ПНЕВМАТИЧЕСКИЙ ПОГРУЖНОЙ НАСОС ЗАМЕЩЕНИЯ Российский патент 1999 года по МПК F04F1/02 

Изобретение относится к области насосостроения, в частности к конструкции пневматического погружного насоса замещения, предназначенного для перекачивания жидкофазных продуктов, преимущественно биологически вредных, например, токсичных, радиоактивных и агрессивных, и может быть использовано в различных отраслях народного хозяйства.

Известны погружные пневматические насосы замещения [1-3].

Такие насосы содержат полый корпус (рабочую камеру), имеющий приемное отверстие и нагнетательную трубу, содержащие шаровые клапаны, а также различные поплавки, кинематически связанные с золотниками-распределителями воздуха в насос.

Недостатками известных насосов являются малая надежность и долговечность работы, высокие эксплуатационные затраты и низкий КПД.

Малая надежность и долговечность работы насосов обусловлена подвижными деталями (различные поплавки, золотники, шаровые клапаны), находящиеся в зоне непосредственного контакта с перекачиваемыми жидкофазными продуктами. Поплавки, кинематически связанные с золотниками-распределителями воздуха в насос через тяги с проушинами и оси, подвержены истиранию. Шаровые клапаны при работе насоса закрываются с сильным ударом о седло, удар быстро приводит к наклепу как клапана, так и седла. Коррозионная среда увеличивает истирание осей, проушин и золотника, а также способствует быстрой коррозии наклепанного металла, что приводит к негерметичности клапанов.

Высокие эксплуатационные затраты обусловлены тем, что для устранения неполадок, возникающих в насосе, требуется непосредственное его обслуживание, что в условиях дистанционной эксплуатации (перекачка биологически вредных продуктов) весьма опасно и трудоемко.

Низкий КПД обусловлен принципом работы насосов. Распределитель воздуха - золотник в зависимости от положения поплавка попеременно соединяет рабочую камеру с источником повышенного и пониженного (атмосферного) давления воздуха. При пониженном давлении (нижнее положение поплавка) жидкость через приемное отверстие заполняет рабочую камеру (такт заполнения). При верхнем положении поплавка через золотник подается сжатый воздух (такт вытеснения), который вытесняет жидкость из рабочей камеры в нагнетательную трубу, действуя на жидкость подобно поршню. Поплавок опускается и переключает золотник, закрывая при этом поступление сжатого воздуха в рабочую камеру, и сообщает последнюю с атмосферой, жидкость вновь заполняет рабочую камеру, и далее цикл повторяется. При каждом такте вытеснения потенциальная энергия сжатого воздуха превращается в кинетическую энергию движущейся жидкости, преодолевая гидравлические и инерционные сопротивления в нагнетательной трубе, разгоняет жидкость от нулевой скорости до конечной скорости. При такте заполнения жидкость в нагнетательной трубе останавливается. Таким образом насос обеспечивает импульсную (прерывистую) подачу жидкости. Каждый раз при следующем такте вытеснения жидкость начинает движение вновь, на это затрачивается дополнительная энергия сжатого воздуха.

Некоторых указанных недостатков лишены пневматические насосы с дистанционным распределителем воздуха.

Известный пневматический насос замещения [4] содержит рабочую камеру с крышкой, в нижней части которой размещен всасывающий клапан, помещенный в перфорированную коробку, напорный патрубок с клапаном и импульсный патрубок.

Принцип действия насоса, погруженного в жидкость, сводится к следующему. Импульсный патрубок попеременно соединяет рабочую камеру с источником повышенного и пониженного (атмосферного) давления воздуха. При пониженном давлении жидкость через всасывающий клапан заполняет рабочую камеру (такт заполнения). При достижении определенного уровня, через импульсный патрубок, при соответствующем положении крана воздухораспределителя, подается сжатый воздух (такт вытеснения) который вытесняет жидкость из рабочей камеры до определенного уровня в напорный патрубок, действуя на жидкость подобно поршню. К этому времени поворотом крана воздухораспределителя рабочая камера сообщается с атмосферой, жидкость снова заполняет рабочую камеру, и цикл повторяется.

Этот насос надежнее и долговечнее в работе за счет ликвидации подвижных деталей из зоны рабочей камеры (поплавка, золотника) и безударного закрытия клапанов, обеспечиваемого конструкцией седла клапана. Но как показал опыт эксплуатации, ресурс известного насоса всецело зависит от надежности работы клапанных групп (клапан-шар, седло, ограничитель подъема шара), время работы которых составляет от 1 года до 5 лет в зависимости от технологии изготовления, применяемого материала, его термообработки и агрессивности перекачиваемой среды. Для устранения неполадок в работе клапанных групп их необходимо демонтировать из насоса, а это можно сделать только при полном демонтаже насоса из аппарата, в котором он установлен. Для этого необходимо обрезать все коммуникации: импульсный патрубок, напорную трубу и проходки для датчиков КИП, на что тратится большое количество времени и трудовых затрат. Последнее связано с тем, что перед ревизией (демонтажем) требуется не только отмывка насоса, но и одновременная отмывка аппарата, в котором установлен насос, что чрезвычайно трудоемко и опасно для здоровья обслуживающего персонала.

Таким образом, затрудненные условия эксплуатации насоса резко удорожают, усложняют и делают мало производительной работу основного технологического оборудования.

Известен также пневматический погружной насос замещения (прототип) [5]. Насос содержит рабочую камеру с крышкой, в нижней части которой размещен всасывающий клапан, помещенный в перфорированную коробку, напорный клапан, размещенный в напорном патрубке вне рабочей камеры, импульсный патрубок.

Принцип действия известного пневматического погружного насоса [5] аналогичен описанному известному насосу (4).

Как показала ревизия насосов после 8-летней эксплуатации их в непрерывном производстве, происходит значительный внутренний эрозионный износ напорного патрубка на участке до напорного клапана, толщина стенки трубы уменьшилась до 35% от первоначальной толщины. Исследования показали, что эрозия металла связана со знакопеременным давлением на этом участке трубы, так как минимальное давление падает ниже атмосферного, и это приводит к кавитации жидкости.

Демонтаж клапанных групп при неполадках происходит поочередно, что увеличивает время на ее проведение и небезопасно для обслуживающего персонала при транспортировке биологически опасных жидкофазных продуктов.

Предлагаемое изобретение решает следующие технические задачи: повышение надежности работы и производительности насоса, а также снижение эксплуатационных затрат.

Для достижения этого нового технического результата в пневматическом погружном насосе замещения, содержащем рабочую камеру с крышкой, в нижней части которой размещен всасывающий клапан, помещенный в перфорированную коробку, импульсный патрубок, расположенный на крышке, напорный клапан и напорный патрубок, напорный клапан расположен в верхней части перфорированной коробки, которая в зоне напорного клапана помещена в напорный патрубок с уплотнением по боковой поверхности, напорный патрубок в месте выхода из рабочей камеры подсоединен к глухому патрубку с установленным на нем фланцем и регулятором, при этом перфорированная коробка соединена при помощи штока с фланцем, а на ее верхнем торце выполнена перфорация, отношение площади сечения глухого патрубка к площади сечения напорного патрубка лежит в пределах 3-4, регулятор выполнен в виде штуцера, а уплотнение выполнено по посадке скольжения.

Предлагаемый пневматический погружной насос замещения поясняется представленным чертежом.

Насос содержит рабочую камеру 1 с крышкой 2, всасывающий клапан 3, помещенный в перфорированную коробку 4, с перфорацией на боковой поверхности 5, соединенную при помощи штока 6 с фланцем 7, импульсный патрубок 8, напорный патрубок 9, напорный клапан 10 расположен в верхней части перфорированной коробки 4, часть которой, в зоне напорного клапана 10 помещена в напорный патрубок 9 с уплотнением 11, при этом напорный патрубок 9 в месте выхода из рабочей камеры подсоединен к глухому патрубку 12 с регулятором 13, а на верхнем торце перфорированной коробки 4 выполнена перфорация 14.

Пневматический погружной насос замещения, погруженный в жидкость до уровня А-А, работает следующим образом. Рабочая камера 1 насоса через приемное отверстие со всасывающим клапаном 3 и через перфорацию 5 заполняется жидкостью (такт заполнения). При достижении жидкостью уровня А-А через импульсный патрубок 8 при соответствующем положении крана воздухораспределителя (на чертеже не показан) подается сжатый воздух в рабочую камеру 1 (такт вытеснения). Всасывающий клапан 3 закрывается и сжатый воздух подобно поршню вытесняет жидкость из рабочей камеры 1 через перфорацию 5, напорный клапан 10 и перфорацию 14 в напорный патрубок 9 и по нему жидкость поступает первоначально в глухой патрубок 12, сжимает находящийся там воздух до давления, превышающего давление, необходимое для преодоления гидравлических и инерционных сопротивлений в выходящем из рабочей камеры напорном патрубке. По достижении этого давления жидкость начинает двигаться по напорному патрубку 9. После вытеснения жидкости из рабочей камеры 1 до уровня Б-Б к этому времени поворотом крана воздухораспределителя рабочая камера 1 сообщается с атмосферой, напорный клапан 10 закрывается и жидкость вновь заполняет ее до отметки А-А и цикл повторяется. Во время такта заполнения рабочей камеры 1 движение жидкости в напорном патрубке 9 продолжается за счет расширения сжатого воздуха в глухом патрубке 12, который работает как демпфер. Для возможности согласования и поддержания заданного (оптимального) объема воздушного демпфера служит регулятор 13, через который подается или сбрасывается необходимый объем сжатого воздуха.

Испытания опытного образца насоса показали, что в напорном патрубке 9 не создается давление ниже атмосферного, что исключает кавитацию, и как следствие, эрозию напорного патрубка, а следовательно, надежность работы насоса значительно повышается.

Для демонтажа всасывающей и напорной клапанных групп при возникших неполадках достаточно разъединить фланец 7 дистанционными средствами механизации, поднять сборку (фланец 7, шток 6, перфорированную коробку 4 с обоими клапанами) и отправить сборку на отмывку и одновременно установить новую сборку. Следовательно, значительно сокращается время замены клапанных групп, что снижает трудозатраты при эксплуатации.

Испытания также показали, что насос увеличил производительность на 30-60%, причем подача жидкости насосом стала непрерывной, а энергозатраты (расход сжатого воздуха, идущего на привод) снизились на 10-15%. Это объясняется тем, что при вытеснении жидкости в напорный патрубок 9 в глухом патрубке 12 образуется воздушный демпфер, который, как известно, применяется на поршневых насосах и дает увеличение производительности, при этом затраченная на привод мощность уменьшается. Увеличение производительности с одновременным снижением затрачиваемой мощности обеспечивается тем, что инерционное и гидравлическое сопротивления, существующие в напорной линии, преодолеваются сжатым воздухом не только в такте вытеснения, но и в такте заполнения за счет расширения сжатого воздуха в воздушном демпфере, в то время как при работе без воздушного демпфера указанные сопротивления преодолеваются приводом только в такте вытеснения.

Таким образом, заявляемый пневматический погружной насос замещения позволяет существенно увеличить надежность работы, снизить эксплуатационные затраты, повысить производительность и одновременно снизить энергозатраты.

Источники информации
1. Авт. св. СССР N 443205, кл. F 04 F 1/02, 1972.

2. Патент Франции N 1283340, F 04 F 1/02, 1961.

3. В. В. Серебренников и др. "Пневматические насосы вытеснения", изд, "Недра", 1970, с 9-34.

4. Авт. св. СССР N 1052055, кл. F 04 F 1/02, 1982.

5. Авт. св. СССР N 620679, (прототип), кл. F 04 F 1/02, 1976.

Насос предназначен для перекачивания жидкофазных продуктов, преимущественно биологически вредных, например токсичных, радиоактивных и агрессивных, и может быть использован в различных отраслях народного хозяйства. Содержит рабочую камеру с крышкой, в нижней части которой размещен всасывающий клапан, помещенный в перфорированную коробку, соединенную при помощи штока с фланцем. Импульсный патрубок расположен на. крышке. Напорный клапан расположен в верхней части перфорированной коробки, которая в зоне напорного клапана помещена в напорный патрубок с уплотнением по боковой поверхности. Напорный патрубок в месте выхода из рабочей камеры подсоединен к глухому патрубку с установленным на нем регулятором. На верхнем торце перфорированной коробки выполнена перфорация, а отношение площади сечения глухого патрубка к площади сечения напорного патрубка лежит в пределах 3 - 4, регулятор выполнен в виде штуцера, а уплотнение выполнено по посадке скольжения. Значительно повышается надежность в работе и производительность насоса, а также снижаются эксплуатационные затраты. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Пневматический погружной насос замещения, содержащий рабочую камеру с крышкой, в нижней части которой размещен всасывающий клапан, помещенный в перфорированную коробку, импульсный патрубок, расположенный на крышке, напорный клапан и напорный патрубок, отличающийся тем, что напорный клапан расположен в верхней части перфорированной коробки, которая в зоне напорного клапана помещена в напорный патрубок с уплотнением по боковой поверхности, при этом напорный патрубок в месте выхода из рабочей камеры подсоединен к глухому патрубку установленным на нем фланцем и регулятором, а перфорированная коробка соединена при помощи штока с фланцем и на ее верхнем торце выполнена перфорация. 2. Пневматический погружной насос замещения по п. 1, отличающийся тем, что отношение площади сечения глухого патрубка к площади сечения напорного патрубка лежит в пределах 3-4. 3. Пневматический погружной насос замещения по п. 1, отличающийся тем, что регулятор выполнен в виде штуцера. 4. Пневматический погружной насос замещения по п. 1, отличающийся тем, что уплотнение выполнено по посадке скольжения.