УСТРОЙСТВО ДЛЯ ГАЗОПЛАМЕННОЙ ОБРАБОТКИ МАТЕРИАЛОВ Российский патент 1997 года по МПК B23K5/00 

Изобретение относится к газопламенной обработке материалов смесью газов, получаемой при электролизе воды в электролизно-водном генераторе (ЭВГ), и применяется в малогабаритных переносных установках, используемых для микросварки, пайки и резки металлов в радиотехнической, электронной, приборостроительной и других отраслях промышленности.

Известно устройство для газопламенной обработки металлов [1] состоящее из биполярного электролизного блока, компенсационного бака отстойника, водяного затвора и затвора смесителя. Недостатком известного устройства являются значительные массогабаритные характеристики, недостаточное удобство и надежность при эксплуатации.

Известно также устройство для получения газовой смеси электролизом воды [2] содержащее фильтр-пресный электролизер, выполненный из набора последовательно соединенных в электродную цепь электролитических рабочих ячеек, собранных в блок между концевыми плитами, выпрямитель сетевого напряжения, многопозиционный переключатель, отстойник и горелку, причем в качестве отстойника использована часть отключенных ячеек электролизера. Для повышения компактности ячейки электролизера собраны в два блока, размещенных вертикально друг над другом посредством шпилечных соединений, а для удобства контроля уровня электролита концевые плиты выполнены из прозрачного диэлектрического материала.

Известное устройство характеризуется невысокой безопасностью и надежностью, связанными с отсутствием водяного затвора, визуальным контролем уровня электролита и механической коммутацией силовых сетей.

Известно также устройство для получения гремучего газа [3] содержащее электролизер с электродами, в которых выполнены газоотводящие отверстия, соединенную с ним напорную емкость, на которой смонтирован осушитель, соединенный с ней дросселирующим отверстием или клапаном и обратным клапаном сброса конденсата. Недостатком известного устройства является недостаточная надежность в эксплуатации, связанная с конструктивными особенностями водяного затвора.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является устройство для газоплазменной обработки металлов [4] принятое нами за прототип, состоящее из электролизно-водного генератора, влагоотделителя, водяного затвора, газового смесителя с газопламенной горелкой, при этом все функциональные блоки выполнены раздельно и соединены посредством газопровода.

В известном устройстве реализуется высокая степень очистки газа от паров электролита, однако, оно обладает невысокой надежностью при эксплуатации вследствие наличия разветвленной системы газопровода.

Целью предлагаемого устройства является повышение надежности и безопасности при эксплуатации.

Поставленная цель достигается тем, что в устройстве для газоплазменной обработки материалов, содержащем последовательно соединенные средством для выхода газа электролизно-водный генератор, выполненный из металлических пластин электродов и упругих прокладок между ними, влагоотделитель, выполненный из металлических теплоотводящих пластин с отверстиями, водяной затвор, газосмеситель и горелку, влагоотделитель и водяной затвор выполнены в виде смежных многокамерных блоков из вертикальных пластин и упругих прокладок между ними, собраны в единый пакет и размещены в общем корпусе с предварительным сжатием упругих прокладок, а электролизно-водный генератор с влагоотделителем и влагоотделитель с водяным затвором соединены газоотводящими отверстиями.

Для повышения надежности эксплуатации путем автоматизации контроля уровня электролита в одну из ячеек электролизера вставлена токонепроницаемая перегородка с окном для газа и жидкости, на нижней поверхности которой выполнен паз а на днище корпуса соответствующий ему выступ.

Сущность предлагаемого устройства заключается в том, что разные по своему функциональному назначению блоки электролизно-водный генератор, влагоотделитель, водяной затвор выполнены из унифицированных элементов, собранных в пакет последовательно один за другим, без наличия системы газопровода между ними, а соединение осуществляется через отверстие для выхода газа в общих стенках смежных блоков.

Это повышает надежность и безопасность эксплуатации, поскольку взрывчатая водородно-кислородная смесь находится в ограниченном замкнутом объеме, что устраняет возможность утечки (возгорания) из-за дефектов газопровода.

Функциональное назначение каждого блока реализуется выполнением отверстий для газа и жидкости в теплоотводящих вертикальных пластинах, ограничивающих камеры (ячейки) блоков. Величина отверстий и их расположение на пластинах выбраны с учетом функции, которую выполняет та или иная камера влагоотделителя и водяного затвора.

Так, первая камера влагоотделителя, непосредственно граничащая с последующей рабочей ячейкой электролизера выполняет функцию теплоизолятора между электролизером и камерами влагоотделителя, в которых происходит максимальное удаление влаги из газа посредством его многократного дросселирования.

Пройдя последнюю камеру влагоотделителя, газ через отверстие в верхней части общей стенки влагоотделителя и водяного затвора поступает в первую камеру водяного затвора, и, вытеснив находящуюся там воду, попадает в камеру, прохождение в которой можно наблюдать через прозрачную концевую плиту, ограничивающую камеру водяного затвора.

Следует отметить, что в устройствах аналогичного назначения влагоотделитель и водяной затвор являются необходимыми блоками, обеспечивающими безопасность и надежность эксплуатации устройства. Однако степень этой безопасности и надежности, в зависимости от конструктивного выполнения блоков и соединения их с электролизно-водным генератором различна для разных устройств.

Водяной затвор предназначен для предотвращения распространения обратного удара.

Необходимость очистки газа от примесей электролита является актуальной задачей в области эксплуатации сварочных аппаратов с использованием газовой смеси, полученной электролизом воды, поскольку наличие примесей (следов едкой щелочи) приводит к быстрой коррозируемости и выходу из строя элементов сварочного аппарата.

В известных устройствах эта задача решается наличием на газопроводе влагоотделителя или отстойника, принцип действия которых основан на охлаждении газа и конденсации из него паров электролита.

Например, в устройстве 2, в качестве отстойника использована часть отключенных ячеек электролизера, без каких-либо конструктивных изменений. В таком виде устройство не будет эффективно работать влагоотделителем в силу того, что отверстия для газа во всех ячейках выполняются равными величине отверстий для газа в рабочих ячейках, а из чертежа, поясняющего устройства, видно, что они очень значительны, и эффективного охлаждения газа и выделения из него конденсата в известном устройстве не происходит.

Уменьшение газоотводящего отверстия, как видно из описания к устройству чертежа, выполнено лишь в концевой плите, которая сообщается с выходным штуцером и горелкой. Это позволяет сделать вывод о том, что конструктивное решение устройства не позволяет эффективно использовать его в качестве влагоотделителя, а лишь в качестве теплоизолятора, как это подчеркнуто в описании, хотя и эта функция вряд ли может успешно реализоваться вследствие связи ячеек отстойника с ячейками электролизера по электролиту, рабочая температура которого составляет около 90^oС. В известном устройстве также не предусмотрен водяной затвор.

Таким образом, несмотря на то, что в известном устройстве есть признак, сходный с предлагаемым устройством наличие общей стенки между смежными блоками электролизера и отстойника, цель, преследуемая предлагаемым устройством, повышение надежности и безопасности эксплуатации, в известном устройстве не достигается вследствие неэффективной очистки газа от примесей, отсутствия водяного затвора и наличия связи электролизера и отстойника по электролиту.

В известном устройстве для получения гремучего газа [3] содержащем электролизер с электродами, в которых выполнены газоотводящие отверстия, и соединенную с ним средством для выхода газа и подачи электролита напорную емкость, на которой смонтирована дополнительная камера-осушитель (влагоотделитель), цель предлагаемого устройства также не может быть достигнута. Надежность известного устройства невысока вследствие того, что заявленная дополнительная функция напорной емкости выступать в качестве водяного затвора не обеспечивается конструктивно. В устройстве не исключается опускание уровня электролита в напорной емкости ниже запирающего.

Кроме того, наличие связи водяного затвора и электролизера по электролиту приводит к тому, что, контактируя с горячим электролитом, газ, совершенно не охлажденный, поступает во влагоотделитель. Пары электролита, конденсируясь в емкости осушителя (влагоотделителя), способны забить отверстия клапанов, предназначенных для сброса конденсата в напорную емкость и привести к выходу устройства из строя.

Таким образом, надежность и безопасность известного устройства, по сравнению с предлагаемым, также невелика.

Наличие в известных устройствах признака, сходного с предлагаемым (общая стенка между смежными блоками) не приводит к достижению цели, поставленной в предлагаемом решении и, наоборот, конструктивная особенность ее выполнения - отсутствие связи по электролиту электролизера с другими блоками устройства, а также конструктивное выполнение функциональных блоков из унифицированных элементов металлических пластин и упругих прокладок между ними и взаимосвязи между всеми необходимыми блоками электролизером, влагоотделителем и водяным затвором в предлагаемом устройстве, позволяет повысить надежность и безопасность эксплуатации устройства.

Надежность и безопасность эксплуатации устройства по сравнению с известными повышается также вследствие того, что функциональные блоки, собранные в единый пакет, размещаются в корпусе, длина которого меньше длины собранного пакета. Пакет блоков вставлен в корпус "в распор". Такая конструкция исключает возможность утечки агрессивной жидкости (щелочи 10%-ной) или гремучего газа в известных устройствах, содержащих шпилечные или им подобные соединения.

Надежность эксплуатации устройства в предлагаемом решении повышается также вследствие того, что уровень электролита контролируется с помощью диэлектрической пластины, вставленной в одну из ячеек электролизера. Пластина имеет окно для газа и жидкости, нижний край которого находится на определенном уровне, который является минимальным для оптимальной работы устройства. При уровне электролита в электролизных ячейках меньшем определенного минимального, может произойти пересыхание электролита в одной из ячеек что приведет к резкому повышению температуры в этой ячейке и разгерметизации устройства. Наличие же диэлектрической пластины приводит к тому, что, при достижении минимального уровня произойдет резкое уменьшение тока в цепи (в 10-15 раз) и выработка газа прекратится без выхода из строя электролизера.

Для того, чтобы не происходило резкого перепада напряжения на диэлектрической пластине, на ней выполнено дополнительно небольшое отверстие для жидкости, посредством которого происходит сообщение всех ячеек электролизно-водного генератора по жидкости. Отверстие приподнято от нижнего края пластины и находится на одном уровне с аналогичными отверстиями рабочих электродов. На нижнем крае диэлектрической пластины выполнен паз, а на днище корпуса соответствующий ему выступ. Таким образом, диэлектрическая пластина помимо функции датчика уровня выполняет функцию поддерживающей опоры пакета функциональных блоков.

На фиг. 1 схематично изображено устройство для получения гремучего газа; на фиг. 2 изображено сечение А-А фиг. 1 (датчик контроля уровня); на фиг. 3 изображена электродная пластина электролизера; на фиг. 4 изображена пластина, формирующая ячейку влагоотделителя; на фиг. 5 изображено сечение Б-Б фиг. 1 (водяной затвор);
Предлагаемое устройство содержит корпус 1, в котором расположен электролизер 2, влагоотделитель 3, водяной затвор 4, а также газосмеситель 20 и горелку 21, соединенные с корпусом посредством газопровода.

Электролизер 2 содержит биполярные электроды 5 с газоотводящими отверстиями 6 и отверстиями 7 для электролита 8. В блок электролизера вставлена диэлектрическая пластина 9 с окном 10 для газа и электролита. На нижней поверхности пластины 9 выполнен паз 11, а на днище корпуса 1 соответствующий ему выступ 12. Электролизер 2 соединен с влагоотделителем 3 газоотводящим отверстием последней рабочей ячейки электролизера 2. Влагоотделитель выполнен в виде многокамерного блока, составленного из вертикальных металлических теплопроводящих пластин 13 с отверстиями 14 для газа и жидкости (конденсата) 15, и упругих прокладок 16 между пластинами.

Влагоотделитель 3 соединен с водяным затвором 4 газоотводящим отверстием, выполненным в верхней части стенки последней камеры влагоотделителя 3. Водяной затвор выполнен в виде двухкамерного блока, первая камера которого образована вертикальными пластинами 17, а вторая камера пластинами 17, 18 и 19. Пластина 18 представляет собой кольцо фигурного профиля.

Газ из водяного затвора через выходной патрубок поступает по системе газопровода в газосмеситель 20 и далее на выход горелки 21.

Предлагаемое устройство работает следующим образом. При подаче выпрямленного сетевого напряжения на электроды электролизно-водного генератора 2 в электролитических ячейках, включенных последовательно в электрическую цепь, вырабатывается гремучий газ (водородно-кислородная смесь), который создает определенное давление в газовой полости, расположенной выше уровня электролита. Через газоотводящее отверстие, расположенное в верхней части пластины 5, являющейся общей стенкой электролизера и влагоотделителя, газ поступает в первую камеру влагоотделителя 3.

Газовая смесь с мелкодисперсными каплями и парами электролита скапливается в объеме первой камеры и через отверстие в нижней части стенки камеры, диаметр которого в несколько раз (3-5) меньше диаметра отверстия в электролизере, резко расширяясь, охлаждается. В результате этого пары электролита конденсируются и стекают на дно камеры. Для более полной очистки от паров электролита газовая смесь пропускается через ряд аналогичных камер влагоотделителя, в стенках которого имеются отверстия для газа 14 и конденсата 15. При этом отверстия в противоположных стенках камеры влагоотделителя находятся в одной горизонтальной плоскости и максимально удалены друг от друга. Газовый поток перемещается в верхней части камер влагоотделителя зигзагообразно (слева-направо или справа-налево), обмениваясь теплом со стенками, которые выполняют функцию теплопроводящего элемента. Такая конструкция камер влагоотделителя способствует тому, что газ и конденсат находятся все время на разных уровнях, и газ выходит из последней камеры максимально очищенный от паров электролита. Через отверстие в пластине 17, являющейся общей для влагоотделителя и водяного затвора, газ поступает в верхнюю часть первой камеры водяного затвора, вытесняя находящуюся там жидкость через нижнее отверстие. После вытеснения жидкости газ поступает во вторую камеру водяного затвора, и его прохождение наблюдается через прозрачную концевую плиту 19, ограничивающую водяной затвор.

Рабочее пространство второй камеры водяного затвора ограничено фигурной диэлектрической прокладкой 18, что предотвращает унос жидкости выходящим газом.

Через выходной патрубок по системе газопровода газ поступает в газовый смеситель 20 и горелку 21.

Пример конкретного выполнения.

Изготовлен опытный образец устройства для газопламенной обработки материалов. Электролизер, влагоотделитель и водяной затвор соединены в три последовательно установленных блока из металлических пластин и диэлектрических прокладок между ними. Общее количество рабочих ячеек электролизера 94 шт. количество камер влагоотделителя 4 шт. Устройство весом 19 кг и габаритными размерами 200х210х390 мм характеризуется производительностью 360 л/час, при этом максимальная потребляемая мощность 1,9 кВт, максимальное действующее значение тока 9 А, время непрерывной работы при полной заправке 4 часа.

Таким образом, предлагаемое техническое решение позволяет повысить надежность и безопасность устройства для газоплазменной обработки материала. Кроме того, следует отметить, что эксплуатация переносных малогабаритных устройств подобного типа всегда предполагает и неквалифицированное использование, связанное с работой пользователя в домашних условиях, личных хозяйствах и фермах. Предлагаемая конструкция максимально обеспечивает безопасность работы при неквалифицированном использовании, сочетая простоту и надежность функционирования всех блоков.

Использование: в малогабаритных переносных установках для микросварки, пайки и резки металлов в радиотехнической, электронной, приборостроительной и других отраслях промышленности. Сущность изобретения: устройство содержит последовательно соединенные средством для выхода газа электролизно-водный генератор 2, влагоотделитель 3, водяной затвор 4, газосмеситель 20 и горелку 21. Электролизер 2, влагоотделитель 3, и водяной затвор 4 выполнены в виде смежных последовательно расположенных блоков из вертикальных пластин и упругих прокладок между ними и связаны между собой отверстиями для газа, находящимися в общих стенках смежных блоков. 5 ил.

Устройство для газопламенной обработки материалов, содержащее последовательно соединенные средством для выхода газа электролизно-водный генератор, выполненный из металлических пластин-электродов и упругих прокладок между ними, влагоотделитель, выполненный из металлических теплоотводящих пластин с отверстиями, водяной затвор, газосмеситель и горелку, отличающееся тем, что влагоотделитель и водяной затвор выполнены в виде смежных многокамерных блоков из вертикальных пластин и упругих прокладок между ними, собраны в единый пакет и размещены в общем корпусе с предварительным сжатием упругих прокладок, а электролизно-водный генератор с влагоотделителем и влагоотделитель с водяным затвором соединены газоотводящими отверстиями.