PL248490B1 - Regulator poziomu cieczy - Google Patents

Abstract

Regulator poziomu cieczy przeznaczony do ciśnieniowych zbiorników separacyjnych zawierający: korpus (11) z pokrywą (12) stanowiący komorę regulatora (13); zawór iglicowy (20) zamocowany do pokrywy (12); oraz pływak (30) połączony dźwignią (31) z zaworem iglicowym (20). Komora regulatora (13) zawiera co najmniej dwa przyłącza (14, 15) do połączenia ze zbiornikiem separacyjnym; natomiast pierwsze przyłącze (14) znajduje się powyżej dolnej krawędzi pływaka (30), gdy znajduje się on w skrajnym górnym położeniu, a drugie przyłącze (15) znajduje się poniżej dolnej krawędzi pływaka (30), gdy znajduje się on w skrajnym dolnym położeniu.

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest regulator poziomu cieczy do stosowania w ciśnieniowych zbiornikach separacyjnych.

Ciśnieniowy zbiornik separacyjny, do którego dostarczana jest mieszanina cieczy i gazu, służy do rozdzielenia obu tych frakcji. Zbiorniki separacyjne stosowane są w wielu urządzeniach inżynierii procesowej m.in. w elektrolizerach i reaktorach chemicznych (przemysł naftowy, gazowy, chemiczny).

Znane są rozwiązania pozwalające na regulację poziomu cieczy w zbiornikach separacyjnych bazujące na sterowaniu elektrycznym. Polegają one na ciągłym pomiarze poziomu cieczy z wykorzystaniem przetworników elektronicznych. Sygnał z przetwornika poziomu przetwarzany jest przez sterownik PLC lub regulator PID i wysyłany do elementu wykonawczego zaworu sterowanego elektromechanicznie.

Zawór otwiera się lub przymyka odpowiednio zwiększając lub zmniejszając natężenie przepływu upuszczanego gazu. Zwiększenie upustu gazu powoduje podniesienie poziomu cieczy w zbiorniku, a zmniejszenie upustu obniżenie poziomu. Rozwiązanie to wymaga ciągłego działania elektronicznego układu sterowania, a zanik napięcia lub awaria sterownika może spowodować niepożądaną, znaczną zmianę poziomu. Znane są również rozwiązania bazujące na zaworach pływakowych, w których pływak zanurzony w cieczy unosi się wraz z rosnącym poziomem cieczy i dociska grzybek zaworu gazowego do gniazda odcinając przepływ gazu. Jeśli poziom cieczy opada, pływak opada wraz z nim odrywając grzybek zaworu gazowego od gniazda i otwierając przepływ gazu. Przykładem takiego rozwiązania jest np. zawór wg patentu US6513541B1, w którym pływak bezpośrednio dociska grzybek do gniazda. Dodatkowo zawór wg ww. patentu wyposażony jest w dwustopniowe otwarcie, które pozwala na zwiększenie przepływu gazu przy bardzo niskim poziomie cieczy. Ten typ zaworu może funkcjonować tylko w układach, w których panuje niskie ciśnienie bliskie atmosferycznemu, ponieważ w układach średnio i wysokociśnieniowych pływak nie mógłby oderwać grzybka zaworu od gniazda z powodu dociskającej siły od ciśnienia, przewyższającej siłę odrywającą od pływaka. W wielu znanych urządzeniach ten problem został rozwiązany poprzez zastosowanie dźwigni sterującej położeniem grzybka zaworu.

Przykładem takich rozwiązań są rozwiązania opisane w zgłoszeniach patentowych: US2007034256A1, EP1927802A2, GB1379297A oraz JP2013040637A. We wszystkich czterech ww. rozwiązaniach, różniących się od siebie konstrukcją dźwigni i sposobem jej mocowania, pływak oddziałuje na grzybek lub przylgę za pośrednictwem tejże dźwigni co zwielokrotnia jego siłę, przez co zawór może pracować przy znacznie wyższych ciśnieniach. W rozwiązaniu opisanym w zgłoszeniu patentowym EP0055979A1 problem pracy przy ciśnieniu znacznie wyższym niż atmosferyczne rozwiązano dodając tłoczek odciążający, który przeciwdziała dociskaniu grzybka do gniazda w wyniku działania nadciśnienia panującego w układzie, do którego zawór jest podłączony. Na ww. tłoczek oddziałuje ciśnienie panujące wewnątrz układu. Tłoczek naciska na grzybek zaworu w kierunku jego otwarcia, co przeciwdziała sile od ciśnienia dociskającej grzybek zaworu do gniazda i powodującej jego zamykanie.

Powyżej opisane zawory pływakowe mają ograniczoną funkcjonalność, gdyż instalowane są w najwyższym punkcie rurociągu lub zbiornika celem jego odpowietrzenia przy jednoczesnym zapobieganiu przelaniu się cieczy w nim zawartej. Niemożliwe jest stosowanie ich w niższych punktach układu, gdyż gaz wydzielający się z dwufazowej mieszaniny zawsze unosi się ku górze i gromadzi w najwyższym punkcie układu. Z tego powodu wykorzystanie ich do stabilizacji poziomu cieczy na poziomie niższym niż wyznaczony przez najwyższy punkt zbiornika lub rurociągu nie jest możliwe. Ponadto znane konstrukcje tego typu zaworów wykorzystują w swoim działaniu zawory grzybkowe lub przylgowe, które praktycznie nie zapewniają możliwości częściowego otwarcia lub przymknięcia zaworu. Co negatywnie odbija się na precyzji działania tychże zaworów.

Zawory iglicowe znane ze stanu techniki nie są obecnie stosowane w zaworach pływakowych. Zawory iglicowe zapewniają znacznie wyższą precyzję działania dzięki zastąpieniu grzybka zaworu stożkową iglicą, która stopniowo wsuwając się w gniazdo zaworu, w sposób proporcjonalny do przemieszczenia zmniejsza pole przekroju szczeliny dławiącej miedzy iglicą a gniazdem. Zapewnia to znacznie większą precyzję działania i kontrolę nad stopniem otwarcia. Rozwiązania tego typu zostały szeroko przedstawione w literaturze np. A. Osiecki - Hydrostatyczny napęd maszyn, W. Szenajch - Napęd i sterowanie pneumatyczne. Większość znanych rozwiązań stanowią samodzielne zawory iglicowe, w których posuw iglicy realizowany jest mechanizmem śruba nakrętka, pneumatycznie lub elektromechanicznie. W zaworach tych przyłącza dolotowe i wylotowe ustawione są naprzeciw siebie lub prostopadle do siebie. Jedno z przyłączy łączy się z pojedynczym kanałem skierowanym prostopadle do iglicy, drugie z kanałem leżącym na wspólnej osi z iglicą. Wyjątkiem są zawory typu nabojowego, gdzie kanałów prostopadłych do iglicy może być więcej niż jeden i są one zazwyczaj rozmieszczone promieniowo na obwodzie korpusu zaworu. Zwiększenie ilości kanałów pozwala na zmniejszenie wielkości zaworu bez konieczności redukowania dopuszczalnego przepływu przez zawór. Dodatkową zaletą promieniowego rozmieszczenia kanałów prostopadłych jest korzystniejszy rozkład sił od przepływających płynów co zmniejsza siły niezbędne do przesterowania zaworu i zwiększa precyzję nastawy. Ustawienie zarówno jednego kanału, jak i wielu kanałów promieniowych prostopadle do iglicy powoduje duże turbulencje w przepływających płynach co ogranicza ich maksymalny dopuszczalny przepływ. Dodatkowo jeśli zawór wykorzystuje się do współpracy z czystym tlenem, to wymaganym jest dalsze ograniczenie jego przepływu, gdyż nie zaleca się, aby strumień tlenu o dużej prędkości był kierowany prostopadle do ściany komponentu, ponieważ może to spowodować samozapłon komponentu.

Ponadto, z dokumentów patentowych US5090439 i US2661758 znane są rozwiązania dotyczące węzła konstrukcyjnego wiążącego zawór igłowy z pływakiem przy pomocy dźwigni w układach do regulacji przepływu gazu.

Celowym jest opracowanie regulatora poziomu cieczy, który pozwoli na precyzyjną stabilizację poziomu cieczy w ciśnieniowym zbiorniku separacyjnym, w którym przyłącza znajdują się na dowolnym poziomie, odpowiednio pomiędzy dnem a szczytem zbiornika.

Przedmiotem wynalazku jest regulator poziomu cieczy przeznaczony do ciśnieniowych zbiorników separacyjnych zawierający korpus z pokrywą stanowiący komorę regulatora, zawór iglicowy zamocowany do pokrywy oraz pływak połączony dźwignią z zaworem iglicowym. Regulator charakteryzuje się tym, że komora regulatora zawiera co najmniej dwa przyłącza do połączenia ze zbiornikiem separacyjnym, natomiast pierwsze przyłącze znajduje się powyżej dolnej krawędzi pływaka, gdy znajduje się on w skrajnym górnym położeniu, a drugie przyłącze znajduje się poniżej dolnej krawędzi pływaka, gdy znajduje się on w skrajnym dolnym położeniu.

Regulator poziomu cieczy z zaworem iglicowym umożliwia precyzyjną stabilizację poziomu cieczy w ciśnieniowym zbiorniku separacyjnym, w którym przyłącza do połączenia z regulatorem znajdują się na dowolnym poziomie, odpowiednio pomiędzy dnem a szczytem zbiornika.

Korzystnie, zawór iglicowy zawiera cylindryczną obudowę z osiowym kanałem wylotowym oraz co najmniej dwa promieniowe kanały dolotowe, łączące komorę regulatora z osiowym kanałem wylotowym, przy czym kanały dolotowe są ustawione pod kątem względem osi iglicy.

Kanały dolotowe ustawione pod kątem wpływają na ograniczenie turbulencji przypływających przez nie płynów. W efekcie możliwe jest wykorzystanie regulatora do współpracy z czystym tlenem.

Korzystnie, kanały dolotowe są nachylone względem osi iglicy pod kątem wynoszącym od 15 do 80 stopni.

Przedmiot wynalazku został przedstawiony w przykładzie wykonania na rysunku, na którym: Fig. 1 przedstawia regulator poziomu cieczy podłączony do ciśnieniowego zbiornika separacyjnego wypełnionego cieczą i gazem, w widoku w przekroju poprzecznym;

Fig. 2 przedstawia szczegół „a” z fig. 1 przedstawiający zawór iglicowy.

Fig. 1 przedstawia regulator poziomu cieczy, który ze względu na jego funkcjonalność można określić regulatorem pływakowym, podłączony do ciśnieniowego zbiornika separacyjnego wypełnionego cieczą i gazem, w widoku w przekroju poprzecznym. Pływakowy regulator poziomu cieczy przeznaczony do ciśnieniowych zbiorników separacyjnych zawiera korpus 11 z pokrywą 12 stanowiący komorę regulatora 13, zawór iglicowy 20 zamocowany do pokrywy 12 oraz pływak 30 połączony dźwignią 31 z zaworem iglicowym 20. Przy czym komora regulatora 13 zawiera co najmniej dwa przyłącza 14, 15 do połączenia ze zbiornikiem separacyjnym. Przy czym pierwsze przyłącze 14 znajduje się powyżej dolnej krawędzi pływaka 30, gdy znajduje się on w skrajnym górnym położeniu, a drugie przyłącze 15 znajduje się poniżej dolnej krawędzi pływaka 30, gdy znajduje się on w skrajnym dolnym położeniu.

Korzystnie ciśnieniowy zbiornik separacyjny 1 jest zbiornikiem separacyjnym wysokociśnieniowym do stosowania w urządzeniach inżynierii procesowej takich jak elektrolizery, reaktory chemiczne. Przykładowym układem, w którym można zastosować przedstawiony tu pływakowy regulator poziomu cieczy 10 jest elektrolizer alkaliczny do produkcji wodoru i tlenu z wody. Układ pracuje przy ciśnieniu 28 bar. W zbiorniku separacyjnym tlenu połączonym z regulatorem poziomu cieczy znajduje się elektrolit (30% roztwór wodorotlenku potasu w wodzie) oraz tlen.

Komora regulatora 13 stanowi zamkniętą objętość, do której pierwsze przyłącze 14 doprowadza gaz, a drugie przyłącze 15 doprowadza ciecz.

Korpus 11 może być wykonany jako stalowy cylinder zamknięty z jednej strony spawanym dnem, a z drugiej strony zakończony kołnierzem do mocowania pokrywy 12.

Pokrywa 12 może mieć postać stalowej płyty i może być przykręcona śrubami do kołnierza korpusu 11.

Fig. 2 przedstawia szczegół „a” z fig. 1 przedstawiający zawór iglicowy. Zawór iglicowy 20 zawiera cylindryczną obudowę 21 z walcowym otworem, w którym porusza się iglica 23. W górnej części obudowy 21 znajduje się osiowy kanał wylotowy 24, który w zależności od poziomu cieczy w zbiorniku 1 jest zamykany przez stożkowy czubek iglicy 23. Osiowy kanał wylotowy 24 jest połączony z przyłączem upustowym 16. Zastosowanie zaworu iglicowego 20 o długim, prostym prowadzeniu iglicy 23 w obudowie 21 pozwala na uzyskanie dużej dokładności regulacji poziomu cieczy. Ponadto zawór iglicowy 20 zawiera co najmniej jeden promieniowy kanał dolotowy 25 znajdujący się na obwodzie cylindrycznej obudowy 21 zaworu i łączący komorę regulatora 13 z osiowym kanałem wylotowym 24. Przykładowo, zawór iglicowy 20 może zawierać od dwóch do czterech kanałów dolotowych 25. Większa ilość kanałów dolotowych 25 pozwala na zmniejszenie wielkości zaworu bez konieczności redukowania dopuszczalnego przepływu przez zawór.

Poniżej przedstawiono opis działania układu z pływakowym regulatorem poziomu cieczy. Po doprowadzeniu do ciśnieniowego zbiornika separacyjnego mieszaniny cieczy i gazu obie frakcje rozdzielają się. Ciecz opada na dno zbiornika, a gaz unosi ku górze. Pierwsze przyłącze 14 regulatora 10 podłączone jest do zbiornika separacyjnego 1 powyżej lustra cieczy, a drugie przyłącze 15 regulatora 10 podłączone jest do zbiornika 1 poniżej lustra cieczy. Taki sposób podłączenia zapewnia dopływ do komory regulatora 13 zarówno gazu, jak i cieczy, tworząc ze zbiornika separacyjnego 1 i komory regulatora 13 naczynia połączone, w których poziomy cieczy są zawsze jednakowe. Jeśli poziom cieczy wzrasta powyżej zdefiniowanego poziomu, pływak 30 pod działaniem siły wyporu unosi się i za pośrednictwem dźwigni 31 dociska iglicę 23 zaworu do kanału wylotowego 24 ograniczając przepływ gazu z komory regulatora 13 za pośrednictwem kanału dolotowego 25 do osiowego kanału wylotowego 24 i przyłącza upustowego 16. Powoduje to gromadzenie się gazu w zbiorniku separacyjnym i wypychanie z niego cieczy co obniża jej poziom. Jeśli poziom cieczy jest za niski, wtedy pływak 30 opada, pociągając za sobą dźwignię 31 i odsuwa iglicę zaworu 23 od kanału wylotowego 24, co otwiera przepływ gazu z komory regulatora 13 za pośrednictwem kanału dolotowego 25 do osiowego kanału wylotowego 24 i przyłącza 16.

Korzystnie, zawór iglicowy 20 zawiera cylindryczną obudowę 21 z osiowym kanałem wylotowym 24 oraz co najmniej dwa promieniowe kanały dolotowe 25, łączące komorę regulatora 13 z osiowym kanałem wylotowym 24, przy czym kanały dolotowe 25 są ustawione pod kątem a względem osi X iglicy 23.

Ustawienie kanałów dolotowych 25 pod kątem względem osi X iglicy 23 pozwala na ograniczenie turbulencji przypływających przez nie płynów. Dzięki temu możliwe jest uzyskanie większego maksymalnego bezpiecznego przepływu płynów. W efekcie możliwe jest wykorzystanie pływakowego regulatora do współpracy z czystym tlenem, dla którego nie jest zalecane, aby strumień tlenu o dużej prędkości był kierowany prostopadle do ściany komponentu (np. iglicy), ponieważ może to spowodować samozapłon komponentu.

Korzystnie, kanały dolotowe 25 są nachylone względem osi X iglicy 23 pod kątem a wynoszącym od 15 do 80 stopni. Zastosowanie mniejszych wartości kąta a (to znaczy bliższych dolnej granicy 15 stopni) wpływa na poprawę warunków przepływu gazu, ponieważ strumień gazu nie jest kierowany prostopadle do iglicy 23. Dzięki temu gaz (a w szczególności tlen) mniej się rozgrzewa. Natomiast, otwory dolotowe 25 ustawione pod większym kątem (bliższym kątowi prostemu) są krótsze i łatwiejsze w wykonaniu. Korzystnie, kąt a wynosi połowę kąta rozwarcia stożka iglicy 23, korzystnie 30 stopni.

Pływakowy regulator poziomu cieczy 10 według wynalazku ma w pełni mechaniczną konstrukcję nie wymagającą zasilania elektrycznego lub pneumatycznego. Dzięki temu koszt jego produkcji jest niższy w stosunku do systemów wymagających skomplikowanej i kosztownej automatyki pomiarowej i sterującej. Ponadto mechaniczna konstrukcja pływakowego regulatora nie wymaga stosowania tak wielu elementów składowych, co wpływa na większą niezawodność w stosunku do systemów automatycznych. Dodatkową zaletą jest ograniczona możliwość ingerencji w nastawę regulatora przez nieuprawniony personel.

Podsumowując, przedstawiona tu konstrukcja mechanicznego regulatora poziomu cieczy z zaworem iglicowym, nie wymaga zasilania elektrycznego oraz umożliwia współpracę z czystym tlenem,

PL 248490 Β1 jednocześnie pozwalając na precyzyjną stabilizację poziomu cieczy w ciśnieniowym zbiorniku separacyjnym, w którym przyłącza znajdują się na dowolnym poziomie, odpowiednio pomiędzy dnem a szczytem zbiornika.

Claims (3)

1. Regulator poziomu cieczy przeznaczony do ciśnieniowych zbiorników separacyjnych, zawierający korpus z pokrywą stanowiący komorę regulatora, zawór iglicowy zamocowany do pokrywy oraz pływak połączony dźwignią z zaworem iglicowym, znamienny tym, że komora regulatora (13) zawiera co najmniej dwa przyłącza (14, 15) do połączenia ze zbiornikiem separacyjnym; natomiast pierwsze przyłącze (14) znajduje się powyżej dolnej krawędzi pływaka (30), gdy znajduje się on w skrajnym górnym położeniu, a drugie przyłącze (15) znajduje się poniżej dolnej krawędzi pływaka (30), gdy znajduje się on w skrajnym dolnym położeniu.

2. Regulator według zastrz. 1 znamienny tym, że zawór iglicowy (20) zawiera cylindryczną obudowę (21) z osiowym kanałem wylotowym (24) oraz co najmniej dwa promieniowe kanały dolotowe (25), łączące komorę regulatora (13) z osiowym kanałem wylotowym (24), przy czym kanały dolotowe (25) są ustawione pod kątem (a) względem osi (X) iglicy (23).

3. Regulator według zastrz. 2 znamienny tym, że kanały dolotowe (25) są nachylone względem osi (X) iglicy (23) pod kątem (a) wynoszącym od 15 do 80 stopni.