Вакуумная станция

Вакуумная станция

Реферат

Изобретение относится к вакуумной технике и может быть использовано для создания вакуума в фильтровальных устройствах при фильтрации небольших объемов жидкости в лабораторных условиях, в частности для контроля качества воды при санитарно-эпидемиологических исследованиях, при анализе загрязнений твердыми частицами жидких масел и топлив и др.

Для создания вакуума в лабораторной технике, как правило, используют системы, содержащие вакуумный насос и ресивер, где собирается фильтрат (US 5141639, US 5279734). Основным недостатком таких систем является частая остановка вакуумной системы для слива собранного фильтрата из ресивера и преждевременный выход из строя вакуумного насоса из-за попадания капельной жидкости.

В настоящее время существуют различные методы решения указанной проблемы.

Наиболее близким по техническому решению и достигаемому результату является устройство, описанное в изобретении RU 2198714, которое опубликовано в БИ №5, 99 г. В этом изобретении вакуум создается эжектором, включенным в контур рабочей жидкости: сепаратор - насос - эжектор - сепаратор. При этом фильтрат и попадающие вместе с ним из фильтровального устройства газы выводятся из сепаратора через выходной патрубок. Недостатком известного изобретения является то, что из-за небольшого объема сепаратора рабочая жидкость при поступлении в сепаратор через входной патрубок образует воронку, что приводит к подсасыванию воздуха в контур рабочей жидкости, уменьшению рабочего давления насоса и, соответственно, вакуума, создаваемого эжектором. Определенное размещение входного и выходного патрубков относительно центральной оси сепаратора в соответствии с известным изобретением должно исключить образование воронки и обеспечить полное удаление воздуха из рабочей жидкости. Действительно, воронка значительно уменьшается и уменьшается подсасывание воздуха в контур рабочей жидкости. Однако воронка все равно образуется и даже незначительное попадание воздуха в контур приводит к снижению КПД вакуумной станции.

Основным преимуществом предлагаемой вакуумной станции является возможность использования рабочей жидкости в первую очередь для охлаждения насоса и всего контура в целом, в котором согласно изобретению непрерывно циркулирует рабочая жидкость. Во время работы вакуумной станции значительная часть электрической энергии двигателя переходит в тепловую, основная часть которой расходуется на нагрев рабочей жидкости в контуре. В процессе фильтрации исследуемой жидкости в замкнутый контур постоянно поступает фильтрат и в большинстве случаев поступающего фильтрата достаточно для охлаждения рабочей жидкости. Однако при фильтрации сильнозагрязненных жидкостей объем поступающего фильтрата недостаточен для охлаждения рабочей жидкости. В этом случае температура рабочей жидкости в контуре может подняться до 70-80°С, что приведет к перегреву насоса и всего контура в целом, что недопустимо как с точки зрения работоспособности насоса, так и техники безопасности.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является увеличение КПД устройства для создания вакуума за счет уменьшения содержания воздуха в циркуляционном контуре и предотвращение возможности перегрева рабочей жидкости.

Поставленная задача достигается за счет того, что известное устройство для создания вакуума при фильтрации жидкостей выполнено в виде контура для циркуляции рабочей жидкости, включающего сепаратор - насос - эжектор - сепаратор. К сепаратору подключены входной патрубок для подачи рабочей жидкости, выходной патрубок для отвода рабочей жидкости и патрубок для отвода фильтрата и газа. Причем входной патрубок расположен с противоположной стороны от патрубка для отвода рабочей жидкости и патрубка для отвода фильтрата и газа. Насос подключен линией всасывания к выходному патрубку рабочей жидкости сепаратора. Эжектор имеет патрубок для всасывания фильтрата, при этом вход эжектора соединен с нагнетательной линией насоса, а выход - с входным патрубком рабочей жидкости сепаратора. При этом патрубок сепаратора для отвода фильтрата и газа расположен на стороне выходного патрубка и состоит из наружной и внутренней частей с высотой внутренней части 0,7-0,9 внутренней высоты сепаратора. Расстояние между осями входного патрубка и патрубка для отвода фильтрата и газа составляет 0,5-0,8 внутреннего диаметра сепаратора. Кроме того, на стороне выходного патрубка смонтирован дополнительный патрубок для подвода охлаждающей воды с расходом 0,02-0,05 N (м³/ч), где N - мощность двигателя в кВт.

В патентной и научно-технической литературе не выявлены технические решения, содержащие всю заявленную совокупность признаков.

Основным условием создания достаточного вакуума в системе является отсутствие газа в рабочей жидкости, который попадает в контур благодаря образованию воронки в сепараторе. В соответствии с известным изобретением отделившийся газ удаляется через патрубок для отвода фильтрата и газа. В предлагаемом изобретении патрубок для отвода фильтрата и газа состоит из наружной и внутренней частей. При этом внутренняя часть патрубка расположена внутри сепаратора и служит эффективным препятствием для образования воронки. Кроме того, от высоты внутренней части патрубка зависит эффективность выделения газа. С увеличением высоты внутренней части патрубка для отвода фильтрата и газа уменьшается вероятность попадания газа в контур рабочей жидкости, поскольку в этом случае зона образования воронки располагается на большом расстоянии от выходного патрубка и газ успевает выделиться из рабочей жидкости. С приближением внутренней части патрубка и соответственно уровня рабочей жидкости к верхней крышке сепаратора уменьшается объем зоны сепарации и газ, не успевая выделиться, попадает в контур рабочей жидкости. Уменьшение высоты внутренней части патрубка, с одной стороны, позволяет уменьшить объем сепаратора, но при этом зона образования воронки приближается к выходному патрубку, газ не успевает отделиться и попадает в контур рабочей жидкости.

Экспериментально установлено, что оптимальная высота внутренней части патрубка для отвода фильтрата и газа составляет 0,7-0,9 внутренней высоты сепаратора.

Процесс гашения воронки и эффективного удаления воздуха из рабочей жидкости возможен только при определенных условиях подачи и отвода водовоздушной смеси, т.е. от взаимного расположения входного патрубка и патрубка для отвода фильтрата и газа. Слишком близкое расположение указанных патрубков, т.е. внутренняя часть патрубка для отвода фильтрата и газа приближается к центральной оси сепаратора, способствует образованию воронки. С другой стороны, увеличение расстояния между указанными патрубками, т.е. приближение внутренней части патрубка для отвода фильтра и газа к внутренней стенке сепаратора, также увеличивает эффект образования воронки.

Экспериментально определено, что оптимальным расстоянием между осями входного патрубка и патрубка для отвода фильтрата и газа составляет 0,5-0,8 внутреннего диаметра сепаратора.

При нормальной фильтрации исследуемой жидкости фильтрат поступает в достаточном количестве и обеспечивает охлаждение рабочей жидкости в контуре. Однако при фильтрации сильнозагрязненных жидкостей фильтрат поступает в недостаточном количестве и не охлаждает рабочую жидкость. В этом случае предусмотрен подвод охлаждающей воды через дополнительный патрубок, расположенный на той же стороне сепаратора, что и патрубок для отвода фильтрата и газа. При этом расход подаваемой охлаждающей воды зависит от мощности двигателя, т.к. значительная часть энергии двигателя, преобразуясь в тепловую, расходуется на нагрев рабочей жидкости в контуре. Расход охлаждающей воды, подаваемой через патрубок, должен, с одной стороны, обеспечить снижение температуры охлаждающей воды до требуемых значений, а с другой стороны, не должен быть неоправданно большим с точки зрения экономии охлаждающей воды (см. таблицу 1).

Экспериментально определено, что оптимальным расходом является расход 0,02- 0,05 N (м³/ч), где N - мощность двигателя в кВт.

Табл. 1
Основные параметры и результаты испытаний вакуумной станции
Наименование показателя	Значение показателя
Высота внутренней части патрубка для отвода фильтрата и газа, Н1, м	0,09	0,1	0,115	0,125	0,135
Высота внутренней части сепаратора, Н, м	0,14	0,14	0,14	0,14	0,14
Расстояние между осями входного патрубка и патрубка для отвода фильтрата и газа, L, м	0,04	0,05	0,065	0,08	0,09
Внутренний диаметр сепаратора, Dвн, м	0,1	0,1	0,1	0,1	0,1
Расход рабочей жидкости в контуре вакуумной станции, м3/ч	0,9	0,9	0,9	0,9	0,9
Рабочий вакуум, кгс/см2	0,35	0,70	0,90	0,70	0,35
Производительность станции по воде, л/ч	30	90	120	90	30
Расход охлаждающей воды, Q, м3/ч	0,003	0,005	0,01	0,015	0,025
Потребляемая мощность, N, кВт	0,37	0,37	0,37	0,37	0,37
Температура рабочей жидкости, °С	70	50	30	25	20

Предлагаемое техническое решение будет понятно из следующего описания и прилагаемого чертежа.

На чертеже изображена вакуумная станция по предлагаемому изобретению. На чертеже и в тексте приняты следующие обозначения:

1. Насос

2. Эжектор

3. Сепаратор

4. Манометр

5. Вакууметр

6. Кран

7. Кран

8. Нагнетательная линия насоса

9. Входной патрубок для подачи рабочей жидкости

10. Патрубок входа эжектора

11. Патрубок отвода фильтрата и газа

12. Выходной патрубок для отвода рабочей жидкости

13. Патрубок для заправки сепаратора рабочей жидкостью

14. Патрубок для подвода охлаждающей воды

Н - высота внутренней части сепаратора;

H₁ - высота внутренней части патрубка для отвода фильтрата и газа;

D_вн - внутренний диаметр сепаратора;

L - расстояние между осями патрубка для ввода рабочей жидкости и патрубка для отвода фильтрата и газа.

Вакуумная станция состоит из насоса 1, эжектора 2, сепаратора 3, связанных между собой соединительными шлангами в контур, предназначенный для циркуляции рабочей жидкости, а также манометра 4, вакууметра 5, кранов 6, 7.

Насос 1 центробежного типа служит для циркуляции воды в рабочем контуре и создания рабочего давления и потока в эжекторе 2. Эжектор 2 представляет собой водоструйный насос, служащий для создания вакуума. Эжектор 2 на входе присоединен к нагнетательной линии 8 насоса 1, а на выходе через шланг к входному патрубку 9 сепаратора 3, вход 10 эжектора 2 подсоединен через кран 6 к фильтровальному устройству и служит для всасывания фильтрата. Сепаратор 3 представляет собой емкость для заправки рабочей жидкости в контур станции и служит для отвода фильтрата и газа через патрубок 11. Сепаратор 3 имеет также входной патрубок 9 для ввода рабочей жидкости, выходной патрубок 12 для отвода рабочей жидкости и подачи ее к всасывающей линии насоса 1. На линии выходного патрубка 12 установлен дополнительный патрубок 14 для подвода охлаждающей воды.

Манометр 4 и вакууметр 5 установлены на эжекторе 2 и служат для контроля рабочих характеристик вакуумной станции. Кран 6 предназначен для подключения станции к фильтровальному устройству. Кран 7 служит для опорожнения рабочего контура от жидкости при необходимости.

Вакуумная станция работает следующим образом.

Через патрубок с крышкой 13 заливают рабочую жидкость в сепаратор 3 до уровня H₁ внутренней части патрубка 11, который служит для отвода фильтрата и газа. Затем вакуумную станцию подсоединяют к фильтровальному устройству при помощи шланга и патрубка входа 10 эжектора 2, включают насос 1, открывают кран 6 и происходит циркуляция рабочей жидкости в контуре станции. Благодаря работе эжектора 2 создается вакуум в фильтровальном устройстве и происходит фильтрация пробы исследуемой жидкости через мембрану фильтровального устройства. Рабочая жидкость и фильтрат отводится в сепаратор 3, где происходит отвод излишков воды и газа через патрубок 11. При этом, благодаря тому, что входной патрубок 9 расположен на расстоянии L от внутренней части патрубка для отвода фильтрата и газа 11, происходит гашение образовавшейся в сепараторе 3 воронки и эффективное удаление газа из рабочей жидкости, что подтверждается показаниями вакууметра 5 и манометра 4. При фильтрации сильнозагрязненных жидкостей через дополнительный патрубок 14 подается охлаждающая вода.

Вакуумная станция для создания вакуума при фильтрации жидкостей, выполненная в виде контура для циркуляции рабочей жидкости, включает сепаратор с входным патрубком для подачи рабочей жидкости, расположенным с противоположной стороны сепаратора, выходным патрубком для отвода рабочей жидкости и патрубком для отвода фильтрата и газа, насос, подключенный линией всасывания к выходному патрубку рабочей жидкости сепаратора, эжектор, имеющий патрубок для всасывания фильтрата, при этом вход эжектора соединен с нагнетательной линией насоса, а выход - с входным патрубком рабочей жидкости сепаратора, отличающаяся тем, что патрубок сепаратора для отвода фильтрата и газа, расположенный на стороне выходного патрубка, состоит из наружной и внутренней частей с высотой внутренней части 0,7-0,9 внутренней высоты сепаратора, при этом расстояние между осями входного патрубка и патрубка для отвода фильтрата и газа составляет 0,5-0,8 внутреннего диаметра сепаратора, кроме того, на стороне выходного патрубка для отвода рабочей жидкости размещен дополнительный патрубок для подвода охлаждающей воды с расходом 0,02-0,05 N (м³/ч), где N - мощность двигателя в кВт.