МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНЫЙ ПУЛЬСАЦИОННЫЙ КЛАПАННЫЙ ПОГРУЖНОЙ НАСОС Российский патент 2006 года по МПК F04F1/02 G21F9/20 

Изобретение относится к области химического машиностроения, в частности к погружным насосным установкам, и может найти применение в химической, нефтехимической и других областях промышленности для перемешивания и перекачки растворов и суспензий, для их дозированной выдачи и определения плотности суспензий. Кроме того, устройство может быть использовано для отмывки и дезактивации емкостей.

Преимущественно изобретение может быть использовано в атомной промышленности при работе с суспензиями и жидкими радиоактивными пульпами и подготовке суспензий к переработке и отверждению.

Известен пульсационный клапанный погружной насос, содержащий корпус, впускной шаровой клапан с ограничителем подъема шара, пульсопровод, воздухораспределительное устройство и выпускной шаровой клапан, смонтированный в верхней части нагнетательного трубопровода, размещенный в зоне обслуживания (см. патент РФ 2097605, кл. F 04 F 1/02).

К недостаткам описанного выше известного пульсационного клапанного погружного насоса относится то, что, насос предназначен только для перекачки суспензий, а для поддержания твердой фазы во взвешенном состоянии необходима установка в емкость дополнительных перемешивающих устройств.

Наиболее близким устройством того же назначения к заявляемому изобретению по совокупности признаков является пульсационный клапанный погружной насос, содержащий пульсопровод, впускной шаровой клапан с ограничителем подъема шара, нагнетательный трубопровод с выпускным шаровым клапаном, корпус и воздухораспределитель (см. Патент РФ №2137947, F 04 F 1/02, G 21 F 9/24). Конструкция данного пульсационного клапанного погружного насоса выбрана заявителем как прототип.

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного устройства, относится то, что в процессе эксплуатации размыв осадка жидкостью, находящейся в емкости, и его перемешивание может производиться только одновременно с ее выдачей, поэтому концентрация твердой фазы в выдаваемой суспензии, особенно в начале работы насоса, весьма низка. Это приводит к увеличению объема жидких радиоактивных отходов и, следовательно, затрат на их переработку. Кроме того, вытесняемая из корпуса суспензия постоянно разделяется на два нерегулируемых потока: в нагнетательный и гибкий трубопроводы, что не только снижает эффективность струи, вытекающей из гибкого трубопровода, но и создает опасность закупорки линии нагнетания насоса осаждающейся твердой фазой перекачиваемой суспензии, учитывая пульсирующий режим движения жидкости в трубопроводе. Хаотичное движение гибкого трубопровода под действием реактивной силы вытекающей струи не позволяет производить эффективное перемешивание вследствие неуправляемого движения гибкого трубопровода и снижения энергии струи из-за ее затрат на перемещение гибкого трубопровода.

Целью изобретения является повышение эффективности работы насоса за счет его многофункциональности, что позволит проводить растворение осадка, суспензирование нерастворимой твердой фазы, ее поддержание во взвешенном состоянии за счет эффективного перемешивания и выдачу суспензии из емкости, измерение плотности суспензии и дозированную выдачу суспензии требуемой плотности из емкости одним устройством.

Технический результат заключается в расширении технологических возможностей насоса, повышение эффективности, надежности и безопасности его эксплуатации.

Указанный технический результат при использовании заявленного многофункционального пульсационного клапанного погружного насоса достигается тем, что в пульсационном насосе, пульсопровод, впускной шаровой клапан с ограничителем подъема шара, нагнетательный трубопровод с выпускным шаровым клапаном, корпус и воздухораспределитель, особенностью является то, что насос включает систему управления его работой, корпус сообщается с соплами посредством трубы и камеры, внутри которой размещен вал с заслонкой, соединенный с приводом поворота сопел и с приводом изменения глубины погружения сопел, кроме того, корпус снабжен сигнализаторами верхнего и нижнего уровней жидкости, а воздухораспределитель содержит эжектор, нагнетательный патрубок которого соединен с внутренней полостью емкости, и на трубопроводах подачи в пульсопровод сжатого воздуха и разрежения от эжектора и сжатого воздуха на эжектор установлены клапаны с приводами.

Учитывая особые условия эксплуатации, насос, во-первых, отличается тем, что вал с заслонкой соединен с приводом поворота сопел посредством зубчатой шестерни и рейки, а с приводом изменения глубины вал соединен через подвижный подшипниковый узел; во-вторых, отличается тем, что система управления снабжена программой, позволяющей определять расчетную плотность суспензии, и содержит персональный компьютер, программируемый микроконтроллер, электропневмораспределители и модемы связи с приводами, клапанами и сигнализаторами нижнего и верхнего уровней. Кроме того, в качестве приводов используются пневматические цилиндры с позиционерами и регулируемой скоростью перемещения штоков.

Присоединение нижней трубы выдачи к дополнительной камере нижних сопел и размещение внутри камеры вала с заслонкой и полой нижней частью с соплами, при необходимости, позволит весь объем рабочей жидкости, вытесняемый из корпуса, подавать на нижние сопла или в нагнетательный трубопровод, повышая тем самым эффективность растворения, суспензирования и увеличивая производительность насоса при работе в режиме выдачи из емкости.

Присоединение вала с соплами посредством шарнирной муфты к приводному валу, на верхнем шлицевом конце которого установлена шестерня, находящаяся в зацеплении с зубчатой рейкой, соединенной с приводом поворота нижних сопел, позволяют осуществить поворот сопел и производить суспензирование нерастворимой твердой фазы осадка и ее поддержание во взвешенном состоянии во всем объеме емкости и, повысить тем самым эффективность работы насоса.

Установка приводного вала нижних сопел в подвижном подшипниковом узле, присоединенном к приводу изменения глубины погружения сопел, позволили при работе насоса в режиме перемешивания опускать нижние сопла до дна емкости, повышая тем самым эффективность суспензирования, а в режиме дезактивации поднять нижние сопла выше уровня дезактивационного раствора и осуществлять дезактивацию незатопленными струями, многократно используя дезактивирующий раствор и, тем самым, повысить эффективность дезактивации.

Размещение в корпусе сигнализаторов верхнего и нижнего уровней позволили с помощью системы управления фиксировать продолжительность заполнения корпуса от сигнализатора нижнего уровня до сигнализатора верхнего уровня, зависящую от плотности суспензии и с помощью программного обеспечения определять плотность суспензии в емкости.

Установка сигнализаторов при работе в режиме выдачи суспензии из емкости позволила выдавать за один цикл определенный объем, находящийся между сигнализаторами нижнего и верхнего уровней, а изменение расстояния между сигнализаторами и частоты пульсаций позволяет производить дозированную выдачу суспензии требуемой плотности.

Наличие в воздухораспределителе эжектора, выходной патрубок которого соединен с внутренней полостью емкости, позволили осуществить удаление отработанного сжатого воздуха в свободный объем аппарата, используемый в качестве демпфера, и далее удалять воздух в магистраль, сократив тем самым аэрозольное загрязнение удаляемого отработанного сжатого воздуха.

Установка клапанов с приводами на трубопроводах подачи в пульсопровод сжатого воздуха и разрежения от эжектора позволили производить попеременную подачу в корпус насоса давления и разрежения с необходимой частотой пульсаций и, тем самым, обеспечить дозированную выдачу суспензии. Установка клапана на трубопроводе подачи сжатого воздуха на эжектор позволила при достаточном уровне жидкости в аппарате и при подаче сжатого воздуха в корпус насоса перекрывать подачу сжатого воздуха в эжектор, сократив тем самым потребляемый насосом объем сжатого воздуха.

Наличие компьютерной системы управления, включающей в себя персональный компьютер и соединенный с ним через модем связи программируемый микроконтроллер, электропневмораспределители, кабели связи и программного обеспечения, позволяет осуществить дистанционное управление работой насоса:

- в режимах перемешивания, выдачи и дезактивации как с установкой оператором длительностей циклов заполнения корпуса жидкостью и вытеснения ее из корпуса, так и с управлением циклами от сигнализаторов верхнего и нижнего уровней;

- в режиме дозированной выдачи и при определении плотности суспензии с управлением циклами от сигнализаторов нижнего и верхнего уровней;

- осуществлять поворот и вертикальное перемещение сопел.

Кроме того, наличие программного обеспечения позволяет вывести на экран дисплея расчетные значения плотности суспензии в аппарате, определяемые по длительности заполнения корпуса суспензией.

При исследовании отличительных признаков описываемого насоса заявителем не обнаружено каких-либо известных аналогичных решений, касающихся его использования при реализации перемешивания, выдачи, определения плотности и дозированной выдачи одним устройством.

Анализ уровня техники, проведенный заявителем по имеющимся патентным и научно-техническим источникам информации не выявил аналог, характеризующийся признаками, идентичными всем существенным признакам изобретения.

Определение из выявленных аналогов прототипа, как наиболее близкого по совокупности существенных признаков аналога, позволил выявить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков в заявленном устройстве, изложенных в формуле изобретения, что, по мнению заявителя, позволяет сделать вывод о соответствии данного изобретения критерию «новизна».

Результаты дополнительного поиска известных решений, чтобы выявить признаки, совпадающие с отличительными признаками заявленного устройства, показали, что заявленное изобретение не вытекает для специалиста явным образом из известного уровня техники, поскольку из определенного заявителем уровня техники не выявлено влияние преобразований, предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения, на достижение получаемого технического результата. Поэтому заявитель предполагает соответствие данного изобретения критерию «изобретательский уровень».

На фиг.1 изображен многофункциональный пульсационный клапанный погружной насос в радиационно-защитном исполнении, работающий в режиме перемешивания.

На фиг.2 - схема работы насоса в режиме выдачи.

На фиг.3 - схема работы насоса в режиме дезактивации.

Предлагаемый насос содержит корпус 1 с впускным клапаном 2, нагнетательную трубу 3 с обратным и запорным клапанами 4 и 5 соответственно. Корпус 1 соединен пульсопроводом 6 с трубопроводами подачи сжатого воздуха 7 и разрежения 8 от эжектора 9. На трубопроводе подачи сжатого воздуха установлен клапан 10, разрежения - 11, а на трубопроводе подачи сжатого воздуха в эжектор 9 - клапан 12. Все клапаны имеют электро- или пневмоприводы, соединенные с программируемым микроконтроллером системы управления.

В корпусе 1 размещена камера 13 с коническим седлом 14, внутри которой размещен полый вал 15 с заслонкой 16 и соплами 17. Полый вал 15 через шарнирную муфту 18 соединяется с приводным валом 19, расположенным внутри пульсопровода 6. В верхней части приводной вал 19 подвешен на подвижном подшипниковом узле 20, присоединенном к приводу 21 изменения глубины погружения нижних сопел 17.

На приводном вале 19 на шлицевом соединении установлена зубчатая шестерня 22, находящаяся в зацеплении с зубчатой рейкой 23, соединенной с приводом 24 поворота нижних сопел 17. В корпусе 1 установлены сигнализаторы нижнего уровня 25 и верхнего уровня - 26.

Предлагаемый насос работает следующим образом.

Работа в режиме перемешивания.

При работе в этом режиме запорный клапан 5 закрыт, а вал 15 с соплами 17 находится в крайнем нижнем положении. С помощью системы управления оператором задаются длительности циклов заполнения корпуса 1 жидкостью и ее вытеснения, определяющие порядок включения и выключения клапанов 10, 11 и 12.

Для подачи разрежения в корпус 1 открываются клапаны 12 и 11 подачи сжатого воздуха на эжектор 9 и разрежения от эжектора 9 через пульсопровод 6 в корпус 1. Под действием разности гидростатического давления внутри и вне корпуса 1, клапан 2 открывается и жидкость из аппарата поступает в корпус 1.

По истечении установленной длительности заполнения система управления автоматически закрывает клапаны 11 и 12 и открывает клапан 10. При этом сжатый воздух, поступая в корпус 1, вытесняет жидкость из него в камеру 13 и далее через полый вал 15 и сопла 17 в аппарат. Вытекающие под давлением из сопел 17 затопленные струи производят эффективные размыв осадка на дне аппарата и перемешивание. Далее циклы заполнения и вытеснения жидкости из корпуса 1 повторяются.

В процессе перемешивания приводом поворота 24 производится перемещение зубчатой рейки 23, находящейся в зацеплении с зубчатой шестерней 22, установленной на шлицевом соединении приводного вала 19, соединенного через шарнирную муфту 18 с валом 15, на котором установлены сопла 17. Таким образом, обеспечивается поворот сопел и перемешивание во всем объеме аппарата и поддержание нерастворимой твердой фазы осадка во взвешенном состоянии.

Если необходимо в аппарате определить плотность образовавшейся в результате перемешивания суспензии, насос переключается системой управления на работу от сигнализаторов нижнего и верхнего уровней. При этом открытие и закрытие клапанов 10, 11 и 12 производится при срабатывании сигнализаторов. Так при срабатывании сигнализатора нижнего уровня закрывается клапан 10 и открываются клапаны 11 и 12, подавая разрежение в корпус 1 и производя его заполнение, а при срабатывании сигнализатора верхнего уровня закрываются клапаны 11 и 12 и открывается клапан 10, подавая в корпус 1 сжатый воздух и производя вытеснение жидкости из корпуса 1. Продолжительность между срабатываниями сигнализаторов нижнего и верхнего уровней фиксируется компьютером и, с учетом ранее введенных компьютер тарировочных данных, выводится расчетная плотность суспензии на экран дисплея.

Работа в режиме выдачи суспензии из емкости.

При работе в этом режиме приводом 21 приводной вал 19 и вал 15 с заслонкой 16 переводятся в крайнее верхнее положение, при этом заслонка 16 поджимается к седлу 14, перекрывая поток жидкости на сопла 17. Вытесняемая из корпуса 1 жидкость по нагнетательной трубе 3 через открытый запорный клапан 5 откачивается из аппарата. Открытие и закрытие клапанов 10, 11 и 12 производится автоматически системой управления либо от временных установок, задаваемых оператором, либо от сигнализаторов нижнего и верхнего уровней. Измерение расчетной плотности выдаваемой суспензии производится также, как и при работе насоса в режиме перемешивания.

Работа в режиме дозированной выдачи.

При работе в этом режиме при каждом цикле заполнения корпуса 1 жидкость достигает только сигнализатора верхнего уровня 26 и далее следует цикл вытеснения жидкости из корпуса 1 до сигнализатора нижнего уровня 25, т.е. насос выдает за один цикл определенный объем жидкости. Изменяя расстояние между сигнализаторами или частоту пульсаций, можно осуществить дозированную выдачу.

Работа в режиме первичной дезактивации.

После полного опорожнения в аппарат принимается ограниченный объем дезактивирующего раствора, а приводом 21 вал 15 с заслонкой 16 устанавливается в промежуточное положение, когда заслонка 16 еще не перекрывает поток жидкости к соплам 17, а сопла 17 уже находятся выше уровня дезактивирующего раствора. Работа в этом режиме аналогична работе насоса в режиме перемешивания, с одним отличием: из сопел вытекают незатопленные струи, дальность действия которых значительно превышает дальность действия затопленных струй. Приводом поворота 24 сопла 17 могут поворачиваться вокруг вертикальной оси, обеспечивая дезактивацию по периметру емкости, а с учетом отражения струй от стенок аппарата обрабатывается вся внутренняя поверхность аппарата. Вследствие многократного использования дезактивирующего раствора, находящегося в аппарате, первичная дезактивация производится ограниченным объемом раствора, что значительно сокращает объемы получаемых при дезактивации жидких радиоактивных отходов. Производя окончательную дезактивацию паром, активированным реагентами, количество жидких радиоактивных отходов сводится к минимуму.

В качестве приводов поворота и изменения глубины сопел используются пневмоцилиндры с позиционерами, позволяющие регулировать скорость перемещения их штоков и производить их останов в заданном положении. Управление приводами осуществляется компьютерной системой управления. Электрический сигнал от компьютера поступает на программируемый микроконтроллер, затем на электропневмораспределители, осуществляющие подачу сжатого воздуха на пневмоцилиндры.

Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о том, что при использовании изобретения выполнена следующая совокупность условий:

- средство, воплощающее заявленное изобретение при его осуществлении, предназначено для использования в промышленности, а именно, в атомной энергетике, в части технологии переработки растворов и суспензий, их удаления из емкостей радиоактивных отходов;

- для заявленного изобретения в том виде, как оно охарактеризовано в независимых пунктах изложенной формулы изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью описанных в заявке средств и методов;

- средство, воплощающее заявленное изобретение, при его осуществлении, способно обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата.

Следовательно, заявленное изобретение полностью соответствует такому критерию как «промышленная применимость».

Насос предназначен для использования в химическом машиностроении, нефтехимической и других отраслях промышленности для перекачивания и перемешивания растворов и суспензий. Насос содержит систему управления его работой и соплами, сообщенными с корпусом посредством трубы и камеры, в последней размещен вал, соединенный с приводами поворота сопел и изменения глубины их погружения, корпус снабжен сигнализаторами уровней жидкости, а воздухораспределитель - эжектором, причем на трубопроводах подачи в пульсопровод сжатого воздуха и разрежения от эжектора и сжатого воздуха на эжектор установлены клапаны. Система управления выполнена с возможностью определения плотности суспензии и содержит персональный компьютер, программируемый микроконтроллер, электропневмораспределители и модемы связи с приводами, клапанами и сигнализаторами уровней жидкости. Изобретение обеспечивает расширение технологических возможностей, повышение эффективности, безопасности и надежности работы. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Многофункциональный пульсационный клапанный погружной насос, содержащий пульсопровод, впускной шаровой клапан с ограничителем подъема шара, нагнетательный трубопровод с выпускным шаровым клапаном, корпус и воздухораспределитель, отличающийся тем, что насос снабжен системой управления его работой и соплами, сообщенными с корпусом посредством трубы и камеры, причем внутри последней размещен вал с заслонкой, соединенный с приводом поворота сопел и с приводом изменения глубины погружения сопел, кроме того, корпус снабжен сигнализаторами верхнего и нижнего уровней жидкости, а воздухораспределитель снабжен эжектором, нагнетательный патрубок которого соединен с внутренней полостью корпуса, а на трубопроводах подачи в пульсопровод сжатого воздуха и разрежения от эжектора и сжатого воздуха на эжектор установлены клапаны с приводами.2. Насос по п.1, отличающийся тем, что вал соединен с приводом поворота сопел посредством зубчатой шестерни и рейки, а с приводом изменения глубины погружения сопел вал соединен через подвижный подшипниковый узел.3. Насос по п.1, отличающийся тем, что система управления выполнена с возможностью определения расчетной плотности суспензии и содержит персональный компьютер, программируемый микроконтроллер, электропневмораспределители и модемы связи с приводами, клапанами и сигнализаторами нижнего и верхнего уровней жидкости.4. Насос по п.1, отличающийся тем, что в качестве приводов использованы пневматические цилиндры с позиционерами и регулируемой скоростью перемещения штоков.