ТЕПЛОВОЙ КОМПРЕССОР Российский патент 2007 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 тепловой компрессор, 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 с плоскими торцевыми заглушками, внутренние приторцевые участки которого и приторцевые внешние участки вытеснителя содержат резьбу (оребрения) с образованием зазоров, причем вытеснитель динамически подпружинен поршнем двухстороннего действия внешнего пневмоцилиндра, жестко закрепленного на торце холодной полости цилиндра теплового компрессора, при этом вытеснитель с поршнем двухстороннего действия пневмоцилиндра жестко связан цилиндрическим уплотнительным штоком (RU 2230223 С1, 10.06.2004).

Недостатком известного аналога является сложность внешней конструкции динамического подпружинивания вытеснителя теплового компрессора. Наличие внешнего пневмоцилиндра предполагает его жесткую центровку относительно внутреннего вытеснителя, что снижает надежность теплового компрессора. Также наличие дополнительного уплотнения цилиндрического штока, связывающего вытеснитель и поршень двухстороннего действия, кроме повышения сложности конструкции и снижения ее надежности повышает сопротивление трения, что в целом снижает эффективность работы теплового компрессора. При практическом использовании известного аналога внешняя дополнительная конструкция цилиндра с поршнем двухстороннего действия может вызвать конструктивные трудности проектирования и сопряжения в одном узле - агрегате. Наличие поршневых колец на поршне двухстороннего действия предполагает их регулярную диагностику и замену, что снижает срок безрегламентной эксплуатации такого теплового компрессора.

Известен тепловой компрессор, 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 расположен 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) (RU 2183767 С1, 20.06.2002).

Недостатком известного теплового компрессора является использование в нем механических пружин, обладающих низкой надежностью и сравнительно низким ресурсом работы, при которой такие пружины постоянно выделяют тепло (нагреваются при работе), что приводит к снижению эффективности теплового компрессора в целом.

Указанный недостаток теплового компрессора ставит задачу упрощения его конструкции.

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, внутренние приторцевые участки цилиндра и приторцевые внешние участки вытеснителя содержат резьбовые участки (оребрения) с образованием зазоров, вытеснитель закрыт плоскими торцевыми заглушками с торцевыми осевыми выточками, в которых установлены пневматические пружины в виде плунжерных поршней с ответными плунжерными цилиндрами, которые установлены внутри холодной и горячей полостей на крышках цилиндра теплового компрессора, плунжерные цилиндры расположены в торцевых осевых заглушках вытеснителя, а ответные им плунжерные поршни установлены внутри холодной и горячей полостей на крышках цилиндра теплового компрессора.

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 направленные 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 холодной полости 6 теплообменником хладагента 10 и со стороны горячей полости 7 теплообменником теплоносителя 11, который теплоизолирован от окружающей среды слоем теплоизоляции 12. Через теплообменник хладагента 10 внутрь цилиндра 1 проходит газовая магистраль 13 с установленными на ней впускным 14 и выпускным 15 клапанами для перекачиваемого газа. На внешних приторцевых участках вытеснителя 2 находятся резьбовые (оребренные) участки 16, а на внутренней поверхности приторцевых участков цилиндра 1 - резьбовые участки 17 с образованием кольцевых зазоров 18. Цилиндр 1 между теплообменником 11 и статором 9 на своей внешней стороне содержит ребристый теплообменник 19. Вытеснитель 2 со стороны холодной 6 и горячей 7 полостей цилиндра 1 имеет соответственно торцевые заглушки 20 и 21, в которых по оси вытеснителя 2 установлены плунжерные цилиндры 22 и 23, открытые к торцевым стенкам теплового компрессора. Ответные плунжерным цилиндрам 22 и 23 плунжерные поршни 24 и 25 жестко установлены соответственно внутри холодной 6 и горячей 7 полостей на крышках цилиндра 1 теплового компрессора. Рабочим телом пневматических пружин является перекачиваемый тепловым компрессором газ.

Работает предложенный тепловой компрессор следующим образом: в установившемся режиме вытеснитель 2 движется возвратно-поступательно по цилиндру 1 под действием усилий плунжерных поршней 24 и 25, входящих в ответные плунжерные цилиндры 22 и 23. 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 горячей полости 7 горячий газ проходит по зазору 18 (горячей полости) отверстия 5, регенератор 3, сообщая ему недостающее тепло недорекуперации, охлаждается и, проходя через отверстия 4 и зазор 18 (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 18 (холодной полости) отверстия 4, регенератор 3, нагревается в нем и, проходя через отверстия 5 и зазор 18 (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 статора 9 теплом теплоносителя, поступающего теплопроводностью от теплообменника вдоль стенки корпуса 1 и от горячего газа, проходящего по зазору 18.

Плунжерные цилиндры (специально изготовленные с применением высоких технологий) «пневматических пружин» вытеснителя в его торцевых заглушках дополнительно охватываются материалом вытеснителя (его торцевых заглушек), что значительно повышает прочность их установки, позволяет уменьшить толщину и материалоемкость плунжерных цилиндров.

Устройство предназначено для использования в различных областях техники для сжатия и перекачивания газа. Тепловой компрессор 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. Пневматические пружины динамического "подпружинивания" вытеснителя выполнены в виде установленных в его торцевых заглушках плунжерных цилиндров, ответные плунжерные поршни которых жестко установлены внутри холодной и горячей полостей на крышках цилиндра теплового компрессора. Рабочим телом пневматических пружин является перекачиваемый тепловым компрессором газ. Упрощается конструкция и повышается ее надежность. 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, внутренние приторцевые участки цилиндра и приторцевые внешние участки вытеснителя содержат резьбовые участки (оребрения) с образованием зазоров, вытеснитель закрыт плоскими торцевыми заглушками с торцевыми осевыми выточками, в которых установлены пневматические пружины в виде плунжерных поршней с ответными плунжерными цилиндрами, которые установлены внутри холодной и горячей полостей на крышках цилиндра теплового компрессора, отличающийся тем, что плунжерные цилиндры расположены в торцевых осевых заглушках вытеснителя, а ответные им плунжерные поршни установлены внутри холодной и горячей полостей на крышках цилиндра теплового компрессора.