ТОПЛИВОРАЗДАТОЧНЫЙ КРАН Российский патент 2007 года по МПК B67D5/00 

Изобретение относится к автозаправочной технике и может быть использовано на топливозаправочных колонках, агрегатах и в других средствах заправки автомобильной и другой техники жидким топливом.

Известен топливораздаточный кран, содержащий корпус, подпружиненный подвижный сливной патрубок со штоком, с калиброванными дозирующими и сливным отверстиями и рукоятку управления, соединенную со штоком, причем кран снабжен охлаждающим элементом, размещенным внутри сливного патрубка, гибким трубопроводом подачи хладагента к охлаждающему элементу, переходным штуцером, клапаном отсечки подачи хладагента к контактным датчикам управления отсечкой с подвижным контактным элементом, причем охлаждающий элемент выполнен в виде полой щелевой трубки, расположенной вдоль оси симметрии сливного патрубка, на боковой поверхности сливного патрубка выполнено монтажное гнездо под штуцер со сквозным отверстием, посредством которого соединены внутренние полость подачи хладагента и охлаждающего элемента, клапан отсечки подачи хладагента установлен на гибком трубопроводе, контактный датчик управления отсечкой размещен на корпусе крана и подвижным контактным элементом подсоединен к рукоятке управления.

Однако известная конструкция топливораздаточного крана не исключает значительных потерь топлива и его паров из топливного бака при заправке последнею, т.к. по зазору между наружной поверхностью подвижного сливного патрубка и заливной горловины могут вытекать и топливо и его пары. Конструкция крана прототипа не обеспечивает быструю заправку бака, т.к. подвижный сливной патрубок имеет форму внешнего цилиндрического насадка, через который расход топлива значительно меньше, чем у конических сходящихся насадков [1]. В качестве хладагента в рассматриваемой конструкции используется жидкий азот при температуре минус 195,8°С, для получения и хранения которого требуются дорогостоящие установки.

Охлаждение топлива при истечении через охлаждающий элемент существенно снижается из-за отсутствия на его полых ребрах охлаждающих пластин, увеличивающих площадь поверхности отвода теплоты от топлива к хладагенту.

Гибкий трубопровод подачи жидкого азота не имеет теплоизоляции, что может привести к повышению температуры хладагента и к снижению эффекта его действия.

В конструкции прототипа не предусмотрена раздельная подача хладагента и топлива. Это не обеспечивает предварительную подачу хладагента в топливный бак с целью обеспечения охлаждения топлива и конденсации его паров.

Технический результат направлен на уменьшение потерь топлива и его паров при заправке топливного бака, улучшение условий противопожарной безопасности, снижение загрязнений окружающей среды парами топлива, сокращение времени, отведенного на заправку, а также на снижение стоимости заправочного оборудования.

Технический результат достигается тем, что топливораздаточный кран, содержащий корпус, подпружиненный подвижный сливной патрубок со штоком, калиброванными дозирующими и сливным отверстиями, рукоятку управления, соединенную со штоком, охлаждающий элемент, гибкий трубопровод подачи хладагента к охлаждающему элементу, при этом охлаждающий элемент выполнен в виде конического сходящегося насадка с установленными на его полых ребрах охлаждающими пластинами, кран дополнительно снабжен теплоизоляцией гибкого трубопровода подачи хладагента к охлаждающему элементу через сопло Лаваля, на переднем конце подпружиненного сливного патрубка установлена муфта крепления топливораздаточного крана к горловине топливного бака, содержащая корпус с приливами для удобства монтажа и демонтажа крана, причем в корпусе муфты установлены предохранительный лепестковый резиновый клапан и пламегаситель, на корпусе топливораздаточного крана установлено устройство для раздельной подачи хладагента в топливный бак, содержащее электромагнитный клапан, соединенный электрическими линиями с источником постоянного тока, включателем и контрольной лампой, в качестве хладагента используется сжатый воздух.

Отличительными признаками от прототипа является то, что охлаждающий элемент выполнен в виде конического сходящегося насадка с установленными на его полых ребрах охлаждающими пластинами, кран дополнительно снабжен теплоизоляцией гибкого трубопровода подачи хладагента к охлаждающему элементу через сопло Лаваля, на переднем конце подпружиненного сливного патрубка установлена муфта крепления топливораздаточного крана к горловине топливного бака, содержащая корпус с приливами для удобства монтажа и демонтажа крана, причем в корпусе муфты установлены предохранительный лепестковый резиновый клапан и пламегаситель, на корпусе топливораздаточного крана установлено устройство для раздельной подачи хладагента в топливный бак, содержащее электромагнитный клапан, соединенный электрическими линиями с источником постоянного тока, включателем и контрольной лампой, в качестве хладагента используется сжатый воздух.

На фиг.1 представлена конструкция топливораздаточного крана, на фиг.2 - устройство для подачи хладагента в топливный бак.

Топливораздаточный кран содержит корпус 1 (фиг.1), подвижный сливной патрубок 2, шток 3, гибкий трубопровод подачи хладагента 4, рукоятку 5 и устройство для подачи хладагента в топливный бак (фиг.2). Подвижный сливной патрубок 2 и шток 3 установлены в цилиндрических расточках корпуса 1. Для подвода топлива к калиброванным дозирующим отверстиям 6 подвижного сливного патрубка 2 внутри корпуса 1 выполнен топливный канал 7. На левой части штока 3 установлены возвратная пружина 8 и упор 9. В прорези упора 9 шарнирно установлена рукоятка управления 10, закрепленная на оси 11. Для исключения течи топлива из топливного канала 7 рукоятка управления 10 уплотняется с помощью резиновой манжеты 12, установленной в корпусе 1 топливораздаточного крана.

На корпусе 1 установлена рукоятка 5, предназначенная для перемещения топливораздаточного крана и для установки подвижного сливного патрубка 2 в горловину топливного бака. Гибкий трубопровод подачи хладагента 4 предназначен для подвода хладагента в подвижный сливной патрубок 2 и размещен на верхней поверхности топливораздаточного крана. Трубопровод 4 снаружи покрыт слоем теплоизоляции 13 и соединен с подвижным сливным патрубком 2 с помощью штуцера 14. В подвижном сливном патрубке 2 в месте соединения гибкого трубопровода подачи хладагента 4 выполнено отверстие, в котором установлено сопло Лаваля 15. Сопло Лаваля 15 предназначено для увеличения скорости истечения хладагента, при этом существенно понижается температура хладагента с целью превращения воздуха в жидкое состояние (эффект Джоуля-Томеона) [2].

В качестве хладагента используется сжатый воздух, подаваемый из ресивера. Получение и хранение жидкого воздуха связано с меньшими затратами по сравнению с получением и хранением жидкого азота. При быстром расширении воздуха в сопле Лаваля 15 его температура резко понижается за счет уменьшения внутренней энергии воздуха. Данное утверждение подтверждается нижеприведенным расчетом.

При истечении воздуха из сопла Лаваля 15 процесс расширения является адиабатным, т.е. протекающим мгновенно и без подвода и отвода теплоты.

Температура воздуха Т_х, К, вытекающего из сопла Лаваля 15, определяется по формуле 1, [2]:

где T₁ - температура воздуха в гибком трубопроводе подачи хладагента 4.

При температуре окружающего воздуха, равной t_o=+50°С, температура воздуха в трубопроводе 4 составит T₁=t_o+273=50+273=323 К;

P₂ - давление воздуха на выходе из сопла Лаваля. Принимаем P₂=1,1·10⁵ Па, т.к. на автомобильной технике избыточное давление паров топлива в баках составляет 1,1·10⁵ Па;

P₁ - давление воздуха в ресивере и в гибком трубопроводе подачи хладагента, P₁=110·10⁵ Па;

k - показатель адиабаты расширения, k=1,41. Подставляя принимаемые значения величин в формулу 1, получим:

или t₁=-195,8°C.

Известно, что при температуре ниже минус 190°С воздух превращается в жидкость [3].

Преимущества сжатого воздуха по сравнению с жидким охлажденным до температуры минус 195°С азотом, используемым в качестве хладагента в прототипе, очевидны [1].

Во-первых, для получения жидкого азота необходимы более сложные и дорогостоящие установки.

Во-вторых, при смешивании азота с топливом в топливном баке физические свойства топлива не улучшаются, а при смешивании топлива с воздухом улучшаются, т.к. содержащийся в воздухе кислород будет способствовать более эффективному сгоранию топлива.

На подвижном сливном патрубке 2 на резьбе размещена муфта крепления топливораздаточного крана к горловине топливного бака. Для этого на внешней диаметральной поверхности корпуса муфты 16 нарезана резьба и выполнены приливы 17 для удобства монтажа и демонтажа топливораздаточного крана. С целью исключения истечения топлива и его паров из бака на корпусе муфты 16 установлена уплотнительная прокладка 18, выполненная из бензостойкой резины.

В исходноми положении корпус муфты 16 прижимается к ограничителю хода 19, который отлит за одно целое с патрубком 2. Внутри сливного патрубка 2 размещен охлаждающий элемент 20. Для увеличения площади теплоотдачи от топлива к хладагенту на внутренней поверхности охлаждающего элемента 20 выполнены полые ребра 21 с установленными на них охлаждающими пластинами 22.

В продольном сечении охлаждающий элемент 20 выполнен в виде конического сходящегося насадка, имеющего больший коэффициент расхода μ, а следовательно, и расход топлива больший по сравнению с внешним цилиндрическим насадком (у прототипа) при той же площади поперечного сечения и напоре [1].

Для уменьшения отвода тепла от хладагента, движущегося между охлаждающим элементом 20 и подвижным сливным патрубком 2, на внутреннюю поверхность последнего нанесена теплоизоляция 23.

В корпусе 16 муфты выполнено осевое отверстие 24, закрытое лепестковым предохранительным клапаном 25, выполненным из бензостойкой резины с ограничителем 26 хода клапана 25. Клапан 25 предназначен для выпуска хладагента из топливного бака при заправке последнего топливом и открывается при избыточном давлении в баке, равном 0,1·10⁵ Па, то есть при таком избыточном давлении, при котором открываются штатные предохранительные клапаны топливных баков автомобильной техники.

С целью исключения проникновения пламени внутрь бака в случае воспламенения паров топлива, находящихся вне бака при заправке последнего топливом, в приливе корпуса 16 муфты установлено несколько слоев сетки 27, изготовленной из латуни. Латунная сетка 27 выполняет функцию пламегасителя.

Устройство для подачи хладагента в топливный бак (фиг.2) содержит источник постоянного тока 28, электромагнитный клапан, состоящий из тарельчатого клапана 29, электрической обмотки 30, возвратной пружины 31, включателя 32, контрольной лампы 33, электрических линий 34 и 35, контактов электрического включателя 37.

В заявляемой конструкции топливораздаточного крана введена раздельная подача хладагента и топлива в топливный бак, что позволяет охладить топливо и его пары в баке перед заправкой.

При неработающем топливораздаточном кране тарельчатый клапан 29 прижат к своему седлу под действием возвратной пружины 31, а при протекании электрического тока по электрической обмотке 30 клапан 29 открывается. Корпус 36 электромагнитного клапана установлен в разрыве гибкого трубопровода подачи хладагента 4 и крепится к топливораздаточному крану.

Сжатый воздух перед входом в сопло Лаваля 15 находится в газообразном состоянии при давлении 110·10⁵ Па, при истечении из сопла Лаваля 15 в охлаждающий элемент 20 превращается в жидкость при температуре минус 195,8°С, а при истечении из охлаждающего элемента 20 в топливный бак превращается в газообразное состояние. При соприкосновении холодного воздуха с парами топлива в топливном баке пары топлива конденсируются и в виде капель под действием силы тяжести падают в топливо и топливо, находящееся в баке, охлаждается.

Топливораздаточный кран работает следующим образом.

Перед заправкой топливом топливного бака необходимо охладить топливо и его пары, находящиеся в баке, струей холодного воздуха, подаваемого из топливораздаточного крана. Для этого необходимо снять пробку с заправочной горловины топливного бака и опустить подвижный сливной патрубок 2 топливораздаточного крана в горловину бака. Далее воздействуя на приливы 17 корпуса муфты 16 крепления топливораздаточного крана, привернуть муфту 16 по резьбе горловины до тех пор, пока не будет сжата уплотнительная прокладка 18. Для подачи холодного воздуха из топливораздаточного крана необходимо включить включатель 32 устройства подачи хладагента в топливный бак. При этом электрический ток будет протекать от источника постоянного тока 28 в электрическую обмотку 30 электромагнитного клапана подачи хладагента. Под действием магнитного поля, возникающего в обмотке 30, тарельчатый клапан 29 открывается, а возвратная пружина 31 клапана 29 сжимается. В результате замыкания контактов электрического включателя 37 загорается контрольная лампа 33. Сжатый воздух поступает по гибкому трубопроводу 4 подачи хладагента через открытый тарельчатый клапан 29 к соплу Лаваля 15. При истечении из сопла Лаваля 15 воздух мгновенно расширяется, теряя при этом часть внутренней энергии, и превращается в жидкость вследствие понижения температуры до минус 195,8°С [3]. Далее жидкий воздух течет по зазору между подвижным сливным патрубком 2 и охлаждающим элементом 20.

Если по зазору между подвижным сливным патрубком 2 и охлаждающим элементом 20 происходило бы истечение охлажденного азота, находящегося в газообразном состоянии, то количество теплоты, отданное топливом охлажденному азоту, было бы меньшим, т.к. коэффициент теплоотдачи жидкого воздуха больше коэффициента теплоотдачи азота, находящегося в газообразном состоянии.

При течении жидкого воздуха происходит эффективная передача теплоты от более нагретого тела к менее нагретому телу, т.е. от топлива к хладагенту посредством конвекции и теплопроводности через охлаждающие пластины 22, полые ребра 21 и стенки охлаждающего элемента 20. При этом топливо будет охлаждаться.

При истечении из топливораздаточного крана в топливный бак жидкий воздух нагревается от паров топлива, находящихся в баке, испаряется и превращается в газообразное состояние. При контакте паров топлива с холодным воздухом происходит охлаждение и конденсация паров топлива. Капли топлива под действием силы тяжести падают в топливо, находящееся в баке. При контакте струи холодного воздуха с топливом последнее также охлаждается и в нем существенно замедляется процесс испарения легких фракций углеводородов. Это позволит существенно снизить потери топлива при заправке бака.

Давление воздуха в топливном баке увеличивается, и воздух через открытый предохранительный клапан 25 удаляется в окружающую среду.

Далее необходимо подать топливо в топливный бак. При воздействии на рукоятку управления 10 она поворачивается относительно неподвижной оси 11 и верхняя часть рукоятки 10 перемещается вправо. При этом происходит сжатие возвратной пружины 8, шток 3 и подвижный сливной патрубок 2 также перемещаются вправо до совпадения топливного канала 7, выполненного в корпусе 1 с калиброванными отверстиями 6, выполненными в подвижном сливном патрубке 2. Топливо из топливного канала 7 через калиброванные отверстия 6 истекает из подвижного сливного патрубка 2 в топливный бак.

При этом теплота от топлива передается хладагенту через охлаждающие пластины 22 и полые ребра 21 охлаждающего элемента 20 и топливо охлаждается.

Движение топлива в охлаждающем элементе 19, а также движение хладагента по зазору между подвижным сливным патрубком 2 и охлаждающим элементом 19 будет происходить со значительными скоростями, что усилит турбулизацию потоков топлива и хладагента и будет способствовать увеличению теплоотдачи от топлива к хладагенту.

При заправке топливом топливного бака лепестковый предохранительный клапан 25, размещенный на муфте крепления топливораздаточного крана к горловине бака, открыт под действием давления воздуха, подаваемого из крана в бак.

В случае возникновения очага пламени снаружи бака у открытого клапана 25 пламя не распространится внутрь топливного бака, т.к., двигаясь через слои латунной сетки 27, оно погаснет из-за передачи тепла от пламени латунной сетке 27.

По окончании заправки топливом топливного бака вначале необходимо прекратить подачу топлива, а затем через некоторое время прекратить подачу хладагента. Для прекращения подачи топлива в топливный бак необходимо отпустить рукоятку управления 10. При этом возвратная пружина 8 переместит упор штока 9, шток 3 и подвижный сливной патрубок 2 влево.

Топливный канал 7 в корпусе 1 топливораздаточного крана и калиброванные отверстия 6 подвижного сливного патрубка 2 будут разобщены, и подача топлива в топливный бак будет прекращена.

После прекращения подачи топлива в бак необходимо некоторое время продолжать подачу хладагента, т.к. вследствие падения струи топлива из подвижного сливного патрубка в бак происходит интенсивное движение топлива в баке и вынос паров топлива и его нагретых частиц вверх.

Далее необходимо выключить включатель 32 устройства для подачи хладагента в топливный бак.

Электрический ток от источника постоянного тока 28 в электрическую обмотку 30 поступать не будет, и магнитное поле в ней исчезнет. Под действием возвратной пружины 31 тарельчатый клапан 29 сядет в седло и перекроет гибкий трубопровод 4 подачи хладагента. Контрольная лампа 33 погаснет, что является сигналом об окончании подачи хладагента в топливный бак. Воздух будет продолжать выходить через открытый лепестковый предохранительный клапан 25 в атмосферу. При падении давления воздуха в топливном баке лепестковый клапан 25 закроется. После этого необходимо, воздействуя на приливы 17 корпуса муфты 16 крепления топливораздаточного крана, вывернуть корпус муфты 16 из топливного бака до соприкосновения с упором 19, выполненным на подвижном сливном патрубке 2. Далее необходимо вынуть топливораздаточный кран вместе с муфтой 16 из горловины топливного бака и закрыть горловину бака штатной пробкой.

Таким образом, применение в заявляемой конструкции топливораздаточного крана в качестве хладагента сжатого воздуха с подводом последнего через теплоизолированный гибкий трубопровод подачи хладагента к соплу Лаваля с целью значительного снижения температуры хладагента, а также муфты крепления крана к горловине топливного бака с наличием в муфте пламегасителя и предохранительного лепесткового резинового клапана, конического сходящегося насадка для сокращения времени заправки обеспечивает более эффективную и безопасную заправку топливом по сравнению с конструкцией прототипа.

Источники информации

1. B.C.Вознюк. Гидравлика и гидравлические машины. - М.: Воениздат, 1979. - 168 с.

2. Д.Саттон: Ракетные двигатели. - М.: Издательство иностранной литературы, 1952. - 327 с.

3. Г.С.Лансберг. Элементарный учебник физики. - М.: Наука, 1985. - 606 с.

Кран содержит корпус, подпружиненный подвижный сливной патрубок со штоком, с калиброванными дозирующими и сливным отверстиями, рукоятку управления, соединенную со штоком, охлаждающий элемент, гибкий трубопровод подачи хладагента к охлаждающему элементу. Охлаждающий элемент выполнен в виде конического сходящегося насадка с установленными на его полых ребрах охлаждающими пластинами. Кран дополнительно снабжен теплоизоляцией гибкого трубопровода подачи хладагента к охлаждающему элементу через сопло Лаваля. На переднем конце подпружиненного сливного патрубка установлена муфта крепления топливораздаточного крана к горловине топливного бака, содержащая корпус с приливами для удобства монтажа и демонтажа крана. В корпусе муфты установлены предохранительный лепестковый резиновый клапан и пламегаситель. На корпусе топливораздаточного крана установлено устройство для раздельной подачи хладагента в топливный бак, содержащее электромагнитный клапан, соединенный электрическими линиями с источником постоянного тока, включателем и контрольной лампой. В качестве хладагента используется сжатый воздух. Уменьшаются потери топлива и его паров при заправке топливного бака, улучшаются условия противопожарной безопасности, снижаются загрязнения окружающей среды парами топлива, сокращается время, отведенное на заправку, а также снижается стоимость заправочного оборудования. 2 ил.

Топливораздаточный кран, содержащий корпус, подпружиненный подвижный сливной патрубок со штоком, с калиброванными дозирующими и сливным отверстиями, рукоятку управления, соединенную со штоком, охлаждающий элемент, гибкий трубопровод подачи хладагента к охлаждающему элементу, отличающийся тем, что охлаждающий элемент выполнен в виде конического сходящегося насадка с установленными на его полых ребрах охлаждающими пластинами, кран дополнительно снабжен теплоизоляцией гибкого трубопровода подачи хладагента к охлаждающему элементу через сопло Лаваля, на переднем конце подпружиненного сливного патрубка установлена муфта крепления топливораздаточного крана к горловине топливного бака, содержащая корпус с приливами для удобства монтажа и демонтажа крана, причем в корпусе муфты установлены предохранительный лепестковый резиновый клапан и пламегаситель, на корпусе топливораздаточного крана установлено устройство для раздельной подачи хладагента в топливный бак, содержащее электромагнитный клапан, соединенный электрическими линиями с источником постоянного тока, включателем и контрольной лампой, причем в качестве хладагента используется сжатый воздух.