Сильфонный криогенный нагнетатель
Изобретение относится к решению проблем беспоршневого нагнетания криогенных жидкостей в технологические зоны, например их последующей газификации под высоким и сверхвысоким давлением. Сильфонный криогенный нагнетатель содержит, по меньшей мере, два спаренных сильфона, один из которых является приводным, а второй нагнетательным, всасывающие и нагнетательные клапаны. Сильфоны выполнены в виде набора пластинчатых жестких диафрагм, расположенных между ними газонепроницаемых эластичных мембран и подвижных ступенчатых кондукторов. Через управляющие клапаны приводной сильфон связан с газовым пространством зоны газификации нагнетаемой жидкости. Рабочая площадь приводного сильфона больше соответствующей площади спаренного с ним нагнетательного сильфона. Они теплоизолированы при помощи теплоизолирующей прослойки и своими наружными неподвижными сторонами жестко скреплены струбцинами. Между собой сильфоны в средней подвижной части разделены силовой пластиной для трансформации давления. Реализуется эффект трансформации давления, например, того рабочего газа, который используется для силового сильфонного привода в сторону его дальнейшего управляемого повышения в выходной линии нагнетания криогенных жидкостей с итоговым созданием требуемого высокого и сверхвысокого давления. 4 з.п. ф-лы, 8 ил.
Изобретение относится к области беспоршневого (безуплотнительного) нагнетания криогенных жидкостей в технологические зоны, например их последующей газификации под высоким и сверхвысоким давлением.
Кроме того, данное изобретение открывает новые технические возможности в решении проблем нагнетания целого ряда некриогенных специфических жидкостей, которые по своему целевому предназначению категорически не допускают какого-либо их загрязнения в процессе нагнетания, например, жидкостей химически особо чистых или биологически особо стерильных, а также жидкостей высокотоксичных и (или) радиоактивных, даже малые утечки которых при нагнетании являются недопустимыми.
Известен сильфонный криогенный нагнетатель для подачи жидкостей, содержащий, по меньшей мере, два спаренных сильфона, один из которых является приводным, а второй нагнетательным, всасывающие и нагнетательные клапаны (US 2464095 A, 08.08.1949).
Недостатком этого нагнетателя является то, что он не может подавать криогенные жидкости в технологические зоны с высоким и сверхвысоким давлением.
Задачей, поставленной в настоящем изобретении, является повышение ресурса работы нагнетателя.
Эта задача достигается за счет того, что сильфонный криогенный нагнетатель для подачи криогенных жидкостей в технологические зоны с высоким и сверхвысоким давлением содержит, по меньшей мере, два cпаренных сильфона, один из которых является приводным, а второй нагнетательным, всасывающие и нагнетательные клапаны, сильфоны выполнены в виде набора пластинчатых жестких диафрагм, расположенных между ними газонепроницаемых эластичных мембран и подвижных ступенчатых кондукторов, через управляющие клапаны приводной сильфон связан с газовым пространством зоны газификации нагнетаемой жидкости для осуществления процесса нагнетания частью газа, который образуется при последующей газификации нагнетаемой криогенной жидкости, при этом рабочая площадь приводного сильфона больше соответствующей площади спаренного с ним нагнетательного сильфона, при этом они теплоизолированы при помощи теплоизолирующей прослойки и своими наружными неподвижными сторонами жестко скреплены струбцинами, при этом между собой сильфоны в средней подвижной части разделены силовой пластиной для трансформации давления.
Кроме того, в нагнетателе спаренные сильфоны могут быть смонтированы в общем герметичном корпусе, внутри которого размещены струбцины для стяжки неподвижных частей сильфонов, а внутреннее пространство всего корпуса вакуумируется для обеспечения соответствующей вакуумной теплоизоляции нагнетательного сильфона.
Кроме того, в нагнетателе спаренные сильфоны могут быть скреплены стяжкой наружными торцевыми пластинами внутри общего корпуса, при этом нагнетательный сильфон установлен в своем автономном и отдельно вакуумируемом для соответствующей вакуумной теплоизоляции корпусе, герметичность которого обеспечена за счет установки торцевых и внешних периферийных герметизирующих сильфонов.
Кроме того, в нагнетателе приводной сильфон может быть дополнительно подключен к самостоятельному внешнему источнику давления газа, который не связан с зоной газификации самой нагнетаемой жидкости, или к самостоятельной внешней гидравлической системе привода.
Кроме того, в нагнетателе для эффективной вакуумной теплоизоляции нагнетательного сильфона теплоизолирующие прослойки могут быть выполнены из стеклоуглерода.
Для приведения в действие предлагаемого нагнетателя используется энергия, забираемая от части того газа, который образуется при последующей газификации самой нагнетаемой криогенной жидкости.
В состав основных компонентов предлагаемого нагнетателя (как создаваемого нового конструктивного комплекса) включается техническое решение по трансформации величины выходного давления в сторону его увеличения по сравнению с тем рабочим давлением, которое используется в соответствующем силовом приводе. Для этого в конструкции нагнетателя применяются два (или более) зеркально спаренных сильфона вышеуказанного типа. Их наружные стороны неподвижны и жестко закреплены соответствующим силовым каркасом. Один из таких сильфонов осуществляет нагнетание криогенной жидкости и связан с ее гидравлической системой, а второй сильфон используется в качестве силового привода. При этом сильфон привода изготавливается с превышением его характерной рабочей площади над соответствующей площадью спаренного с ним жидкостного криогенного сильфона. Между сильфонами в средней подвижной части указанной их сборки устанавливают силовую разделительную пластину, которая в дальнейшем при своем перемещении выполняет функцию именно трансформации давления в сторону его увеличения, причем именно в том сильфоне, который нагнетает криогенную жидкость. В результате выходное давление нагнетания жидкости всегда превышает используемое для указанного сильфонного сильфона привода давление, например, того газа, который частично берется для работы приводного из той технологической зоны, в которую сама криогенная жидкость нагнетается. Именно такое техническое решение обеспечивает в дальнейшем требуемое создание на выходе из предлагаемого сильфонного криогенного нагнетателя высокого и сверхвысокого давления.
В конструкции сильфонов предлагаемого типа может быть реализовано применение так называемых активных диафрагм. То есть таких, в которых размещаются известные теплоаккумулирующие материалы, например слои из тончайших металлических нитей для соответствующего обеспечения процессов изотермического сжатия криогенных жидкостей. Это особенно важно при создании сверхвысоких давлений.
Предлагаемый сильфонный криогенный нагнетатель может быть использован и для нагнетания газообразных веществ.
Сущность изобретения поясняется прилагаемыми чертежами.
На фиг.1 изображен сильфонный нагнетатель в стадии заполнения криогенной жидкостью; на фиг.2 - разрез А-А фиг.1, на фиг.3 - сильфонный нагнетатель в стадии завершения цикла нагнетания; на фиг.4 - разрез В-В фиг.3, на фиг.5 - сильфонный нагнетатель тороидального типа в режиме заполнения криогенной жидкостью, на фиг.6 - разрез В-В фиг.3, на фиг.7 - сильфонный нагнетатель тороидального типа в стадии завершения цикла нагнетания; на фиг.8 - разрез А-А фиг.8
На представленных чертежах изображено: 1 - входной криогенный патрубок; 2 - входной обратный клапан; 3 - выходной патрубок; 4 - выходной обратный клапан; 5 - кожух зоны внешней теплоизоляции; 6 - внешняя теплоизоляция; 7 - объемный вытеснитель; 8 - внутренний ступенчатый кондуктор; 9 - вакуумная теплоизоляция; 10 - верхний кожух; 11 - распорные пластины; 12 - стяжные шпильки; 13 - струбцины; 14 - опорный фланец; 15 - неподвижная теплоизолирующая прослойка; 16 - неподвижный теплоизолирующий кран; 17 - подвижный экран; 18 - внешний ступенчатый кондуктор; 19 - жесткая диафрагма; 19* - сильфон в сжатом состоянии; 20 - эластичная мембрана в полностью расширенном сильфоне; 21 - торцевая теплоизолирующая прослойка подвижной зоны; 22 - подвижная силовая пластина трансформации давления; 23 - нижний (газовый) сильфон в сжатом состоянии; 23* - нижний сильфон в предельно раздвинутом состоянии; 24 - внешний ступенчатый кондуктор нижнего сильфона; 25 - нижний кожух; 26 - атрубок подачи (или сдувки) рабочего газа; 27 - вытеснитель нижнего сильфона; 28 - верхний участок внешнего кондуктора; 29 - нижние распорные пластины; 30 - нижние участки ступенчатого кондуктора; 31 - верхний стяжной стакан; 32 - неподвижная распорная втулка; 33 - сильфон торцевого вакуумного уплотнения в сжатом состоянии; 33* - то же, в полностью расширенном состоянии; 34 - подвижная герметизирующая втулка; 35 - штуцера входа-выхода криогенной жидкости; 36 - верхняя силовая плита; 37 - тороидальный сильфон в стадии заполнения криогенной жидкостью; 37* - то же, в стадии сжатия и завершения нагнетания; 38 - сильфон внешнего вакуумного уплотнения в раздвинутом состоянии; 38* - то же, в сжатом состоянии; 39 - тороидальной газовый сильфон в сжатом состоянии; 39* - то же, в раздвинутом состоянии завершения цикла нагнетания криогенной жидкости; 40 - внешний цилиндрический корпус; 41 - нижняя силовая плита; 42 - штуцер входа-выхода рабочего газа; 43 - герметизирующее внешнее кольцо; 44 - кольцевая вакуумная теплоизоляция; 45 - тороидальный ступенчатый кондуктор; Si - эффективная рабочая площадь сильфона, осуществляющего силовой привод процесса нагнетания; S2 - эффективная рабочая площадь нагнетающего криогенного сильфона. Осуществление изобретения в соответствии с представленными чертежами поясняется нижеследующим кратким описанием конструкции сильфонного криогенного нагнетателя и его действия. Основополагающие сильфоны смонтированы в единый конструктивный блок в количестве двух (или более) встречно своими подвижными частями. При этом их неподвижные части, связанные с соответствующими внешними коммуникациями, жестко закреплены силовыми стяжками, например, с использованием струбцин 13, опорных фланцев 14 (или внешнего корпуса 40) и стяжных шпилек 12. В указанном спаренном состоянии сильфоны закрепляются в их противофазном состоянии, то есть когда один из них находится, например, в полностью сжатом состоянии (23, 39), то второй наоборот - в полностью расширенном состоянии (20, 37). Функционально один из сильфонов (например, верхний на представленных чертежах) предназначен для нагнетания криогенной жидкости, которая поступает через входной патрубок 1 с обратным клапаном 2 и выходит через патрубок 3 с соответствующим клапаном 4. При этом второй сильфон выполняет функцию силового привода (работающего, например, на газе высокого и сверхвысокого давления) и передающего соответствующее усилие верхнему сильфону через разделяющую их теплоизоляцию 21 и силовую пластину 22. Сильфон привода изготавливается с превышением его характерной рабочей площади Si над соответствующей площадью S2 нагнетающего криогенного сильфона. Именно за счет превышения Si над S2 реализуется эффект трансформации давления в сторону его соответствующего повышения на выходе нагнетаемой криогенной жидкости по сравнению с давлением того рабочего газа, который используется для самого привода. В конструкции сильфонного нагнетателя применяются известные элементы вакуумной теплоизоляции криогенных зон. Для обеспечения соответствующего вакуумирования герметизируется либо весь наружный корпус (см. фиг.1 и 2) верхним 10 и нижним 25 кожухами либо оборудуется внутренний вакуумированный корпус для автономной вакуумной теплоизоляции только самого криогенного сильфона и его коммуникаций (см. фиг.3 и 4). Во втором случае монтируется верхний торцевой сильфонный узел в составе стяжного стакана 31 и неподвижной распорной втулки 32, а также подвижной герметизирующей втулки 34, состыкованной с сильфоном 33 (33*). Кроме того, устанавливается сильфон 38 (38*) внешнего вакуумного уплотнения с наружными внешними кольцами (43) и внутренней кольцевой теплоизоляцией 44. Теплоизоляция в торцевых контактных зонах 15 и 21 обеспечивается применением соответствующих изделий из стеклоуглерода. С учетом вышеизложенного и в соответствии с представленными чертежами предлагаемый сильфонный нагнетатель действует по следующему двухтактному циклу.
Первый такт. Осуществляется заполнение криогенной жидкостью нагнетательного сильфона (20, 37) через соответствующие патрубки с обратными клапанами (1, 2 или 35). В этом цикле из противофазного сильфона, например газового силового привода, производится полная сдувка рабочего газа с соответствующим сжатием этого сильфона (23, 39). Второй такт. В сильфон привода через соответствующие клапаны управления подается, например, часть газа из той зоны, в которую закачивают саму криогенную жидкость и где ее газификацируют с заданным высоким и сверхвысоким давлением. При этом под силовым воздействием газового сильфона с рабочей площадью Si (превышающей площадь S2 криогенного сильфона) возникает процесс нагнетания самой криогенной жидкости, но уже с давлением, которое превышает давление используемого рабочего газа в соответствии с величиной относительного превышения Si над S2.
В результате указанного конструктивного исполнения предлагаемого сильфонного криогенного нагнетателя и соответствующего технического осуществления эффекта трансформации давления в сторону его последующего управляемого повышения при нагнетании криогенных жидкостей обеспечивается создание требуемого высокого и сверхвысокого давления.
1. Сильфонный криогенный нагнетатель для подачи криогенных жидкостей в технологические зоны с высоким и сверхвысоким давлением, содержащий, по меньшей мере, два спаренных сильфона, один из которых является приводным, а второй - нагнетательным, всасывающие и нагнетательные клапаны, отличающийся тем, что сильфоны выполнены в виде набора пластинчатых жестких диафрагм, расположенных между ними газонепроницаемых эластичных мембран и подвижных ступенчатых кондукторов, через управляющие клапаны приводной сильфон связан с газовым пространством зоны газификации нагнетаемой жидкости для осуществления процесса нагнетания частью газа, который образуется при последующей газификации нагнетаемой криогенной жидкости, при этом рабочая площадь приводного сильфона больше соответствующей площади спаренного с ним нагнетательного сильфона, при этом они теплоизолированы при помощи теплоизолирующей прослойки и своими наружными неподвижными сторонами жестко скреплены струбцинами, при этом между собой сильфоны в средней подвижной части разделены силовой пластиной для трансформации давления.
2. Сильфонный криогенный нагнетатель по п.1, отличающийся тем, что спаренные сильфоны смонтированы в общем герметичном корпусе, внутри которого размещены струбцины для стяжки неподвижных частей сильфонов, а внутреннее пространство всего корпуса вакуумируется для обеспечения соответствующей вакуумной теплоизоляции нагнетательного сильфона.
3. Сильфонный криогенный нагнетатель по п.1, отличающийся тем, что спаренные сильфоны скреплены стяжкой наружными торцевыми пластинами внутри общего корпуса, при этом нагнетательный сильфон установлен в своем автономном и отдельно вакуумируемом для соответствующей вакуумной теплоизоляции корпусе, герметичность которого обеспечена за счет установки торцевых и внешних периферийных герметизирующих сильфонов.
4. Сильфонный криогенный нагнетатель по п.1, отличающийся тем, что приводной сильфон дополнительно подключен к самостоятельному внешнему источнику давления газа, который не связан с зоной газификации самой нагнетаемой жидкости, или к самостоятельной внешней гидравлической системе привода.
5. Сильфонный криогенный нагнетатель по п.1, отличающийся тем, что для эффективной вакуумной теплоизоляции нагнетательного сильфона теплоизолирующие прослойки выполнены из стеклоуглерода.
