Сифон

Изобретение относится к гидроавтоматическим устройствам и может быть использовано для автоматического преобразования непрерывного потока жидкости с небольшим расходом в дискретный поток с большим расходом, а именно изобретение может найти применение для дозированной подачи жидкости в пищевой и химической промышленности, в оросительных системах и в различных устройствах гидросмыва. Сифон содержит всасывающее колено с высасывающей трубкой (8), воздушным колпаком (11) и стаканом (4), сливное колено (3) со сливной трубкой (14) и механизм запуска сифона, выполненного из упомянутых частей всасывающего и сливного колен (2, 3). Стакан (4) установлен вверх дном, герметично закрыт крышкой (5) с нижней стороны и снабжен выходным боковым штуцером (6) у донышка (7). Высасывающая трубка (8) нижним концом герметично установлена в стакане (4) через его донышко (7), а верхним концом возвышена над донышком (7) и снабжена воздушным колпаком (11). Нижняя кромка сливной трубки (14) установлена выше нижней кромки высасывающей трубки (8). Сливная трубка (14) сливного колена снабжена муфтой соединения (16) с трубкой-сапуном (17). Изобретение направлено на упрощение конструкции сифона, повышение надежности в работе, улучшение удобства в эксплуатации и уменьшение разброса расхода слива. 1 з.п. ф-лы, 13 ил.

 

Изобретение относится к гидроавтоматическим устройствам и может быть использовано во многих отраслях народного хозяйства для автоматического преобразования непрерывного потока жидкости с небольшим расходом в дискретный поток с большим расходом. Более конкретно, данное изобретение может найти применение для дозированной подачи жидкости в пищевой и химической промышленности, в оросительных системах и в различных устройствах гидросмыва.

Известен сифон, входящий в состав устройства для полива и состоящий из всасывающего и сливного колен, последнее из которых соединено с коллектором питающей трубки с краном и механизма зарядки сифона, состоящего из эжектора упомянутого коллектора и трубки датчика уровня жидкости в накопительной емкости с всасывающей и сливной частями. Сифон содержит также трубку-сапун. В гнезда в крышке коллектора вставлены концы трубки датчика, проходящие через отверстие в стенке накопительной емкости и трубки-сапуна, при этом эжектор механизма зарядки сифона выполнен в виде трубки с отверстиями в ее стенке [Патент РФ №2175831, кл. A01G 25/00 (Сифон - позиции 4 и 13 на Фиг. 1, Фиг. 2 и Фиг. 3)].

Недостатком этого сифона является сложность конструкции и невысокая надежность в работе. В этой конструкции сифона функцию эжектора выполняет один из поливных трубопроводов с водовыпусками, что приводит к нестабильной работе сифона в целом из-за возможного засорения водовыпусков. Быстрота запуска сифона зависит от производительности эжектора, что трудно обеспечивать при небольших подводимых расходах. Сифон не имеет механизма срыва вакуума, вследствие чего его работоспособность обеспечивается в узком диапазоне изменения подводимого расхода, что резко снижает его применимость в различных отраслях народного хозяйства.

Наиболее близким техническим решением является сифон, содержащий всасывающее и сливное колена и механизм запуска сифона, при этом высасывающая трубка всасывающего колена снабжена воздушным колпаком и стаканом, а механизм запуска сифона выполнен из упомянутых частей всасывающего колена и сливной трубки сливного колена. В этом сифоне нижняя кромка воздушного колпака установлена ниже верхней кромки стакана, но выше нижней кромки высасывающей трубки, а нижняя кромка сливной трубки сливного колена установлена ниже нижней кромки воздушного колпака, но выше нижней кромки высасывающей трубки. Объем воздушного колпака выполнен больше, чем объем стакана, а проходное сечение высасывающей трубки всасывающего колена выполнено меньше щелевого проходного сечения стакана, но больше проходного сечения сливной трубки сливного колена [Заявка №2012156458/06(089247) от 26.12. 2012 г. (прототип)].

Недостатками этого сифона являются сложность конструкции, невысокая надежность, неудобство в эксплуатации и большой разброс расхода слива. Выполнение воздушного колпака за одно с высасывающей трубкой не позволяет сократить разницу между начальным и конечным напорами слива, что приводит к значительному разбросу расхода слива и нарушению требования к параметрам расхода со стороны потребителя. Изменения положения сливной трубки на 90° против часовой стрелки и обратно при каждой новой зарядке сифона (перед сезоном или после каждой промывки накопительной емкости) приводит к ослаблению узла соединения всасывающего колена со сливным коленом, в результате чего происходит частичная разгерметизация сифона и снижение надежности его работы.

Задачей изобретения является упрощение конструкции сифона, повышение надежности в работе, улучшение удобства в эксплуатации и уменьшение разброса расхода слива.

Поставленная задача достигается тем, что в сифоне, содержащем всасывающее колено с высасывающей трубкой, воздушным колпаком и стаканом, сливное колено со сливной трубкой и механизм запуска сифона, выполненного из упомянутых частей всасывающего и сливного колена, стакан установлен вверх дном, герметично закрыт крышкой с нижней стороны и снабжен выходным боковым штуцером у донышка, высасывающая трубка нижним концом герметично установлена в стакане через его донышко, а верхним концом возвышена над донышком и снабжена воздушным колпаком, при этом нижняя кромка сливной трубки установлена выше нижней кромки высасывающей трубки, кроме того, сливная трубка сливного колена снабжена муфтой соединения с трубкой-сапуном.

Сущность изобретения приведена на рисунках, где на фиг. 1 изображен общий вид сифона; на фиг. 2 - конструктивная схема сифона; на фиг. 3 - схема установки сифона и питающей трубки к накопительной емкости, на фиг. 4 - вид A на фиг. 3; на фиг. 5 - схема зарядки сифона; на фиг. 6 - состояние сифона после его зарядки; на фиг. 7 - состояние сифона перед запуском в работу; на фиг. 8 - состояние сифона после запуска в работу (происходит слив жидкости из накопительной емкости свободно в приемный патрубок потребителя, в атмосферу); на фиг. 9 - состояние сифона перед окончанием его работы (происходит слив жидкости из накопительной емкости свободно в приемный патрубок потребителя, в атмосферу); на фиг. 10 - состояние сифона после окончания его работы (прекращается свободный слив жидкости из накопительной емкости); на фиг. 11 - состояние сифона после запуска в работу (происходит слив жидкости из накопительной емкости в приемный патрубок потребителя и в трубку-сапун); на фиг. 12 - состояние сифона перед окончанием его работы (происходит слив жидкости из накопительной емкости свободно в приемный патрубок потребителя); на фиг. 13 - рабочая схема монтажа сифона с потребителем (вариант потребителя - приемный патрубок и поливные трубки с водовыпусками).

Сифон 1 (фиг. 1) содержит всасывающее 2 и сливное 3 колена. Высасывающее колено 2 (фиг. 2) состоит из стакана 4, установленного вверх дном, и герметично закрытого с нижней стороны крышкой 5, и снабженного выходным боковым штуцером 6 у донышка 7, высасывающей трубки 8, нижним концом 9 герметично установленной в стакане через его донышко 7, а верхним концом 10 возвышенной над донышком 7 и снабженной воздушным колпаком 11 посредством ребер жесткости 12 и упоров 13. Сливное колено 3 содержит сливную трубку 14 с резьбовой муфтой 15 и муфту соединения 16 с трубкой-сапуном 17. Высасывающее колено 2 соединено со сливным коленом 2 путем закручивания резьбовой муфты 15 к выходному боковому штуцеру 6, при этом нижняя кромка сливной трубки 14 установлена выше нижней кромки всасывающей трубки 8.

Для подготовки сифона 1 к работе необходимо установить его в емкости 18 с крышкой 19 и отверстием 20, закрепить к боковой стенке емкости питающую трубку 21 посредством крана 22 с регулирующим флажком 23 и произвести его зарядку.

Установить сифон 1 в емкости 18 следующим образом. Открутить сливное колено 3 от высасывающего колена 2, поместить высасывающее колено 2 в емкость 18 и, направив стакан 4 вертикально вниз, вставить выходной боковой штуцер 6 в отверстие 20. Сливное колено 3 закрутить на выходной боковой штуцер 6 посредством резьбовой муфты 15 до конца и направить конец сливной трубки 14 вертикально вниз (фиг. 3 и фиг. 4).

Произвести зарядку сифона 1 следующим образом. Соединить питающую трубку с источником рабочей жидкости. Снять воздушный колпак 11 от высасывающей трубки 8 путем вытягивания его вверх небольшим усилием и расположить на донышке в накопительной емкости 18, не допуская отклонения высасывающего колена 2 от вертикального положения. Флажок 23 крана 22 установить в таком положении, чтобы струйка рабочей жидкости из крана 22 попала во всасывающую трубку 8. Подачу рабочей жидкости в высасывающую трубку 8 продолжить до появления истечения жидкости из муфты соединения 16 (фиг. 5). После истечения рабочей жидкости из соединительной муфты 16 воздушный колпак 11 посредством ребер жесткости 12 и упоров 13 жестко установить на верхнем конце 10 высасывающей трубки 8, продавливая на него с небольшим усилием и не допуская отклонения высасывающего колена 2 от вертикального положения (зарядка сифона завершена). Зарядка сифона 1 - это наполнение стакана 4 рабочей жидкостью до внутреннего нижнего уровня бокового выходного штуцера 6 (фиг. 6).

Далее емкость 18 закрыть крышкой 19 и сифон 1 посредством муфты соединения 16 соединить с приемным патрубком 24 потребителя (фиг. 7), состоящего, например, из поливных трубок 25 с водовыпусками 26 (фиг. 13).

Сифон 1 готов к работе и может работать в двух режимах.

Режим-1. Сифон 1 и потребитель работают независимо друг от друга (как работает прототип), то есть при работе сифона 1 максимальный уровень жидкости в приемном патрубке 24 потребителя не достигает нижней кромки сливной трубки 14, вследствие чего нижняя кромка сливной трубки 14 всегда остается свободно сообщенной с атмосферой через муфту соединения 16 и трубку-сапун 17 (фиг. 8). Трубка-сапун 17 в этом режиме не способствует стабилизации расхода слива сифона 1. Этот режим работы применяется при невысоком требовании потребителя к стабильности (диапазону изменения) расхода слива сифона 1 и неограниченной возможности высоты установки накопительной емкости 18.

Режим-2. Сифон 1 и потребитель работают во взаимодействии, то есть при работе сифона 1 максимальный уровень жидкости в приемном патрубке 24 потребителя и в трубке-сапуне 17 поднимается выше нижней кромки сливной трубки 14 (фиг. 11) и способствует стабилизации расхода слива сифона, а минимальный уровень жидкости в приемном патрубке 24 потребителя в конечной фазе работы сифона 1 приближается, но не достигает нижней кромки сливной трубки 14 (фиг. 12), вследствие чего нижняя кромка сливной трубки 14 остается свободно сообщенной с атмосферой через муфту соединения 16 и трубку-сапун 17. Этот режим работы применяется при высоких требованиях потребителя к стабильности (снижению разброса) расхода слива сифона 1 и ограниченности высоты установки накопительной емкости 18.

Работает сифон 1 в Режиме-1 следующим образом. Рабочая жидкость с небольшим расходом q, задаваемым краном 22 и регулирующим флажком 23, через питающую трубку 21 поступает в накопительную емкость 18 и медленно накапливается в ней до уровня нижней кромки воздушного колпака 11 (нижний уровень - НУ₁), не совершая никакого воздействия на состояние сифона 1 (фиг. 6). Далее начинается накопление жидкости в емкости выше НУ₁ (начало цикла «накопление»). Уровень жидкости в накопительной емкости 18 медленно поднимается. Поднимается уровень жидкости также в полости воздушного колпака 11, но с отставанием от уровня в емкости 18, так как ее повышению препятствуют воздух в колпаке 11 и в верхней части высасывающей трубки 8 и столб рабочей жидкости в стакане 4 и в нижней части высасывающей трубки 8. В период повышения уровня жидкости в емкости 18 под действием столба рабочей жидкости в емкости сжимается воздух в колпаке 11 и медленно выжимает жидкость из сливной трубки 8 в атмосферу через крышку 5, стакан 4, выходной боковой штуцер 6, резьбовую муфту 15 и сливную трубку 14. При этом уровень жидкости в колпаке приближается к верхней кромке высасывающей трубки 8, а уровень жидкости в высасывающей трубке 8 опускается и приближается к нижней ее кромке. Равновесие сжатого воздуха в колпаке 11 и в высасывающей трубке 8 поддерживается, с одной стороны, столбом накопленной жидкости в емкости 18, находящимся выше нижней кромки воздушного колпака 11, а с другой стороны - столбом жидкости в стакане 4 (фиг. 7). При достижении уровня жидкости в емкости 18 верхнего уровня (ВУ₁), благодаря особым размерам воздушного колпака 11, стакана 4 и высасывающей трубки 8 (как у прототипа), уровень жидкости в колпаке 11 по-прежнему остается ниже уровня верхней кромки трубки 8, а сжатый воздух, преодолевая нижнюю кромку высасывающей трубки 8, попадает в стакан 4 и снижает плотность жидкости, находящейся в нем. Далее попадание воздуха в полость стакана 4 и процесс снижения плотности рабочей жидкости в нем принимает нарастающий характер. Равновесие сжатого воздуха в колпаке 11 и в высасывающей трубке 8 резко нарушается, и столб жидкости в емкости 18, выдавливая воздух из воздушного колпака и высасывающей трубки в атмосферу через сливную трубку 14, муфту соединения 16 и трубку-сапун 17, под напором с большим расходом превышающим подводимый расход q многократно, сливается из емкости 18 с крышкой 19 в патрубок 24 потребителя через воздушный колпак 11, высасывающую трубку 8, щелевое сечение между стаканом 5 и наружным диаметром высасывающей трубки 8, выходной боковой штуцер 6, сливную трубку 11 с резьбовой муфтой 15 и муфту соединения 16 с трубкой-сапуном 17 и распределяется по орошаемому участку через поливные трубки 25 с водовыпусками 26 (фиг. 13), создавая в приемном патрубке 24 потребителя напор и уровень (начало цикла «слив») (фиг. 8).

Уровень жидкости в емкости 18 начинает снижаться, и при достижении нижнего уровня (НУ₁), что соответствует уровню немного ниже уровня нижней кромки воздушного колпака 11 (фиг. 9), работа сифона 1 подходит к концу цикла «слив» с расходом слива (номинальный расход потребителя) под напором и созданием в приемном патрубке потребителя 24 напора и уровня происходит попадание воздуха в полость воздушного колпака 11 и резкий срыв вакуума сифона 1. Нижний уровень опускается ниже уровня нижней кромки воздушного колпака 11 и обеспечивает резкий срыв вакуума сифона благодаря тому, что диаметр воздушного колпака выполнен значительно больше диаметра сливной трубки 14. При этом часть рабочей жидкости из полости воздушного колпака сливается обратно в емкость 18, а часть продолжает сливаться в атмосферу через сливную трубку 14. После срыва вакуума и сообщения полости воздушного колпака с атмосферой сифон 1 продолжает работать до тех пор, пока уровень рабочей жидкости в высасывающей трубке 8 не опустится до уровня нижней кромки сливной трубки 14. При достижении уровня жидкости в высасывающей трубке 8 к уровню нижней кромки сливной трубки 14, слив из сифона прекращается (конец цикла «накопление-слив»). Уравновешиваются столбы жидкости в стакане 4 и сливной трубке 14, высасывающая трубка 8 остается заполненной жидкостью до уровня нижней кромки сливной трубки 14. Далее жидкость начинает медленно стекать из сливной трубки 14 в атмосферу, а из стакана 4 - в высасывающую трубку 8, поднимая уровень жидкости в ней и затапливая нижний конец высасывающей трубки 8 (автоматическая зарядка сифона), тем самым подготавливая сифон к следующему циклу «накопление-слив» (Фиг. 10).

Далее рабочие циклы медленного накопления жидкости в накопительной емкости 18 с подводимым расходом q и быстрого его слива свободно в приемный патрубок 24 потребителя с изменяющимся в большом диапазоне расходом от до автоматически повторяются.

Параметры работы сифона 1 и потребителя в Режиме-1 определяются согласно следующей зависимости (Фиг. 8 и Фиг. 9):

где: - максимальный расход слива сифона 1;

- минимальный расход слива сифона 1 (номинальный расход потребителя);

- максимальный напор слива сифона 1;

- минимальный напор слива сифона 1;

- максимальный напор в приемном патрубке 24 потребителя;

- минимальный напор в приемном патрубке 24 потребителя.

В этой зависимости значение задается потребителем, определяется конструктивными размерами сифона 1, а - принципом работы сифона и составляет не менее Отсюда следует, что больше более чем в 1,41 раз, а больше более чем в 2 раза.

У разработанного нами (испытанного в стендовых и производственных условиях) сифона для полива с размерами при заданном потребителем значении значение достигает 1547,9 мм, а составляет 1,52 т.е. приводит к разбросу его расхода слива более чем на 50%.

Из приведенных данных и заданного значения номинального расхода потребителя видно, что и необоснованно велики и приводят к ухудшению стабильной работы потребителя (разброс расхода слива составляет более 50%), и увеличению его размеров (высота приемной трубки достигает до 1547,9 мм), следовательно, и неудобству в эксплуатации, и дороговизне.

Для обеспечения стабильной работы потребителя (с разбросом расхода слива не более 8%, т.е. и сокращения его размеров (фиг. 11) необходимо, чтобы сифон 1 работал с потребителем во взаимодействии и таким образом, чтобы задаваемый потребителем расход создавал в конце работы сифона такой в приемном патрубке 24, который приблизился бы к нижней кромке сливной трубки 14, но не достигал ее на величину ΔН (фиг. 12) (Режим-2).

Работает сифон 1 в Режиме -2 следующим образом (фиг. 11). Накопление рабочей жидкости в накопительной емкости 18 происходит так же, как описано в Режиме-1, до ВУ₁. Срабатывание сифона 1 и его работа в первые секунды не отличается от Режима-1 и обеспечивает свободный слив жидкости из сливной трубки 14 (под напором с расходом в приемный патрубок 24 до тех пор, пока уровень жидкости в нем не достигнет нижней кромки сливной трубки 14 и не разобщит ее с атмосферой. Последующие секунды после заполнения приемного патрубка 24 процесс повышения уровня жидкости продолжается в трубке-сапуне 17 до достижения уровня ВУ₂, создавая напор и постепенно снижая напор до и одновременно уменьшая расход до Дальнейшая работа сифона 1 приводит к снижению ВУ₁ в накопительной емкости 18 до НУ₁ и ВУ₂ в трубке-сапуне 17 до НУ₂ в приемном патрубке потребителя (Фиг. 12). При этом разница между ВУ₁ и ВУ₂, равная постепенно уменьшается и в конце цикла «слив» доходит до значения в результате чего снижается до а - до обеспечивая более стабильный расход слива жидкости из накопительной емкости 18 к потребителю (разброс расхода слива сифона 1 составляет не более 8%).

Определим то есть практическую высоту приемного патрубка потребителя для разработанного нами сифона с 8% разбросом расхода. Для этого напишем зависимость, согласно которой определяются параметры работы сифона 1 и потребителя в Режиме-2 (Фиг. 11 и Фиг. 12)

где: - максимальный расход слива сифона 1;

- минимальный расход слива сифона 1 (номинальный расход потребителя);

- максимальный напор слива сифона 1;

- минимальный напор слива сифона 1;

- максимальный напор в приемном патрубке 24 потребителя и в трубке-сапуне 17;

- минимальный напор в приемном патрубке 24 потребителя.

В этой зависимости значение задается потребителем, (условие разброса расхода слива сифона 1 - 8%), - определяется конструктивными размерами сифона 1, а исходит из принципа работы сифона и составляет 212 мм.

Из зависимости (2) следует, что а Из Фиг. 11 и Фиг. 12 видно, что но, принимая во внимание условие работы сифона 1 в режиме-2, можно принять ΔН=10 мм. Тогда получим Отсюда а

Расчеты параметров работы сифона и потребителя показывают, что Режим-2, обеспечивающийся путем снабжения сливной трубки сливного колена муфтой соединения 16 с трубкой-сапуном 17, имеет ряд преимуществ по сравнению с Режимом-1. В обоих режимах, когда минимальный напор в приемном патрубке 24 составляет 673 мм Режим-2 обеспечивает стабильный расход слива сифона (разброс расхода слива сифона 1 составляет не более 8%) и невысокий напор в приемном патрубке 24 и трубке-сапуне тогда как Режим-1 (как прототип) выдает нестабильный расход слива сифона (разброс расхода слива составляет более 50%) и высокий напор в приемном патрубке 24 потребителя

Таким образом, благодаря тому, что стакан 4 установлен вверх дном, герметично закрыт крышкой 5 с нижней стороны и снабжен выходным боковым штуцером 6 у донышка 7, высасывающая трубка 8 нижним концом 9 герметично установлена в стакане через его донышко, а верхним концом 10 возвышена над донышком и снабжена воздушным колпаком 11 и нижняя кромка сливной трубки 14 установлена выше нижней кромки всасывающей трубки 8, достигнуто упрощение конструкции сифона, повышение надежности в работе (исключена возможность разгерметизации узла соединения высасывающего колена 2 со сливным коленом 3) и улучшение удобства в эксплуатации (упрощен процесс зарядки сифона), а снабжение сливной трубки 14 сливного колена 3 муфтой соединения 16 с трубкой-сапуном 17 позволило уменьшить разброс расхода слива сифона с 50% до 8%.

В условиях мастерских ФГБНУ ВНИИ «Радуга» в 2013 году были изготовлены экспериментальные образцы предлагаемого сифона в количестве 10 шт. Испытания четырех образцов в лабораторных условиях и шести образцов в теплицах приусадебных участков показали высокую надежность и удобство в эксплуатации. Максимальный подводимый расход этих сифонов превысил максимальный требуемый расход для полива теплицы в 8 раз. Образцы, отработав суммарно более 30000 часов с циклом «накопление-слив» продолжительностью 2 ч. 30 мин, не совершили ни одного отказа. При этом время полного запуска сифона составило - до 0,5 сек, а время разряжения сифона после опорожнения емкости 18 - до 1 сек.

Применение предлагаемого изобретения в народном хозяйстве повысит надежность и эффективность систем гидроавтоматики, где требуется автоматически преобразовать непрерывный поток жидкости с малым расходом в дискретный поток с большим расходом.

1. Сифон, содержащий всасывающее колено с высасывающей трубкой, воздушным колпаком и стаканом, сливное колено со сливной трубкой и механизм запуска сифона, выполненного из упомянутых частей всасывающего и сливного колена, отличающийся тем, что стакан установлен вверх дном, герметично закрыт крышкой с нижней стороны и снабжен выходным боковым штуцером у донышка, высасывающая трубка нижним концом герметично установлена в стакане через его донышко, а верхним концом возвышена над донышком и снабжена воздушным колпаком, при этом нижняя кромка сливной трубки установлена выше нижней кромки высасывающей трубки.

2. Сифон по п. 1, отличающийся тем, что сливная трубка сливного колена снабжена муфтой соединения с трубкой-сапуном.