СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ ЭКОНОМИЧНОСТИ КОМПРЕССОРА С ГАЗОСТАТИЧЕСКИМ ЦЕНТРИРОВАНИЕМ ПОРШНЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1999 года по МПК F04B31/00 

Изобретение относится к компрессоростроению и может быть использовано при создании машин, сжимающих чистые газы и обладающих высоким ресурсом работы.

Известен способ повышения экономичности компрессора с газостатическим центрированием поршня, заключающийся в подаче охлажденного теплоносителя из нижней части в верхнюю часть поршня [1].

Недостатком известного способа является необходимость наличия отдельного источника питания для подачи охлаждающей жидкости.

Указанный недостаток устранен в способе повышения экономичности компрессора с газостатическим центрированием поршня, заключающемся в подъеме теплоносителя из нижней части поршня в наиболее нагретую верхнюю часть поршня за счет его возвратно-поступательного движения [2].

Недостатком данного способа является необходимость тщательного подбора легкоиспаряющейся жидкости по ее термодинамическим характеристикам и количеству. Причем использование данного способа предполагает наличие полностью высокогерметичной конструкции поршня и работу компрессора в узком диапазоне давления и внешних условий, т.к. их изменение приводит к нарушению термодинамического баланса герметичной камеры поршня, в результате чего, например, вся жидкость может оказаться в испарившемся состоянии (это кроме всего прочего грозит превышением расчетного давления и разгерметизацией камеры) и теплообмен будет происходить без фазового перехода, т.е. чрезвычайно плохо.

Задачей данного изобретения является расширение области применения способа повышения экономичности компрессора с газостатическим центрированием поршня и повышение надежности его осуществления.

Указанная задача может быть решена за счет того, что после достижения теплоносителем верхней части поршня его опускают в жидком состоянии снова в нижнюю часть поршня, и в качестве теплоносителя используют слабоиспаряющуюся жидкость, причем передачу теплоты от тела поршня в окружающую среду могут производить через промежуточный теплоноситель.

В компрессоре, содержащем картер с установленным на нем цилиндром, соединенным с линией нагнетания, поршень с газостатическим подвесом и П-образной полостью, нижняя часть которой частично заполнена жидкостью, а стенки имеют V-образные несимметричные выступы, для осуществления предложенного способа верхняя часть П-образно полости дополнительной соединена с ее нижней частью с помощью гладкостенных каналов, при этом в верхней части картера может быть образована полость, заполненная охлаждающей жидкостью, с наружными стенками, обращенными к окружающей среде, и внутренними стенками, примыкающими к нижней части поршня, и эта полость может быть соединена через обратные клапаны с теплообменником, а линия нагнетания при этом проходит через эту полость и в зоне прохождения имеет упругий элемент.

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором изображено схематичное сечение компрессора с газостатическим центрированием поршня, имеющем все отличительные признаки.

Компрессор состоит из картера 1, на котором установлен цилиндр 2 с полостью всасывания 3, содержащей клапан 4, и полостью нагнетания 5 с клапаном 6. В цилиндре 1 с зазором 7 установлен поршень 8 с газостатическим центрированием, осуществляемым из полости 9, соединенной с камерой сжатия 10 через клапан 11 и с зазором 7 через дроссельные отверстия 12. Поршень 8 имеет наружную гильзу 13 с лабиринтными канавками 14, которые с ответными лабиринтными канавками 15 образуют несимметричные V-образные выступы. Кроме того, в теле поршня 8 имеются гладкостенные каналы 16, соединяющие верхнюю часть П-образной полости 17 через отверстия 18 с ее нижней частью, заполненной слабоиспаряющейся жидкостью, например, минеральным маслом. Наружная гильза 13 в своей нижней части снаружи имеет многочисленные ребра 19, размещенные с минимальным зазором в ответных впадинах 20 внутренней части верха картера 1, отделенных тонкой стенкой 21 от заполненной жидкостью полости 22, соединенной через клапаны 23 и 24 с теплообменником 25, помещенным в окружающей среде. Линия нагнетания 26 проходит через полость 22 и содержит в пределах этой полости упругий элемент 27, выполненный, например, в виде отрезка шланга.

Способ работы компрессора осуществляется следующим образом. При возвратно-поступательном движении поршня 8 объем камеры сжатия 10 изменяется, что приводит к попеременному всасыванию рабочего тела через клапан 4, его сжатию и нагнетанию потребителю через клапан 6 по линии нагнетания 26. Кроме того, часть сжатого газа из камеры 10 через клапан 11 попадает в полость 9 и стекает из нее через дроссели 12 в зазор 7, образуя таким образом в зазоре 7 несущий газовый слой, препятствующий контакту поршня 8 и цилиндра 2. Образовавшаяся при сжатии газа теплота воздействует на поршень (преимущественно на верхнюю его часть). При возвратно-поступательном движении поршня жидкость из нижней части П-образной полости 17 с помощью V-образных выступов под действием инерционных сил перекачивается в верхнюю часть полости 17, охлаждает верхнюю часть поршня 3 и по каналам 16 под действием гравитационных сил возвращается в нижнюю часть полости 17, где охлаждается. Затем цикл повторяется.

Теплота от жидкости, заполняющей нижнюю часть полости 17, отводится в окружующую среду через стенки поршня 8 за счет вентиляции картера 1, а также путем теплопередачи через ребра 19, впадины 20, стенку 21 жидкости, заполняющей полость 22, которая охлаждается за счет передачи теплоты в окружающую среду через стенки картера, а также за счет прокачки этой жидкости через теплообменник 25. Прокачка жидкости осуществляется за счет изменения объема упругого элемента 27, которое неизбежно возникает в связи с наличием пульсации давления газа в нагнетательной линии, и за счет работы клапанов 23 и 34.

Наличие ребер 19, движущихся во впадинах 20, существенно увеличивает мощность отводимого от поршня 8 теплового потока, т.к. наряду с увеличением поверхности теплообмена имеет место интенсивное перемешивание газа в узком зазоре между ребрами 19 и впадинами 20 и сопутствующее этому увеличение коэффициента теплоотдачи. Наличие промежуточного теплоносителя, циркулирующего в полости 22 и теплообменнике 25 за счет естественной конвекции жидкости или путем ее прокачки, позволяет лучше использовать свойства окружающей среды для охлаждения и выравнивания по длине образующей поршня 8.

Таким образом, применение описанного способа и устройства для его осуществления позволяет отказаться от использования для охлаждения поршня легкокипящих жидкостей, что дает возможность существенно снизить требования по герметичности П-образной полости, кратно расширить диапазон давлений и температур, при которых может работать компрессор, т.к. нет опасности образования высокого давления паров в П-образной полости и возникновения состояния, при котором исчезают фазовые переходы и сопутствующий им интенсивный теплообмен.

Источники информации.

1. А. с. 947465, кл. F 04 B 31/00, 39/06, Б.И. N 28, 1982 г. Поршневой холодильный компрессор.

2. А. с. 985417, кл. F 04 B 39/06, 31/00, Б.И. N 48, 1982 г. Поршневой холодильный компрессор.

Способ может быть использован в поршневых компрессорах для обеспечения герметичности поршня. В цилиндре с зазором установлен поршень с газостатическим подвесом и П-образной полостью. Нижняя часть полости частично заполнена жидкостью и соединена с верхней частью гладкостенными каналами. При сжатии рабочего тела часть его через обратный клапан в поршне попадает через полость и дроссели в зазор, образуя газовый слой, препятствующий контакту поршня и цилиндра. Для охлаждения поршня жидкость из нижней части П-образной полости поршня подают в верхнюю часть по лабиринтным канавкам. Затем по гдадкостенным каналам под действием гравитационных сил жидкость возвращается в нижнюю часть П-образной полости, где охлаждается. Такое решение позволяет отказаться от легкокипящих жидкостей, что дает возможность существенно снизить требования по герметичности П-образной полости, кратно расширить диапазон давлений и температур, при которых может работать компрессор. 2 с. и 3 з.п.ф-лы, 1 ил.

1. Способ повышения экономичности поршневого компрессора с газостатическим центрированием поршня, заключающийся в подъеме теплоносителя из нижней части поршня в наиболее нагретую верхнюю часть поршня за счет его возвратно-поступательного движения, отличающийся тем, что после достижения теплоносителем верхней части поршня его опускают в жидком состоянии снова в нижнюю часть поршня, причем в качестве теплоносителя используют слабоиспаряющуюся жидкость. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что передача теплоты от поршня в окружающую среду осуществляется через промежуточный теплоноситель, циркулирующий в полости, примыкающей к нижней части поршня. 3. Устройство для осуществления способа повышения экономичности поршневого компрессора с газостатическим центрированием поршня, содержащее картер с установленным на нем цилиндром, соединенным с линией нагнетания, поршень с газостатическим подвесом и П-образной полостью, нижняя часть которой частично заполнена жидкостью, и имеющей вертикальные стенки с V-образными несимметричными выступами, отличающееся тем, что верхняя часть П-образной полости дополнительно соединена с ее нижней частью с помощью гладкостенных каналов. 4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что в верхней части картера образована полость, заполненная охлаждающей жидкостью, причем наружные стенки этой полости обращены к окружающей среде, а внутренние стенки примыкают к нижней части поршня. 5. Устройство по п. 4, отличающееся тем, что полость, заполненная охлаждающей жидкостью, соединена через обратные клапаны с теплообменником, причем линия нагнетания проходит через упомянутую полость и в зоне ее прохождения содержит упругий элемент.