БЕСПОРШНЕВОЙ ТЕПЛОВОЙ МАЛОШУМНЫЙ КОМПРЕССОР Российский патент 1997 года по МПК F04B19/24 

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано в судостроении и других машиностроительных отраслях.

Известны компрессоры для систем воздуха высокого давления (ВВД) и вакуумирования, где используются поршни с цилиндрами. Такие компрессоры отличаются высокой виброактивностью. Были созданы бескривошипные компрессоры, в которых удалось значительно снизить виброактивность. Однако возможности известных поршневых компрессоров для дальнейшего снижения их шума и вибрации практически исчерпаны.

Наиболее близким по своим техническим характеристикам, т.е. прототипом данного изобретения, является беспоршневой компрессор [1] содержащий ряд последовательно соединенных между собой стальных цилиндров, установленных в емкость с проточной водой для охлаждения. Внутри каждого цилиндра установлен нагревательный элемент, всасывающий и нагнетательный клапан. Эффективность работы компрессора пропорциональна скорости разогревания и последующего охлаждения газа.

К недостаткам этой конструкции относится низкая эффективность и большая длительность процесса охлаждения проточной водой, а также сложность процесса нагревания из-за постоянного нахождения цилиндра в воде. В результате цикл сжатия длится 60-90 минут, что затрудняет применение компрессоров такой конструкции на практике.

Предлагаемое изобретение направлено на устранение указанных недостатков, в том числе на уменьшение виброактивности и снижение времени одного цикла сжатия компрессора.

Достигается это тем, что в беспоршневом компрессоре, содержащем ряд последовательно соединенных между собой герметичных емкостей, внутри которых размещен нагревательный элемент, например, электрический, а также всасывающий и нагнетательный клапаны, на наружной поверхности емкостей размещена охлаждающая рубашка, выполненная, например, из материала с термоупругими мартенситными превращениями, и соединенная тепловыми трубами с контуром отвода тепла. Охлаждающая рубашка контактирует с внутренней поверхностью емкости на ряде участков, которые попеременно чередуются с равновеликими участками, где нет такого контакта. На внутренней поверхности емкости размещен теплоизолирующий кожух с прорезями, равновеликими по размерам с участками контакта охлаждающей рубашкой. Кожух выполнен таким образом, что имеет возможность смещения в положения, соответствующие попеременному его размещению против участков контакта с охлаждающей рубашкой или между этими участками. Кожух может быть соединен с всасывающим и нагнетательным клапанами механическими тягами с фиксатором и включателем нагревательного элемента.

На чертеже представлена схема беспоршневого малошумного теплового компрессора.

Устройство состоит из ряда последовательно соединенных между собой герметичных емкостей (стальных цилиндров) 1, внутри которых размещен нагревательный (например электрический) элемент 2, имеются всасывающий 3 и нагнетательный 4 клапаны, снаружи емкости размещена охлаждающая рубашка 5, вдоль внутренних поверхностей емкости размещен теплоизолирующий кожух 6 с прорезями 7, соединенный с всасывающим и нагнетательным клапанами механическими тягами с фиксатором и выключателем нагревательного элемента.

Беспоршневой тепловой компрессор работает следующим образом. Перед началом работы первая герметичная емкость (цилиндр) 1 заполняется газом с начальным давлением P₀. При включении нагревательного элемента первого цилиндра, находящийся в нем газ начинает расширяться и частично переходит в последующие цилиндры, в которых (после закрытия нагнетательного клапана 1-го цилиндра) происходит его охлаждение и, как следствие, изменение давления по сравнению с первоначальным. Затем после выключения нагревательного элемента первого цилиндра включается нагревательный элемент второго цилиндра и т.д. Так продолжается до тех пор пока не будут использованы все цилиндры. Нагреванием и охлаждением газа в последнем цилиндре первый цикл сжатия заканчивается. К моменту окончания 1-го цикла газ в первом цилиндре охлаждается до первоначальной температуры, следовательно, учитывая уменьшение массы газа в нем, давление здесь также уменьшается до величины, меньшей первоначальной P₀, поэтому при открытии всасывающего клапана в первый цилиндр поступит очередная порция газа. Новым нагреванием газа в первом цилиндре начнется второй цикл термического сжатия и т.д.

Таким образом, в распределительных устройствах давление газа станет нарастать по определенному закону, зависящему от первоначального давления P₀, максимальной температуры разогрева газа в цилиндрах, температуры охлаждения и числа ступеней теплового (беспоршневого) газового компрессора. Теоретические исследования показывают, что производительность теплового компрессора убывает с увеличением давления по закону геометрической прогрессии и увеличивается с увеличением отношения объемов между первым цилиндром и последующим за ним. Для идеального газа давление на выходе из теплового компрессора определяется по формуле:

где T₀ начальная температура газа в цилиндрах;
T₂ максимальная температура газа в цилиндрах;
m число ступеней.

Количество газа Δm_1,n, перемещенное из первого цилиндра во второй в результате n-го цикла работы компрессора, определяется по формуле:

Для многоступенчатого компрессора распределение давлений газа по цилиндрам после i-го нагревания газа в j-м цилиндре определяется по формуле:

где P_j+l,i давление газа в (j+l)-м цилиндре после i-го нагревания в j-м цилиндре;
R газовая постоянная;
T₀ начальная температура газа в цилиндре;
T₂ температура газа в цилиндре в конце разогревания;
Z₁= Φ(P_j+l,iT_o) коэффициент сжимаемости;
Z₂= Φ(P_j+l,iT₂) коэффициент сжимаемости;
V_j объем j-го цилиндра;
V_k объем k-го цилиндра;
G_k,i-1 количество газа в k-м цилиндре после (i-1)-го цикла нагревания.

Выполнение теплофизических расчетов беспоршневого газового компрессора по этим формулам представляет значительную сложность. Программа расчета на ЭВМ учитывает: N число рабочих цилиндров; V_i (i 1,N) объем рабочих цилиндров; V_пр объем приемного цилиндра; P_вх входное давление компрессора; P_вых выходное давление компрессора; T₁, T₂ конечные температуры нагрева и охлаждения газа; ΔP_i минимальное давление, необходимое для раскрытия клапана между i и (i + 1) цилиндрами, позволяющее учитывать неидеальность работы клапанов. Программа на ЭВМ позволяет рассчитать режим компрессора при одновременной работе одного, двух и более цилиндров. Определяются: П производительность компрессора в каждом цикле; m_i масса нагреваемого газа в i-м цилиндре; затраты энергии при сжатии; Δm_i масса газа, перекачиваемого из i-го в (i + 1)-й цилиндр. Оптимальным вариантом компрессора считается такой, при котором производительность обеспечивается максимальный, а энергозатраты (количество тепла, идущего на нагрев газа) получаются минимальными.

В качестве примера можно рассмотреть промышленный образец теплового компрессора БГК-14, имеющего следующие технические характеристики:
Производительность (по условиям нагнетания) 1,2 л/ч;
Начальное давление 50 150 кг/см²;
Конечное давление 6000 кг/см²;
Мощность (потребляемая) 10 кВт;
Габариты самого компрессора:
длина 1550 мм;
ширина 720 мм;
высота 2120 мм;
Габариты пульта управления:
длина 600 мм;
ширина 450 мм;
высота 1020 мм.

Вес компрессора без трансформатора, m_k 1,5 т.

Суммарный объем всех рабочих цилиндров, в которые поступает всасывающий газ V_{о(БГК-14)} 27 л.

Производительность БГК-14, приведенная к условиям всасывания, приближенно равна:

Производительность по всасыванию существующего компрессора КСВА-7,5:

т.е. соотношение между производительностями по всасыванию равно

Отсюда следует, что при создании теплового беспоршневого компрессора на базе БГК-14 производительностью 7,5 л/мин при давлении 400 атм суммарный объем всех рабочих камер цилиндров и приемного цилиндра (собственно это и есть габарит теплового компрессора) должен быть в 25 раз больше, чем этот объем у компрессора БЕК-14.

Объем серийного компрессора КСВА 7,5 составляет:
(3,6 x 1,9 x 1,3) ≈ 10 м³
Количество ступеней сжатия при температуре разогрева газа в цилиндре до 200^oC и охлаждения до 0^oC (минимально возможное технически):

т. е. если вес одного цилиндра составляет 1,5 т, то соответственно для обеспечения требуемой производительности вес будет G_к(БГК) 4,5 т.

Вес серийного компрессора КСВА 7,5 G_к(КСВА) 7 тонн.

Необходимо также отметить, что производительность теплового компрессора существенно зависит от температуры охлаждения.

Чем ниже эта температура, тем производительность компрессора будет ниже.

В настоящее время для оценки возможности создания теплового компрессора выполнены проектные проработки. Конструктивно компрессор может быть выполнен в виде ряда последовательно соединенных цилиндров (ступеней), внутри которых расположены нагревательные элементы. Соединительные магистрали (или непосредственно цилиндры) снабжены клапанами, пропускающими газ в одном направлении, и работа которых согласована с принудительным теплообменом в цилиндрах, осуществляемым посредством контакта охлаждающей рубашки из материала с термоупругими мартенситными превращениями и внутренним теплоизолирующим кожухом.

Отсутствие поршней позволяет уменьшить теплоактивность на 20 40 дБ, а применение твердотельных (мартенситных) контуров отвода тепла сокращает в несколько раз время одного цикла нагрева-охлаждения. При этом вес беспоршневого малошумного теплового компрессора уменьшается в примерно 1,5 2 раза, а объем более чем в 10 раз.

Использование: в судостроении и других машиностроительных областях. Сущность: устройство состоит из ряда последовательно соединенных между собой герметичных емкостей, внутри которых размещен нагревательный элемент, имеются всасывающий и нагнетательный клапаны, снаружи емкости установлена охлаждающая рубашка, вдоль внутренних поверхностей емкости размещен теплоизолирующий кожух с прорезями, соединенный с всасывающим и нагнетательным клапанами механическими тягами с фиксатором и выключателем нагревательного элемента. 1 ил.

Беспоршневой тепловой малошумный компрессор, включающий ряд последовательно соединенных между собой герметичных емкостей, например стальных цилиндров, внутри каждой из которых размещен нагревательный, например, электрический элемент, а также включающий всасывающий и нагнетательный клапаны, отличающийся тем, что на наружной поверхности емкости размещена охлаждающая рубашка, выполненная, например, из материала с термоупругими мартенситными превращениями, соединенная с контуром отвода тепла и отделенная от газа при цикле нагрева подвижным кожухом с участками теплового контакта, при этом на внутренних поверхностях каждой емкости размещен аналогичный теплоизолирующий двухпозиционный кожух, соединенный с всасывающим и нагнетательным клапанами, например, механическим тягами, а также с фиксаторами и с выключателем нагревательного элемента.