ТЕРМОКОМПРЕССОР Российский патент 2004 года по МПК F04B19/24 

Изобретение относится к компрессоро- и насосостроению, а более конкретно к конструкции теплоиспользующих компрессоров.

В качестве аналога принята теплоиспользующая холодильная машина Волюмье - Такониса (Архаров А.М., Марфенина И.В., Микулина Е.И. Криогенные системы: Основы теории и расчета. - М.: Машиностроение, 1988, с.326-328). Теплоиспользующая холодильная машина содержит два цилиндра с размещенньми в них поршнями и регенераторы. Поршни, перемещаясь относительно друг друга со сдвигом фаз, осуществляют сжатие газа в горячей зоне и расширение его в холодной зоне, при этом между горячей полостью и срединной теплой зоной осуществляется прямой цикл, а между теплой и холодной полостями осуществляется обратный холодильный цикл. Работа для холодильного цикла получается за счет реализации цикла прямого, при этом она не отводится наружу на механизм привода, а остается внутри рабочего тела, осуществляя его термокомпримирование и терморасширение. Недостатком аналога в случае реализации термокомпрессора по его конструктивной схеме является невозможность использования компримируемого газа в качестве рабочего тела для получения работы в прямом цикле.

Прототипом является механический термокомпрессор с вытеснителем (Бродянский В.М. Труды научно-технической конференции МЭИ. - М., 1970, с.115-122). Конструктивно он состоит из цилиндра, внутри которого находиться регенератор, делящий термокомпрессор на холодную и горячую полости и приводимый в движение через шток с помощью специального привода. Рабочий цикл такого термокомпрессора осуществляется за счет периодического нагрева и охлаждения части газа при его переталкивании вытеснителем из горячей полости в холодную.

Недостатком такого компрессора является наличие специального привода для перемещения регенератора.

Задачей является создание экономичного термоокомпрессора для газификации криогенных жидкостей с последующим сжатием газа за счет использования тепла окружающей среды (или внешнего теплового источника) и осуществления охлаждения холодной части термокомпрессора за счет тепла испарения и теплоемкости самого рабочего тела при его газификации из криогенного состояния.

Поставленная задача решается за счет того, что в термокомпрессоре, содержащем цилиндр, внутри которого находиться подвижный регенератор, соединенный через шток с приводом и делящий внутреннюю полость цилиндра на холодную и горячую части, впускной и выпускной клапаны, рубашку охлаждения, установленную на холодную часть термокомпрессора, согласно изобретению привод выполнен в виде цилиндра, снабженного поршнем, который соединен через шток со стороны горячей части термокомпрессора с регенератором, выпускные клапаны связаны магистралью с термокомпрессором через ресивер, впускные клапаны цилиндра привода связаны магистралью с рубашкой охлаждения, со стороны холодной части термокомпрессора находиться цилиндр, имеющий поршень, который соединен через шток с регенератором, выпускные клапаны, связанные с рубашкой охлаждения, а сама рубашка охлаждения через магистрали - с впускными клапанами привода, и впускные клапаны, соединенные с емкостью, рубашка охлаждения выполнена в виде цилиндрического стакана с внутренними проточками, при этом проточки и поверхность холодной части термокомпрессора образуют каналы охлаждения.

Изобретение поясняется чертежом.

Термокомпрессор содержит цилиндр привода 1, имеющий поршень 2, его выпускные 3, 4 и впускные 5, 6 клапаны и который работает как поршневой двигатель, а также магистраль 7, которая соединяет выпускные клапана полости поршневого двигателя с ресивером 8. Сам ресивер 8 соединяется с впускным клапаном 9 термокомпрессора. В цилиндре 10 термокомпрессора находится регенератор 11, разделяющий его на холодную часть А и горячую часть В полости. Шток 12 соединяет регенератор 11 термокомпрессора с поршнем 2 и с поршнем 13, выполняющим роль плунжера нагнетающего насоса. Термокомпрессор снабжен впускным 9 и выпускным 14 клапанами, рубашкой охлаждения 15. Горячая часть В термокомпрессора и цилиндр двигателя располагаются в единой полости подогревателя 16. Цилиндр 17, имеющий выпускные 18, 19 и впускные 20, 21 клапаны, а также поршень 13, работает как нагнетающий насос. Клапаны соединены магистралями с емкостью 22, в которой находиться криогенная жидкость.

Устройство работает следующим образом.

Впускной клапан 21 насоса во время всасывания открывается, и в С-полость насоса поступает криогенная жидкость. В это же время открывается выпускной клапан 19, и из D-полости насоса выталкивается порция жидкости в соответствущий канал охлаждающей рубашки термокомпрессора 15, где она газифицируется, одновременно открывается впускной клапан 5 двигателя, и при ходе всасывания в надпоршневую полость поступает рабочее тело в газообразном состоянии. За счет подвода тепла к рабочему телу в двигателе происходит его расширение. Поршень 2 начинает движением с одновременным перемещением регенератора 11 термокомпрессора и плунжера насоса 13. Выпускной клапан 3 полости двигателя открывается, и газ подается в ресивер 8 и далее к впускному клапану 9 термокомпрессора. Параллельно с этим процессом в термокомпрессоре из его холодной части А полости газ начинает проходить через регенератор 11, при этом он нагревается в пределе до температуры горячей части В и его давление повышается. При достижении регенератором 11 крайнего верхнего положения и вытеснении газа в нижнею горячую часть полости В его давление достигает максимума, при этом клапан термокомпрессора 14 открывается и часть сжатого газа поступает потребителю. К концу процесса перемещения системы поршень - регенератор - плунжер в верхнее положение давление в полости Х двигателя понижается, а давление в другом канале рубашки охлаждения 15 термокомпрессора за счет подвода тепла увеличивается, что приводит к открытию впускного клапана 6 двигателя и система поршень - регенератор - плунжер начинает двигаться вниз, при этом жидкость из С-полости насоса вытесняется в соответствующий канал рубашки охлаждения 15 термокомпрессора, а в D-полость насоса начинает поступать новая порция криогенной жидкости. Регенератор 11 начинает перемещаться вниз, вытесняя газ из горячей части В полости термокомпрессора в холодную его часть А, при этом давление газа в термокомпрессоре падает и открывается впускной клапан 9 подачи газа из ресивера 8. При достижении системой поршень - регенератор - плунжер нижнего положения процесс повторяется.

Использование заявляемого изобретения позволит осуществить охлаждение термокомпрессора и отвод тепла цикла двигателя за счет использования холода, запасенного в криогенной жидкости; подводить тепло не только от специального источника тепла, но и использовать тепло окружающей среды; исключить потребление механической (электрической) энергии на привод термокомпрессора; увеличить степень повышения давления в термокомпрессоре и его производительность.

Термокомпрессор предназначен для использования в области химической промышленности, при заправке газовых баллонов, в бортовых энергетических установках, например на борту космического аппарата для газификации из сжиженного состояния, компримирования и перекачки газов и их смесей. Термокомпрессор состоит из трех основных узлов: самого термокомпрессора, нагнетающего насоса и поршневого двигателя. Собственно термокомпрессор представляет собой закрытый цилиндр, в котором размещается подвижный регенератор. Цилиндр термокомпрессора имеет впускной и выпускной клапаны. Один конец цилиндра является горячей зоной, противоположный - холодной зоной. Подвижный регенератор термокомпрессора соединен штоком с поршнем двигателя и приводится от него в движение, поочередно перемещаясь из горячей в холодную зоны. Двигатель содержит цилиндр, поршень, впускные и выпускные клапаны. Поршень двигателя соединен через шток с регенератором и приводит его в движение. Впускной клапан термокомпрессора соединен трубопроводом через ресивер с выпускными клапанами двигателя. Нагнетающий насос содержит цилиндр, поршень, впускные и выпускные клапаны. Поршень насоса соединен через шток с регенератором и вместе с ним приводится в движение от двигателя. Каждый впускной клапан насоса соединен с соответствующим каналом охлаждающей рубашки термокомпрессора. Рубашка охлаждения термокомпрессора имеет два канала, каждый из которых соединяется выходом с впускным клапаном одной из полостей двигателя. Выпускные клапаны поршневого двигателя соединяются магистралью с ресивером, который соединен трубопроводом с впускным клапаном термокомпрессора. Позволяет осуществить охлаждение термокомпрессора и отвод тепла цикла двигателя за счет холода, запасенного в криогенной жидкости, использовать тепло окружающей среды, увеличивается производительность. 1 ил.

Термокомпрессор, содержащий цилиндр, внутри которого находится подвижный регенератор, соединенный через шток с приводом и делящий внутреннюю полость цилиндра на холодную и горячую части, впускной и выпускной клапаны, рубашку охлаждения, установленную на холодную часть термокомпрессора, отличающийся тем, что привод выполнен в виде цилиндра, имеющего впускные и выпускные клапаны, и снабжен поршнем, который соединен через шток со стороны горячей части термокомпрессора с регенератором, причем выпускные клапаны связаны магистралью с термокомпрессором через рессивер, а впускные клапаны цилиндра привода связаны магистралью с рубашкой охлаждения, со стороны холодной части термокомпрессора расположен цилиндр, имеющий впускные и выпускные клапаны, снабженный поршнем, который соединен через шток с регенератором, выпускные клапаны связаны с рубашкой охлаждения, а сама рубашка охлаждения через магистрали — с впускными клапанами привода, впускные клапаны соединены с емкостью, а рубашка охлаждения выполнена в виде цилиндрического стакана с внутренними проточками, при этом проточки и поверхность холодной части термокомпрессора образуют каналы охлаждения.