ГАЗОРАСПРЕДЕЛИТЕЛЬ ГАЗОВОЙ ХОЛОДИЛЬНОЙ МАШИНЫ Российский патент 2002 года по МПК F25B9/00 

Изобретение относится к криогенной технике, а именно к криогенным установкам, предназначенным для криостатирования оборудования и сжижения газов.

Известен газораспределитель газовой холодильной машины [1], содержащий корпус с расположенными в нем магистралями ввода и вывода газа и устройство для их поочередного прикрытия, выполненное в виде диска с профилированным секторным вырезом, в котором установлен лопаточный аппарат, при этом диск установлен с возможностью вращения и снабжен возвратной спиральной пружиной.

Недостатком известною устройства является большая инерционность диска с профилированным секторным вырезом и лопаточным аппаратом, что в свою очередь не позволяет увеличивать частоту газораспределителя. А это не дает возможности повышать эффективность, в частности холодопроизводительность газовой холодильной машины, путем увеличения частоты пульсаций. Кроме того, тонкие пластины, установленные под углом 45^o к плоскости диска, обладают сравнительно низкой эффективностью преобразования кинетической энергии газового потока по сравнению, например, с турбинными лопатками.

Известен газораспределитель газовой холодильной машины [2], содержащий корпус с магистралями ввода и вывода газа, внутри которого расположено устройство для их поочередного перекрытия, приводимое в действие проходящим через него потоком газа, устройство для поочередною перекрытия магистралей выполнено в виде двух дисковых зубчатых колес, установленных с возможностью вращения во взаимном зацеплении, имеющих профилированные секторные вырезы с углом раскрытия 180^o и ориентированные в одном направлении, в которых установлены лопаточные аппараты в виде турбинных лопаток, ориентированных на свой проходящий сквозь них газовый поток и обеспечивающих вращение дисковых зубчатых колес в противоположные стороны.

Недостатком известного устройства является сложность и материалоемкость конструкции ввиду установки двух зубчатых колес со своими подшипниковыми узлами и зубчатыми венцами, а также низкой надежностью, связанной с необходимостью обеспечения антифрикционною режима работы зацепления зубчатых венцов дисковых колес.

Прототипом предлагаемого изобретения является газораспределитель газовой холодильной машины [3] , содержащий корпус с магистралями ввода и вывода газа, внутри которого расположено устройство для поочередного перекрытия магистралей, приводимое в действие проходящим через него потоком газа, выполнено в виде дискового колеса, установленного с возможностью вращения в корпусе, имеющего два профилированных секторных выреза на разных радиусах с углом раскрытия 180^o и ориентированных в одном направлении, в секторных вырезах установлены лопаточные аппараты в виде турбинных лопаток, ориентированных на свой проходящий сквозь них газовый поток и обеспечивающих вращение дискового колеса.

Недостатком прототипа является то, для достижения максимальной эффективности устройства необходимо увеличивать частоту пульсаций газовой холодильной машины, то есть необходимо увеличивать частоту вращения дискового колеса, но при этом для уменьшения утечек газа сквозь газораспределитель дисковое колесо в корпусе необходимо устанавливать в корпусе с минимальным зазором. При уменьшении зазора между дисковым колесом и корпусом резко возрастает гидравлическое сопротивление дисковому колесу при его вращении (чем больше угловая скорость вращения, тем больше гидравлическое сопротивление). Кроме того, в дисковом колесе прототипа, где с одной стороны находятся два профильных секторных выреза, а с другой - цельное колесо, весьма проблематично добиться балансировки, особенно динамической,
Указанные недостатки ставят задачу повышения эффективности газораспределителя, (без изменения оптимального зазора между дисковым колесом и корпусом и увеличения скорости вращения дисковою колеса).

Указанная задача решается тем, что в газораспределителе газовой холодильной машины, содержащем корпус с магистралями ввода и вывода газа, внутри которою расположено устройство для их поочередного перекрытия, выполненное в виде дискового колеса, установленного с возможностью вращения в корпусе, имеющего на двух разных радиусах профилированные секторные вырезы, в которых установлены лопаточные аппараты в виде турбинных лопаток, ориентированных на свой проходящий сквозь них газовый поток и обеспечивающих вращение дискового колеса (в одну сторону (направление)), профилированных секторных вырезов выполнено попарно несколько (например, два-четыре) и расположенных на каждом из двух разных радиусов поочередно по периметру дискового колеса симметрично относительно его оси вращения.

Введение в предложенное устройство газораспределителя профилированных секторных вырезов, которых выполнено попарно несколько (например, два-четыре) и расположенных на каждом из двух разных радиусов поочередно по периметру дискового колеса симметрично относительно его оси вращения необходимо для увеличения частоты пульсаций устройства, то есть увеличения частоты перекрытия магистралей впуска и выпуска газа, без увеличения напора и расхода газа, что приведет к повышению эффективности газораспределителя с газовой холодильной машиной в целом. В результате чего скорость пульсаций газораспределителя увеличивается без увеличения зазора между дисковым колесом и корпусом (при котором растут потери газа сквозь увеличенный зазор), и без увеличения скорости вращения дискового колеса, при котором возрастают потери на гидравлическое сопротивление вращению.

Введение профилированных секторных вырезов, выполненных попарно несколько и расположенных на каждом из двух разных радиусов поочередно по периметру дискового колеса симметрично относительно его оси вращения позволит легко статически и динамически сбалансировать дисковое колесо газораспределителя.

Расположение профилированных секторных вырезов (выполненных попарно несколько) на каждом из двух разных радиусов поочередно по периметру дисковою колеса, симметрично относительно его оси вращения необходимо, для того чтобы при самых неблагоприятных условиях (положениях дискового колеса) впускная и выпускная магистраль газораспределителя были наполовину приоткрыты профильными секторными вырезами, что даст возможность дисковому колесу начать вращение. При размещении профильных секторных вырезов с зазорами но периметру дискового колеса магистрали будут закрыты, а при размещении профильных секторных вырезов с перекрытием по периметру дискового колеса - газораспределитель будет работать нерационально, пропуская газовый поток сквозь себя обратно (без входа в пульсационпую трубку).

Таким образом:
Выполнение в газораспределителе газовой холодильной машины, содержащим корпус с магистралями ввода и вывода газа, внутри которого расположено устройство для их поочередного перекрытия, выполненное в виде дискового колеса, установленного с возможностью вращения в корпусе, имеющею на двух разных радиусах профилированные секторные вырезы, в которых установлены лопаточные аппараты в виде турбинных лопаток, ориентированных на свой проходящий сквозь них газовый поток и обеспечивающих вращение дискового колеса (в одну сторону (направление)), профилированных секторных вырезов выполнено попарно несколько (например, два-четыре) и расположенных на каждом из двух разных радиусах поочередно по периметру дискового колеса симметрично относительно его оси вращения, является новым для газораснределителе и газовых холодильных машин, что соответствует критерию "новизна".

Вышеприведенная совокупность отличительных признаков не известна в настоящее время из уровня техники и не следует из общеизвестных правил конструирования холодильных машин и их вспомогательного оборудования, это доказывает соответствие критерию "изобретательский уровень".

Конструктивная реализация газораспределителя газовой холодильной машины с указанной совокупностью существенных признаков не представляет никаких конструктивно-технических и технологических трудностей, отсюда следует соответствие критерию "промышленная применимость".

На фиг.1 представлена схема газовой холодильной машины.

На фиг.2 представлен схематический разрез газораспределителя газовой холодильной машины в двух видах: в плоскости прохождения сквозь нею газовых потоков и в плоскости дискового колеса.

Газораспределитель входит в газовую холодильную машину, содержащую последовательно установленные /фиг.1/: концевой холодильник 1 с линией теплоносителя 2, дополнительные регенератор 3, пульсационную трубку 4, регенератор 5, газораспределитель 6 и компрессор 7.

Газораспределитель 6 содержит /фиг.2/ полый корпус 8 с магистралями 9 - входными для впуска газа, выходными 10 для выпуска газа и двумя внешними герметичными подшипниками узлами 11, в которых во внутренней полости корпуса 8 па валу 12 установлено дисковое колесо 13, имеющее секторные вырезы 14 и 15, расположенные на разных радиусах поочередно по периметру дискового колеса 13. В секторных вырезах зубчатого колеса 14 и 15 установлены лопаточные аппараты с турбинными лопатками 16 и 17, которые ориентированы в каждом секторном вырезе 14 и 16 на свой проходящий сквозь них газовый поток, и обеспечивают вращение дискового колеса 13 в одну сторону.

Дисковое колесо 13 установлено в полом корпусе 8 с минимальным зазором, исключающим трение о внутренние стенки корпуса 8. Материал дискового колеса 13 может быть любым.

Работает газораспределитель в составе газовой холодильной машины следующим образом. В исходном состоянии вся система заполнена газом. Первоначальное положение дискового зубчатого колеса 13 безразлично. С началом работы компрессор 7 на входе и выходе газораспределителя 6 создается разность давления газа. Таким образом, газ, проходя через турбинные лопатки 16, нагнетаясь через секторный вырез 14 или всасываясь через секторный вырез 15 через турбинные лопатки 17, воздействует на них с начала движения поочередно и совместно, раскручивает дисковое колесо 13. В результате его вращения впускная магистраль 9 и выпускная 10 поочередно открывается секторными вырезами 14 и 15 и закрывается телом дискового колеса 13. В результате этого газораспределитель 6 автоматически переходит в режим работы пульсатора сжатого газа. Газ поочередно входит и выходит через основной регенератор 5 в пульсационную трубку 4. Частота коммутации газовых потоков газораспределителя зависит от величин скорости и расхода проходящего сквозь него газового потока. Чем больше скорость потока, тем больше скорость вращения дисковою колеса 13 и, следовательно, больше частота коммутации газовою потока. Однако при увеличении скорости вращения дискового колеса 13, будет возрастать и гидравлическое сопротивление трения в зазоре между корпусом 8 и колесом 13, на преодоление которою необходимо будет затрачивать больше энергии. Поэтому колесо 13 не сможет раскручиваться до очень большой скорости, вызывающей его повреждение, при больших перепадах давлений на газораспределителе 6 вращение будет происходить в установившемся режиме.

Газ, поступая в пульсационную трубку 4, охлаждается первоначально в регенераторе 5 и одновременно часть газа из пульсационной трубки 4 поступает в холодильник 1, предварительно охлаждая материал насадки второю регенератора 3. В холодильнике 1 теплота сжатия снимается теплоносителем, протекающим по линии теплоносителя 2. По окончании заполнения газом пульсационной трубки 4, начинается обратное движение газа, сопровождающееся расширением и охлаждением газа. Причем газ, поступающий в пульсационную трубку 4 из концевою холодильника 1, охлаждается в дополнительном регенераторе 3, после чего продолжается его расширение, сопровождающееся дальнейшим снижением температуры. Затем газ нагревается в регенераторе 5 и поступает через газораспределитель 6 на вход компрессора 7. После чего весь цикл повторяется. Частота циклов зависит от перепада давлений сжатою газа на газораспределитель 6 и подбирается таким образом, чтобы получить максимальную холодопроизводительпость газовой холодильной машины при определенном роде газа или смесей газов.

Расположение профилированных секторных вырезов симметрично относительно оси вращения дисковою колеса (профилированных секторных вырезов, выполненных попарно несколько и расположенных на каждом из двух разных радиусах поочередно по периметру дискового колеса) позволит легко статически и динамически сбалансировать дисковое колесо газораспределителя, обеспечить ему вращение без биений и вибраций.

Увеличение частоты пульсаций устройства, то есть увеличения частоты перекрытия магистралей впуска и выпуска газа, в предложенном газораспределителе происходит без увеличения зазора между дисковым колесом и корпусом (при котором растут потери газа сквозь увеличенный зазор), и без увеличения скорости вращения дискового колеса, (при котором возрастают потери на гидравлическое сопротивление вращению). А увеличение частоты пульсаций газораспредилителя даст возможность значительно повысить частоту циклов газовой холодильной машины и довести их до оптимального значения, что позволит резко повысить эффективность устройства в целом.

Источники информации
1. Авторское свидетельство СССР N 1758363, кл. F 25 В 9/00, 1992 г.

2. Авторское свидетельство СССР N 2131093, кл. F 25 В 9/00, 1999 г.

3. Авторское свидетельство СССР N 2151969, кл. F 25 В 9/00, 2000 г.

Изобретение относится к криогенным установкам, предназначенным для криостатирования оборудования и сжижения газов. Газораспределитель содержит полый корпус с входными и выходными магистралями для впуска и выпуска газа и два герметичных подшипниковых узла. Во внутренней полости корпуса на валу установлено дисковое колесо, имеющее попарно несколько (например два - четыре) профилированных секторных выреза, расположенных симметрично относительно оси вращения на двух разных радиусах поочередно по периметру дискового колеса. В секторных вырезах дискового колеса установлены определенным образом ориентированные лопаточные аппараты, которые обеспечивают вращение дискового колеса в одну сторону. Использование предложенного газораспределителя позволит повысить эффективность. 2 ил.

Газораспределитель газовой холодильной машины, содержащий корпус с магистралями ввода и вывода газа, внутри которого расположено устройство для их поочередного перекрытия, выполненное в виде дискового колеса, установленного с возможностью вращения в корпусе, имеющего на двух разных радиусах профилированные секторные вырезы, в которых установлены лопаточные аппараты в виде турбинных лопаток, ориентированных на свой проходящий сквозь них газовый поток и обеспечивающих вращение дискового колеса, отличающийся тем, что профилированных секторных вырезов выполнено попарно несколько (например два - четыре) и расположение на каждом из двух разных радиусах поочередно по периметру дискового колеса симметрично относительно его оси вращения.