ТЕПЛОИСПОЛЬЗУЮЩИЙ ПНЕВМОПРИВОД Российский патент 2009 года по МПК F04B19/24 

Изобретение относится к пневмоприводам, преимущественно к компрессорам или насосам объемного вытеснения. При этом для сжатия и нагнетания газа используется энергия в виде теплоты.

Известен способ изменения давления газа в камере пневмопривода [1] - авторское свидетельство СССР №1368483, кл. F04В 19/24, 1986.

Недостатками устройства для реализации данного способа являются низкая надежность из-за неизбежного смешения перекачиваемого газа с легкоиспаряющейся жидкостью, а также из-за неопределенности положения поршня золотника в режиме переключения; сложность конструкции и наличие множества элементов, требующих постоянного переключения; необходимость фиксации золотникового распределителя от поворота вокруг своей оси; большие напряжения упругой диафрагмы компрессионной камеры из-за прямоугольных контуров камеры.

Известно устройство изменения давления газа в камере пневмопривода [2] - авторское свидетельство СССР №1767215, кл. F04В 19/24, 07.10.92. Бюл. №37.

Устройство [2] содержит корпус, который разделен диафрагмой на рабочую емкость, частично заполненную легкоиспаряющейся жидкостью, и компрессионную камеру для перекачивания газа с впускным и выпускным клапанами. Трубопровод соединяет нижнюю точку емкости с входом в насос. Выход насоса соединен двумя входными трубопроводами с цилиндрическим полым корпусом золотникового распределителя, с установленным внутри подпружиненным поршнем с каналом и приводной полостью. Корпус распределителя подсоединен к двум выходным трубопроводам, подсоединенным соответственно через нагреватель и охладитель к форсункам (коллектора) рабочей емкости. Приводная полость распределителя соединена магистралью с газовой полостью рабочей емкости. Корпус распределителя снабжен фиксатором крайних положений поршня, выполненным в виде подпружиненного шарика.

Недостатком известного устройства [2] являются большие потери тепла на периодический нагрев и охлаждения корпуса рабочей камеры и коллектора с форсунками для легкоиспаряющейся жидкости.

Задача повышения эффективности устройства изменения давления газа в камере пневмопривода, в частности снижения непроизводительных затрат тепла, решается в известном устройстве изменения давления газа в камере пневмопривода [3] - патент РФ №2267745, кл. F04В 19/24, 20.05.2006. Бюл. №14.

Устройство [3] содержит корпус, разделенный упругой диафрагмой на рабочую емкость, частично заполненную легкоиспаряющейся жидкостью, и компрессионную полусферическую камеру для перекачивания газа с впускным и выпускным клапанами, трубопровод, соединяющий нижнюю точку емкости с входом в насос, выход которого соединен трубопроводом с цилиндрическим полым корпусом золотникового распределителя с приводной полостью, соединенной магистралью с газовой полостью рабочей емкости, и с установленным внутри подпружиненным золотником, снабженным фиксатором крайних положений поршня, выполненным в виде подпружиненного шарика и двух ответных кольцевых проточек на золотнике, который содержит кольцеобразный распределительный канал, при этом выход корпуса золотникового распределителя подсоединен двумя выходными трубопроводами соответственно через нагреватель и охладитель к коллектору с форсунками рабочей емкости. При этом рабочая емкость изнутри покрыта слоем теплоизоляции, коллекторы с форсунками для нагретой и охлажденной легкоиспаряющейся жидкости выполнены раздельными, а полусферическая наружная поверхность компрессионной камеры снабжена конвективным воздушным охладителем.

Недостатком известного устройства [3] является его низкая эффективность, которая вызвана отсутствием регенерации тепла при организации термического (теплового) сжатия и расширения.

Задача повышения эффективности «Устройства изменения давления газа в камере пневмопривода» в целом и в частности обеспечением регенерации тепла при организации термического (теплового) сжатия и расширения реализована в устройстве-прототипе [4], которое представлено патентом РФ №2267746, кл. F04В 19/24, 20.05.2006. Бюл. №14.

Прототип [4] - «Устройство изменения давления газа в камере пневмопривода» или другими словами «Теплоиспользующий пневмопривод, содержащий корпус, разделенный упругой диафрагмой на рабочую емкость, частично заполненную легкоиспаряющейся жидкостью, и компрессионную полусферическую камеру для перекачивания газа с впускным и выпускным клапанами, нагреватель и охладитель своими входами соединены между собой через регенератор теплоты для легкоиспаряющейся жидкости, трубопровод, подключенный к нижней точки емкости и расположенный в верхней части рабочей емкости коллектор с форсунками, к которому подсоединен другой трубопровод, а также содержит аккумулирующую емкость, расположенную выше уровня рабочей емкости, термоклапан и золотниковый распределитель с системой трубопроводов.

Недостатками прототипа [4] являются, во-первых, сложность и низкая надежность его конструкции, особенно конструкция золотникового распределителя и, во-вторых, низкая частота переключения его режимов нагрева-охлаждения. Другими словами прототип обладает низкой цикличностью работы, в результате которой будет низкая производительность всего устройства. Кроме этого, его регенератор теплоты работает в узком диапазоне рабочих температур, что существенно снижает его эффективность.

Указанный недостаток ставит задачи упрощения конструкции устройства-прототипа и повышения его эффективности за счет повышения цикличности его работы, то есть работы устройства с повышенной частотой, а также за счет обеспечения работы регенератора теплоты в максимально широком диапазоне рабочих температур.

Указанные выше задачи достигаются тем, что упрощение конструкции устройства-прототипа достигается упрощением схемы движения легкоиспаряющейся жидкости по трубопроводам, исключением из его схемы золотникового распределителя (с его заменой на стандартный, выпускаемый промышленностью пневматический датчик). Также упрощение конструкции и повышение ее надежности достигается использованием реверсивного гидравлического насоса, переключения которого управляются от стандартного пневматического датчика по электрической линии связи. Движение легкоиспаряющейся жидкости по магистралям в предложенном устройстве организуется реверсивным гидравлическим насосом через систему четырех вспомогательных самодействующих обратных клапанов. При этом также достигается повышение эффективности функционирования теплообменных аппаратов устройства за счет повышения скорости протекания через них легкоиспаряющейся жидкости (и организации конвективного теплообмена в нагревателе, охладителе и регенераторе теплоты). Ввиду вышеизложенного появляется возможность снижения массогабаритных характеристик теплообменных аппаратов.

Таким образом, указанная задача решается тем, что в «Теплоиспользующем пневмоприводе», содержащем корпус, разделенный упругой диафрагмой на рабочую емкость, частично заполненную легкоиспаряющейся жидкостью, и компрессионную полусферическую камеру для перекачивания газа с впускным и выпускным клапанами, нагреватель и охладитель своими входами соединены между собой через регенератор теплоты для легкоиспаряющейся жидкости, трубопровод, подключенный к нижней точке емкости, и расположенный в верхней части рабочей емкости коллектор с форсунками, к которому подсоединен другой трубопровод, также теплоиспользующий пневмопривод снабжен реверсивным насосом, управляемым от датчика давления рабочей емкости, при этом насос соединен одной стороной непосредственно с выходом охладителя, трубопровод из нижней точки рабочей емкости переходит в два трубопровода с обратными самодействующими клапанами, один из которых подсоединен к другой стороне реверсивного насоса, а другой - к выходу нагревателя, данные места соединений подсоединены другими двумя трубопроводами с обратными самодействующими клапанами к трубопроводу в верхней части рабочей емкости.

Использование для легкоиспаряющейся жидкости реверсивного насоса, управляемого от датчика давления в рабочей емкости, необходимо для максимального повышения надежности работы устройства. Применение насоса повышает производительность устройства в целом за счет организации конвективного теплообмена в нагревателе и охладителе. Датчик давления может быть простой - контактного типа на высокое и низкое давление или может быть комбинированным, учитывающим также и время одного цикла (задаваемое), что необходимо при изменении температур в нагревателе и охладителе, а также при изменении производительности. При современном уровне развития техники и обширном ассортименте выпускаемых датчиков подбор необходимого датчика не представляет технической проблемы.

Введение трубопровода из нижней точки рабочей емкости переходит в два трубопровода с обратными самодействующими клапанами, один из которых подсоединен к другой стороне реверсивного насоса, а другой - к выходу нагревателя, данные места соединений подсоединены другими двумя трубопроводами с обратными самодействующими клапанами к трубопроводу в верхней части рабочей емкости, что необходимо для организации такого движения потоков легкоиспаряющейся жидкости, при котором возможна регенерация тепла с работой регенератора в диапазоне рабочих температур нагревателя и охладителя.

Применение четырех обратных самодействующих клапанов необходимо для автоматического переключения направлений потоков легкоиспаряющейся жидкости при изменении направления нагнетания реверсивного насоса.

Расположение реверсивного насоса, соединенного одной стороной непосредственно с выходом охладителя, необходимо для работы реверсивного насоса только с холодной легкоиспаряющейся жидкостью, что дополнительно повысит надежность всего устройства.

Выполнение «Теплоиспользующего пневмопривода» в совокупности с вышеизложенными признаками (признаками формулы изобретения) является новым для данных устройств (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 устройств изменения давления газа в камере пневмопривода (теплоиспользующих компрессоров) и их вспомогательного оборудования, что доказывает соответствие критерию «изобретательский уровень».

Конструктивная реализация «Теплоиспользующего пневмопривода» с указанной совокупностью существенных признаков не представляет никаких конструктивно-технических и технологических трудностей, откуда следует соответствие критерию «промышленная применимость».

На чертеже изображена схема «Теплоиспользующего пневмопривода».

Устройство (по чертежу) содержит корпус 1, разделенный упругой диафрагмой 2 на рабочую емкость 3, частично заполненную легкоиспаряющейся жидкостью 4, и полусферическую компрессионную камеру 5, содержащую впускной 6 и выпускной 7 клапаны. Нижняя точка рабочей емкости 3 соединена с трубопроводом 8, который переходит в два трубопровода 9 и 10 с обратными самодействующими клапанами (соответственно) 11 и 12, один из которых 11 подсоединен к одной стороне реверсивного насоса 13, а другой 12 - к выходу нагревателя 14. Реверсивный насос 13 соединен другой своей стороной непосредственно с охладителем 15. Нагреватель 14 и охладитель 15 соединены между собой (своими входами) через регенератор теплоты 16 для легкоиспаряющейся жидкости 4. Реверсивный насос 13 выполнен управляемым (по переключению направления его нагнетания в ту или иную сторону) линией 17 (например, электрической) от датчика давления 18, соединенного с газовой полостью рабочей емкости 3. Место подключения (например, в виде трубопроводного тройника) самодействующего обратного клапана 11 и реверсивного насоса 13 соединено трубопроводом 19 через самодействующий обратный клапан 20 и трубопровод 21 к коллектору 22 с форсунками для легкоиспаряющейся жидкости 4, который расположен в верхней части рабочей емкости 2. Место подключения (например, в виде трубопроводного тройника) самодействующего обратного клапана 12 и нагревателя 14 также соединено трубопроводом 23 через самодействующий обратный клапан 24 и трубопровод 21 с коллектором 22 с форсунками для легкоиспаряющейся жидкости 4.

Работает теплоиспользующий пневмопривод следующим образом.

Сначала включается реверсивный насос 13, который всасывает легкоиспаряющуюся жидкость 4 через трубопроводы 8, 9 и самодействующий обратный клапан 11 из рабочей емкости 3 и нагнетает ее через охладитель 15, регенератор 16 и нагреватель 14 по трубопроводу 23 через самодействующий обратный клапан 24 и трубопровод 21 к коллектору 22 с форсунками для легкоиспаряющейся жидкости 4, который расположен в верхней части рабочей емкости 2. В то же время под действием своих пружин и противодавлением, создаваемым реверсивным насосом 13, самодействующие обратные клапаны 12 и 20 закрыты и не пропускают через себя жидкость 4. При этом жидкость 4 в охладителе 15 охлаждается и поступает в регенератор 16, равномерно (по длине регенератора) охлаждая его насадку, а сама при этом нагревается. Далее подогретая в регенераторе 16 жидкость 4 поступает в нагреватель 14, в котором она окончательно нагревается (частично испаряясь), и поступает по трубопроводу 23, через самодействующий обратный клапан 24 и по трубопроводу 21 в коллектор 23 и через его форсунки в полость емкости 3. Температура парожидкостной фазы в рабочей полости емкости 3 растет и повышается давление, при действии которого деформируется упругая диафрагма 2, которая сжимает газ в компрессионной камере 5, образованной корпусом 1, и нагнетает сжатый газ потребителю через выпускной клапан 7.

После окончательного поднятия давления в рабочей емкости 3 и нагнетания перекачиваемого газа потребителю срабатывает датчик 18, который по линии 17 передает сигнал на реверсивный насос 13, и он начинает перекачивать жидкость 4 через себя в обратную сторону. При этом под действием своих пружин и противодавлением, создаваемым реверсивным насосом 13 (перекачивающим жидкость 4 в обратную сторону), самодействующие обратные клапаны 11 и 24 закрыты и не пропускают через себя жидкость 4, а самодействующие обратные клапаны 12 и 20 открыты (под действием давления, создаваемого реверсивным насосом 13). Реверсивный насос 13 всасывает легкоиспаряющуюся жидкость 4 из рабочей емкости 3 через трубопроводы 8, 10, самодействующий обратный клапан 12, нагреватель 14, регенератор 16 и охладитель 15 и нагнетает ее по трубопроводу 19 через самодействующий обратный клапан 20 и трубопровод 21 к коллектору 22 с форсунками жидкости 4. При этом (теплая из рабочей емкости 3) жидкость 4 в нагревателе 14 нагревается (дополнительно) и поступает в регенератор 16, равномерно (по длине регенератора) нагревая его насадку, и сама при этом охлаждается. Далее, подохлажденная в регенераторе 16 жидкость 4 поступает в охладитель 15, в котором она окончательно охлаждается и поступает по трубопроводу 19, через самодействующий обратный клапан 20 и по трубопроводу 21 в коллектор 23 и через его форсунки в полость емкости 3. В результате чего температура и давление в емкости 3 падают, и упругая диафрагма 2 вытягивается внутрь емкости 3, - происходит процесс всасывания перекачиваемого газа в компрессионную камеру 5 через впускной клапан 6.

По окончании процесса всасывания, когда давление в емкости 3 понизилось до определенного значения, под действием датчика 18 переключается реверсивный насос 13, и весь процесс повторяется.

Предложенное изобретение решает задачу повышения эффективности устройства за счет упрощенной схемы регенерации теплоты легкоиспаряющейся жидкости, в полном диапазоне рабочих температур нагревателя и охладителя. Применение насоса повышает производительность устройства за счет организации конвективного теплообмена в нагревателе, охладителе и регенераторе. Для максимального повышения надежности работы устройства в нем применен реверсивный насос для легкоиспаряющейся жидкости. Надежность также повышается путем исключения из устройства самодействующего золотникового переключателя потоков легкоиспаряющейся жидкости. Применяемый в устройстве датчик давления (при современном уровне развития техники и обширном ассортименте выпускаемых датчиков) обладает надежностью не ниже надежности всего устройства. Для организации такого движения потоков легкоиспаряющейся жидкости, при котором возможна регенерация тепла с работой регенератора в диапазоне рабочих температур нагревателя и охладителя, применены трубопроводы с надежными четырьмя обратными самодействующими клапанами, которые выпускаются промышленностью.

Применение в качестве легкоиспаряющейся жидкости вещества с температурой конденсации, близкой к температуре окружающей среды, и с температурой кипения на несколько десятков градусов выше нуля по Цельсию (например, некоторые фреоны) позволяет использовать устройство как вторичный источник энергии (сжатого газа) при использовании бросового тепла, солнечного излучения, энергии термальных вод и других экологически чистых источников энергии.

Источники информации

1. А.с. СССР №1368483, кл. F04В 19/24, 1986.

2. А.с. СССР №1767215, кл. F04В 19/24, 07.10.92. Бюл. №37.

3. Патент РФ №2267745, кл. F04В 19/24, 20.05.2006. Бюл. №14.

4. Патент РФ №2267746, кл. F04В 19/24, 20.05.2006. Бюл. №14 - прототип.

Пневмопривод относится к компрессорам объемного вытеснения с теплоиспользующим приводом. Пневмопривод содержит корпус 1, разделенный упругой диафрагмой 2 на рабочую емкость 3, частично заполненную легкоиспаряющейся жидкостью 4, и полусферическую компрессионную камеру 5, содержащую впускной 6 и выпускной 7 клапаны. Нижняя точка рабочей емкости 3 соединена с трубопроводами 8, 9 и 10 с обратными самодействующими клапанами 11 и 12, один из которых 11 подсоединен к одной стороне реверсивного насоса 13, а другой 12 - к выходу нагревателя 14. Реверсивный насос 13 соединен другой своей стороной с охладителем 15. Нагреватель 14 и охладитель 15 соединены между собой через регенератор теплоты 16. Реверсивный насос 13 выполнен управляемым линией 17 от датчика давления 18 рабочей емкости 3. Место подключения обратного клапана 11 и реверсивного насоса 13 соединено трубопроводом 19 через обратный клапан 20 и трубопровод 21 к коллектору 22 с форсунками для жидкости 4, который расположен в верхней части рабочей емкости 2. Место подключения обратного клапана 12 и нагревателя 14 также соединено трубопроводом 23 через обратный клапан 24 и трубопровод 21 с коллектором 22 с форсунками для жидкости 4. Технический результат - упрощение конструкции, повышение производительности, улучшение условий регенерации теплоты. 1 ил.

Теплоиспользующий пневмопривод, содержащий корпус, разделенный упругой диафрагмой на рабочую емкость, частично заполненную легкоиспаряющейся жидкостью, и компрессионную полусферическую камеру для перекачивания газа с впускным и выпускным клапанами, нагреватель и охладитель своими входами соединены между собой через регенератор теплоты для легкоиспаряющейся жидкости, трубопровод, соединяющий нижнюю точку емкости с входом в насос, выход которого соединен трубопроводами соответственно через регенератор и нагреватель или регенератор и охладитель к коллектору с форсунками рабочей емкости, отличающийся тем, что насос выполнен реверсивным и управляемый от датчика давления рабочей полости, реверсивный насос соединен одной стороной непосредственно с выходом охладителя, трубопровод из нижней точки рабочей емкости переходит в два трубопровода с обратными самодействующими клапанами, один из которых подсоединен к другой стороне реверсивного насоса, а другой - к выходу нагревателя, данные места соединений подсоединены другими двумя трубопроводами с обратными самодействующими клапанами к коллектору с форсунками рабочей емкости.