溶液配送装置及具有其的循环流体回路系统的制作方法

本实用新型涉及能源、化工以及热工水试验的流体输送领域，更具体地，涉及一种溶液配送装置及具有其的循环流体回路系统。

背景技术：

能源、化工行业和热工水力学试验领域，通常采用计量泵或调节阀进行加溶液或者加药，然而，由于计量泵是一种容积泵，依靠内部构件的往复运动以输送介质，例如柱塞泵、隔膜泵等，因此，输送系统中的介质流量和压力会出现周期性的脉动，而且计量泵通过调节手轮行程和电机频率实现对溶液流量的调整，在此过程中，由于行程的调节为手动设置，并且，内部柱塞构件的往复运动也存在衰减，这往往会导致在进行两次试验时，出现注射的介质流量不一致的现象；而采用调节阀调节注射流量时，由于背压不一致，即使驱动机构的开度一致，也可能出现两次试验时，注射的流量不一致的现象；这些都会导致试验的可重复性难以保证。

技术实现要素：

本实用新型旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本实用新型提出一种溶液配送装置，所述溶液配送装置具有流量可控和运行可靠等特点，可以提供连续、精确可控、试验可重复性高的注射流量。

本实用新型还提出了一种具有上述溶液配送装置的循环流体回路系统。

根据本实用新型第一方面实施例的溶液配送装置，包括壳体、活塞、气源和控制器，所述壳体限定出密闭腔体，所述活塞沿轴向可活动地设在所述壳体内且与所述壳体内壁之间密封配合，所述活塞将所述密闭腔体分为上腔室和下腔室，所述下腔室具有适于注入待配送溶液的进液口，且所述下腔室通过配送管路与循环流体回路系统连通，其中，所述上腔室的体积V1和所述下腔室的体积V2之间满足：V1/V2≥100，所述气源通过接管与所述上腔室连通，所述控制器分别与所述气源和所述上腔室相连，所述控制器根据所述循环流体回路系统中的压力控制所述气源向所述上腔室内提供气体以形成气体预压。

根据本实用新型实施例的溶液配送装置，利用活塞将密闭腔体分为上腔室和下腔室，并且使得上腔室的体积V1远大于下腔室的体积V2，这样，在上腔室内形成一定的气体预压时，利用大体积、高压上腔室的压力稳定原理，可以使得下腔室内的溶液的注射的流量和流速稳定，与相关技术中采用泵调节或阀调节的方式相比，可以有效地减少流量波动性，从而使得重复试验时，两次试验注射溶液的流速和流量具有较高的复现性。

根据本实用新型的一些实施例，所述循环流体回路系统的压力为Pb，所述上腔室内的气体预压为P1，其中，P1>Pb，由此，通过将上腔室内的气体预压P1设置为大于循环流体回路系统中的压力Pb，从而保证流体配送装置在使用过程中可以持续向循环流体回路系统中进行注射。

根据本实用新型的一些实施例，为进一步地增强溶液配送装置的在注射流体时的稳压效果，减少流量波动，所述上腔室的体积V1和所述下腔室的体积V2之间满足：V1/V2≥1000。

根据本实用新型的一些实施例，所述活塞为表面包覆有聚四氟乙烯材料的橡胶件。这样既可以保证活塞与壳体内壁之间有效地密封，实现长时间往复运动，同时又可以避免活塞与待配送溶液发生反应，影响溶液配送装置的使用可靠性。

根据本实用新型的一些实施例，所述进液口处设有单向阀，所述配送管路上设有第一调节阀，所述第一调节阀通过所述控制器控制。

根据本实用新型进一步的示例，所述配送管路上还设有止回阀，所述止回阀位于所述下腔室与所述第一调节阀之间。

根据本实用新型的一些实施例，所述上腔室上设有压力变送器、安全阀，所述气源与所述上腔室的连接接管上设有第二调节阀，所述压力变送器、所述安全阀以及所述第二调节阀分别与所述控制器相连，所述控制器根据所述压力变送器的信号控制所述安全阀、所述第二调节阀分别动作。

根据本实用新型的一些可选实施例，所述气源的气体为氮气。

根据本实用新型的一些可选实施例，所述控制器为PLC控制系统。

根据本实用新型第二方面实施例的循环流体回路系统，包括根据本实用新型上述实施例的溶液配送装置。

根据本实用新型实施例的循环流体回路系统，通过采用根据本实用新型上述实施例的溶液配送装置，具有流量稳定、运行可靠、实验可复现性高等特点。

本实用新型的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本实用新型的实践了解到。

附图说明

本实用新型的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是根据本实用新型实施例的溶液配送装置的示意图；

图2是根据本实用新型实施例的溶液配送装置的溶液注射速度随气体预压变化的示意图。

附图标记：

100：溶液配送装置；

1：上腔室；2：活塞；3：下腔室；4：溶液入口管路；5：单向阀；

6：止回阀；7：第一调节阀；8：配送管路；9：循环流体回路系统；

10：试验段；11：压力变送器；12：PLC控制系统；13：第二调节阀；

14：气源；15：安全阀；16：壳体。

具体实施方式

下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本实用新型的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

下面参考附图描述根据本实用新型实施例的溶液配送装置100，该溶液配送装置100可以适用于具有不同背压的高压循环流体系统，也可以适用于对流量和溶液纵梁控制精度要求高以及对试验可重复性要求高的装置或台架系统。

如图1所示，根据本实用新型实施例的溶液配送装置100，包括壳体16、活塞2、气源14和控制器。

壳体16沿竖直方向延伸，并且壳体16限定出密闭腔体，活塞2沿轴向可活动地设置在壳体16内，并且与壳体16的内壁之间密封配合，活塞2将密闭腔体分为上腔室1和下腔室3，也就是说，当活塞2可以沿壳体16的轴向向上移动时，上腔室1体积增大，下腔室3体积减小，而当活塞2沿壳体16的轴向向下移动时，上腔室1体积增大，下腔室3体积减小。

再者，下腔室3具有进液口，并且下腔室3通过配送管路8与循环流体回路系统9连通，用户可以通过与进液口相连的溶液入口管路4向下腔室3内注入待配送溶液，当待配送溶液注入完成后，封闭进液口，上腔室1通过接管与气源14连接，并且控制器分别与气源14和上腔室1相连，这样，控制器可以根据循环流体回路系统9中的液体压力控制气源14向上腔室1内提供气体，从而在上腔室1内形成气体预压，当气体预压大于与下腔室3连通的循环流体回路系统9的液体压力时，可以驱动活塞2向下移动以完成溶液配送的作用，此外，上腔室1的体积V1与下腔室3的体积V2满足V1/V2≥100，这样，根据波义耳定律，利用上腔室1内气体的大体积，在配送溶液过程中(即上腔室1体积增大过程中)可以保持压力稳定，进而使得溶液配送过程流量和流速稳定，降低流量波动对循环流体回路系统9的影响。

由此，根据本实用新型实施例的溶液配送装置100，利用活塞2将密闭腔体分为上腔室1和下腔室3，并且使得上腔室1的体积V1远大于下腔室3的体积V2，这样，在上腔室1内形成一定的气体预压时，利用大体积、高压上腔室1的压力稳定原理，可以使得下腔室3内的溶液的注射的流量和流速稳定，与相关技术中采用泵调节或阀调节的方式相比，可以有效地减少流量波动性，从而使得重复试验时，两次试验注射溶液的流速和流量具有较高的复现性。

根据本实用新型的一些实施例，为保证流体配送装置在使用过程中可以持续向循环流体回路系统9中进行注射，循环流体回路系统9的压力为Pb与上腔室1内的气体预压为P1之间满足：P1>Pb。

进一步地，上腔室1内的气体预压P1略大于循环流体回路系统9的压力Pb，例如，(P1-Pb)的差值与Pb的比值不大于0.25，即这样既可以保证流体配送装置可以在使用过程中持续向循环流体回路系统9中进行注射，同时，也可以压差过大造成流量波动。

根据本实用新型的一些实施例，为进一步地增强溶液配送装置100的在注射流体时的稳压效果，减少流量波动，上腔室1的体积V1和下腔室3的体积V2之间满足：V1/V2≥1000。

根据本实用新型的一些实施例，活塞2为表面包覆有聚四氟乙烯材料的橡胶件。这样既可以保证活塞2与壳体16内壁之间有效地密封，实现长时间往复运动，同时又可以避免活塞2与待配送溶液发生反应，影响溶液配送装置100的使用可靠性。

根据本实用新型的一些实施例，为避免用户向下腔室3内注入待配送溶液时，溶液产生回流，进而污染尚未注入的溶液，进液口处设有单向阀5，同时，为避免在注入待配送溶液时，溶液直接流出进入循环流体回路系统9，配送管路8上设有第一调节阀7，并且第一调节阀7与控制器相连，这样，控制器可以在待配送溶液注入下腔室3关闭第一调节阀7，此时，下腔室3与循环流体回路系统9并不导通。

在本实用新型进一步的示例中，配送管路8上还设有止回阀6，止回阀6位于下腔室3与第一调节阀7之间，这样可以保证溶液从下腔室3向循环流体回路系统9注入，避免溶液返流。

在本实用新型的一些实施例中，上腔室1上设有压力变送器11、安全阀15，气源14与上腔室1的连接接管上设有第二调节阀13，控制器与压力变送器11、安全阀15以及第二调节阀13分别相连，并且控制器可以根据压力变送器11检测到的上腔室1内的气体预压控制安全阀15进行及时泄压，避免上腔室1内压力过大而产生危险，同时，也可以通过第二调节阀13，控制上腔室1与气源14之间的通闭，从而在上腔室1内形成用户所需要的气体预压。

在本实用新型的一些可选示例中，气源14的气体为氮气，这样既可以方便补充，降低成本，又可以避免危险，提高安全性。

在本实用新型的一些可选实施例中，为提高控制器的集成度，简化控制过程，控制器为PLC控制系统12。

根据本实用新型第二方面实施例的循环流体回路系统9，包括根据本实用新型上述实施例的溶液配送装置100。

根据本实用新型实施例的循环流体回路系统9，通过采用根据本实用新型上述实施例的溶液配送装置100，具有流量稳定、运行可靠、实验可复现性高等特点。

下面参考附图1和图2描述根据本实用新型的一个具体实施例的溶液配送装置100的工作原理。

该溶液配送装置100在热工水力试验中，向循环水系统配送溶液的流量控制原理如下：试验前，在下腔室3中预先注入一次试验所需用量的溶液，溶液总量等于下腔室3容积为V2。上腔室1容积根据一次试验需要注入的溶液总量而改变，设该次试验工况前，上腔室1容积为V1，上腔室1气体预压P1。溶液全部注入循环水系统后，上腔室1容积变为(V1+V2)，上腔室1压力降至P2。循环水系统的压力为溶液注射系统的背压，循环水系统的压力为Pb。

根据波义耳定律：温度恒定时，一定量的理想气体压力和体积的乘积为恒量。即

pV＝nRT

p₁V₁＝p₂(V₁+V₂)

溶液配送装置100向循环水系统注射溶液时，上腔室1压力下降，下腔室3中的溶液全部注射至循环水系统后，上腔室1压力降至最低为P2，若P2>Pb，即上腔室1最小压力大于循环水系统压力，则能够实现溶液配送装置100向循环水系统持续注射。

即当上腔室1气体预压时，该溶液配送装置100可实现向循环水系统的注入。由于本装置设计的上腔室1容积远大于下腔室3压力，则上腔室1气体预压只需要略大于循环水系统压力即可。所设计上腔室1容积较大，一方面降低了本装置的工作压力；另一方面由于V1远大于V2，则P2趋近于P1，即能够维持上腔室1压力稳定在气体预压P1。设V1＝1000V2，则P2＝0.999P1。

根据伯努利方程，注射初始时刻：

注射结束时刻：

溶液配送装置100中的溶液向循环水系统配送，溶液配送装置100的下腔室3内，始终有溶液流速u1＝0，则注射初始时刻，在配送管路8至循环水系统注射入口的溶液流速等于

注射结束时刻，上腔室1压力降至最低为P2，但是循环水系统的背压和注射入口的高度无改变，则在配送管路8至循环水系统注射入口的溶液流速等于

其中(h1-hb)等于溶液配送装置100出口与循环水系统注射入口的高度差，该高度差恒定。两次试验时，上腔室1压力的变化趋势一致，溶液配送装置100的上腔室1压力稳定为[0.999P1，P1]，两次试验的注射溶液的流速随压力的变化趋势一致，基本恒等于注射初始时刻的流速ub。因此，在重复试验工况时，只要将本装置的上腔室1压力调节至P1，下腔室3容积调节至V2，则上腔室1容积为(V-V2)，其中，V为溶液配送装置100的总容积，这样，重复试验中能够实现两次试验完全相等的溶液注射量，从而保证试验段10的流量稳定。两次试验的注射时间相等，由PLC控制系统12控制第一调节阀7来实现。

下面结合具体实施例描述根据本实用新型实施例的溶液配送装置100。

在热工水力试验中，一次试验工况的循环水系统压力为1.6MPa，溶液配送装置100上腔室1预设压力为2MPa。溶液配送装置100总容积设计为V＝2.1m³，活塞2体积设计为0.1m³。预先输入一次试验所需用量的溶液，试验时，需实现试验时溶液对循环水系统的定量注射，溶液注射总量为0.001m³，则注射前，下腔室3容积V₂＝0.001m³，上腔室1容积V₁＝1.999m³，溶液配送装置100出口与循环水系统注射入口的高度差(h₁-h₂)＝1m。注射后，下腔室3容积V₂＝0m³，上腔室1容积V₁＝2m³。根据以上原理，注射完成后，上腔室1压力p₂等于

在注射过程中，由于上腔室1的体积变化远小于上腔室1总体积，实现了注射压力稳定。初始时刻注射的溶液流速等于

结束时刻注射的溶液流速等于

初始注射时刻溶液流速为26.42m/s，注射结束时刻溶液流速为26.39m/s。

两次试验时，上腔室1压力的变化趋势一致，溶液配送装置100的上腔室1压力稳定为[0.9995p₁，p₁]，两次试验的注射溶液的流速随压力的变化趋势一致(如图2所示)，基本稳定在注射初始时刻的流速u_b。因此，在重复试验工况时，只要将本装置的上腔室1压力调节至2MPa，下腔室3容积调节至0.001m³，则重复试验中能够实现两次试验完全相等的溶液注射量。两次试验的注射时间相等，由PLC控制系统12控制第一调节阀7来实现。

根据本实用新型实施例的溶液配送装置100和具有其的循环流体回路系统9的其他构成以及操作对于本领域普通技术人员而言都是已知的，这里不再详细描述。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本实用新型的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由权利要求及其等同物限定。