Область техники

Изобретение преимущественно относится к области машиностроения, в частности решению проблем 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 не криогенных 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.

Предшествующий уровень техники

Известны сильфонные нагнетатели, см., например, SU 850914 А, 30.07.1981, где описан нагнетатель, содержащий корпус с патрубками, поршень и пружину. При этом корпус и поршень выполнены в виде соосно расположенных один в другом сильфонов. Однако этот нагнетатель не совсем надежен и не приспособлен для работы в особых условиях с криогенными или особо стерильными жидкостями.

Раскрытие изобретения

В основу изобретения положена задача: создание простого, надежного сильфонного нагнетателя, приспособленного для работы в особых условиях с криогенными или особо стерильными жидкостями.

По существу создается конструктивный комплекс целого ряда технических решений, в том числе ранее порознь известных из достижений в различных областях научно-технического прогресса. Наиболее важные из таких решений, которые в данном изобретении впервые функционально

объединяются и которые при этом являются существенными отличительными признаками, характеризуются нижеследующими краткими пояснениями.

Поставленная задача решается тем, что:

Сильфонный криогенный нагнетатель (CKH) для подачи криогенных жидкостей в технологические зоны с высоким и сверхвысоким давлением, в своей конструкции не содержит каких-либо поршневых устройств и (или) подвижных уплотнений, что достигается за счет соответствующего применения сильфонов мембранно-диафрагменного типа, а для осуществления процесса нагнетания используется часть того газа, который образуется при последующей газификации самой нагнетаемой криогенной жидкости, для чего он (CKH) выполнен в виде двух (или более) зеркально спаренных сильфонов вышеуказанного типа, один из которых осуществляет нагнетание конкретной криогенной жидкости и связан с соответствующей гидравлической системой, а второй - используется в качестве силового привода для самого процесса нагнетания и через управляющие клапаны связан с газовым пространством зоны газификации нагнетаемой жидкостей, при этом второй сильфон, как силовой привод нагнетателя, изготовлен так, что его характерная рабочая площадь превосходит соответствующую площадь спаренного с ним жидкостного криогенного сильфона и при этом такие сильфоны теплоизолированны и своими наружными неподвижными сторонами жестко скреплены, например, струбцинами, а между собой в средней подвижной части сильфоны разделены силовой пластиной, которая при указанном сравнительно увеличенном размере именно газового приводного сильфона выполняет функцию трансформации давления, в результате чего создаваемое выходное давление нагнетания криогенной жидкости всегда превышает газовое давление в той технологической зоне, в которую она нагнетается и именно этим при нагнетании криогенной жидкости технически обеспечивается требуемое создание на выходе из прелагаемого CKH высокого и сверхвысокого давления.

При этом:

- каждый из упомянутых мембранно-диафрагменных сильфонов (МДС) содержит набор осесимметричных подвижных элементов, герметично соединенных между собой, при этом, упомянутый набор подвижных элементов выполнен не однотипным, а в виде последовательно чередующихся пластинчатых элементов двух различных типов, а именно: эластичных мембран и жестких недеформируемых пластин (диафрагм) с центральными отверстиями в них, так что с одной стороны эластичная мембрана своей центральной частью герметично закреплена вокруг отверстия в вышерасположенной жесткой диафрагме, а с другой стороны закреплена по периметру нижерасположенной диафрагмы, при этом последующая мембрана закреплена в обратном порядке и т.д., с результирующим образованием именно в такой последовательной сборке подвижных элементов указанных двух типов, некоторого подобия гофрам традиционных сильфонов, но при этом наружные размеры набора диафрагм и соответственно мембран ступенчато уменьшаются от максимального значения, например, в верхней подвижной части сборки и такая торцевая диафрагма закреплена на верхней подвижной платформе всей сборки в целом, а наименьшая по размеру нижняя диафрагма закреплена на неподвижной платформе, снабженной отверстием для прохода в дальнейшем рабочего газа или рабочей жидкости внутрь МДС и при этом на верхней подвижной платформе МДС закреплен ступенчатый кондуктор, который в процессе рабочего удлинения всей сборки своими внутренними уступами принудительно выдвигает каждую жесткую диафрагму и соответственно связанную с ней эластичную мембрану на конструктивно заданный предельно допустимый уровень их взаимной раздвижки, независимо от суммарной раздвижки всего МДС и тем самым обеспечивается реализация требуемого ресурса циклической работы МДС для его конкретного технического предназначения;

- эластичные мембраны выполнены с использованием в качестве их силового каркаса металлотканей или металлизированных тканевых материалов из особо прочных волокон, а требуемая газонепроницаемость

мембран обеспечивается путем применения аморфизированных металлических покрытий и (или) аморфизированной фольги;

- диафрагмы, соприкасающиеся с рабочим газом внутри самого МДС, оснащены зонами размещения известных тепло аккумулирующих материалов, например, слоем тончайших металлических нитей или зонами с носителями каталитических веществ, применение которых позволяет осуществлять при работе МДС определенные термодинамические и (или) термохимические процессы, например, регенерацию тепла и (или) каталитические реакции; - спаренные мембранно-диафрагменные сильфоны выполнены в цилиндрической или в продолговатой форме с закругленными торцами и смонтированы в общем герметичном корпусе внутри которого размещены струбцины силовой стяжки неподвижных частей сильфонов, а внутреннее пространство всего корпуса вакуумируется для обеспечения соответствующей вакуумной теплоизоляции того сильфона, который гидравлически связан с криогенной жидкостью и осуществляет её нагнетание;

- спаренные мембранно-диафрагменные сильфоны выполнены по форме тороидов и скреплены силовой стяжкой наружными торцевыми пластинами внутри общего корпуса, который при этом в целом не требует вакуумной герметизации, но тот тороидальный сильфон, который осуществляет нагнетание криогенной жидкости, смонтирован в своем автономном и отдельно вакуумируемом для соответствующей вакуумной теплоизоляции корпусе, герметичность которого обеспечена тем, что установлены торцевой и внешний периферийный герметизирующие сильфоны также мембранно- диафрагменного типа;

- мембранно-диафрагменный сильфон, который выполняет роль силового привода при нагнетании криогенной жидкости дополнительно подключен к самостоятельному внешнему источнику давления газа, который не связан с зоной газификации самой нагнетаемой жидкости, а также может быть подключен к самостоятельной внешней системе обеспечения его вообще не газового, а гидравлического привода;

- для эффективной вакуумной теплоизоляции сильфона, связанного с

криогенной жидкостью, в торцевых контактных зонах максимального силового воздействия высокого и сверхвысокого давления применяются теплоизолирующие изделия из стеклоуглерода (аморфизирован- ного углерода).

Герметизированный набор эластичных мембран и жестких недеформируемых диафрагм может быть конструктивно выполнен в виде тороида и снабжен дополнительным внутренним ступенчатым кондуктором или в виде продолговатого устройства с закругленными торцами и снабжен соответственно увеличенным количеством отверстий в нижней неподвижной платформе для прохода внутрь МДС рабочего газа или рабочей жидкости.

В процессе заполнения рассматриваемых сильфонов рабочей жидкостью или рабочим газом технически создается принудительная раздвижка всего набора жестких диафрагм и, соответственно, эластичных мембран за счет введения в конструкцию подвижных ступенчатых кондукторов. При этом, исходя из эксплуатационно требуемой величины рабочего ресурса конкретных сильфонов, при их конструировании задается такая величина самих ступенек подвижных кондукторов, которая обеспечивает соответственно допустимую предельную раздвижку каждого звена сильфонов именно для обеспечения требуемого их рабочего ресурса.

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 ею 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 дальней- шем при споем 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 привода давление, например, того газа, который частично берется для работы CKH из той технологической зоны, в которую сама криогенная жидкость нагнетается. Именно такое техническое решение обеспечивает в дальнейшем требуемое создание на выходе из предлагаемого CKH высокого и сверхвысокого давления.

Конструктивно спаренные мембранно-диафрагменные сильфоны могут быть выполнены с цилиндрической или с продолговатой формой (с закругленными горцами) всего набора их рабочих мембран и диафрагм. Такие сильфоны монтируются, например, в общем герметичном корпусе, внутри которого размещаются струбцины силовой стяжки неподвижных наружных частей сильфонов. В этом исполнении внутренне пространство всего внешнего корпуса вакуумируется для обеспечения соответственно применяемой вакуумной теплоизоляции того сильфона, который осуществляет нагнетание криогенной жидкости.

Конструктивно сильфоны вышеуказанного типа могут быть выполнены в форме тороидов и скреплены своими наружными неподвижными частями силовой стяжкой торцевыми пластинами. В этом случае общий внешний корпус CKH не требует вакуумной герметизации, но тот тороидальный сильфон, который осуществляет нагнетание криогенной жидкости, монтируется в своем автономном герметичном корпусе, а его герметичность обеспечивается установкой торцевого и внешнего периферийного сильфона также мембранно-диафрагменного типа. Указанный внутренний корпус вакуумируется для соответствующей реализации вакуумной теплоизоляции криогенного сильфона.

Сильфон, выполняющий функцию силового привода, при нагнетании может быть дополнительно подключен к самостоятельному внешнему источнику давления рабочего газа, который не связан с зоной

газификации самой нагнетаемой жидкости. Кроме того, сильфон привода может быть подключен к самостоятельной внешней системе обеспечения его вообще не газового, а гидравлического привода.

Для реализации наиболее эффективной вакуумной теплоизоляции сильфонов, нагнетающих криогенные жидкости, в торцевых контактных зонах, в которых проявляется максимальное силовое воздействие высокого и сверхвысокого давления, в конструкции CKH применяются теплоизолирующие изделия из стеклоуглерода аморфизированного углерода). В конструкции сильфонов предлагаемого CKH может быть реализовано применение так называемых активных диафрагм. То есть таких, в которых размещаются известный теплоаккумулирующие материалы, например, слои из тончайших металлических нитей для соответствующего обеспечения процессов изотермического сжатии криогенных жидкостей. Это особенно важно при создании сверхвысоких давлений.

Предлагаемый CKH принципиально может быть использован и для нагнетания газообразных веществ.

Краткое описание фигур чертежа Сущность изобретения поясняется прилагаемые чертежами, на которых представлено:

Фиг.l - CKH в стадии заполнения криогенной жидкостью; Фиг.2 - CKH в стадии завершения цикла нагнетания; Фиг.З - CKH тороидального типа в режиме заполнения криогенной жидкостью;

Фиг.4 - CKH тороидального типа в стадии завершения цикла нагнетания;

На приведенных 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 экран; 17 - подвижный экран;

18 - внешний ступенчатый кондуктор;

19 - жесткая диафрагма;

19* - мембранно-диафрагменный 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) мембранно-диафрагменный сильфон в сжатом состоянии;

23 * - нижний сильфон в предельно раздвинутом состоянии; 24 - внешний ступенчатый кондуктор нижнего сильфона;

25 - нижний кожух;

26 - патрубок подачи (или сдувки) рабочего газа;

27 - вытеснитель нижнею сильфона;

28 - верхний участок внешнего кондуктора; 29 - нижний распорные пластины;

30 - нижние участки ступенчатого кондуктора;

31 - верхний стяжной стакан;

32 неподвижная распорная втулка;

33 - мембранно-диафрагменный 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 завершении 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; Sl -эффективная рабочая площадь сильфона. осуществляющего силовой привод процесса нагнетания;

S2 - эффективная рабочая площадь нагнетающего криогенного сильфона.

Лучший вариант осуществления изобретения

Осуществление изобретения в соответствии с представленными чертежами поясняется нижеследующим кратким описанием конструкции CKH и его действия.

Основополагающие мембранно-диафрагменные 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 Sl над соответствующей площадью S2 нагнетающего криогенного сильфона. Именно за счет превышения Sl 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 CKH 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 вакуумируемый 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 lеплоизоляцией 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 CKH действует последующему 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 Sl (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 S 1 над S2 В результате указанного конструктивного исполнения предлагаемого

CKH и соответствующего технического осуществления эффекта трансформации давления в сторону его последующего управляемого повышения при нагнетании криогенных жидкостей обеспечивается создание требуемого высокого и сверхвысокого давления.

Промышленная применимость

Настоящее изобретение промыiдленно применимо, так как для его осуществления не требуется специальных материалов, оснастки и новой технологии. Данное изобретение открывает новые технические возможности в решении проблем нагнетания целого ряда не криогенных 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.

Сущность изобретения выражается в создании нового объединения в едином конструктивном комплексе целого ряда технических решений, в том числе ранее порознь известных из достижений в различных областях научно- технического прогресса. Наиболее важные из таких решений состоят в следующем:

- Основополагающей базовой концепцией является применение в предлагаемом нагнетателе принципиально новых мембранно-диафрагменных сильфонов цилиндрического, продолговатого или тороидального типа.

- Для приведения в действие предлагаемого нагнетателя используется энергия, забираемая от части того газа, который образуется при последующей газификации самой нагнетаемой криогенной жидкости.

- В предлагаемом конструктивном комплексе технически реализуется эффект трансформации давления, например, того рабочего газа, который используется для силового сильфонного привода и сторону его дальнейшего управляемого повышения в выходной линии нагнетания криогенных жидкостей с итоговым созданием требуемого высокого и сверхвысокого давления.