зазора к внутренней стенке корпуса, а на входе энергоносителя в корпус на его внутренней поверхности выполнена кольцевая проточка, соединенная с системой подвода энергоносителя, при этом кольцевая проточка образует с наружной поверхностью шланга замкнутую камеру переменного объема с возможностью перемещения последнего и отвода из нее энергоносителя в конце корпуса через выполненное в нем дроссельное отверстие и кран в атмосферу, причем наружная поверхность шланга обладает адгезионными свойствами к внутренней поверхности корпуса. 3. Насос по п.2, отличающийся тем, что на внутреннюю поверхность корпуса нанесена вязкая среда. 4. Насос по п.2, отличающийся тем, что корпус и рабочий орган выполнены из прозрачного материала.