实施例一
请参照图1,本发明的实施例一为:一种燃气自动识别装置,能够识别压力不同的NG天然气和LPG液化石油气。所述燃气自动识别装置包括一壳体1,所述壳体1可以为一柱体,其材质以不会受燃气损害为宜。所述壳体1内部设有一杠杆工作空腔2、第一活塞空腔3、第二活塞空腔4、一气体通路5、一燃气入口6、一低压燃气出口7和一高压燃气出口8。
所述杠杆工作空腔2位于壳体1下方,内设有一杠杆装置,所述杠杆装置包括一支架91,支架91的支点92上设有一杠杆93。所述支架91可以位于杠杆93的中间或偏离中间的位置,其具体位置可根据低压和高压气体的气压以及流速等计算获得。
所述第一活塞空腔3内设有第一活塞31、连接第一活塞31的第一活塞杆32以及环绕第一活塞杆32的弹簧33;所述弹簧33可与第一活塞31连接,也可以不连接,只是卡在第一活塞下方;所述第一活塞空腔3上方设有第一密封胶垫34。所述第一活塞空腔3靠近所述燃气入口6一侧设置,且其上端有一连接气体通路5的第一开口35。所述第一活塞杆32下端穿过第一活塞空腔3的底面延伸至杠杆工作空腔2,并与杠杆93一端活动连接。
所述第二活塞空腔4内设有第二活塞41、连接第二活塞41的第二活塞杆42,所述第二活塞空腔4的上下端分别设有第二密封胶垫43和第三密封胶垫44。所述第二活塞空腔4靠近低压燃气出口7和高压燃气出口8一侧设置,且其上端设有一连接所述低压燃气出口7的第二开口45,下端设有一连接所述高压燃气出口8的第三开口46,侧面中部则设有一连接所述燃气通路5的第四开口47。所述第二活塞杆42穿过第二活塞空腔4底端延伸至杠杆工作空腔2,并与所述杠杆93的另一端活动连接。当第二活塞杆42处于最低位置时,第二活塞空腔侧面的第四开口47与上端的第二开口45相通,即气体通路5与低压燃气出口7相通;当第二活塞杆42处于最高位置时,第二活塞空腔侧面的第四开口47与下端的第三开口46相通,即气体通路5与高压燃气出口8相通。优选的,为了防止第二活塞上升时偏离垂直方向而从第四开口倾斜或进入气体通路,第二活塞的厚度以大于或等于第四开口的纵向尺寸为宜。另外,为了避免第二活塞堵塞燃气出口,第二活塞空腔在第四开口上方和下方的部分的纵向尺寸均以大于或等于第二活塞厚度为宜。
NG天然气的工作压力一般小于1700Pa,而LPG燃气压力一般大于2700Pa(所述压力均是相对大气压而言,因此本装置的研究中不考虑大气压力的影响)。在未通燃气前,弹簧处于压力最小状态,第一密封活塞处于最高位置,贴合于第一密封胶垫上,保证气密性;第二密封活塞则由于杠杆的作用处于最低位置,贴合于下端的第三密封胶垫上。在燃气入口接通NG天然气时,第一活塞受到的气压较小,无法将活塞向下推动,第一活塞保持初始状态,使得通过的气体从低压燃气出口排出。在燃气入口接通LPG液化石油气时,由于LPG燃气工作压力比NG燃气大,其产生的压力将第一活塞往下推,并通过杠杆将第二活塞抬起至紧密贴合上方的第二密封胶垫,从而堵住低压燃气出口,LPG燃气从高压燃气出口排出。
本发明上述设计中需要满足以下两个条件:
条件1:在通低压NG燃气时,弹簧力足够将第一活塞抬起,紧密贴合上端的第一密封胶垫,从而保证第二活塞紧密贴合下端的第三密封胶垫。
条件2:在通高压LPG燃气时,弹簧力不足以抬起第一活塞,且在燃气压力作用下,抬起第二活塞至上端的第二密封胶垫处时,弹簧力仍不能完全支撑第一活塞。
如何能够满足上述两个条件是本领域技术人员根据杠杆两端受力平衡状况能够计算得到的。
下面分别对通不同燃气时燃气识别装置内部平衡状态的受力情况进行分析,以举例说明如何实现上述条件。
如图2所示为NG燃气气路受力分析图。本发明设计中各个接触部位产生的摩擦力非常小,相对于其他作用力,可以忽略不计,因此,在分析过程不考虑摩擦力产生的影响。另外设计中默认第一活塞杆和第二活塞杆工作过程中气密性完好,均只做上下移动,因此动力臂L1和阻力臂L2均不会发生变化。
下面分别分析各个作用点的受力情况,对于第一作用点10:即第一活塞杆和杠杆相连接处:
L1为动力臂,Fa1为NG状态时第一作用点10的动力,F'a1为反作用力
L2为阻力臂,Fa2为NG状态时第二作用点11的阻力,F'a2为反作用力
第一活塞杆的质量为m1,第二活塞杆的质量为m2;第一活塞的质量为M1,横向截面积S1,第二活塞的质量为M2,横向截面积S2,重力加速度为g,重力G=mg。
NG燃气的工作压力为PN,LPG燃气的工作压力为PL。气体产生的压力:FN=PNS,FL=PLS。
通NG燃气时,P1N、P2N分别为第一活塞和第二活塞在通气稳定后的气体压力。刚通入气体时,P1N=PN,P2N=0;当通气稳定后,P1N=P2N=PN。
通LPG燃气时,P1L、P2L分别为第一活塞和第二活塞在通气稳定后的气体压力。刚通入气体时,P1L=PL,P2L=0;当通气稳定后,P1L=P2L=PL。
在NG燃气状态时,f1为第一密封胶垫对第一密封活塞的挤压力,f2为第三密封胶垫44对第二密封活塞的挤压力。
在LPG燃气状态时,第一密封活塞未受密封胶垫的挤压,f1=0,f2为第二密封胶垫43对第二密封活塞的挤压力。
弹簧系数K,自然长度为χ,χ1为NG状态下的弹簧总长;
弹簧弹力:F’=KX=K(χ-χ1)公式①
杠杆平衡条件:Fa1L1=Fa2L2
第一密封活塞受力情况:F1+F’=F1N+M1g+f1,其中F1为杠杆对第一活塞的作用力,F’为弹簧对活塞的作用力,,即:F1=F1N+M1g+f1-F’
=P1NS1+M1g+f1-K(χ-χ1)公式②
第一作用点10受力情况:Fa1=-F'a1=m1g+F1
=m1g+PNS1+M1g+f1-K(χ-χ1)
=(M1+m1)g+P1NS1+f1-K(χ-χ1)公式③
第一活塞只要满足在通NG气体时,密封胶垫对其的作用力f1>0且f2>0,即可保证第一活塞和第二活塞分别贴紧上方的密封胶垫和下方的密封胶垫,确保气体从NG流出。
对于第二作用点11:即第二活塞杆和杠杆相连接处:
第二密封活塞受力情况:F2+f2=F2N+M2g,其中F2为杠杆对第二密封活塞的作用力,即:F2=F2N+M2g-f2
=P2NS2+M2g-f2
第二作用点受力情况:Fa2=-F'a2=m2g+F2
=m2g+P2NS2+M2g-f2
=(M2+m2)g+P2NS2-f2
由杠杆原理:Fa1L1=Fa2L2,可得:
[(M1+m1)g+P1NS1+f1-K(χ-χ1)]L1=[(M2+m2)g+P2NS2-f2]L2公式④
刚开始进气阶段,气体未流到第二活塞上,P2N=0
从而可得:[(M1+m1)g+PNS1+f1-K(χ-χ1)]L1=[(M2+m2)g-f2]L2
简化得:f1+(L2/L1)f2=[(L2/L1)(M2+m2)-(M1+m1)]g-PNS1+K(χ-χ1)
要求f1>0,f2>0
假设:f1>f2>0,则有:f1+(L2/L1)f2>[1+(L2/L1)]f2>0
即:[(L2/L1)(M2+m2)-(M1+m1)]g-PNS1+K(χ-χ1)>0,公式⑤
即:{[(L2/L1)(M2+m2)-(M1+m1)]g+K(χ-χ1)}/S1>PN公式⑥
假设:f2>f1>0,则有:f1+(L2/L1)f2>[1+(L2/L1)]f1>0,
同样可得:[(L2/L1)(M2+m2)-(M1+m1)]g-PNS1+K(χ-χ1)>0,即
{[(L2/L1)(M2+m2)-(M1+m1)]g+K(χ-χ1)}/S1>PN公式⑥
假设:f1=f2>0,则有:
(1+L2/L1)f1=(1+L2/L1)f2=[(L2/L1)(M2+m2)-(M1+m1)]g-PNS1+K(χ-χ1)>0
同样可得:{[(L2/L1)(M2+m2)-(M1+m1)]g+K(χ-χ1)}/S1>PN
因此,要满足f1>0,f2>0,只需要做到:
{[(L2/L1)(M2+m2)-(M1+m1)]g+K(χ-χ1)}/S1>PN公式⑥
而在通气稳定后,由于第二活塞上再增加了一个P2NS2=PNS2的压力,即:
[(m1+M1)g+PNS1+f1-K(χ-χ1)]L1=[(M2+m2)g+PNS2-f2]L2
得:
f1+(L2/L1)f2=[(L2/L1)(M2+m2)-(M1+m1)]g-PNS1+K(χ-χ1)+(L2/L1)PNS2
>[(L2/L1)(M2+m2)-(M1+m1)]g-PNS1+K(χ-χ1)>0
通过上述计算,只要设计满足条件:
[(L2/L1)(M2+m2)-(M1+m1)]g+K(χ-χ1)>PNS1
即:{[(L2/L1)(M2+m2)-(M1+m1)]g+K(χ-χ1)}/S1>PN公式⑦
由于PNmax=1700Pa>PN,公式⑦左边只要比PNmax大即可满足我们要求,保证进入该装置的NG天然气气体只会通过低压燃气出口流出。
即满足条件:{[(L2/L1)(M2+m2)-(M1+m1)]g+K(χ-χ1)}/S1>1700即可。
如图3所示则为LPG燃气气路受力分析图。
下面分别分析各个作用点的受力情况,对于第一作用点10:即第一活塞杆和杠杆相连接处:
L1为动力臂,L2为阻力臂。
在通LPG燃气时,f2为第二密封胶垫43对第二密封活塞的挤压力,此时第一活塞完全离开密封胶垫,f1=0,在后续推演中不再考虑。
P1L、P2L分别为第一活塞和第二活塞上的气体压强,在通气初始:P1L=PL,P2L=0,稳定后:P1L=P2L=PL。
弹簧长度为χ2。
弹簧弹力:F’=KX=K(χ-χ2)公式⑴
第一密封活塞受力情况:F1+F’=F1L+M1g即:
F1=F1L+M1g-F’=P1LS1+M1g-K(χ-χ2)公式⑵
第一作用点10受力情况:Fa1=-F'a1=m1g+F1
=(M1+m1)g+P1LS1-K(χ-χ2)公式⑶
第二密封活塞受力情况:F2+F2L=M2g+f2
即:F2=M2g+f2-F2L=M2g+f2-P2LS2
第二作用点11受力情况:Fa2=-F'a2=m2g+F2=(M2+m2)g+f2-P2LS2
由杠杆原理:Fa1L1=Fa2L2,可得:
[(M1+m1)g+P1LS1-K(χ-χ2)]L1=[(M2+m2)g+f2-P2LS2]L2
为了让LPG天然石油气从高压燃气出口流出,只要满足第二活塞空腔上端的第二密封胶垫43对第二活塞的作用力f2>0,
即:[(M1+m1)g+P1LS1-K(χ-χ2)]L1>[(M2+m2)g-P2LS2]L2公式⑷
P1LS1+(L2/L1)P2LS2>[(L2/L1)(M2+m2)-(M1+m1)]g+K(χ-χ2)公式⑸
通气稳定后,气体到达第二活塞,P1LS1=PLS1,P2LS2=PLS2,有:
[(L2/L1)(M2+m2)-(M1+m1)]g+K(χ-χ2)<PL[S1+(L2/L1)S2]公式⑹
通气初始,气体未到第二活塞,P1LS1=PLS1,P2LS2=0,有:
[(L2/L1)(M2+m2)-(M1+m1)]g+K(χ-χ2)<PLS1<PL[S1+(L2/L1)S2]
由此可得,无论通气初始还是稳定后,只要满足式⑹,就可满足设计要求。而LPG石油液化气一般工作压力均大于2700Pa,式⑹中的PL只要取最小值PLmax=2700Pa,那么式⑹即可成立,即:
{[(L2/L1)(M2+m2)-(M1+m1)]g+K(χ-χ2)}/[S1+(L2/L1)S2]<2700公式⑺
综合通NG和LPG气体的分析,有:
简化可得:
1700S1-K(χ-χ1)<[(L2/L1)(M2+m2)-(M1+m1)]g<2700[S1+(L2/L1)S2]-K(χ-χ2)公式(9)
即杠杆原理结构的燃气智能识别装置,只要满足公式(9),就可以实现本发明所需要的功能。当放大其中某部分参数时,可获得更稳定的选气性能。