Демпфер пульсаций давления Советский патент 1992 года по МПК F16L55/55 F16L55/04 

(л

с

Изобретение относится к трубопроводному транспорту и может быть использовано на предприятиях коммунального хозяйства и в нефтехимической промышленности для улучшения эксплуатационных характеристик трубопроводов путем ликвидации пульсаций давления при транспортировании жидких и газообразных продуктов.

Известно устройство, обеспечивающее демпфирование пульсаций давления, представляющее собой демпфер, состоящий из отрезков двух концентрично расположенных труб. Между трубами сохранен достаточно большой кольцевой зазор, фланцы труб прочно прижаты друг к другу. Внутренняя труба является эластичной и снабжена продольными утолщениями. В линию включаются два демпфера с различной жесткостью эластичной трубы.

Недостатком такого демпфера является ограниченный срок службы эластичной трубы. Диапазон амплитуд пульсаций давления и рабочих значений амплитуд ограничивается механической прочностью эластичной трубы. Для замены эластичной трубы необходимо иметь по крайней мере одно разъемное соединение в трубопроводе, что отрицательно сказывается на герметичности всего трубопровода.

Известный демпфер имеет ограниченный диапазон применения при транспортировании агрессивных и ядовитых сред.

Известно также предохранительное устройство для полого тела с внутренним скачком давления, в частности для труб, имеет одну или несколько полостей, заполненных газом и размещенных снаружи. От рабочей среды полости отделяются мембранами различной прочности, которые сжимаются рабочей средой при скачке давления изнутри.

Недостатки данного устройства - сложность конструкции заключающаяся в необходимости иметь средства для контроля и поддержания заданного давления в полостях; малый срок службы из-за наличия мембран, обладающих различной механической прочностью; замена мембран требует остановки всего трубопровода, а также наличия разъемных соединений для каждой полости, что отрицательно сказывается на эксплуатационных свойствах всего трубопровода.

Известно устройство для гашения пульсаций давления поршневых компрессоров, состоящее из буферной емкости, дросселя переменного сечения. Управление дросселем осуществляется по сигналам датчика, сигнал от которого преобразуется регулятором, и подается на сервопривод дросселя.

Недостатком данного устройства является его техническая сложность (датчик, регулятор, сервопривод). Для нормальной работы всего устройства требуется обеспечить высокое быстродействие связки датчик - регулятор -сервопривод. Однонаправленность действия не позволяет использовать устройство в борьбе с отраженными волнами, возникающими при закрытии арматуры,

расположенной за рассматриваемым по потоку устройством.

Наиболее близким к предлагаемому является гаситель колебаний давления в трубопроводах, в корпусе которого с входным

и выходным патрубками размещены участок трубопровода и примыкающие к его торцам пористые дросселирующие элементы, образующие с полостью корпуса и наружной поверхностью участка трубопровода

демпфирующую камеру. Участок трубопровода выполнен в виде по крайней мере двух концентрично установленных одна в другой труб, изготовленных из материалов с различными коэффициентами линейного расширения. Пористый дросселирующий элемент выполнен из эластичного материала.

8 известном гасителе колебаний давления в трубопроводах гашение происходит за счет преобразования энергии жидкости в

энергию деформации эластичного пористого дросселирующего элемента.

Недостатки гасителя - требуется повышенная прочность дросселирующего эле- ментз в местах сопряжения с концентрично

установленными одна в другой труб; малый срок службы эластичного материала, который в данном устройстве работает на растяжение; малая эффективность гашения пульсаций давления, так как ядро потока не

подвергается воздействию дросселирующего элемента; применение материалов с различными коэффициентами линейного расширения приводит к образованию коррозионной пары,что отрицательно сказывается на работе всего трубопровода.

Известны способы гашения пульсаций давления и устройства, реализующие эти способы.

Одним из способов гашения пульсаций

давления в трубопроводах является применение сеток (как одиночных, так и пакетов из них). Такой пакет сеток применен в емкости для хранения криогенных жидкостей для гашения отраженных волн.

Другим способом гашения пульсаций

давлений является включение в трубопровод местных расширений и резонаторов Гельмгольца. Применение этих устройств позволяет простыми методами добиться

снижения амплитуды пульсаций давления при заданных частотах.

Третьим способом гашения пульсаций давления является применение дросселирующих устройств различных конструкций. Этот принцип применен в устройстве, описанном выше.

Четвертым способом является использование колебаний упругих и вязкоупругих тел в турбулентном потоке для преобразования энергии пульсаций давления в энергию деформаций этих тех.

Наиболее существенными эффектами в этом случае являются:

а)снижение частоты энергонесущих вихрей;

б)снижение амплитуды пульсаций;

в)нелинейный характер гидросопротивления от степени турбулентности;

г)независимость степени турбулентности от скорости потока газа.

Целью изобретения является повышение эффективности демпфирования пульсаций давления.

Указанная цель достигается тем, что в демпфере пульсаций давления, содержащем полый цилиндрический корпус с коническими входным и выходным участками, установленный по оси трубопровода, внутри которого размещен пористый дросселирующий элемент, установлены две пружины конической формы, закрепленные меньшими основаниями на дросселирующем элементе, большими - между цилиндрическими и коническими участками корпуса, а дросселирующий элемент выполнен в виде пакета сеток.

Поступающие на вход демпфера пульсаций давления частично теряют свою энергию при прохождении через входной конический участок, представляющий собой диффузор, за счет увеличения площади поперечного сечения потока. Далее часть потока омывает последовательно витки конических пружин и далее попадает в выходной конический участок, являющийся по отношению к потоку и конфузором. Вторая часть потока воздействует на пористый дросселирующий элемент, выполненный в виде пакета сеток, проходит через него и также попадает в выходной конический участок. Здесь происходит слияние обеих частей потока и формирование единого потока транспортируемой жидкости. При наложении потоков происходят процессы аналогичные процессам, происходящим в резонаторах Гельмгольца. Разница заключается лишь в том, что в резонаторах гашение достигается из-за наложения прямых и отраженных волн, причем появление отраженных волн обеспечивается конструкцией резонаторов Гельмгольца.

При воздействии второй части потока на пакет сеток происходит его перемещение

внутри цилиндрической обечайки и растяжение первой и сжатие второй конической пружины. Это приводит к увеличению проходного сечения между витками первой пружины и сокращению проходного сечения

0 между витками второй пружины. Изменение этих сечений приводит к перераспределению жидкости между указанными частями потока внутри демпфера и, следовательно, к изменению скоростей этих час5 тей потока. Изменение скоростей этих частей потока, направленных под углом друг к другу, приведет к появлению дополнительного временного сопротивления, способствующего гашению энергии пульса0 ции. Кроме того, прохождение потока жидкости через демпфер пульсаций давления будет сопровождаться повышением степени турбулизации потока за счет изменения сечения канала, смывания пружины, про5 хождения жидкости через сетку, слияния частей потока в конфузоре. Это позволяет дополнительно рассеивать часть энергии пульсаций давления за счёт вязкости и неидеальности жидкости.

0 При прекращении действия пульсации давления пакет сеток вернется в исходное положение под давлением конических пружин. Здесь также будут наблюдаться процессы аналогичные описанным выше.

5 Таким образом, предлагаемое техническое решение позволяет реализовать все названные способы гашения пульсаций давления. Первый способ реализуется за счет применения пакета сеток, второй - за счет

0 использования буферной емкости, являющейся местным расширением, третий - за счет изменения проходного сечения, вызванного растяжением или сжатием конических пружин. Такое изменение проходного

5 сечения аналогично применению дроссельных регуляторов с программным управлением, так как изменение сечения достигается также в зависимости от величины входного возмущения. Четвертый способ реализует0 ся за счет колебаний пакета сеток в турбулентном потоке.

В сравнении с прототипом предлагаемое техническое решение обладает сущест- венной простотой конструкции,

5 долговечностью, позволяет снижать частоты энергонесущих вихрей, варьировать величиной гидросопротивления в зависимости от амплитуды пульсаций давления на входе в демпфер и, следовательно, добиться гашения пульсаций давления, т. е.

получить значительный положительный эффект.

На чертеже представлен демпфер пульсаций давления.

Демпфер пульсаций давления состоит из входного конического участка 1, полого цилиндрического корпуса 2, выходного конического участка 3. Конические участки 1 и 3 предназначены для соединения демпфера пульсаций давления с трубопроводом. Внутри полого цилиндрического корпуса 2 размещен пакет сеток 4, который крепится с помощью конических пружин 5 и 6. Пружины 5 и 6 меньшими основаниями закреплены на пакете сеток 4, а большими - между цилиндрическим корпусом 2 и коническими участками 1 и 3. Демпфер пульсаций давления включен между участками трубопровода 7 и 8 соосно.

Демпфер пульсаций давления работает следующим образом.

Пульсация давления поступает по участку трубопровода 7 во входной конический участок 1. В нем происходит частичное торможение потока жидкости за счет увеличения площади поперечного сечения канала и потеря части энергии пульсации. При прохождении жидкости через входной конический участок 1 происходит турбулизация потока. Далее этот поток омывает витки конической пружины 5 и пакет сеток 4. Происходит разделение потока на две части через пакет сеток 4 и в обход него. Под действием скоростного напора потока, определяемого его скоростью, происходит перемещение пакета сеток 4 вдоль оси цилиндрического корпуса 2 и растяжение пружины 5, сжатие пружины 6. Одновременно происходит потеря части энергии пульсации давления обеих составляющих потока: для первой - на преодоление пакета сеток 4; для второй - на деформацию пружин 5 и 6.

Вторая часть потока последовательно будет омывать витки пружины 5, боковую поверхность пакета сеток 4, витки конической пружины 6. Далее эта часть потока будет поступать в выходной конический участок 3, представляющий собой для потока конфу- зор. Здесь произойдет слияние обеих частей потока.

Процесс слияния приведет к возрастанию местного гидравлического сопротивле- ния, определяемого соотношением скоростей и направлений обеих составляющих. Скорости составляющих будут определяться параметрами пакета сеток 4, расстояниями между витками пружин 5 и 6, а также параметрами пульсаций давления, поступающих во входной конический участок 1 из участка трубопровода 7. Далее

поток жидкости из выходного конического участка 3 поступает в участок трубопровода 8.

Перемещение пакета сеток 4 под действием пульсаций давления приводит к уменьшению частоты энергонесущих вихрей, к независимости степени турбулентности от скорости потока жидкости. Причем этот эффект присущ выходному потоку , так как переме0 щение пакета сеток скажется на параметрах обеих составляющих выходного потока. Уменьшение энергонесущих вихрей приводит к сглаживанию возмущений, вызванных входной пульсацией давления.

5 Деформация конической пружины зависит от коэффициента упругости. Для конической пружины он является функцией от величины деформации ее вдоль оси. Неравномерность деформации конических пру0 жин 5 и 6 приводит к дополнительной неравномерности в перераспределении жидкости между частями потока, сливающимися в выходном коническом участке 3. Причем перекрытие проходов между витками

5 конических пружин при их сжатии начинается от их наибольших оснований. Таким образом, с ростом степени сжатия пружины 6, определяемой величиной пульсации давления на входе в демпфер, происходит увели0 чение части потока, проходящего через сетку и перемещение области слияния обеих частей потока ближе к пакету 4, т. е. ближе к входу выходного конического участка 3, представляющего собой конфузор. Та5 кое изменение вызовет изменение местного гидросопротивления, зависящего от параметров входной пульсации давления. Это приведет к увеличению степени гашения пульсаций давления в трубопроводе.

0 При прекращении действия пульсации давления пакет сеток 4 под действием пружин 5 и 6 вернется в исходное положение. Гидросопротивление демпфера пульсаций движения в установившемся режиме будет

5 определяться геометрическими параметрами элементов демпфера, которые должны быть выбраны с учетом конкретных условий эксплуатации трубопровода.

Предлагаемый демпфер пульсаций дав0 ления препятствует образованию отраженных волн давления от элементов самого демпфера и гасит такие волны, поступающие из трубопровода 8. Правомерность этих выводов основывается на следующих поло5 жениях. Известно, что интенсивность и амплитуда волн, отраженных от податливых преград, значительно меньше интенсивности и амплитуды, образовавшихся при отражении от неподвижных преград. Кроме того, отражение падающей волны будет происходить от первой сетки пакета сеток 4. Фронт отраженной волны в этом случае будет складываться из многочисленных фронтов волн, обусловленных наличием перемычек в первой сетке. Далее, если даже отраженная волна сформировалась, то она еще до выхода из демпфера должна проинтерфериро- вать с поступающими во входной конический участок 1 пульсациями давления. Другим основанием, позволяющим го- ворить об отсутствии отраженных волн от элементов демпфера, является то, что для таких волн конический участок 3 становится диффузором, а участок 1 - конфузором.

Механизм гашения отраженных волн, возникших в трубопроводе 8 и достигших выходного конического участка 3, аналогичен описанному. Разница заключается лишь в том, что для этих волн функциональное назначение элементов демпфера (участков 1 и 3) меняется на противоположное.

Таким образом, предлагаемый демпфер пульсаций давления позволяет добиться гашения пульсаций давления при транспортировании жидкостей по трубопроводам и за счет этого повысить их эксплуатационные

характеристики. Долговечность и надежность данного демпфера в сравнении с известными значительно выше, так как в качестве упругого элемента применены пружины. Эти свойства демпфера пульсаций давления позволяют сделать вывод о его высоких эксплуатационных характеристиках, позволяющих применять его в трубопроводах различного назначения и для любых жидкостей.

Формула изобретения Демпфер пульсаций давления, содержащий полый цилиндрический корпус с коническим входным и выходным участками, установленный по оси трубопровода, внутри которого размещен пористый дросселирующий элемент, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности демпфирования колебаний давления, демпфер снабжен двумя пружинами конической формы, закрепленными меньшими основаниями на дросселирующем элементе, большими - между цилиндрическими и коническими участками корпуса, а дросселирующий элемент выполнен в виде пакета сеток.

Изобретение позволяет улучшить эксплуатационные характеристики трубопроводов за счет повышения эффективности демпфирования колебаний давления при транспортировании жидкости по ним. Гашение пульсаций давления достигается в цилиндрическом корпусе 2 с коническими входным 1 и выходным 3 участками, установленном по оси трубопровода. Внутри корпуса размещен дросселирующий пористый элемент, выполненный в виде пакета сеток 4. Пакет сеток 4 крепится к корпусу демпфера с помощью конических пружин 5 и 6. Эти пружины крепятся меньшими основаниями к пакету сеток 4, а большими - между цилиндрическим участком и коническими участками 1 и 3 корпуса демпфера. Демпфер включен между участками 7 и 8 трубопровода. Демпфер пульсаций давления позволяет гасить пульсации давления е широком диапазоне значений при относительной простоте его конструкции. 1 ил.