ТЕПЛОВОЙ КОМПРЕССОР Российский патент 2002 года по МПК F04B19/24 F25B29/00 

Изобретение относится к компрессоростроению, а именно к теплоиспользующим компрессорам, и может быть использовано в самых различных областях техники для теплового компримирования газов.

Известен теплоиспользующий компрессор [1] - /авторское свидетельство СССР 1359478, кл. F 04 В 19/24, F 25 В 9/00, F 25 В 9/00, 1987 г./, содержащий теплообменник-охладитель и цилиндрическую полость, внутри которой установлен комбинированный вытеснитель со сложной системой гидропривода.

Недостатком известного теплоиспользующего компрессора, являются сложность, а следовательно, и низкая надежность системы привода и самого вытеснителя, а также большой мертвый объем /заключенный в теплообменниках/ рабочей полости теплоиспользующего компрессора.

Известен термокомпрессор [2] - /авторское свидетельство СССР 1670173, кл. F 04 В 19/24, F 25 В 29/00, 1991 г./, содержащий компрессионную камеру, на торцах которой расположены коллекторы /теплообменники/ теплоносителя и хладагента, помещенный в камеру регенератор, снабженный пористыми насадками и штоком осевого перемещения, трубопровод с отсечными (обратными) клапанами, причем насадки размещены на торцах регенератора и его шток соединен с механическим приводом через двухсторонний пружинный компенсатор осевого движения.

Недостатками известного термокомпрессора являются:
- наличие уплотнительного узла штока, что приведет особенно при высоких рабочих давлениях к течкам газа и затратам энергии на преодоление сил трения в уплотнительном узле;
- удары насадок при работе термокомпрессора, которые снижают надежность устройства в целом;
- недостаточная поверхность теплообмена торцевых стенок корпуса для передачи необходимого количества тепла, что приводит к увеличению температурного перепада между соответственно теплоносителем и рабочим телом в горячей полости, и хладагентом (средой для отвода тепла) и рабочим телом в холодной полости, а это в свою очередь ведет к большей необратимости процессов теплообмена и снижению кпд.

Прототипом предлагаемого устройства является компрессор [3] - /авторское свидетельство СССР 1605110, кл. F 25 В 9/00, 1990 г./, содержащий установленный в полости цилиндра с возможностью осевого перемещения вытеснитель с расположенным в нем регенератором и наклонными каналами, разделяющий полость цилиндра на теплую и холодную полости, теплообменники теплоносителя и хладагента, расположенные на торцах цилиндра электропривод, статор которого расположен на внешней стороне цилиндрического корпуса, а ротор - на корпусе вытеснителя, а также впускные и выпускные клапаны.

Недостатками прототипа являются:
- недостаточная поверхность теплообмена торцевых и боковых стенок цилиндрического корпуса для передачи необходимого количества тепла, что приводит к увеличению температурного перепада между соответственно теплоносителем и рабочим телом в горячей полости, хладагентом (средой для отвода тепла) и рабочим телом в холодной полости, а это в свою очередь ведет к большей необратимости процессов теплообмена и снижению кпд;
- наличие большого мертвого объема из-за необходимости недопущения ударов вытеснителя о торцевые стенки цилиндрического корпуса, которые могут привести к поломке компрессора;
- большая масса вытеснителя с встроенными регенератором и ротором электрического двигателя приведет к большим инерционным силам (на средних и больших частотах), для компенсации которых придется значительно увеличить мощность, а следовательно, и массу линейного двигателя, что приведет к сравнительно большим затратам электрической энергии для привода вытеснителя, а это совсем нежелательно для любых устройств;
- низкая надежность и ресурс теплового компрессора из-за размещения клапанов в его рабочей полости, особенно в теплой зоне;
- холодный газ, поступающий в теплую зону необходимо предварительно охлаждать, а это дополнительные затраты энергии;
- для нормальной работы регенератора требуется обеспечение поддержания заданных значений температур на его торцах, а это условие в результате разных путей движения газа (по зазору и по центральному каналу, и организации входа и выхода компримируемого газа с разных торцов цилиндра) обеспечивается плохо, что снижает эффективность регенератора и теплового компрессора в целом.

Указанные недостатки ставят задачу повышения эффективности теплоиспользующего компрессора.

Указанная задача достигается тем, что в тепловом компрессоре, содержащем установленный в полости цилиндра с возможностью осевого перемещения вытеснитель с расположенным в нем регенератором и наклонными каналами, разделяющий полость цилиндра на теплую и холодную полости, теплообменники теплоносителя и хладагента, расположенные на торцах цилиндра, электропривод, статор которого расположен на внешней стороне цилиндра, а ротор - на корпусе вытеснителя, а также впускные и выпускные клапаны.

Вытеснитель выполнен трубчатым с торцевыми профильными заглушками, в кольцеобразных торцевых осевых выточках которых установлены пружины сжатия прямоугольного сечения, которыми вытеснитель подпружинен от торцевых внутренних стенок цилиндра, вытеснитель между торцевых профильных заглушек содержит регенератор с наклонными отверстиями в холодную и теплую зоны цилиндра через зазоры, образованные резьбовыми проточками на внешних торцах трубчатого вытеснителя, а цилиндрические приторцевые участки внутренней поверхности корпуса содержат внутреннюю резьбу длиной, равной сумме длины хода вытеснителя и длины резьбовой проточки вытеснителя, впускной и выпускной клапаны расположены на внешней магистрали, подсоединенной через теплообменник хладагента к холодной полости цилиндра в его торце, статор и ротор электропривода смещены в сторону холодной зоны, и между статором и теплообменником теплоносителя на внешней стороне цилиндра расположен ребристый теплообменник, теплообменник теплоносителя покрыт слоем теплоизоляции по всей наружной поверхности.

Выполнение вытеснителя трубчатым необходимо для удобного размещения в нем всех узлов и деталей теплового компрессора и их взаимного спряжения. Внешняя поверхность вытеснителя между радиально наклоненными отверстиями образует пару скольжения с внутренней средней частью цилиндрического корпуса, торцевые участки внешней поверхности вытеснителя выполнены меньшим радиусом, чем его центральная часть, и содержат внешнюю резьбу (канавки) для интенсификации теплообмена, цилиндрические торцевые участки внутренней поверхности цилиндра содержат также для интенсификации теплообмена внутреннюю резьбу (канавки).

Установка в вытеснителе торцевых профильных заглушек, в кольцеобразных торцевых осевых выточках которых установлены пружины сжатия прямоугольного сечения, которыми вытеснитель подпружинен от торцевых внутренних стенок цилиндра, необходима для уменьшения инерционных сил и уменьшения мощности электропривода. Кроме того, пружины, которыми подпружинен вытеснитель, помогают увеличить поверхности теплообмена и интенсифицировать теплообмен в холодной и теплой областях цилиндра, так как по пружинам будет происходить соответственно отвод и подвод тепла к рабочему телу (перекачиваемому газу).

Выполнение пружин прямоугольного сечения необходимо для уменьшения мертвого объема соответственно холодной и теплой полостей при полном сжатии в них пружин.

Выполнение вытеснителя со встроенным регенератором (между торцевых профильных заглушек) с наклонными отверстиями в холодную и теплую зоны цилиндра через зазоры, образованные резьбовыми проточками на внешних торцах вытеснителя и цилиндрическими приторцевыми резьбовыми участками внутренней поверхности корпуса, необходимо для интенсификации теплообмена подвода и отвода тепла и повышения эффективности теплового компрессора в целом.

Выполнение цилиндрических приторцевых резьбовых участков внутренней поверхности корпуса длиной, равной сумме длины хода вытеснителя и длины резьбовой проточки вытеснителя, необходимо для создания кольцеобразных каналов интенсивного отвода и подвода тепла от компримируемого газа.

Выполнение впускного и выпускного клапанов, расположенными на внешней магистрали, подсоединенной через теплообменник хладагента к торцу холодной полости цилиндра, необходимо для облегчения условий работы клапанов, создания возможности их оперативного технологического обслуживания и ремонта.

Выполнение статора и ротора электропривода, смещенными в сторону холодной зоны, и размещение между статором и теплообменником теплоносителя на внешней стороне цилиндра ребристого теплообменника необходимо для исключения перегрева статора электропривода и обеспечение для него нормального рабочего режима. Ребристый теплообменник служит также для отвода тепла, поступающего по корпусу от теплообменника теплоносителя к статору электропривода.

Покрытие теплообменника теплоносителя слоем теплоизоляции по всей наружной поверхности необходимо для уменьшения потерь тепла от теплообменника теплоносителя в окружающую среду.

Выполнение теплового компрессора в совокупности с вышеизложенными признаками (отличительными признаками формулы изобретения) является новым для тепловых компрессоров и, следовательно, соответствует критерию "новизна".

Вышеприведенная совокупность отличительных признаков не известна на данном уровне развития техники и не следует из общеизвестных правил конструирования тепловых компрессоров и их вспомогательного оборудования, что доказывает соответствие критерию "изобретательский уровень".

Конструктивная реализация теплового компрессора с указанной совокупностью существенных признаков не представляет никаких конструктивно-технических и технологических трудностей, откуда следует соответствие критерию "промышленная применимость".

На чертеже схематично представлена конструкция предложенного теплового компрессора.

Тепловой компрессор содержит цилиндр 1, трубчатый вытеснитель 2 с регенератором 3 и радиально наклоненными отверстиями 4 и 5, соответственно направленные в стороны холодной полости 6 и горячей полости 7 для рабочего тела, которым служит перекачиваемый газ. Трубчатый вытеснитель 2 с внешней своей стороны имеет установленный в него ротор 8 электропривода, статор 9 которого расположен на внешней поверхности цилиндра 1. Цилиндр 1 снабжен соответственно со стороны горячей полости 7 теплообменником теплоносителя 11, который теплоизолирован от окружающей среды слоем теплоизоляции 12 и со стороны холодной полости 6 теплообменник хладагента 10, через который подходит газовая магистраль 13, с установленными на ней впускным 14 и выпускным 15 клапанами для перекачиваемого газа. Вытеснитель 2 со стороны холодной 6 и теплой 7 полостей цилиндра 1 имеет соответственно торцевые профильные заглушки 16 и 17. В заглушках 16 и 17 выполнены кольцеобразные торцевые осевые выточки 18 и 19 с установленными в них соответственно пружинами сжатия 20 и 21 прямоугольного сечения, которыми вытеснитель 2 подпружинен от торцевых внутренних стенок цилиндра 1. Причем пружина 21, находящаяся в горячей полости, должна быть выполнена из жаропрочной стали, а жесткости пружин 20 и 21 должны быть одинаковыми. На внешних приторцевых участках вытеснителя 2, выполненных меньшим радиусом, чем его средняя часть, находятся резьбовые участки 22, 23, а на внутренней поверхности приторцевых участков цилиндра 1 резьбовые участки 24 и 25 с образованием кольцевых зазоров 26 и 27, расположенных соответственно в холодной 6 и горячей 7 полостях цилиндра 1. На внешней стороне цилиндра 1 между теплоизоляцией 12 теплообменника-теплоносителя 11 и статором 9 электропривода расположен ребристый радиатор 28.

Работает предложенный тепловой компрессор следующим образом.

В установившемся режиме вытеснитель 2 движется возвратно - поступательно по цилиндру 1 под действием усилий пружин 20 и 21, установленных в выточках 18 и 19, и совершает автоколебательные движения, поддерживаемые электроприводом, состоящим из статора 9 и ротора 8. При этом мощность линейного электродвигателя расходуется только на поддержание автоколебательного возвратно-поступательного движения вытеснителя, то есть на преодоление сил трения и гидравлического сопротивления. При движении вытеснителя 2 в сторону теплой полости 7 горячий газ проходит по зазору 27, отверстия 5, регенератор 3, сообщая ему недостающее тепло недорекуперации, охлаждается и, проходя через отверстия 4 и зазор 26, дополнительно подохлаждаясь, попадает в полость 6. По мере охлаждения газа давление во всем объеме корпуса 1 падает и становится меньше, чем на входе в компрессор, в результате чего открывается впускной клапан 14, и в компрессор поступает очередная порция газа на сжатие. При движении вытеснителя 2 в сторону холодной полости 6 холодный газ проходит по зазору 26, отверстия 4, регенератор 3, нагревается в нем и, проходя через отверстия 5 и зазор 27 дополнительно подогреваясь, попадает в полость 7. По мере нагрева газа давление во всем объеме корпуса 1 растет и становится больше, чем на входе в компрессор, в результате чего открывается выпускной клапан 15, и из теплового компрессора поступает очередная порция сжатого газа потребителю. После начала движения вытеснителя 2 в сторону холодной полости 6 весь цикл повторяется. Ребристый теплообменник 28 предотвращает чрезмерный нагрев стартера 9 теплом теплоносителя, поступающего теплопроводностью от теплообменника вдоль стенки корпуса 1.

Интенсивный теплообмен в кольцевых зазорах с резьбовой частью позволит понизить температурный напор между теплообменниками и соответствующими рабочими полостями, а также позволит регенератору работать в более легком режиме, а это приведет к более обратимым процессам теплообмена и, следовательно, к более высокому кпд компрессора. Кроме того, применение в компрессоре подпружинного вытеснителя позволит последнему выполнять движения в автоколебательном режиме, что приведет к значительному уменьшению габаритов и потребляемой мощности привода вытеснителя. В целом предложенный тепловой компрессор обладает гораздо большей надежностью и эффективностью в работе, чем его прототип, и позволяет выдавать сжатый газ потребителю при температуре, равной температуре хладагента.

Источники информации
1. Авторское свидетельство СССР 1359478, кл. F 04 В 19/24, F 25 В 9/00, F 25 В 9/00, 1987 г.

2. Авторское свидетельство СССР 1670173, кл. F 04 В 19/24, F 25 В 29/00, 1991 г.

3. Авторское свидетельство СССР 1605110, кл. F 25 В 9/00, 1990 г.

Изобретение может использоваться в самых различных областях техники для сжатия и перекачки газа и решает задачу повышения эффективности тепловых компрессоров. Компрессор содержит цилиндр, трубчатый вытеснитель со встроенным регенератором и радиально наклоненными отверстиями для соединения регенератора соответственно с холодной и горячей полостями цилиндра. Вытеснитель приводится в действие электроприводом с ротором, расположенным на внешней стороне вытеснителя, и статором, расположенным на цилиндре. Цилиндр содержит теплообменник теплоносителя с теплоизоляцией и теплообменник хладагента, газовую магистраль с впускным и выпускным клапанами, ребристый радиатор. Вытеснитель с регенератором снабжен торцевыми заглушками с кольцеобразными торцами, осевыми выточками и установленными в них пружинами прямоугольного сечения, которыми вытеснитель подпружинен от внутренних торцевых стенок цилиндра. В приторцевых участках вытеснителя, выполненного меньшим радиусом, чем его средняя часть, находятся резьбовые участки, а на внутренней поверхности приторцевых участков цилиндра выполнены резьбовые участки с образованием кольцевых зазоров, расположенных соответственно в холодной и горячей полостях цилиндра. 1 ил.

Тепловой компрессор, содержащий установленный в полости цилиндра с возможностью осевого перемещения вытеснитель с расположенным в нем регенератором и наклонными каналами, разделяющий полость цилиндра на теплую и холодную полости, теплообменники теплоносителя и хладагента, расположенные на торцах цилиндра, электропривод, статор которого расположен на внешней стороне цилиндра, а ротор на корпусе вытеснителя, а также впускные и выпускные клапаны, отличающийся тем, что вытеснитель выполнен трубчатым с торцевыми профильными заглушками, в кольцеобразных торцевых осевых выточках которых установлены пружины сжатия прямоугольного сечения, которыми вытеснитель подпружинен от торцевых внутренних стенок цилиндра, вытеснитель между торцевых профильных заглушек содержит регенератор с наклонными отверстиями в холодную и теплую зоны цилиндра через зазоры, образованные резьбовыми проточками на внешних торцах трубчатого вытеснителя, а цилиндрические приторцевые участки внутренней поверхности корпуса содержат внутреннюю резьбу длиной, равной сумме длины хода вытеснителя и длины резьбовой проточки вытеснителя, впускной и выпускной клапаны расположены на внешней магистрали, подсоединенной через теплообменник хладагента к холодной полости цилиндра в его торце, статор и ротор электропривода смещены в сторону холодной зоны, и между статором и теплообменником теплоносителя на внешней стороне цилиндра расположен ребристый теплообменник, теплообменник теплоносителя покрыт слоем теплоизоляции по всей наружной поверхности.