[发明专利]利用压力瞬变传输流体的设备

说明书

发明领域

本发明涉及通过权利要求1的前序部分中所述的设备进行流体传输。更具体地，本发明涉及利用压力瞬变传输流体的设备。此外，本发明描述了产生所述压力瞬变所需的能量捕获自海浪的示例性应用。因此，在这些应用中，所述设备作为用于捕获海浪中能量的设备运行。

背景

存在一类几乎被遗忘，或者出于实践原因而被忽略的用于传输流体的装置，所述装置利用通常为称为“水锤”的物理现象。这种类型的第一个装置由J.Whitehurst建造于1772年用于在啤酒厂中使用，并且被分类为“液压柱塞泵类”或仅为“柱塞泵类”。

“水锤”是一种当在管道中流动的流体由于例如关闭阀而遭遇突然的中断，从而导致流体运动以产生压力瞬变时出现的现象。然而，“柱塞泵”也利用相反的过程，即这里压力瞬变引起流体流动。该相反过程不是“水锤”现象的一部分，并且通常被忽略，导致几乎不存在关于此过程的理论知识。图1示例了现有技术“柱塞泵”，其中将流体的流通过“驱动管”传送，并且采用“溢流阀”以在“阀箱”内产生正压力瞬变。正压力瞬变随后引起流体的流动，所述流体的流动将所供给的流体的至少一部分传送至“储槽”。所传送的流体是与传送之前在“驱动管”中流动的流体相同的流体，并且“柱塞泵”因此为泵送装置，它利用小流体落差将所供给的流体的一部分提升至比流体的初始高度更高的高度。

如果与流体静态接触的块体经历足够突然的移动，则也出现“水锤”现象，因为归因于相对运动的对称性，这与通过阀的关闭引起正在流动的流体突然停止基本上相同。俄国科学家Nikolai Joukowsky列出了将压力瞬变与流体流动速度相关联的方程。该方程表达为：Γ＝ρcu，这里Γ是压力瞬变，ρ是流体的密度，c是流体中的声速并且u是流体流速。N.Joukowsky在对长钢管中的“水锤”现象进行了广泛实验之后，在1898年发表了这个方程，并因此它通常被称为Joukowsky方程。然而，德国科学家Johannes von Kries基础他对动脉中血液流动的研究于1883年提出了相同的方程。

在工业泵送应用中，通常会观察到三种压力：静压、压力波和压力瞬变。

今天，在几乎所有的流体传输装置中使用静压，仅带有一个例外，即使用“柱塞泵”的应用。流体通过沿管道的静压梯度而传输，其中在该系统中安置了泵送装置。在泵送装置通常的稳态运行过程中，静压是恒定的，但是在泵启动直至达到稳态的过程中压力是随时间变化的。因此，在初始阶段泵送装置会产生压力波。在任何工业泵送应用中获得纯静压都是不可能的，这是因为在稳定状态运行中总有一些干扰。然而，为了保持接近稳定状态，应用了多种方法。

压力波不能产生流体的净传输，这是因为压力波仅在流体中产生振动，但没有净传输。压力波的一个实例是空气中的声波。注意，上面提到的干扰主要是压力波，并因此使用了不同的方法以最小化这些无价值的压力波的产生。

如果泵送装置由于泵的运行的一些故障而突然停止，则可能以与阀的突然关闭的情况相同的方式产生压力瞬变。

在许多工业应用中，″水锤″被认为是一种应该避免的危险现象，这是由于可能出现由压力瞬变产生的破裂性气穴。起初为正的压力瞬变Γ，可能由于与系统中一些固体表面相互作用而变为负的。如果局部压力和压力瞬变之和小于蒸气压，则形成含有蒸气的气穴。一段时间之后，气穴将崩裂(向内破裂)，即，当附近的压力再次升至高于蒸气压时。气穴壁从而朝向彼此快速流动，从而由于液体的低可压缩程度而对系统产生强烈的冲击。从每个崩裂的气穴散布开的冲击是重要的但是通常不合乎需要的特征，在应用如供水系统和液压泵中常常作为令人不安的巨大噪音而被听到。最严重的是，气穴的连续崩裂迅速地导致附近固体表面的损坏和侵蚀。总的来说，可以声称在“水锤”现象的过程中，所有的正压力瞬变都变为负压力瞬变，并且所有的负压力瞬变都产生了破裂性气穴。因此，对于积极地产生“水锤”现象用于工业应用，在本领域的专家中尚未被认为是可行的。