Спосіб регулювання витрати рідини в трубопроводі та регулятор витрати

Винахід відноситься до галузі автоматики, а саме до способів стабілізації витрати рідини в трубопроводі, що живиться з ємності, яка спорожнюється при змінному напорі, наприклад, в спринклерних і дренчерних системах пожежогасіння. Більш близьким по технічній суті до винаходу, що заявляється, є спосіб регулювання витрати рідини в трубопроводі, що реалізований в "Регуляторі витрати рідини" [1], який полягає у введенні підігрітої рідини в критичний переріз кавітаційного сопла, встановленого в трубопроводі. Це викликає підвищення ступеня кавітації і, відповідно, підвищення гідродинамічного опору кавітаційного потоку. В результаті витрата рідини в трубопроводі зменшується. Проте, цей спосіб не забезпечує стабілізації витрати рідини в трубопроводі, а лише приводить до зменшення витрати. Крім того, затрачається додаткова енергія на підігрів рідини. Більш близьким по технічній суті до пристрою, що заявляється, є регулятор витрати рідини, що містить трубопровід, ємність, заповнену рідиною, то з'єднувальні труби [1]. Крім цього, він містить байпасний канал, кавітаційне сопло та пристрій для підігріву рідини. Проте конструкція відомого регулятора дозволяє лише регулювати витрату рідини в діапазоні витрат, менших за початкову витрату, тому що введення в кавітаційне сопло підігрітої рідини збільшує гідродинамічний опір регулятора і не дозволяє стабілізувати витрату рідини на рівні початкової витрати. Крім цього, відомий регулятор витрати рідини потребує для свої роботи стороннього джерела енергії. В основу винаходу поставлено задачу створення такого способу регулювання витрати рідини в трубопроводі і пристрою для його здійснення, у яких за рахунок зміни втрат напору по довжині трубопроводу пропорційно до зміни напору на вході в цей трубопровід, забезпечувалася б стабілізація витрати рідини в трубопроводі без використання будь-яких джерел енергії та без втрат напору на органах регулювання, і за рахунок цього досягти зменшення втрат енергії. Поставлена задача вирішується тим, що в способі стабілізації витрати рідини в трубопроводі, який полягає в тому, що в потік рідини вводять домішку, згідно з винаходом, в потік вводять гідродинамічно активну рідину (ГДАР), витрату якої змінюють в залежності від напору на вході у тр убопровід. Це дозволяє стабілізувати витрату рідини у трубопроводі незалежно від зміни рівня рідини у живильному резервуарі без додаткових втрат енергії на гідродинамічний опір в стабілізаторі. В якості ГДАР можна використовувати висококонцентрований розчин високомолекулярного полімера з ланцюжковою будовою молекул, або природні полімери, або суспензії гнучких волокон, або міцелоутворюючі поверхнево активні речовини. Це дає можливість стабілізувати витрату з високою точністю, використовуючи добавки в незначних кількостях, оскільки вищеназвані добавки суттєво зменшують гідравлічне тертя в трубопроводі (до 2 ... 3 разів) при їх масовій концентрації в потоці в межах 10-7 ... 10 -4кг/кг. Найбільш ефективними гідродинамічне активними рідинами в розімкнених трубопровідних системах (до яких належить і наша) є високомолекулярні полімери з ланцюжковою будовою молекул, наприклад поліоксиетилен (ПОЕ) та поліакриламід (ПАА). При масовій концентрації С ПАА (ТУ 6-01-1049-81) у водному потоці в межах С10-7 ... 10-5 з великим ступенем точності гідравлічний коефіцієнт тертя l для тр уби змінюється від концентрації ПАА за лінійним законом. Наприклад, для труби діаметром d-5,81мм при числі Рейнольдса Re - 40000 нами отримано залежність У загальному випадку де lw - коефіцієнт гідравлічного тертя для рідини без добавок; k - коефіцієнт пропорційності. Витрата рідини при витіканні її з ємності під напором H по трубопроводу довжиною L і діаметром d де a - коефіцієнт кінетичної енергії; Sx - сума коефіцієнтів місцевих опорів на трубопроводі. Коефіцієнт гідравлічного тертя: де Для конкретного трубопроводу при постійній витраті Q величини A1 та A2 сталі. Прирівнюючи (1) та (3) отримуємо, що концентрація добавок C повинна лінійно залежати від напору H: Необхідна витрата ГДАР, тобто маточного розчину полімера масовою концентрацією C0, який вводиться в потік рідини: або де H1 - початковий напір на трубопроводі; - умовна витрата маточного розчину, що потрібна для стабілізації витрати в трубопроводі при зменшенні напору від початкового значення H1, до кінцевого H2, який відповідає повному опорожнению ємності. Враховуючи, що за допомогою полімерних добавок можна досягти зменшення гідравлічного коефіцієнта тертя до 50 - 70%, запропонований спосіб регулювання витрати рідини в тр убопроводі здійснимий в діапазоні напорів H = (0,5 ... 1) ´ H 1. Коли висота резервуару є меншою від половини початкового напору H1 на трубопроводі, стабілізація матиме місце до повного спорожнення резервуару. Для уможливлення надходження ГДАР в трубопровід забезпечується постійний перепад Dh рівнів ГДАР, що в бачку, та рідини, що в ємності, який за умови приблизної рівності густин ГДАР та рідини не змінюється із зменшенням рівня ГДАР в бачку і становить: де h1 - висота поплавка; F - площа бачка; m - маса бачка; r - густина матеріалу поплавка; r p - густина ГДАР та рідини. Для подачі ГДАР в трубопровід не витрачається енергія потоку рідини і не використовується ніяке стороннє джерело енергії. При стабілізації витрати води ГДАР може бути представлена водним розчином полімера, наприклад, ПАА масовою концентрацією Co, близькою до 10-3. Із маточного розчину в потоці рідини, що рухається в трубопроводі, утворюється розчин полімера менших концентрацій C = 10-7 ... 10-5. Поставлена задача вирішується також тим, що регулятор витрати рідини, який включає трубопровід, ємність, заповнену рідиною, і з'єднувальні труби, з'єднувальні труби, згідно з винаходом, додатково містить резервуар, який заповнений рідиною та з'єднаний з ємністю по типу сполучени х посудин, до дна резервуару приєднаний трубопровід, а в ємності розташований поплавковий бачок, заповнений ГДАР, який сполучений з початком трубопроводу подавальною трубкою, що пропущена через дно ємності, при цьому подавальна трубка на ділянці між днищами бачка і ємності виконана з еластичного матеріалу, причому на подавальній трубці встановлений шиберний пристрій з прохідним каналом прямокутного перерізу, шибер якого з'єднаний штоком з рухомим торцем сильфона, внутрішня порожнина якого гідравлічне сполучена з резервуаром. Це дозволяє стабілізувати витрату рідини шляхом введення ГДАР в трубопровід пропорційно до рівня рідини в резервуарі без втрат напору на органах регулювання та без використання сторонніх джерел енергії. Висота прохідного каналу шиберного пристрою є меншою від довжини ходу рухомого торця сильфона. Ширина прохідного каналу є меншою від діаметра шибера, який має форму циліндра. Це забезпечує регулювання витрати ГДАР по всьому поперечному перерізу каналу (по всій висоті і ширині). Шток, який закріплений на рухомому торці сильфона, вільним кінцем заведений в осьову циліндричну порожнину вільного кінця шибера з можливістю регулювання відстані між рухомим торцем сильфона та шибером. Шток фіксується в шибері затискувальним гвинтом. Цим компенсується недотримання відстані між сильфоном і шиберним пристроєм. Днище ємності розташоване нижче днища резервуару так, що при повному спорожненні ємності та резервуару днище бачка знаходиться нижче точки приєднання подавальної трубки до трубопроводу. Це дозволяє припиняти подачу ГДАР з бачка в тр убопровід при повному спорожненні резервуару. З'єднувальна труба додатково сполучена за допомогою патрубка із трубопроводом на відмітці, що рівна або менша відмітки днища ємності. Діаметр патрубка є меншим від діаметра з'єднувальної труби. За допомогою цього досягається повне спорожнення ємності. Спосіб регулювання витрати рідини в трубопроводі та регулятор витрати рідини пояснюються кресленнями. На фіг.1 зображена принципова схема регулятора витрати рідини в трубопроводі; на фіг.2 - вузол шиберного пристрою з сильфоном. На фіг.3 подано розріз 1 - 1 шиберного пристрою; на фіг.4 - переріз 2 - 2; на фіг.5 - розріз 3 - 3. Регулятор витрати рідини включає резервуар 1 і ємність 2, що заповнені рідиною 3 та сполучені з'єднувальною трубою 4. До низу резервуару 1 приєднаний трубопровід 5, який сполучений із з'єднувальною трубою 4 за допомогою патрубка 6. У ємності 2 міститься бачок 7, заповнений ГДАР 8. До дна бачка 7 прилаштований поплавок 9. Бачок 7 гідравлічне сполучений за допомогою подавальної трубки 10, тороподібної камери 11 і патрубків 12 з початком трубопроводу 5 На подавальній трубці 10 встановлений шиберний пристрій 13, шибер 14 якого з'єднаний за допомогою штока 15 з рухомим горцем 16 сильфона 17. Шток 15 закріплюється в осьовій порожнині шибера 14 за допомогою затискувального гвинта 18. Внутрішня порожнина 19 сильфона 17 гідравлічне сполучена за допомогою патрубка 20 і з'єднувальної труби 4 із резервуаром 1. У корпусі 21 шиберного пристрою 13 влаштовано наскрізний канал 22, який сполучено патрубками 23 з подавальною грубкою 10. Канал 22 у своїй центральній частині має прямокутний переріз. Корпус 21 встановлено на кронштейн 24, який разом із сильфоном 17 закріплений на основі 25. При спорожненій ємності 2 бачок 7 опускається у крайнє нижнє положення 26, а подавальна грубка 10 на ділянці між дном бачка 7 та днищем ємності 2 є еластичною і влаштована з можливістю складатися у спіраль 27. На фіг.1 показано чотири відмітки: ¯А-відмітка рівно рідини в резервуарі та в ємності. ¯Б - відмітка рівня ГДАР в поплавкому бачку. ¯В - відмітка мінімального рівня води в резервуарі, ¯Г - відмітка осі випускного перерізу трубопроводу. Регулятор витрати рідини працює наступним чином. Резервуар 1 і ємкість 2 наповнюють рідиною 3, наприклад, водою. Бачок 7 наповнюють ГДАР 8, наприклад, водним розчином ПАА з масовою концентрацією 10-3. Бачок 7 плаває в ємності 2 так, що рівень Б ГДАР 8 у бачку 7 ви щий, ніж рівень А рідини у резервуарі 1 та ємності 2. При цьому відмітки поверхні рідини у резервуарі 1 та ємності 2 завжди будуть однаковими, оскільки ці ємності сполучені з'єднувальною трубою 4 по типу сполучених посудин. При заповнених до розрахункового рівня А резервуарі 1 та ємності 2 рухомий торець 16 сильфона 17 і шибер 14 шиберного пристрою 13 займають крайнє верхнє положенні, при якому крайне верхнє положення, при якому канал 22 с повністю перекритий, а рух ГДАР 8 по подавальній трубці 10 відсутній. При певних умовах відкриваються запірні пристрої в кінці трубопроводу 5. Резервуар 1 і ємність 2 починають спорожнюватися. Рівень А понижується. Тиск в порожнині 19 сильфона 17 зменшується. Рухомий торець 10 сильфона опускається, відтягуючи вниз шибер 14. Утворюється просвіт у верхній частині каналу 22, через який починає протікати ГДАР 8, що поступає по подавальній трубці 10 у тороподібну камеру 11, а з неї патрубками 12 в трубопровід 5. ГДАР починає зменшувати турбулентне тертя і, відповідно, знижує втрати напору, компенсуючи падіння напору на вході с тр убопровід 5. По мірі спорожнення резервуару 1 та ємності 2 шибер 14 все більше відтягується сильфоном 17 вниз. Висота просвіту пеналі 22 зростає. Збільшується витрата ГДАР 8, що подається в трубопровід 5. Відповідно зростає концентрація ГДАР в потоці рідини, що протікає по трубопроводі 5. Крайне нижнє положения шибера 14, при якому канал 22 повністю відкритий, відповідає повному спорожненню резервуару 1. Концентрація гідродинамічно активних домішок (ГДАД), тобто полімерних домішок, в потоці рідини 3 в цей час найбільша. Падіння робочого напору на трубопроводі 5 від H1 - ¯А - ¯Г до H2 ¯В - ¯Г компенсується зменшенням втрат напору в ньому на ту ж величину за рахунок дії ГДАД . При повному спорожненні резервуару 1 рідина 3 із ємності 2 продовжує витікати через з'єднувальну тр убу 4 і патрубок 6 у трубопровід 5 до повного спорожнення ємності 2. Бачок 7 займе крайнє нижнє положення 26, а подавальна трубка 10 на ділянці між днищами бачка 7 і ємності 2 складається у спіраль 27. Днище бочка 7 при цьому опуститься нижче камери 11 і подача ГДАР 8 в тр убопровід 5 припиниться. Пропонований спосіб регулювання витрати рідини в трубопроводі шляхом введення у потік рідини ГДАР, має ряд переваг при використанні його в автоматизованих (спринклерних) та напівавтоматизованих (дренчерних) протипожежних системах. Такі системи являють собою розгалужений трубопровід із спринклерами і дренчерами, що підключений до розташованого вище резервуара. При спрацюванні запірних клапанів у спринклерах чи дренчерах система включається в роботу. Резервуар поволі спорожнюється. Напір на спринклерах чи дренчерах падає. Радіус дії створюваних ними струменів зменшується. Регулятор витрати рідини, що пропонується, забезпечує автоматичну стабілізацію витрати води в системі та напору на спринклерах та дренчерах. Резервуар і трубопровід постійно заповнені непротічною водою. Протягом років внаслідок процесу корозії поперечний переріз труб зменшується, їх пропускна здатність падає. Заміна старих труб на нові вимагає капіталовкладень і ускладнює експлуатацію приміщень під час реконструкції трубопроводу. Введенням в потік води ГДАР, наприклад полімерного розчину, забезпечується відновлення початкової пропускної здатності трубопроводу. Наявність в потоці води ГДАР спричиняє збільшення дальності польоту вільних струменів рідини, якими є протипожежні струмені, що також покращує роботу протипожежної системи.