一种非能动流体输送设备及方法
阅读说明：本技术 一种非能动流体输送设备及方法 (Passive fluid conveying equipment and method ) 是由 王开宇 高化云 高伟民 梁峰 于 2020-12-31 设计创作，主要内容包括：本发明提出的非能动流体输送设备及方法,利用伯努利原理,通过将气流控制装置与可逆转流体泵相结合,在实现没有运动部件的流体输送过程的基础上,提高设备的可靠性、安全性和使用寿命。所述可逆转流体泵使用时放置于流体供液槽的底部,且设计为柱形本体,可将其径向尺寸与输送管道的径向尺寸设计为相同,以便于将柱形本体的两端部直接与输送管道焊接到一起,减少焊接点位,提高设备的使用寿命。直接在柱形本体内部开相互对称的多段式轴孔,加工及装配方便,无需进行多余连接。(The passive fluid conveying equipment and the passive fluid conveying method utilize the Bernoulli principle, and improve the reliability, the safety and the service life of the equipment on the basis of realizing the fluid conveying process without moving parts by combining the airflow control device with the reversible fluid pump. The reversible fluid pump is placed at the bottom of the fluid liquid supply tank when in use, is designed into a cylindrical body, and can be designed into the same radial size with the radial size of the conveying pipeline, so that two end parts of the cylindrical body are directly welded with the conveying pipeline together, welding point positions are reduced, and the service life of equipment is prolonged. The multi-section shaft holes which are symmetrical to each other are directly formed in the cylindrical body, so that the processing and the assembly are convenient, and redundant connection is not needed.)
技术领域
本发明涉及流体输送领域，尤其是放射性流体或高毒性流体的的输送领域，具体涉及一种非能动流体输送设备及方法。
背景技术
非能动安全系统，指不依赖外来的触发和动力源，而靠自然对流、重力、蓄压势等自然本性来实现安全功能的系统。
目前对于放射性流体或其他高毒性流体的处理，如核后处理厂的放射性液体的输送，由于输送对象为中、高放射性溶液或其他高毒性流体，整个处理设备必须放置于带有生物屏蔽层的设备室内，且要求其输送设备没有运动部件、结构简单、运行可靠、操作方便且维护最少。现有的输送设备中，常规的机械泵显然不满足上述要求。蒸汽喷射泵虽然能够满足上述要求，但是使用蒸汽作为输送介质，使得输送废液增多，输送效率严重降低且增加了废液的后续处理量。
发明内容
本发明提供一种非能动流体输送设备及方法，利用伯努利原理，通过将气流控制装置与可逆转流体泵相结合，在实现没有运动部件的流体输送过程的基础上，提高设备的可靠性、安全性和使用寿命。
本发明技术方案如下：
一种非能动流体输送设备，包括气流控制装置、供液槽、接收罐以及置于所述供液槽内部的蓄能筒和可逆转流体泵；所述可逆转流体泵包括柱形本体、侧面锥孔和对称设于所述柱形本体内部的多段式轴孔，所述多段式轴孔依次包括相互连通的圆柱孔、过渡锥孔和喷口锥孔；所述过渡锥孔的小径端连接所述圆柱孔、大径端连接所述喷口锥孔的小径端，所述喷口锥孔的大径端延伸至所述柱形本体的端面，所述圆柱孔的另一端连接对称的多段式轴孔的圆柱孔；所述侧面锥孔设于所述圆柱孔对应的所述柱形本体的侧壁，且其轴线位于所述对称布置的多段式轴孔的对称面上；所述侧面锥孔的小径端与所述圆柱孔相通。
所述柱形本体一端固接于连通所述蓄能筒的流体入口管、另一端固接于流体出口管，所述流体出口管将流体输送到所述接收罐；所述气流控制装置通过向所述蓄能筒内抽排空气或抽排不溶于输送流体的气体，完成流体从可逆转流体泵的侧面锥孔到蓄能筒、再从蓄能筒经可逆转流体泵的对称布置的多段式轴孔到接收罐的输送。
作为优选，多个所述侧面锥孔中心对称设于所述柱形本体的侧壁，多个所述侧面锥孔的小径端直径之和大于所述喷口锥孔的大径端直径。
作为优选，所述气流控制装置包括空气喷射器组，所述空气喷射器组包括工字型连接管，所述工字型连接管包括第一臂管、第二臂管以及连通所述第一臂管、第二臂管的连接臂管；所述第一臂管的上侧固定有压冲喷管、下侧固定有第一拉瓦尔喷管，所述压冲喷管的喷嘴位于所述第一拉瓦尔喷管的收缩管内且正对所述第一拉瓦尔喷管的喉管，并所述压冲喷管的喷嘴与所述第一拉瓦尔喷管的收缩管之间的间隙组成第一混合室；所述第二臂管的上侧固定有真空喷管、下侧固定有第二拉瓦尔喷管，所述真空喷管的喷嘴位于所述第二拉瓦尔喷管的收缩管内且正对所述第二拉瓦尔喷管的喉管，并所述真空喷管的喷嘴与所述第二拉瓦尔喷管的收缩管之间的间隙组成第二混合室；所述第一混合室通过所述连接臂管与所述第二混合室连通。
作为优选，所述压冲喷管的喷嘴与所述第一拉瓦尔喷管的喉管之间的距离小于所述真空喷管的喷嘴与所述第二拉瓦尔喷管的喉管之间的距离。
作为优选，所述压冲喷管的喷嘴直径与所述第一拉瓦尔喷管的喉管直径之比大于所述真空喷管的喷嘴直径与所述第二拉瓦尔喷管的喉管直径之比；和/或所述第一拉瓦尔喷管的喉管直径小于所述第二拉瓦尔喷管的喉管直径；和/或所述压冲喷管的喷嘴直径大于所述真空喷管的喷嘴直径。
作为优选，所述压冲喷管通过第一阀体连接高压空气输送装置，所述真空喷管通过第二阀体连接高压空气输送装置；所述第一拉瓦尔喷管的扩散管经由换能管路连接蓄能筒；所述第二拉瓦尔喷管的的扩散管连接尾气处理系统。
作为优选，所述侧面锥孔的轴线位于所述对称布置的多段式轴孔的对称面上；和/或所述侧面锥孔的小径端直径大于所述圆柱孔直径。
作为优选，所述侧面锥孔的小径端通过同轴的长方体柱孔与所述圆柱孔相通。
作为优选，所述长方体柱孔的短边长度长于所述圆柱孔的直径。
作为优选，所述过渡锥孔的锥度小于或等于所述喷口锥孔的锥度；和/或所述柱形本体为圆柱形本体；和/或所述可逆转流体泵包括至少1个中心对称设于所述柱形本体侧面的侧面锥孔。
一种非能动流体输送方法，使用上述的非能动流体输送装置进行流体的非能动输送，包括如下步骤：
S1，反吸过程；所述第一阀体关闭，第二阀体开启，高压空气输送装置向所述真空喷管输送压缩空气，压缩空气经所述真空喷管的喷嘴喷射入第二拉瓦尔喷管，并在所述第二混合室形成真空气压；该真空气压使得所述蓄能筒与所述供液槽产生压差，进而推动供液槽中的流体经所述可逆转流体泵的侧面锥孔进入其与蓄能筒相连侧的多段式轴孔，进而抽动流体进入所述蓄能筒，实现气压能与流体势能的转换；直至所述蓄能筒中充满流体；
S2，输送过程；所述蓄能筒中充满流体时，关闭第二阀体，打开第一阀体，高压空气输送装置向所述压冲喷管输送压缩空气并产生压力，脉冲压力经所述压冲喷管的喷嘴直接喷射入第一拉瓦尔喷管，经由换能管路推动蓄能筒内的流体经所述可逆转流体泵的多段式轴孔加速后，直接喷射入其对称多段式轴孔，最终流入所述接收罐；直至所述蓄能筒中不再存有流体；
S3，缓冲过程；输送过程结束后，关闭第一阀体，蓄能筒内的压力经第一拉瓦尔喷管、第一混合室、连接臂管、第二混合室以及第二拉瓦尔喷管自然排气释放；
S4，循环S1～S3。
本发明相对于现有技术优势在于：
1、本发明提出的非能动流体输送设备及方法，利用伯努利原理，通过将气流控制装置与可逆转流体泵相结合，在实现没有运动部件的流体输送过程的基础上，提高设备的可靠性、安全性和使用寿命。所述可逆转流体泵使用时放置于流体供液槽的底部，且设计为柱形本体，可将其径向尺寸与输送管道的径向尺寸设计为相同，以便于将柱形本体的两端部直接与输送管道焊接到一起，减少焊接点位，提高设备的使用寿命。直接在柱形本体内部开相互对称的多段式轴孔，加工及装配方便，无需进行多余连接。
2、本发明提出的非能动流体输送设备及方法，在可逆转流体泵柱形本体的侧面开侧面锥孔来作为流体吸入口(即夹带部分)，且将其与柱形本体的多段式轴孔相连通，一旦所述柱形本体一端的多段式轴孔的喷口锥孔的大径处压力小于所述供液槽内的压力，供液槽内的流体即可通过所述侧面锥孔进入所述多段式轴孔，进而流入蓄能筒，此时，由于其对称多段式轴孔两端的压力不变，故而流体不会流入接收罐，此过程即为反吸过程。改变所述柱形本体一端的多段式轴孔的喷口锥孔的大径处压力，使其大于所述供液槽内的压力，由于所述多段式轴孔的特殊结构，流体经过所述喷口锥孔、过渡锥孔和圆柱孔的加速后，在圆柱孔中流体的流速甚至可以达到音速或超音速，进而其内的流体直接喷射入对称多段式轴孔的圆柱孔，并依次流过其过渡锥孔和喷口锥孔，继续加速流入接收罐，此过程即为输送过程；由于在圆柱孔流体流速超高，也会在侧面锥孔夹带一部分供液槽内的流体流向所述接收罐，提高流体的输送效率。当蓄能筒中不再存有液体时，同时封闭真空喷射器和压冲喷射器上方的气流，蓄能筒中的空气经过所述第一拉瓦尔喷管、第一混合室、连接臂管、第二混合室以及第二拉瓦尔喷管自然排气释放，即为缓冲过程。
3、本发明提出的非能动流体输送设备及方法，其可逆转流体泵的多个所述所述侧面锥孔的小径端与所述圆柱孔相通的径向孔的孔径之和大于所述喷口锥孔的大径端直径，以便于维持反吸过程中的流量稳定。
4、本发明提出的非能动流体输送设备及方法，其空气喷射器组采用工字型连接管连接压冲喷射器和真空喷射器，并通过所述压冲喷射器和真空喷射器的协同工作，实现非能动流体的输送，结构简单，可满足远距离操作需求，且免维修并可快速更换。
附图说明
图1是本发明非能动流体输送设备一种实施方式的的结构简图；
图2是本发明非能动流体输送设备的可逆转流体泵的三维结构示意图；
图3是本发明非能动流体输送设备的可逆转流体泵的主视剖视结构示意图；
图4是本发明非能动流体输送设备的可逆转流体泵多段式轴孔对称面上的断面结构示意图；
图5是本发明非能动流体输送设备的空气喷射器组结构示意图；
图6是本发明非能动流体输送方法的反吸过程工作示意图；其中箭头方向为空气或核废料液体的流动方向；
图7是本发明非能动流体输送方法的输送过程工作示意图；其中箭头方向为空气或核废料液体的流动方向；
图8是本发明非能动流体输送方法的缓冲过程工作示意图；其中箭头方向为空气或核废料液体的流动方向。
图中各标号为：
1—气流控制装置，11—空气喷射器组，111—工字型连接管，1111—第一臂管，1112—第二臂管，1113—连接臂管，112—压冲喷管，1121—压冲喷管的喷嘴，113—第一拉瓦尔喷管，1131—第一拉瓦尔喷管的收缩管，1132—第一拉瓦尔喷管的喉管，1133—第一拉瓦尔喷管的扩散管，114—真空喷管，1141—真空喷管的喷嘴，115—第二拉瓦尔喷管，1151—第二拉瓦尔喷管的收缩管，1152—第二拉瓦尔喷管的喉管，1153—第二拉瓦尔喷管的扩散管，116—第一混合室，117—第二混合室，12—第一阀体，13—第二阀体，14—高压空气输送装置，15—尾气处理系统，16—压冲喷射器，17—真空喷射器；
2—供液槽；
3—蓄能筒；
4—可逆转流体泵，41—柱形本体，42—侧面锥孔，43—多段式轴孔，431—圆柱孔，432—过渡锥孔，433—喷口锥孔，43’—对称多段式轴孔，44—长方体柱孔；
5—接收罐；6—流体入口管；7—流体出口管；8—换能管路。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面结合具体实施例和对比例，对本发明进行更详细的说明。
实施例1
如图1所示，为本发明非能动流体输送设备一种实施方式的结构简图，包括气流控制装置1、供液槽2、接收罐5以及置于所述供液槽2内部的蓄能筒3和可逆转流体泵4；所述气流控制装置1通过向所述蓄能筒3内抽排空气或抽排不溶于输送流体的气体，完成流体(如核废料液体)从可逆转流体泵4的侧面锥孔42到蓄能筒3、再从蓄能筒3经可逆转流体泵4的对称布置的多段式轴孔43到接收罐5的输送。
所述可逆转流体泵4的结构图如图2-4所示，包括柱形本体41、侧面锥孔42和对称设于所述柱形本体41内部的多段式轴孔43，所述多段式轴孔43依次包括相互连通的圆柱孔431、过渡锥孔432和喷口锥孔433；所述过渡锥孔432的小径端连接所述圆柱孔431、大径端连接所述喷口锥孔433的小径端，所述喷口锥孔433的大径端延伸至所述柱形本体41的端面，所述圆柱孔431的另一端直接与对称多段式轴孔43’的圆柱孔。所述柱形本体41优选为圆柱形本体，且其外径设计为等于输送管道(如流体入口管6和流体出口管7)的外径，以便于将所述圆柱形本体与其余输送管道焊接到一起。
在柱形本体41的侧面开侧面锥孔42来作为存储在供液槽2中的核废料液体的吸入口(即夹带部分)，且将其与柱形本体41的多段式轴孔42相连通，一旦所述柱形本体41一端的多段式轴孔的喷口锥孔433的大径处压力小于所述供液槽2内的压力(即所述气流控制装置1抽吸所述蓄能筒3内空气，使其产生部分真空气压)，供液槽2内的核废料液体即可通过所述侧面锥孔42从所述圆柱孔431进入所述多段式轴孔43，进而流入蓄能筒3，此时，由于对称多段式轴孔43’两端的压力不变，故而核废料液体不会经流体出口管7流入接收罐5，此过程即为反吸过程。改变所述柱形本体41一端的多段式轴孔的喷口锥孔的大径处压力(即所述气流控制装置1向所述蓄能筒3内施加脉冲压力)，使其大于所述供液槽2内的压力，由于所述多段式轴孔43的特殊结构，核废料液体经过所述喷口锥孔433、过渡锥孔432和圆柱孔431的加速后，在圆柱孔431，核废料液体的流速甚至可以达到音速或超音速，进而其内的核废料液体直接喷射入对称多段式轴孔43’的圆柱孔，并依次流过其过渡锥孔和喷口锥孔，继续加速流入接收罐5，此过程即为输送过程；由于在圆柱孔431内的核废料液体流速超高，也会使侧面锥孔42处的压力降低，进而夹带一部分供液槽2内的核废料液体流向所述接收罐5，提高核废料液体的输送效率。
如图4所示，4个所述侧面锥孔42中心对称设于所述圆柱孔431对应的所述柱形本体41的侧壁上；每个所述侧面锥孔42的小径端均与所述圆柱孔431相通，所述侧面锥孔42作为核废料液体的吸入口，将多个所述侧面锥孔42的小径端直径之和设计为大于所述喷口锥孔433的大径端直径；可以保证反吸过程的流体流量足够且稳定。
所述柱形本体41一端固接于连通所述蓄能筒3的流体入口管6、另一端固接于流体出口管7，所述流体出口管7将核废料液体输送到所述接收罐5；优选地，将所述流体出口管7悬于所述接收罐5的上方，且保证所述流体出口管7的出液口不会浸没在所述接收罐5内的核废料液体中。以保证在反吸阶段，仅有所述供液槽2中的核废料液体被反吸入所述蓄能筒3。
优选地，所述侧面锥孔42的轴线位于所述对称布置的多段式轴孔43的对称面上；优选地，所述侧面锥孔42的小径端直径大于所述圆柱孔直径。以保证反吸过程的核废料液体能够流体流量足够且稳定，且保证在输送过程中能够夹带核废料液体到对称多段式轴孔43’，提高输送效率。
作为优选，所述侧面锥孔42的小径端通过同轴的长方体柱孔44与所述圆柱孔431相通。且长方体柱孔的短边所在侧面的平行于所述柱形本体41的轴线，长边所在侧面的垂直于所述柱形本体41的轴线，以保证反吸过程和输送过程中能够最大限度的吸收核废料液体。且多个所述侧面锥孔42内的长方体柱孔44的面积之和设计为大于所述喷口锥孔433的大径端面积或所述长方体柱孔44的短边长度长于所述圆柱孔的直径，保证反吸过程的核废料液体流量足够且稳定。
作为优选，所述过渡锥孔432的锥度小于或等于所述喷口锥孔433的锥度，所述侧面锥孔42、圆柱孔431、过渡锥孔432和喷口锥孔433组成一个异形拉瓦尔喷管，提高核废料液体的输送速度。
实施例2
与上述实施例不同地是，如图5所示，所述气流控制装置1包括空气喷射器组11，所述空气喷射器组11包括工字型连接管111，所述工字型连接管111包括第一臂管1111、第二臂管1112以及连通所述第一臂管1111、第二臂管1112的连接臂管1113；所述第一臂管1111的上侧固定有压冲喷管112、下侧固定有第一拉瓦尔喷管113，所述压冲喷管的喷嘴1121位于所述第一拉瓦尔喷管的收缩管1131内且正对所述第一拉瓦尔喷管的喉管1132，并所述压冲喷管的喷嘴1121与所述第一拉瓦尔喷管的收缩管1131之间的间隙组成第一混合室116；所述第二臂管1112的上侧固定有真空喷管114、下侧固定有第二拉瓦尔喷管115，所述真空喷管的喷嘴1141位于所述第二拉瓦尔喷管的收缩管1151内且正对所述第二拉瓦尔喷管的喉管1152，并所述真空喷管的喷嘴1141与所述第二拉瓦尔喷管的收缩管1151之间的间隙组成第二混合室117；所述第一混合室116通过所述连接臂管1113与所述第二混合室117连通。
所述压冲喷管112通过第一阀体12连接高压空气输送装置14，所述真空喷管114通过第二阀体13连接高压空气输送装置14；所述第一拉瓦尔喷管的扩散管1133经由换能管路8连接蓄能筒3；所述第二拉瓦尔喷管的的扩散管1153连接尾气处理系统15或连接空气循环回收装置。
所述第一臂管1111、压冲喷管112、第一拉瓦尔喷管113和第一混合室116组成压冲喷射器16，所述第二臂管1112、真空喷管114、第二拉瓦尔喷管115和第二混合室117组成真空喷射器17。所述真空喷射器用于在所述连接臂管1113形成部分真空气压，进而在所述蓄能筒内形成部分真空气压，使得所述柱形本体41一端的多段式轴孔的喷口锥孔433的大径处压力小于所述供液槽2内的压力，进而将供液槽2内的核废料液体即通过所述侧面锥孔42从所述圆柱孔431进入所述多段式轴孔43，进而流入蓄能筒3。
所述压冲喷射器16用于向所述蓄能筒3内施加脉冲压力，使其内压力大于所述供液槽2内的压力，进而将其内的流体通过可逆转流体泵4直接流入接收罐5，完成输送过程。
作为优选，所述压冲喷管的喷嘴1121与所述第一拉瓦尔喷管的喉管1132之间的距离小于所述真空喷管的喷嘴1141与所述第二拉瓦尔喷管的喉管1132之间的距离；和/或所述压冲喷管的喷嘴1131直径与所述第一拉瓦尔喷管的喉管1132直径之比大于所述真空喷管的喷嘴直径1141与所述第二拉瓦尔喷管的喉管1152直径之比；和/或所述第一拉瓦尔喷管的喉管直径小于所述第二拉瓦尔喷管的喉管直径；和/或所述压冲喷管的喷嘴直径大于所述真空喷管的喷嘴直径。以保证在输送过程中，来自高压空气输送装置14的压缩空气能够直接喷射入所述第一拉瓦尔喷管的喉管1132，而不是经第一混合室116进入所述第二拉瓦尔喷管115。
实施例3
一种非能动流体输送方法，使用上述的非能动流体输送装置进行流体(如核废料液体)的非能动输送，包括如下步骤：
S1，反吸过程；如图6所示，所述第一阀体12关闭，第二阀体13开启，高压空气输送装置14向所述真空喷管114输送压缩空气，压缩空气经所述真空喷管的喷嘴1141喷射入第二拉瓦尔喷管115，并在所述第二混合室117形成真空气压；该真空气压使得所述蓄能筒3与所述供液槽2产生压差，进而推动供液槽2中的流体经所述可逆转流体泵4的侧面锥孔42进入其与蓄能筒3相连侧的多段式轴孔43，进而抽动核废料液体经所述换能管路8进入所述蓄能筒3，实现气压能与流体势能的转换；直至所述蓄能筒3中充满核废料液体；
S2，输送过程；如图7所示，所述蓄能筒3中充满核废料液体时，关闭第二阀体13，打开第一阀体12，高压空气输送装置14向所述压冲喷管112输送压缩空气并产生脉冲压力，脉冲压力经所述压冲喷管的喷嘴1121直接喷射入第一拉瓦尔喷管113，经由换能管路8推动蓄能筒3内的核废料液体经所述可逆转流体泵4的多段式轴孔43加速后，直接喷射入其对称多段式轴孔43’，最终流入所述接收罐4；直至所述蓄能筒3中不再存有核废料液体；
S3，缓冲过程；如图8所示，输送过程结束后，关闭第一阀体12和第二阀体13，蓄能筒3内的压力经换能管路8、第一拉瓦尔喷管113、第一混合室116、连接臂管1113、第二混合室117以及第二拉瓦尔喷管115自然排气释放；直至蓄能筒3内压力达到平衡，此时所述供液槽2内的液位与蓄能筒3内的液位或换能管路中的液位高度相同。
S4，循环S1～S3。
应当指出，以上所述具体实施方式可以使本领域的技术人员更全面地理解本发明，但不以任何方式限制本发明。因此，尽管本说明书参照附图和实施例对本发明已进行了详细的说明，但是，本领域技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或者等同替换，总之，一切不脱离本发明的精神和范围的技术方案及其改变，其均应涵盖在本发明专利的保护范围当中。
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