ЖИДКОСТИ

Изобретения (способ и устройство) относятся к области сосудов высокого давления и касаются конструкции сосуда для жидкости, находящейся под дав- лением в процессе эксплуатации этого сосуда, а также способа изменения гид- равлического сопротивления жидкости на выходе из сосуда. Таким сосудом может быть, например, система подачи топлива в камеру сгорания, различные прессы, включая шнековые прессы, в которых прессуемый материал находится в виде неньютоновской, т. е. вязкоупругой жидкости. Задача данного способа и устройства состоит в том, чтобы оперативно управлять процессом истечения жидкости из сосуда под давлением, не изменяя геометрических характеристик выпускного отверстия, а изменяя только гидравлическое сопротивление потоку жидкости, проходящей через данное устройство.

СПОСОБ

Из патентной литературы известен способ регулирования силы сопротив- ления гидравлического демпфера в подвеске транспортного средства (см. па- тент РФ N°2127675 по кл. F16F9/48, 1999 г.). Способ заключается в том, что кроме изменения проходного сечения канала, который связывает полости демпфера в зависимости от разницы давлений между этими полостями, преоб- разуют движение поршня демпфера в перемещение детали демпфера, положе- ние которой влияет на величину проходного сечения канала. Способ решает задачу автоматического изменения в широких пределах характеристики сопро- тивления демпфера в зависимости от амплитуды неровностей дорожного по- крытия.

Способ оперативного изменения гидравлического сопротивления жидко- сти на выходе из сосуда для жидкости, находящейся под давлением, как тако- вой в исследованном объёме источников информации не обнаружен. Что каса- ется гидравлического сопротивления как явления, существующего в любой гидравлической системе, то общеизвестно, что таковое увеличивается с увели- чением количества препятствий, установленных на пути потока жидкости. Препятствия для потока жидкости образуют чередованием объёмов и соеди- няющих их отверстий. Обычно наличие таких препятствий признают как не- достаток гидравлической системы, поэтому их стремятся устранить (см., на- пример, способ снижения гидравлического сопротивления по патенту РФ Ж.168108, кл. F17D 1/16, 2000 г.). Предлагаемый способ основан на преднаме- ренном создании препятствий на пути потока жидкости и использовании этого приёма на выходе из сосуда для достижения положительного эффекта по управлению гидравлическим сопротивлением, что особенно актуально для ве- ществ, имеющих изменяющиеся свойства. При низком давлении, даже при дос- таточно высокой температуре они являются твердыми и не могут перерабаты- ваться методами литья или термопластической экструзии под давлением. При- чиной трудностей простого повышения давления в нагнетающем сосуде под давлением является сложность изготовления и эксплуатации очень точного оборудования из очень прочных материалов, которое невозможно эксплуати- ровать без быстрого износа, в том числе по причине термических деформаций и высокого трения. Это приводит к невозможности изготовления продукции в достаточном количестве и к ее слишком высокой себестоимости. При этом очень высоки требования к сырью, работникам, состоянию оборудования. Да- же небольшие износы приводят к неработоспособности оборудования, так как оно не обеспечивает рабочих параметров. В частности, изготовление пластиче- ских масс с высокой температурой плавления, или впрыск горючего в камеру сгорания двигателей требуют очень точного изготовления деталей и материа- лов высокой прочности. Большой проблемой, особенно при перекачивании ве- ществ, которые под действием давления меняют свою фазу с твердой на жид- кую, является первый момент выхода еще не пластифицированной под дейст- вием давления жидкости. В этот момент выход еще не жидкой, а твердой, но рассыпчатой массы возможен только при достаточно низком сопротивлении выхода. Но с постепенным повышением пластичности твердое тело начинает превращаться в жидкость и для продолжения процесса требуется повышение давления и соответствующее изменение гидравлического сопротивления на выходе.

Поэтому простой и дешевый способ повышения и изменения давления для жидкости, вытекающей из сосуда под давлением, является весьма актуаль- ным как экономически, так и технологически. Это позволит изготавливать обо- рудование с меньшей точностью, из более дешевых материалов и при этом многократно продлить сроки его эксплуатации, подстраивая давление, необхо- димое для работы посредством изменения гидравлического сопротивления для вытекающей жидкости.

Техническим результатом изобретения (способа) является возможность изготавливать оборудование, предназначенное для осуществления данного способа, с меньшей точностью, из более дешевых материалов и при этом мно- гократно продлить сроки его работы, подстраивая давление, необходимое для работы, посредством изменения гидравлического сопротивления для выте- кающей жидкости.

Указанный технический результат достигается тем, что в предлагаемом способе оперативного изменения гидравлического сопротивления жидкости на выходе из сосуда для жидкости, находящейся под давлением, на выходе из со- суда устанавливают дополнительную ёмкость, выполненную в виде рабочей камеры изменяемого объёма с одним или несколькими выпускными отвер- стиями, причём объём указанный дополнительной ёмкости изменяют в зависи- мости от объема жидкости, содержащейся в рабочей камере дополнительной ёмкости, или в зависимости от изменения физических параметров процесса, либо в соответствии с заданной программой. При этом объём указанной до- полнительной ёмкости изменяют, например, с помощью установленной в ней подвижной перегородки, которую перемещают в осевом направлении.

СОСУД

Известен сосуд для жидкости, находящейся под давлением, снабжённый дополнительной ёмкостью на выходе из сосуда, имеющей, по меньшей мере, одно выпускное отверстие (см., например, патент РФ ? 1721 15, кл. В 29 С 47/30, 2001 г.). Указанный сосуд представляет собой корпус экструдера, снаб- жённый дополнительной ёмкостью на его выходе. Недостатком такого сосуда является то, что упомянутая дополнительная ёмкость на его выходе имеет по- стоянный объём. В связи с этим возникают большие проблемы, особенно при работе с веществами, которые согласно технологическому процессу под воз- действием высокого давления должны переходить из твёрдой фазы в жидкую фазу. В первый момент выход такого вещества из сосуда в виде ещё не пласти- фицированной, рассыпчатой массы возможен только при достаточно низком сопротивлении (давлении) на выходе. Но с постепенным повышением пла- стичности, когда твердое тело начинает превращаться в жидкость, для продол- жения процесса требуется повышение сопротивления (давления) на выходе.

Рассмотрим данный недостаток более подробно на примере пресс- экструдера. В этом случае сосудом для жидкости, находящейся под давлением, будет корпус экструдера, заполненный экструдатом.

По существующему патенту дополнительная ёмкость на выходе из корпу- са экструдера является как бы стабилизирующей давление и расход продукта. Однако при запуске и в рабочем режиме происходит следующее. При попада- нии массы в первую дополнительную ёмкость, а также во вторую и последую- щие дополнительные ёмкости (при наличии таковых), в первый момент в связи с в этот резким падением давления на выходе экструдера (так как дополни- тельные ёмкости являются момент пустыми) происходит резкое падение пла- стичности массы. Последняя, становясь иногда слишком твердой, закупоривает выходное отверстие фильеры, прекращая только что начавшийся процесс. Чем больше объем дополнительной ёмкости, тем больше вероятность закупорки, и начиная с определенного объема, запуск становится в принципе невозможным. Также практически нереализуема работа с двумя, тремя дополнительными ём- костями вдоль оси экструдера. Но даже после успешного запуска выявлена другая проблема: так как объём дополнительной ёмкости фиксированный, то невозможна подстройка его гидравлического сопротивления для создания оп- тимальных условий экструзии на установившемся режиме. Чаще всего наблю- дается нехватка этого объёма во время установившегося процесса, так как при запуске требовалось низкое сопротивление, а в установившемся режиме оно недостаточно.

Техническим результатом данного изобретения (сосуда) является воз- можность плавного изменения гидравлического сопротивления для жидкости (истинной или упруго-пластичной), вытекающей под давлением из отверстия сосуда, путём плавного изменения объёма дополнительной ёмкости (дополни- тельных ёмкостей).

Указанный технический результат достигается тем, что в сосуде для жид- кости, находящейся под давлением, снабжённом дополнительной ёмкостью на выходе из сосуда, имеющей, по меньшей мере, одно выпускное отверстие, упомянутая дополнительная ёмкость выполнена в виде камеры изменяемого объёма. При этом упомянутая дополнительная ёмкость на выходе из полости сосуда может быть выполнена составной, состоящей из неподвижного элемен- та, присоединённого непосредственно к сосуду для жидкости, подвижного в осевом направлении элемента с одним или несколькими выпускными отвер- стиями и соединяющего эти элементы полого, преимущественно цилиндриче- ского элемента, имеющего подвижное соединение, по меньшей мере, с одним из упомянутых элементов дополнительной ёмкости, причем упомянутые эле- менты соединены между собой телескопически. Также упомянутая дополни- тельная ёмкость на выходе из полости сосуда может быть выполнена состав- ной, состоящей из неподвижного элемента, присоединённого непосредственно к сосуду для жидкости, подвижного в осевом направлении элемента с одним или несколькими выпускными отверстиями, выполненными в подвижной пере- городке, установленной в этом элементе, и соединяющего эти элементы под- вижного в осевом направлении полого, преимущественно цилиндрического элемента, имеющего подвижное соединение с каждым из упомянутых элемен- тов дополнительной ёмкости и снабжённого подвижной перегородкой с одним или несколькими проходными отверстиями, причем упомянутые элементы со- единены между собой телескопически.

Ещё одной из модификаций заявляемого сосуда для жидкости, находя- щейся под давлением, является такая, в которой упомянутая дополнительная ёмкость на выходе из полости сосуда выполнена составной, состоящей из не- подвижного элемента, присоединённого непосредственно к сосуду, или под- вижного в осевом направлении элемента, вставленного в гнездо на выходе из полости сосуда, с одним или несколькими проходными отверстиями, и сле- дующего подвижного в осевом направлении элемента с одним или нескольки- ми выпускными отверстиями, взаимодействующего с упомянутым неподвиж- ным или упомянутым подвижным элементом, причем упомянутые элементы соединены между собой телескопически, при этом к самому последнему эле- менту может быть присоединен, по меньшей мере, еще один подвижный в осе- вом направлении элемент с одним или несколькими выпускным отверстиями.

Дальнейшей модификаций заявляемого сосуда для жидкости, находящей- ся под давлением, является такая, в которой упомянутая дополнительная ём- кость на выходе из полости сосуда выполнена составной, состоящей из под- вижного или неподвижного элемента, присоединённого непосредственно к со- суду для жидкости, подвижного в осевом направлении элемента с одним или несколькими выпускными отверстиями и соединяющего эти элементы под- вижного в осевом направлении полого, преимущественно цилиндрического элемента, имеющего подвижное соединение с каждым из упомянутых элемен- тов дополнительной ёмкости, причем эти элементы соединены между собой телескопически, при этом к самому последнему элементу может быть присое- динен, по меньшей мере, еще один подвижный в осевом направлении элемент с одним или несколькими выпускным отверстиями. Данная модификация заяв- ляемого сосуда предусматривает наращивание составной ёмкости теоретически «до бесконечности».

Наконец, возможна такая модификация сосуда для жидкости, находящей- ся под давлением, в которой упомянутая дополнительная ёмкость на выходе из полости сосуда выполнена составной, состоящей из подвижного или непод- вижного элемента, присоединённого непосредственно к сосуду для жидкости, подвижного в осевом направлении элемента с одним или несколькими проход- ными отверстиями, причем эти элементы соединены между собой телескопи- чески, при этом к самому последнему элементу может быть присоединен теле- скопически или с помощью цилиндрического элемента, по меньшей мере, еще один подвижный в осевом направлении элемент с одним или несколькими вы- пускными отверстиями.

На фиг. 1 представлен продольный разрез простейшей модификации со- суда для жидкости, находящейся под давлением, с произвольным количеством выпускных отверстий.

На фиг. 2 представлен продольный разрез сосуда для жидкости, находя- щейся под давлением, с дополнительной ёмкостью, имеющей подвижный в осевом направлении элемент и элементы автоматической и полуавтоматиче- ской регулировки, с наружным расположением соединительного элемента.

На фиг. 3 представлен продольный разрез сосуда для жидкости, находя- щейся под давлением, с внутренним расположением соединительного элемен- та.

На фиг. 4 представлен продольный разрез сосуда для жидкости, находя- щейся под давлением, с дополнительной ёмкостью, снабжённой перегородкой.

На фиг. 5 представлен продольный разрез такой модификации заявляемо- го сосуда, которая предусматривает наращивание дополнительной ёмкости теоретически «до бесконечности».

На фиг. 6 представлен продольный разрез такой модификации заявляемо- го сосуда, в которой все элементы дополнительной ёмкости являются взаимно подвижными.

Заявляемый способ оперативного изменения гидравлического сопротив- ления жидкости на выходе из сосуда для жидкости, находящейся под давлени- ем, осуществляют с помощью описанного ниже сосуда для жидкости, находя- щейся под давлением, являющегося тоже изобретением.

Итак, на фиг. 1 схематически показана принципиальная конструкция за- являемого сосуда, согласно которой сосуд 1 для жидкости, находящейся под давлением, снабжён дополнительной ёмкостью 2. Дополнительная ёмкость 2 снабжена, по меньшей мере, одним выпускным отверстием 3, выполненным в узле 4, и расположена на выходе 5 из сосуда. На фиг.1 показана модификация заявляемого сосуда с несколькими выходными отверстиями. В соответствии с целью изобретения упомянутая дополнительная ёмкость 2 выполнена в виде камеры, объём которой можно изменять путём осевого пе- ремещения узла 4 относительно сосуда 1.

На фиг. 2 - 6 представлены возможные конструктивные варианты заяв- ляемого сосуда для жидкости, находящейся под давлением, развивающие в различных направлениях описанную выше и показанную на фиг. 1 принципи- альную конструкцию заявляемого сосуда для жидкости. Эти варианты характе- ризуются тем, что в каждом из них упомянутая дополнительная ёмкость 2, рас- положенная на выходе 5 из полости сосуда 1 , выполнена составной.

Так, в конструкции, показанной на фиг. 2, упомянутая дополнительная ёмкость 2 состоит из неподвижного элемента 6, присоединённого непосредст- венно к сосуду 1 для жидкости, подвижного в осевом направлении элемента 7 с одним или несколькими выпускными отверстиями 3 и соединяющего эти эле- менты полого, преимущественно цилиндрического элемента 8, имеющего под- вижное соединение, по меньшей мере, с одним из упомянутых элементов 6 и 7 дополнительной ёмкости 2. Позицией 9 обозначены элементы автоматической или полуавтоматической регулировки объёма ёмкости 2.

В конструкции, показанной на фиг. 3, упомянутая дополнительная ём- кость 2 состоит из неподвижного элемента 6, присоединённого непосредствен- но к сосуду 1 , подвижного в осевом направлении элемента 7 с одним или не- сколькими выпускными отверстиями 3, выполненными в подвижной перего- родке 10, установленной в этом элементе, и соединяющего эти элементы под- вижного в осевом направлении полого, преимущественно цилиндрического элемента 12, имеющего подвижное соединение с каждым из упомянутых эле- ментов дополнительной ёмкости и снабжённого подвижной перегородкой 13 с одним или несколькими проходными отверстиями 14. Упомянутые элементы соединены между собой телескопически.

В конструкции, показанной на фиг. 4 и 5, дополнительная ёмкость 2 вы- полнена состоящей из неподвижного элемента 6, присоединённого непосредст- венно к сосуду 1, или подвижного в осевом направлении элемента 15, встав- ленного в гнездо на выходе из полости сосуда 1 , с одним или несколькими проходными отверстиями 14, и следующего подвижного в осевом направлении элемента 16 с одним или несколькими выпускными отверстиями 3, взаимодей- ствующего с упомянутым неподвижным 6 или упомянутым подвижным эле- ментом 15, причем упомянутые элементы 6, 15 и 16 соединены между собой телескопически. При этом фиг. 5 представляет конструкцию заявляемого сосу- да 1 для жидкости, который может иметь несколько (в данном случае два) вы- хода 5 соответственно с несколькими (в данном случае двумя) составными до- полнительными ёмкостями 2. При этом к самому последнему подвижному эле- менту (16 на фиг. 4 или 16а на фиг. 5) может быть присоединен телескопиче- ски или с помощью цилиндрического элемента 8 или 12 (см. фиг. 2 или 3), по меньшей мере, еще один подвижный в осевом направлении элемент 7 с одним или несколькими выпускными отверстиями 3.

^' В конструкции, показанной на фиг. 6, дополнительная ёмкость 2 состоит из подвижного или неподвижного элемента 17, присоединённого непосредст- венно к сосуду 1 для жидкости, и подвижного в осевом направлении элемента 15 с одним или несколькими проходными отверстиями 14. Элементы 15 и 17 соединены между собой телескопически. При этом к последнему элементу 17 может быть присоединен телескопически или с помощью цилиндрического элемента 8, по меньшей мере, еще один подвижный в осевом направлении эле- мент 7 с одним или несколькими выпускными отверстиями 3.

Практическое применение заявляемого сосуда для жидкости, находящей- ся под давлением, рассмотрим на примере работы пресс-экструдера. Как ука- зывалось выше, в этом случае сосудом для жидкости, находящейся под давле- нием, будет корпус экстру дера, заполненный экструдатом.

До начала процесса экструзии (см., например, фиг. 2) объём дополнитель- ной ёмкости 2 на выходе 5 экструдера (сосуда 1) можно минимизировать, при- двинув подвижный элемент 7 вплотную к неподвижному элементу 6, а если имеются подвижные перегородки 10 и 13 (см. фиг. 3), они также могут сдви- гаться для минимизации своего влияния на гидравлическое сопротивление до- полнительной ёмкости 2. После того как выдавливаемая жидкость (экструдат) начинает стабильно выходить из фильерной матрицы (выпускных отверстий 3 дополнительной ёмкости 2), для достижения необходимых физических пара- метров процесса вытекания жидкости (процесса экструзии) путём изменения гидравлического сопротивления дополнительной ёмкости 2 подвижный эле- мент 7 отодвигают от неподвижного элемента 6 вправо. Таким образом, изме- нение гидравлического сопротивления в системе достигается посредством из- менения длины и соответственно объёма дополнительной ёмкости 2 между корпусом экструдера (сосудом 1) с отверстием для выхода 5 и фильерной мат- рицей (выпускными отверстиями 3), а также в случае необходимости посредст- вом перемещения перегородок 10 и 13 внутри дополнительной ёмкости 2 (см. фиг. 3).

Как следует из представленного выше описания заявляемого сосуда для жидкости, находящейся под давлением, заявляемый способ оперативного из- менения гидравлического сопротивления жидкости на выходе из сосуда 1 для жидкости, находящейся под давлением (см., например, фиг. 2), состоит в том, что на выходе 5 из сосуда 1 устанавливают дополнительную ёмкость 2, выпол- ненную в виде рабочей камеры изменяемого объёма с одним или несколькими выпускными отверстиями 3. При этом объём указанный дополнительной ёмко- сти 2 изменяют в зависимости от объема жидкости, содержащейся в рабочей камере дополнительной ёмкости 2, или в зависимости от изменения физиче- ских параметров процесса, либо в соответствии с заданной программой (в дан- ной заявке не раскрывается).

Кроме того, согласно заявляемому способу оперативного изменения гид- равлического сопротивления жидкости на выходе из сосуда 1 для жидкости, находящейся под давлением (см., например, фиг. 3), объём указанной дополни- тельной ёмкости 2 можно изменять с помощью установленной в ней подвиж- ной перегородки 10 и (или) 1 3, которую перемещают в осевом направлении.

Ниже приводятся примеры заявляемого способа применительно к процес- су экструдирования.

Пример 1. Перед запуском экструдера фильерный элемент (подвижный элемент 7) придвигают как можно ближе к корпусу экструдера (сосуду 1 ). В этом положении гидравлическое сопротивление на выходе 5 сосуда 1 мини- мально. Производят запуск экструдера. После того как физические параметры и выход экструдата начинают стабилизироваться и исчезает опасность преры- вания потока экструдата, проходящего через фильеры (выпускные отверстия 3), появляется возможность более точно отрегулировать давление в экструдере (сосуде 1) посредством изменения расстояния, а значит, и объема дополни- тельной ёмкости 2 (и как следствие - изменения гидравлического сопротивле- ния), не изменяя других параметров экструдера (сосуда 1) и технологического процесса.

Пример 2. После запуска и стабилизации технологического процесса ус- тановлено максимальное для данной конструкции расстояние между корпусом экструдера (сосуда 1) и фильерным элементом (подвижным элементом 7); дав- ление в экструдере (сосуде 1 ) повысилось, но недостаточно. Принимают реше- ние - переместить перегородки 10 и 13 (одну или обе) по направлению к выхо- ду 5 экструдера (сосуда 1). Это действие увеличит гидравлическое сопротивле- ние системы и повысит давление и температуру в экструдере (сосуде 1) без из- менения других параметров.

Пример 3. В процессе экструзии сменились свойства материала, он стал пластичнее, и потребовалось уменьшение давления и температуры. Соответст- венно, длину дополнительной ёмкости 2 можно уменьшить, или, если установ- лены перегородки 10 и 1 3 , сдвинуть их так, чтобы уменьшить их влияние на гидравлическое сопротивление.

Физический смысл способа и устройства состоит в возможности плавного изменения гидравлического сопротивления для жидкости (истинной или упру- гопластичной), под давлением вытекающей из отверстия сосуда. Изменение гидравлического сопротивления во время процесса вытекания, в частности, его увеличение при увеличении объема дополнительной (дополнительных) емко- стей и их количества, приводит к увеличению давления в системе сосуд - ём- кости, а значит, трения в жидкости и жидкости с устройством, и, следователь- но, температуры. Уменьшение объемов и их количества приводит к снижению давления и, следовательно, трения в системе и, значит, температуры. При этом не требуется изменять другие физические параметры устройства, в том числе параметры работы привода, что очень удобно и дешево, так как может менять условия работы системы плавно и при необходимости в зависимости от со- стояния, в частности, износа оборудования. Изменение давления и температу- ры в системе при изменении объёмов дополнительных ёмкостей носит не абсо- лютный, а относительный характер и в сильной степени зависит от характери- стик жидкости. Чем более жидкость не является истинной и чем больше имеет упругопластичных свойств, тем сильнее влияние увеличения объемов и их ко- личества. Изменение давления может быть до 1000%, изменение температуры - до 500% в сравнении с сосудом без дополнительных емкостей.

При этом имеется возможность в процессе экструзии изменять внутрен- ний объём дополнительных ёмкостей 2 в пределах 1 ,5 - 2 крат, или же при дру- гих конструкциях до 1000 крат, практически от нулевого значения до 2000 мл. Таким образом, пуск процесса можно осуществлять на минимальном объеме (фиг. 2), что гарантирует запуск и его нормальные условия - быстроту, чисто- ту, отсутствие перегрузок оборудования, и по мере установления параметров процесса находить оптимальный объём дополнительных ёмкостей.

Данные способ и устройство применительно к процессу экструдирования также дают возможность переработки материала на большей площади фильер или при больших их количествах (то есть, при увеличенной площади фильер) без потери давления в экструдере, интенсифицируя тем самым производствен- ный процесс и повышая производительность оборудования.

Источники информации, принятые во внимание:

RU 2127675, F1 6F9/48, 1999;

RU 2168108, кл. F17D1/16, 2000;

RU 21721 15, кл. В 29 С 47/30, 2001 (прототип).