CN104281162A

CN104281162A - 基于流体动力学原理的无源恒流装置

Info

Publication number: CN104281162A
Application number: CN201310281646.7A
Authority: CN
Inventors: 尉士民; 熊俊
Original assignee: GALAXY ERA SCIENCE & TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: GALAXY ERA SCIENCE & TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2013-07-07
Filing date: 2013-07-07
Publication date: 2015-01-14

Abstract

本发明涉及一种基于流体动力学原理的无源恒流装置，用于流体在管道输运、计量、仪器测量等过程中的恒定流量控制，流体的流量可以借助于本发明装置的自反馈和调节机制保持恒定。流体在管道输运、计量、仪器测量等过程中经常需要稳流或恒流控制。现有的稳流装置如传统机械式稳流设备，借助机电部件反馈控制，结构复杂、体积大，部件的老化容易引起失效；精密的质量流量控制器价格昂贵，处理流体量小，多用于测量过程，在部分生产环节并不适用。本发明的内容是基于流体动力学原理，研制结构简洁的稳流、恒流装置，简化控制环节，降低成本，提高可靠性。基于流体动力学原理的无源恒流装置，由流体本身驱动，无需传感器和外部能源。

Description

基于流体动力学原理的无源恒流装置

技术领域

本发明涉及一种基于流体动力学原理的无源恒流装置，用于流体在管道输运、计量、仪器测量等过程中的恒定流量控制。在流体管路中接入本发明装置后，流体的流量可以借助于本发明装置的自我反馈及调节机制保持恒定，借以实现流体流量的稳流恒流。

背景技术

流体在管道输运、计量、仪器测量等过程中经常需要稳流或恒流控制。现有的稳流装置如传统机械式稳流设备，借助机电部件反馈控制，结构复杂、体积大，部件的老化容易引起失效；精密的质量流量控制器价格昂贵，处理流体量小，多用于测量过程，在部分生产环节并不适用。

发明内容

本发明的内容是基于流体动力学原理，研制结构简洁的稳流、恒流装置，简化控制环节，降低成本，提高可靠性。基于流体动力学原理的无源恒流装置，由流体本身驱动，无需传感器和外部能源。

本发明由转子（1）、弹性密封圈（2）、后流体室（3）、旋流片（4）、前流体室（5）组成。

流体由前流体室（5）导入，通过前流体室（5）与转子之间的缝隙进入旋流片（4），形成旋转的上升流体，旋转的上升流体推动转子（1）提升，在转子（1）和旋流片（4）之间形成一个缝隙，流体经过这个缝隙进入后流体室（3），然后流体经后流体室（3）导出。

转子（1）的受力平衡中，垂直方向的受力为转子的重力和流体的动压转换造成的冲力，当这两个力均衡时，转子在垂直方向稳定在一个相应的位置，当各种原因引起流量增大时，转子（1）受到的流体冲力会相应增大，推动转子（1）向上提升，这一过程导致前流体室（5）与转子之间的缝隙减小，增大了流体的流动阻力，导致流体流量减小，使得转子（1）下降，从而保持流量的恒定。

旋流片（4）形成的旋转流体一方面在垂直方向作为反馈取压因素，径向的旋转形成的转动惯量保障转子平稳悬浮。

设定流体体积流量为Q、在竖直方向上在截面0-0流体的流通截面为S0、在竖直方向上截面1-1的流通截面积为S1、转子（1）的重量为W,流体的密度为ρ，在转子（1）处于浮动状态时受到的竖直方向受到的流体的冲力为：

设计上，则上式可简化为：

　　　　　　　　　　（1）

忽略其他小阶的力，则转子（1）在浮动状态时的力平衡为：

　　　　　　　　　　（2）

由（2）式可以推出：

　　　　　　　　　　（3）

式（3）表明当结构一定时，考虑在低流速状态，流量只与转子（1）的重量相关，在转子（1）在浮动状态时流量为，当流体的流量增加时，升力增大，造成，转子（1）上升，转子（1）的上升导致转子（1）和前流体室（3）之间的气隙减小，导致流体的流量减小，最后当流量返回到时，转子（1）返回平衡态；当流体的流量减小时，力减小，造成，转子（1）下降，转子（1）的下降导致转子（1）和前流体室（3）之间的气隙加大，导致流体的流量增大，最后当流量返回到时，转子（1）返回平衡态。

本发明的装置有四个工作状态：

当流体流量较低时，流体的冲击带来的升力小于转子（1）的重力，转子（1）和旋流片4之间不能形成稳定的缝隙及流体，转子不能旋转，不能达到稳流恒流的目的，称为欠流量状态；

随着流量或压力的增加，转子悬浮旋转，本装置调节流量在恒定的范围，称为流量调节状态；

当流量或压力急剧增大，升力能导致正向流动瞬间截止，称为正向保护状态，该状态可保护下游连接的仪器或设备不会被突发流体压力冲击、损坏；

当流体倒流时，转子（1）反向截止，只有少量泄露流体反向流动，这种状态称为反向截止状态。

在本发明装置中前流体室（5）和后流体室（3）之间采用细牙螺纹连接，通过前流体室（5）和后流体室（3）之间结合的紧密度可调整缝隙的大小，从而设定本装置的恒定流量。在不需要恒定流量设置的场合，在前流体室（5）和旋流片（4）之间采用硬质垫片调整导流体缝隙，或将前流体室（5）和后流体室（3）焊接在一起，这样可以将本发明装置制作成系列固定流量的恒流、稳流装置，全部构件均采用耐高温的材料，整个装置即可在高温条件下工作。

本发明的主要特点在于：

1. 转子（1）既是流量反馈元件，又是流量控制元件，整体结构极为简单，容易加工且成本低廉；

2. 本装置完全依赖流体自身推动，无需配置传感器、电源或执行部件，可靠性高；

3. 本装置既可应用于仪器仪表测量，亦可用于生产所需的大流量环节；

4. 本装置可依据应用场景所需定制需要的恒定流量，并可依赖调整前流体室（5）和后流体室（3）之间结合的紧密度可调整缝隙的大小，从而微调设定的恒定流量；

本装置可依据应用场景所需选择材质，能够应用于各种高温、腐蚀性的工况条件下。

附图说明

图1是本发明的结构原理图。

图2是流体流向和转子的受力分析图。

图3是本发明的数值仿真结果图。

具体实施方式

本发明的技术方案性能稳定可靠，使用寿命长，成本低廉，可应用于各种流体输运、计量和仪器测量等过程。

很多气体、液体成分分析过程中都需要稳定流量以保证测量稳定、准确，例如常规的红外、紫外气体分析仪，光离子或火焰离子检测器都需要精密的质量流量控制器。采用本发明描述的装置可以避免使用价格昂贵的质量流量控制器。本发明装置的使用方式是直接将装置串接在入气管路中。

石油化工、食品加工等许多行业应用液体输送并要求流量稳定，例如生产过程中的加料控制。现有的方式是使用计算机、可编程序控制器或计量阀等装置控制。采用本发明描述的装置可以避免使用复杂昂贵的控制系统。本发明装置的使用方式是直接将装置串接在输入管路中。

Claims

1.一种基于流体动力学原理的无源恒流装置，其特征是由转子（1）、弹性密封圈（2）、后流体室（3）、旋流片（4）、前流体室（5）组成。

2.根据权利要求书1所述，其特征是流体由前流体室（5）导入，通过前流体室（5）与转子之间的缝隙进入旋流片（4），形成旋转的上升流体，旋转的上升流体推动转子（1）提升，在转子（1）和旋流片（4）之间形成一个缝隙，流体经过这个缝隙进入后流体室（3），然后流体经后流体室（3）导出。

3.根据权利要求书1所述，其特征是转子（1）的受力平衡中，垂直方向的受力为转子的重力和流体的动压转换造成的冲力，当这两个力均衡时，转子在垂直方向稳定在一个相应的位置，当各种原因引起流量增大时，转子（1）受到的流体冲力会相应增大，推动转子（1）向上提升，这一过程导致前流体室（5）与转子之间的缝隙减小，增大了流体的流动阻力，导致流体流量减小，使得转子（1）下降，从而保持流量的恒定。

4.根据权利要求书1所述，其特征是旋流片（4）形成的旋转流体一方面在垂直方向作为反馈取压因素，径向的旋转形成的转动惯量保障转子平稳悬浮。

5.根据权利要求书1所述，其特征是在本发明装置中前流体室（5）和后流体室（3）之间采用细牙螺纹连接，通过前流体室（5）和后流体室（3）之间结合的紧密度可调整缝隙的大小，从而设定本装置的恒定流量。

6.根据权利要求书1所述，其特征是在不需要恒定流量设置的场合，在前流体室（5）和旋流片（4）之间采用硬质垫片调整导流体缝隙，或将前流体室（5）和后流体室（3）焊接在一起，这样可以将本发明装置制作成系列固定流量的恒流、稳流装置。

7.根据权利要求书1所述，其特征是全部构件均采用耐高温、耐腐蚀材料，整个装置即可在高温或腐蚀性条件下工作。