ТЕПЛОВОЙ КОМПРЕССОР Российский патент 2004 года по МПК F04B19/24 

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

Известен компрессор [1], 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 известного аналога 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 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;

- наличие большого мертвого объема из-за необходимости недопущения ударов вытеснителя об торцевые стенки цилиндрического корпуса, которые могут привести к поломке компрессора;

- большая масса вытеснителя со 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.

Прототипом предлагаемого устройства является тепловой компрессор [2], содержащий установленный в полости цилиндра с возможностью осевого перемещения вытеснитель с каналами и регенератором, разделяющим полость цилиндра на холодную и горячую полости, теплоизолированный теплообменник теплоносителя и теплообменник хладагента, расположенные на торцах цилиндра, впускной и выпускной клапаны, расположенные на внешней магистрали, подсоединенной через теплообменник хладагента к холодной полости цилиндра в его торце, электропривод, смещенный в сторону холодной полости, статор которого расположен на внешней стороне цилиндра, а ротор - на корпусе вытеснителя, ребристый теплообменник, расположенный на внешней стороне цилиндра между статором и теплообменником теплоносителя, вытеснитель закрыт торцевыми профильными заглушками, в кольцеобразных торцевых осевых выточках которых установлены пружины прямоугольного сечения, которыми вытеснитель подпружинен от торцевых внутренних стенок цилиндра, внутренние приторцевые участки которого и приторцевые внешние участки вытеснителя содержат резьбу (оребрения) с образованием зазоров (резьба в зазорах выполнена для повышения коэффициента теплопередачи).

Недостатком прототипа является то, что находящая в горячей полости пружина сжатия работает в экстремальных (предельных) условиях и обладает низкой надежностью, в результате чего снижается надежность всего теплового компрессора. Кроме того, при периодической работе пружин выделяется небольшое количество тепла, которое неблагоприятно сказывается на работе теплового компрессора, особенно в его холодной полости.

Указанный недостаток ставит задачу повышения надежности и эффективности теплоиспользующего компрессора.

Эта задача достигается тем, что в тепловом компрессоре, содержащем установленный в полости цилиндра с возможностью осевого перемещения подпружиненный вытеснитель с каналами и регенератором, разделяющим полость цилиндра на холодную и горячую полости, теплоизолированный теплообменник теплоносителя и теплообменник хладагента, расположенные на торцах цилиндра, впускной и выпускной клапаны, расположенные на внешней магистрали, подсоединенной к холодной полости цилиндра в его торце, электропривод, смещенный в сторону холодной полости, статор которого расположен на внешней стороне цилиндра, а ротор - на корпусе вытеснителя, ребристый теплообменник, расположенный на внешней стороне цилиндра между статором и теплообменником теплоносителя, вытеснитель закрыт плоскими торцевыми заглушками, внутренние приторцевые участки цилиндра и приторцевые внешние участки вытеснителя содержат резьбу (оребрения) с образованием зазоров, вытеснитель динамически подпружинен поршнем двустороннего действия внешнего пневмоцилиндра, жестко закрепленного на торце холодной полости цилиндра теплового компрессора, вытеснитель с поршнем двухстороннего действия пневмоцилиндра жестко связаны (по продольным перемещениям) между собой цилиндрическим уплотненным штоком.

Динамическое “подпружинивание” вытеснителя поршнем двустороннего действия внешнего пневмоцилиндра, жестко закрепленного на торце холодной полости цилиндра теплового компрессора, необходимо для исключения пружин из горячей и холодной полостей теплового компрессора. Исключение пружин из полостей теплового компрессора повышает надежность и улучшает условия работы и эффективность процесса амортизации (то есть “пневматических пружин”, которые обладают большей надежностью и эффективностью).

Расположение пневмоцилиндра снаружи холодной полости теплового компрессора позволяет отвести тепло, выделяемое от пневмоцилиндра при его работе непосредственно в окружающую среду, что улучшает условия работы и эффективность теплового компрессора.

Жесткая связь вытеснителя с поршнем двухстороннего действия пневмоцилиндра при помощи цилиндрического уплотненного штока (по продольным перемещениям) необходима для жесткой кинематической связи вытеснителя и поршня двухстороннего действия пневмоцилиндра, которая обеспечивает динамическое “подпружинивание” вытеснителя и его автоколебательное движение - следовательно, обеспечивает минимальные расходы энергии на перемещение вытеснителя и преодоление им сил трения и гидравлического сопротивления. Уплотнение цилиндрического штока и поршня может быть выполнено частично динамическим и не требует высоких требований к уплотнению в виду периодического изменения давления на одинаковую величину в ту или иную сторону. Полости герметичного пневмоцилиндра по зазорам связаны по перекачиваемому газу, а это снижает силы трения на перемещение связанных между собой: поршня двухстороннего действия, уплотненного цилиндрического штока и вытеснителя и позволяет повысить надежность работы всего теплового компрессора.

Выполнение теплового компрессора в совокупности с вышеизложенными признаками (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 теплового компрессора.

Тепловой компрессор содержит цилиндр 1, вытеснитель 2 с регенератором 3 и радиально наклоненными отверстиями 4 и 5, соответственно направленными в стороны холодной полости 6 и горячей полости 7, для рабочего тела, которым служит перекачиваемый газ. 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 - теплообменником 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 плоские торцевые заглушки 16 и 17. На внешних приторцевых участках вытеснителя 2, выполненных меньшим радиусом, чем его средняя часть, находятся резьбовые участки 18, а на внутренней поверхности приторцевых участков цилиндра 1 - резьбовые участки 19 с образованием кольцевых зазоров 20, расположенных 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 (теплообменник) 21. Вытеснитель 2 со стороны холодной полости 6 своей заглушкой 16 жестко связан по продольному перемещению с одним концом цилиндрического (уплотненного) штока 22, который другим своим концом связан с поршнем двустороннего действия 23 внешнего пневмоцилиндра 24. Пневмоцилиндр 24 жестко установлен на торце холодной полости 6 цилиндра 1 при помощи втулки 25 с внутренним уплотнением для цилиндрического штока 22. Поршень двухстороннего действия 23 имеет уплотнение, выполненное, например, в виде поршневых колец. Втулка 25 может проходить сквозь теплообменник хладагента 10, аналогично газовой магистрали 13.

Работает предложенный тепловой компрессор следующим образом.

В установившемся режиме вытеснитель 2 движется возвратно-поступательно по цилиндру 1 под действием усилий поршня двухстороннего действия 23, установленного во внешнем пневмоцилиндре 24 и жестко связанного по продольному перемещению с вытеснителем 2 теплового компрессора. То есть вытеснитель 2 совершает автоколебательное движение, поддерживаемое 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 20 (горячей полости), отверстия 5, регенератор 3, сообщая ему недостающее тепло недорекуперации, охлаждается и, проходя через отверстия 4 и зазор 20 (холодной полости), 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 20 (холодной полости), отверстия 4, регенератор 3, нагревается в нем и, проходя через отверстия 5 и зазор 20 (горячей полости), дополнительно подогреваясь, попадает в горячую полость 7. По мере нагрева газа давление во всем объеме цилиндра 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 21 предотвращает чрезмерный нагрев стартера 9 теплом теплоносителя, поступающего теплопроводностью от теплообменника вдоль стенки корпуса 1.

Предлагаемое изобретение решает задачу повышения надежности и эффективности теплового компрессора, так как из его конструкции убраны внутренние (металлические) пружины сжатия (работающие особенно в горячей полости в экстремальных условиях) и заменены на “пневматические пружины” внешнего пневмоцилиндра. Поршень двухстороннего действия внешнего пневмоцилиндра обеспечивает вытеснителю автоколебательное движение, которое снижает к минимуму затраты на перемещение вытеснителя и преодоление им сил трения и гидравлического сопротивления. Исключение пружин из полостей теплового компрессора повышает надежность и улучшает условия работы и эффективность теплового компрессора. Тепло выделяется от пневмоцилиндра непосредственно в окружающую среду, что улучшает условия его работы. Уплотнение цилиндрического штока и поршня может быть выполнено частично динамическим и не требует высоких требований к уплотнению. Полости герметичного пневмоцилиндра по зазорам связаны по перекачиваемому газу, а это позволяет снизить силы трения на их перемещение и надежность работы всего теплового компрессора.

Источники информации

1. Авторское свидетельство СССР № 1605110, кл. F 25 В 9/00, 1990 г.

2. Патент России № 2183767, кл. F 04 В 19/24, F 25 В 9/00, опубл. 20.06.2002 г., бюл. № 17.

Компрессор предназначен для использования в различных областях техники для сжатия и перекачки газа. Содержит цилиндр, вытеснитель со встроенным генератором 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 расположенным на цилиндре статором. На внешних приторцевых участках вытеснителя находятся резьбовые участки, а на внутренней поверхности приторцевых участков цилиндра - резьбовые участки с образованием кольцевых зазоров. Цилиндр содержит теплообменник теплоносителя с теплоизоляцией, теплообменник хладагента, газовую магистраль с впускным и выпускным клапанами, ребристый теплообменник. Вытеснитель со стороны холодной полости плоской своей заглушкой жестко связан по продольному перемещению с одним концом цилиндрического уплотненного штока, который другим своим концом связан с поршнем двустороннего действия внешнего пневмоцилиндра. Пневмоцилиндр жестко установлен на торце холодной полости цилиндра при помощи втулки с внутренним уплотнением для цилиндрического штока. На поршне установлены поршневые кольца. Повышается надежность и эффективность. 1 ил.

Тепловой компрессор, содержащий установленный в полости цилиндра с возможностью осевого перемещения подпружиненный вытеснитель с каналами и регенератором, разделяющим полость цилиндра на холодную и горячую полости, теплоизолированный теплообменник теплоносителя и теплообменник хладагента, расположенные на торцах цилиндра, впускной и выпускной клапаны, расположенные на внешней магистрали, подсоединенной к холодной полости цилиндра в его торце, электропривод, смещенный в сторону холодной полости, статор которого расположен на внешней стороне цилиндра, а ротор - на корпусе вытеснителя, ребристый теплообменник, расположенный на внешней стороне цилиндра между статором и теплообменником теплоносителя, вытеснитель закрыт плоскими торцевыми заглушками, внутренние приторцевые участки цилиндра и приторцевые внешние участки вытеснителя содержат резьбу (оребрения) и между ними образованы зазоры, отличающийся тем, что вытеснитель динамически подпружинен поршнем двустороннего действия внешнего пневмоцилиндра, жестко закрепленного на торце холодной полости цилиндра теплового компрессора, при этом вытеснитель с поршнем двустороннего действия пневмоцилиндра жестко связаны цилиндрическим уплотненным штоком.