Компенсатор давления герметичной емкости с жидкостью

 

Изобретение предназначено для повышения безопасности нагружения давлением экологически опасных герметичных систем с жидкостью. Компенсатор содержит упругую камеру с наполнителем из пористого материала, при этом в упругой камере размещена рабочая жидкость, не смачивающая пористый материал, и в качестве упругой камеры использован сильфон, при этом радиус пор пористого материала, величина поверхностного натяжения рабочей жидкости, контактный угол смачивания рабочей жидкостью пористого материала, номинальное и допустимое давления в герметичной емкости связаны соотношением. Технический результат - повышение безопасности. 1 з.п. ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано для повышения безопасности нагруженных давлением герметичных систем с жидкостью, используемых в атомной, химической и других отраслях промышленности.

Известны предохранительные устройства для защиты герметичных систем, нагруженных давлением, в виде ломающихся, разрывных и других мембран (Средства защиты в машиностроении: Расчет и проектирование. Справочник /Под. ред. С.В. Белова - М.: Машиностроение, 1989, с. 289-297).

Однако эти устройства имеют определенные недостатки - разовость срабатывания, разгерметизация системы, сопровождающаяся выходом жидкости. Особенно существенными данные недостатки становится при обращении с радиоактивными, пожароопасными, химически активными, экологически опасными жидкостями.

Указанные недостатки обусловлены конструкцией и принципами работы устройств, связанными с их разрушением при срабатывании.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является демпфер пульсаций давления согласно патента RU 2084750 С1 от 20.07.1997, МПК³ F 16 L 55/04. Демпфер пульсаций давления, содержащий упругую камеру с наполнителем из пористого материала, при этом в упругой камере размещена рабочая жидкость, несмачивающая пористый материал, и в качестве упругой камеры использован сильфон.

Задачей изобретения является повышение эффективности компенсации роста давления и обеспечение заданного уровня срабатывания устройства.

Для решения данной задачи в компенсаторе давления герметичной емкости с жидкостью, содержащем упругую камеру с наполнителем из пористого материала, при этом в упругой камере размещена рабочая жидкость, несмачивающая пористый материал, и в качестве упругой камеры использован сильфон, предлагается: - что радиус пор пористого материала, величина поверхностного натяжения рабочей жидкости, контактный угол смачивания рабочей жидкостью пористого материала, номинальное и допустимое давления в герметичной емкости удовлетворяют соотношению где σ - величина поверхностного натяжения рабочей жидкости, Н/м; r - радиус пор пористого материала, м; Θ - контактный угол смачивания рабочей жидкостью пористого материала, град; P_н - номинальное давление в герметичной емкости, Па; P_доп - допустимое давление в герметичной емкости, Па.

Кроме того, в одном из вариантов конструкции предлагается: - рабочий объем компенсатора, объем жидкости в герметичной емкости, коэффициенты сжимаемости компенсатора и жидкости в емкости определять по соотношению
где V_к - рабочий объем компенсатора, м³;
V_ж - объем жидкости в емкости, м³;
k_ж - коэффициент сжимаемости жидкости в герметичной емкости, Па^-1;
k_к - коэффициент сжимаемости компенсатора, Па^-1.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемое устройство отличается использованием нового физического эффекта высокой сжимаемости так называемой лиофобной системы, образованной пористым материалом и несмачивающей материал жидкостью (см. Портяной А.Г., Сердунь Е.Н., Сорокин А.П. Особенности изотермической сжимаемости лиофобных систем. Препринт ФЭИ-2817. Обнинск, 2000. 18 с.).

Принцип действия прототипа основан на нескольких механизмах гашения пульсаций давления (лиофобно-капиллярном, звукокапиллярном, акустической кавитации). Параметры пористого материала и несмачивающей жидкости связаны другим соотношением, зависящим также от величин номинального и допустимого давлений в емкости с жидкостью. Кроме того, дополнительным соотношением связаны также объемы и сжимаемость компенсатора и жидкости в емкости.

Техническая реализуемость предложения не вызывает сомнений, так как используется новая, но уже экспериментально обоснованная, лиофобно-капиллярная технология.

Техническим результатом данного изобретения является:
- большая эффективность защиты по превышению давления;
- возможность обеспечения заданного порогового срабатывания;
- малые габариты и простота конструкции, низкая металлоемкость устройства.

Сущность предлагаемого технического решения на примере устройства с пороговым характером срабатывания поясняется чертежами, где фиг.1 - устройство в исходном состоянии (до срабатывания); фиг.2 - местный разрез пористого материала (ПМ) с незаполненными порами; фиг.3 - устройство после срабатывания; фиг. 4 - местный разрез ПМ с порами, заполняемыми рабочей лиофобной жидкостью; фиг. 5 - вариант размещения компенсатора давления в герметичной емкости.

Устройство (фиг.1 и 2) состоит из сильфона 1, рабочей (лиофобной) жидкости 2, пористого материала (ПМ) 3, торцевых заглушек 4, направляющего перфорированного цилиндра 5, опорной плиты 6, пор ПМ 7 и основы ПМ 8. Устройство прикрепляется с помощью опорной плиты 6 к крышке 9 герметичной емкости 10, заполненной жидкостью 11. Жидкость 11 полностью заполняет герметичную емкость 10, сильфоны 1 погружены в жидкость 11.

В исходном состоянии номинальное давление жидкости 11 в герметичной емкости 10 ниже допустимого, равного для рассматриваемого случая давлению Лапласа в системе рабочая лиофобная жидкость 2-ПМ 3:

где σ - величина поверхностного натяжения рабочей лиофобной жидкости, Н/м;
r - радиус пор пористого материала, м;
Θ - угол контакта рабочая лиофобная жидкость - пористый материал (Θ>>90^o), град.

При давлении P<P= P_л лиофобная жидкость 2 не входит в поры 7 ПМ и устройство (компенсатор давления) представляет собой практически гидравлически жесткую систему, не оказывающую влияния на работу герметичной емкости 10.

Устройство работает следующим образом (фиг.3, 4, 5). В случае превышения давления в герметичной емкости 10, вызванного, например, ростом ее температуры (пожар), давление жидкости 11 в емкости 10 повышается в соответствии с соотношением:

где β_ж - температурный коэффициент объемного расширения жидкости, ^-1;
k_ж - коэффициент сжимаемости жидкости, Па^-1;
ΔT_ж - рост температуры жидкости, К;
ΔP_ж - изменение давления жидкости, Па.

Величина изменения давления в герметичной емкости 10 с жидкостью 11 может быть скомпенсирована изменением объема в соответствии с ее сжимаемостью
ΔV_ж = -k_ж•ΔP_ж•V_ж, (3)
где ΔV_ж - изменение объема и объем жидкости, м³.

Поскольку в жидкости при температуре далекой от критической температуры молекулы упакованы плотно, то их коэффициенты сжимаемости малы (k_ж~5•10^-10 Па^-1 для воды при Р=10 МПа и Т=100^oС), т.е. большое изменение давления у жидкости может быть скомпенсировано небольшим изменением ее объема (Матвеев А.Н. Молекулярная физика. М.: Высшая школа, 1981). Именно это изменение объема и обеспечивает предложенный компенсатор давления.

При P_н+ΔP_ж= P_доп=P_л рабочая лиофобная жидкость 2 устройства поступает в поры 7 пористого материала 3 и объем сильфона 1 уменьшается, при этом происходит снижение давления жидкости 11 в герметичной емкости 10.

При изменении длины сильфона 1 направляющий цилиндр 5 препятствует осевому изгибу сильфона, что особенно важно при использовании длинных сильфонов и потоках жидкости 11 в емкости 10.

Для снижения давления жидкости 11 в герметичной емкости 10 до исходного (P_н) объем (V_к) и коэффициент сжимаемости (k_к) компенсатора давления, должны быть выбраны из условия, что ΔV_к = ΔV_ж и ΔP_к = ΔP_ж, откуда можно получить отношение объемов герметичной емкости и компенсатора давления

Выполненные оценочные расчеты показали, что для герметичной емкости с водой при использовании пористого материала с открытой пористостью 50% объем компенсатора составит всего ~0,3% от объема емкости, обеспечив в то же время системе свойство самозащищенности от роста давления.

Заявленное техническое решение является промышленно применимым и может найти использование в герметичных емкостях атомных энергетических, химических установок, магистральных трубопроводах нефти и нефтепродуктов.

Формула изобретения

1. Компенсатор давления герметичной емкости с жидкостью, содержащий упругую камеру с наполнителем из пористого материала, при этом в упругой камере размещена рабочая жидкость, не смачивающая пористый материал, и в качестве упругой камеры использован сильфон, отличающийся тем, что радиус пор пористого материала, величина поверхностного натяжения рабочей жидкости, контактный угол смачивания рабочей жидкостью пористого материала, номинальное и допустимое давления в герметичной емкости удовлетворяют соотношению

где σ - величина поверхностного натяжения рабочей жидкости, Н/м;
r - радиус пор пористого материала, м;
Θ - контактный угол смачивания рабочей жидкостью пористого материала, град;
P_н - номинальное давление в герметичной емкости. Па;
Р_доп - допустимое давление в герметичной емкости, Па.

2. Компенсатор по п.1, отличающийся тем, что рабочий объем компенсатора, объем жидкости в емкости, коэффициенты сжимаемости компенсатора и жидкости в емкости находятся в отношении

где V_к - рабочий объем компенсатора, м³;
V_ж - объем жидкости в герметичной емкости, м³;
K_ж- коэффициент сжимаемости жидкости в герметичной емкости, Па^-1;
K_к - коэффициент сжимаемости компенсатора, Па^-1.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5