УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕКУПЕРАЦИИ ГИДРАВЛИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ Российский патент 2013 года по МПК F15B21/14 F15B1/08 

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано для рекуперации гидравлической энергии с повышенной эффективностью и безопасностью в мобильных приложениях, таких как дорожно-строительные машины, подъемно-транспортное оборудование, а также гидравлические гибридные грузовые и легковые автомобили.

Уровень техники

Известны устройства для рекуперации гидравлической энергии в виде гидропневматических аккумуляторов (далее - аккумуляторов), корпус которых содержит газовый резервуар переменного объема, заполняемый сжатым газом через газовый порт, а также жидкостный резервуар переменного объема, заполняемый жидкостью через жидкостный порт, причем указанные газовый и жидкостный резервуары отделены друг от друга разделителем, подвижным относительно корпуса.

Для рекуперации гидравлической энергии применяют аккумуляторы как с твердым разделителем в виде поршня, так и с эластичными разделителями, например, в виде эластичных полимерных мембран или баллонов [1], а также в виде металлических сильфонов [2].

Перед эксплуатацией газовый резервуар аккумулятора заряжают через газовый порт сжатым газом, как правило, азотом, до начального давления от единиц до десятков МПа.

При передаче энергии от гидросистемы в аккумулятор (например, при торможении гидравлического гибридного автомобиля) происходит нагнетание рабочей жидкости из гидросистемы в аккумулятор и сжатие в нем рабочего газа, давление и температура которого при этом повышаются. При возврате энергии от аккумулятора в гидросистему (например, при ускорении гидравлического гибридного автомобиля) происходит расширение сжатого рабочего газа и вытеснение рабочей жидкости в гидросистему.

Как правило, аккумулятор содержит один газовый и один жидкостный резервуар, с равными давлениями газа и жидкости в них. Чем больше гидравлическая энергия, передаваемая аккумулятору, тем больше степень сжатия газа в нем. Для поддержания требуемой рекуперируемой мощности приходится компенсировать рост давления снижением производительности гидромашины (насоса или мотора), гидравлически связанной с аккумулятором. При снижении производительности эффективность гидромашины падает, а значит, падает и эффективность рекуперации в целом, что является недостатком таких устройств.

Увеличение объема аккумулятора или увеличение количества аккумуляторов для уменьшения степени сжатия газа удорожает систему, а также утяжеляет ее, что критично для мобильных приложений.

Для уменьшения степени сжатия газа и, вместе с тем, увеличения максимально возможной рекуперируемой энергии, применяется широко известное устройство [1]. Устройство включает гидропневматический аккумулятор, в корпусе которого выполнен жидкостный порт, сообщающийся с жидкостным резервуаром аккумулятора, отделенным подвижным разделителем от газового резервуара аккумулятора, который через газовый порт сообщается, по меньшей мере, с одним, газовым ресивером.

При нагнетании рабочей жидкости из гидросистемы в жидкостный резервуар аккумулятора разделитель перемещается и вытесняет газ из аккумулятора в ресивер со сжатием газа в ресивере и аккумуляторе. Работа по нагнетанию жидкости в аккумулятор преобразуется во внутреннюю энергию сжатого газа, давление и температура которого при этом повышаются. При возврате энергии от устройства в гидросистему происходит расширение сжатого рабочего газа с частичным вытеснением его из ресивера в газовый резервуар аккумулятора, перемещение разделителя с уменьшением объема жидкостного резервуара аккумулятора и вытеснением рабочей жидкости из него через жидкостный порт в гидросистему. Внутренняя энергия сжатого газа преобразуется в работу по вытеснению жидкости, т.е. устройство возвращает в гидросистему полученную от нее гидравлическую энергию, давление и температура газа при этом понижаются.

Добавление в систему ресивера, более легкого и дешевого, чем аккумулятор, позволяет увеличить количество рекуперируемой энергии за счет более полного использования объема аккумулятора и уменьшить степень сжатия газа и, соответственно, диапазон изменения производительности работающих в составе системы гидромашин, что повышает эффективность рекуперации.

Недостатком таких устройств, применяемых для рекуперации гидравлической энергии, является высокий уровень тепловых потерь, обусловленный тем, что при сжатии и расширении газ в ресивере обменивается теплом только с внутренними стенками ресивера, расстояние между которыми для типичных объемов ресиверов (единицы и десятки литров) слишком велико (десятки и сотни мм), а теплопроводность газа мала.

При таких расстояниях теплообмен газа со стенками ресивера за счет теплопроводности газа незначителен. Поэтому процессы сжатия и расширения газа существенно неизотермичны и в ресивере возникают значительные температурные градиенты, достигающие десятков и даже сотен градусов. Большие перепады температуры в большом объеме ресивера порождают конвективные потоки, многократно (в десятки и сотни раз) увеличивающие теплопередачу на его стенки. Поэтому нагретый при сжатии газ в ресивере и, частично, в аккумуляторе, остывает, что приводит к снижению его давления и потерям запасенной энергии, увеличивающимся при хранении запасенной энергии (например, при остановке гидравлического гибридного автомобиля). Неравновесные процессы теплопередачи при больших перепадах температур необратимы, т.е. большая часть тепла, отданного от сжатого газа стенкам ресивера, не может быть возвращена газу при расширении. Поэтому при расширении газа в гидросистему возвращается существенно меньшее количество гидравлической энергии, чем было получено при его сжатии.

Известно устройство для рекуперации гидравлической энергии [3], включающее ресивер, выполненный в виде совокупности ячеек, сообщающихся с газовым портом аккумулятора, причем отношение объема ресивера к площади внутренних поверхностей ячеек не превышает 10 мм. Благодаря такой конструкции ресивера, при сжатии или расширении газа в ресивере теплообмен между газом и стенками ячеек происходит на уменьшенных расстояниях, а значит, и с меньшими перепадами температур, что повышает обратимость процессов теплообмена и эффективность рекуперации. Еще лучшая эффективность рекуперации достигается улучшением теплообмена и в аккумуляторе, а именно, тем, что аккумулятор включает сжимаемый регенератор в газовом резервуаре, выполненный с возможностью уменьшать расстояние между теплообменными поверхностями при уменьшении объема газового резервуара и увеличивать при его увеличении. В поршневом аккумуляторе регенератор выполняется из металлических листовых элементов, расположенных поперечно направлению движения поршня, кинематически связанных с ним и разделяющих газовый резервуар на сообщающиеся газовые слои переменной толщины [3, 4]. В мембранном или баллонном аккумуляторе регенератор может быть выполнен в виде гибкого пористого наполнителя из вспененного эластомера [5].

Недостатком данного устройства, а также и всех вышеприведенных является то, что газовый резервуар аккумулятора всегда находится под высоким давлением, даже когда устройство не функционирует (например, во время стоянки гибридного автомобиля). За счет проницаемости мембраны или баллона в случае аккумулятора с эластичным разделителем или за счет утечек между поршнем и корпусом в случае поршневого аккумулятора газ проникает в масло, растворяясь в нем. Это ведет к потере газа в устройстве и к повышенной кавитации в гидросистеме, разрушающей последнюю. Чем выше давление газа в газовом резервуаре аккумулятора, тем выше скорость проникновения газа в масло.

Сущность изобретения

Задачей настоящего изобретения является создание технологичного и недорогого в производстве устройства для рекуперации гидравлической энергии с уменьшенными тепловыми потерями и повышенной эффективностью рекуперации гидравлической энергии, а также с возможностью снижения потерь газа в выключенном устройстве.

Дополнительной задачей является повышение ремонтопригодности устройства.

Решение поставленной задачи достигается тем, что предложено устройство рекуперации гидравлической энергии, включающее по меньшей мере один гидропневматический аккумулятор (далее аккумулятор), в корпусе которого выполнен жидкостный порт, сообщающийся с жидкостным резервуаром аккумулятора, отделенным подвижным разделителем от газового резервуара аккумулятора, который через газовый порт сообщается по меньшей мере с одним газовым ресивером (далее ресивер), причем в ресивере выполнен регенерирующий теплообменник предпочтительно в виде металлической пористой структуры с суммарной площадью теплообменных поверхностей регенерирующего теплообменника, приведенной к суммарному внутреннему объему ресивера, превышающей 2000 см²/литр, предпочтительно, превышающей 10000 см²/литр, и суммарной теплоемкостью, приведенной к суммарному внутреннему объему газового ресивера, превышающей 40 Дж/К/литр, а газовый резервуар аккумулятора сообщается с газовым портом по меньшей мере одного ресивера через газовый канал, снабженный управляемым клапаном, выполненным с возможностью запирания и отпирания этого газового канала.

Таким образом, при сжатии или расширении газа в ресивере теплообмен между газом и регенерирующим теплообменником происходит на малых средних расстояниях между газом и теплообменными поверхностями и большой площади теплообмена, а значит, и с меньшими перепадами температур, что повышает обратимость процессов теплообмена и эффективность рекуперации. Для достижения малости среднего расстояния между газом и теплообменными поверхностями, необходимой для эффективного теплообмена, регенерирующий теплообменник предпочтительно выполнен со средним размером пор, не превышающим 5 мм (здесь и далее размер поры в каждом конкретном месте поры понимается как диаметр сферы, которая может быть помещена в этом месте поры, а средний размер пор - это указанная величина, усредненная по всему объему регенерирующего теплообменника). Для уменьшения газодинамического сопротивления регенерирующий теплообменник предпочтительно выполнен со средним размером пор не менее 0,05 мм. При указанной доле объема ресивера, занимаемой материалом регенерирующего теплообменника, теплоемкость последнего превосходит теплоемкость газа в ресивере. Так, например, удельная теплоемкость регенерирующего теплообменника, выполненного из стали, будет составлять от 40 до 2000 Дж/К/литр, а теплоемкость газа (азота) при рабочих давлениях 10-300 бар (и температуре порядка 300 К) составляет от 12 до 360 Дж/К/литр. Чем больше рабочие давления газа, тем с большей теплоемкостью выполняется регенерирующий теплообменник, т.е. тем большую долю объема ресивера занимает материал его пористой структуры, равномерно распределенной по объему ресивера. Таким образом, обеспечивается малость среднего изменения температуры и малые потери при длительном хранении. Кроме того, пористая структура регенерирующего теплообменника препятствует конвекции в ресивере, что дополнительно снижает тепловые потери в устройстве.

Металлический (например, стальной или алюминиевый) регенерирующий теплообменник может быть выполнен из готовых металлических изделий, например, подлежащих утилизации, или из отходов металлообрабатывающего производства.

В предпочтительном по себестоимости варианте исполнения устройства регенерирующий теплообменник сформирован из металлической токарной стружки или металлической стружки, полученной в результате иного процесса машинной обработки металла (сверления, фрезерования и пр.). Для повышения теплоемкости и вибростойкости указанная металлическая токарная или иная стружка внутри ресивера может быть дополнительно спрессована.

В других исполнениях регенерирующий теплообменник может быть сформирован из металлических волокон или пенометалла.

Для предотвращения возможного проникновения частиц или иных фрагментов регенерирующего теплообменника из газового ресивера через его газовый порт последний снабжен запирающим элементом. Для снижения газодинамического сопротивления осевая длина запирающего элемента превышает 20% от осевой длины ресивера.

Еще большее снижение тепловых потерь достигается улучшением теплообмена и в аккумуляторе, а именно, тем, что аккумулятор включает сжимаемый регенератор в газовом резервуаре, выполненный с возможностью уменьшать расстояние между теплообменными поверхностями при уменьшении объема газового резервуара и увеличивать при его увеличении. При максимальном объеме газового резервуара аккумулятора среднее расстояние между соседними теплообменными поверхностями регенератора не превышает 10 мм, предпочтительно, не превышает 2 мм. В поршневом аккумуляторе регенератор может быть выполнен из упругих металлических листовых элементов (плоских или отформованных в виде тарельчатых пружин), расположенных поперечно направлению движения поршня, разделяющих газовый резервуар на сообщающиеся газовые слои, толщина которых изменяется при перемещении разделителя за счет деформации этих металлических листовых элементов. В мембранном или баллонном аккумуляторе регенератор может быть выполнен в виде гибкого пористого наполнителя из вспененного эластомера с открытыми порами, например, пенополиуретана. В последнем случае газовый порт аккумулятора снабжен фильтрующим элементом, препятствующим вытеснению эластомера из газового резервуара аккумулятора.

Таким образом, при сжатии или расширении газа в аккумуляторе теплообмен между газом и поверхностями регенератора происходит на уменьшенных расстояниях, а значит, и с меньшими перепадами температур, что повышает обратимость процессов теплообмена и эффективность рекуперации.

В исполнениях устройства с баллонным аккумулятором предпочтительно располагать жидкостный резервуар аккумулятора внутри баллонного разделителя (далее - баллон). При этом газовый резервуар аккумулятора находится между корпусом аккумулятора и баллоном. Данное расположение резервуаров позволяет увеличить площадь теплообмена и уменьшить среднее расстояние до теплообменных поверхностей, повысив тем самым изотермичность (а значит и обратимость) процессов сжатия/расширения газа в газовом резервуаре за счет контакта газа с корпусом аккумулятора, имеющим существенно большую теплоемкость, чем суммарная теплоемкость газа при максимальном рабочем давлении. Кроме того, такое исполнение позволяет обеспечить большую степень вытеснения газа из аккумулятора в ресивер. Для предотвращения повреждений баллона при полном вытеснении жидкости из жидкостного резервуара, внутри баллона расположен опорный элемент, размеры и форма которого выбраны так, чтобы при облегании баллоном опорного элемента объем внутри баллона был в пределах от 3% до 30% от объема аккумулятора. Для предотвращения удара баллона об опорный элемент при быстром вытеснении жидкости жидкостный порт аккумулятора снабжен предохранительным клапаном, запирающим жидкостный порт при нажатии баллоном на опорный элемент.

Снижение потерь газа в выключенном устройстве достигается снижением давления газа в газовом резервуаре аккумулятора выключенного устройства. Последнее обеспечивается вытеснением большей части газа из газового резервуара аккумулятора в ресивер с последующим отключением аккумулятора от ресивера посредством управляемого клапана, выполненного с возможностью запирания и отпирания газового канала между газовым резервуаром аккумулятора и ресивером.

Управляемый клапан может быть выполнен с электрическим приводом таким образом, что при отсутствии управляющего напряжение на клапане последний заперт.

Управляемый клапан так же может быть выполнен с гидравлическим приводом таким образом, что при давлении на управляющем входе клапана меньше заданного уровня, предпочтительно не превосходящего 10% от максимального рабочего давления, клапан заперт.

С целью минимизации утечки газа управляемый клапан может быть выполнен в виде запорного вентиля с электромеханическим, гидравлическим или иным приводом.

С целью автоматизации и повышения надежности работы устройства и недопущения газодинамического удара при отпирании управляемого клапана газовый резервуар по меньшей мере одного аккумулятора и газовый резервуар по меньшей мере одного ресивера сообщаются со средствами определения разницы давлений газа между ними.

Задача повышения технологичности производства устройства с использованием различных типов готовых газовых ресиверов решается тем, что металлическая пористая структура регенерирующего теплообменника сформирована внутри готовой оболочки ресивера путем загрузки образующих указанную структуру компонентов (стружки, волокон, кусков пенометалла и пр.) через отверстие в оболочке ресивера.

Задача повышения ремонтопригодности для мобильных приложений решается тем, что для замены эластичного разделителя или поршневых уплотнений в аккумуляторе не требуется сбрасывать весь газ из устройства. Достаточно вытеснить большую часть газа из аккумулятора в ресивер и запереть управляемый клапан. После сброса давления масла в гидросистеме аккумулятор будет готов к безопасным ремонтным работам. Таким образом, при замене баллона (мембраны или поршневых уплотнений) или иных ремонтных работах теряется лишь малая часть газа, оставшаяся в аккумуляторе и газовой линии. Вышеуказанное исполнение баллонного аккумулятора с газовым резервуаром между баллоном и корпусом обеспечивает меньшее количество газа, остающегося в аккумуляторе, чем традиционное исполнение с газовым резервуаром внутри баллона. Заполнение устройства газом из ресивера и перевод его в рабочее состояние производится открытием управляемого клапана.

Более подробно детали изобретения описываются в нижеприведенных примерах, иллюстрируемых чертежами, на которых представлены:

Фиг.1 - устройство для рекуперации гидравлической энергии с аккумулятором, ресивером, снабженным регенерирующим теплообменником и электроприводным управляемым клапаном в газовом канале, схематическое представление.

Фиг.2 - устройство для рекуперации гидравлической энергии с баллонным аккумулятором, снабженным сжимаемым пористым регенератором, ресивером с регенерирующим теплообменником, управляемым клапаном в газовом канале в виде запорного вентиля с электроприводом и средствами определения разницы давлений газа в газовом резервуаре аккумулятора и ресивере, схематическое представление.

Фиг.3 - устройство для рекуперации гидравлической энергии с двумя аккумуляторами, ресивером с регенерирующим теплообменником, управляемыми клапанами в газовом канале в виде запорных вентилей с электроприводом и средствами определения разницы давлений газа в газовых резервуарах аккумуляторов и ресивере, схематическое представление.

Устройство для рекуперации гидравлической энергии по Фиг.1 включает аккумулятор 1, в корпусе которого выполнен жидкостный порт 2, сообщающийся с жидкостным резервуаром 3 аккумулятора. Жидкостный резервуар 3 отделен подвижным разделителем 4 от газового резервуара 5 аккумулятора, который через газовый порт 6 сообщается с газовым портом 7 ресивера 8. Ресивер 8 содержит регенерирующий теплообменник 9, выполненный в виде металлической пористой структуры. Газовый канал 10 между газовым портом 6 аккумулятора 1 и газовым портом 7 ресивера 8 включает управляемый клапан 11 с электрическим приводом. Газовый порт 7 ресивера 8 снабжен запирающим элементом 12 для предотвращения возможного проникновения частиц или иных фрагментов регенерирующего теплообменника из газового ресивера через его газовый порт. Запирающий элемент 12 выполнен в виде металлического стакана с перфорированными дном и стенками, в котором установлен фильтрующий элемент 13, проницаемый для газа и не пропускающий частицы размером более заданного, предпочтительно более 5 мкМ.

Дополнительное снижение тепловых потерь при рекуперации достигается изменением условий теплообмена и в аккумуляторе. Устройство по Фиг.2 включает аккумулятор 1 с подвижным разделителем 4 в виде баллона, внутри которого расположен жидкостный резервуар. В газовом резервуаре 5 (расположенном вне баллона) установлен сжимаемый регенератор 14, выполненный из гибкого пористого материала, например, вспененного эластомера. Управляемый клапан 11 выполнен в виде запорного вентиля с электромеханическим приводом 15. Средства определения разницы давлений газа 16 в виде дифференциального манометра измеряют разницу давлений газа между входом и выходом запорного вентиля 11, т.е. между газовым резервуаром 5 аккумулятора 1 и ресивером 8. Для предотвращения повреждений баллона 4 при полном вытеснении жидкости из жидкостного резервуара 3, внутри баллона расположен опорный элемент 17, выполненный так, чтобы при облегании баллоном 4 опорного элемента 17 на баллоне 4 не образовывались складки, приводящие к развитию трещин. Для этого форма и размер опорного элемента 17 выбраны так, чтобы при облегании баллоном 4 опорного элемента 17 объем внутри баллона был в пределах от 3% до 30% от объема аккумулятора. Для предотвращения удара баллона 4 об опорный элемент 17 при быстром вытеснении жидкости жидкостный порт 2 снабжен предохранительным клапаном 18, запирающим жидкостный порт 2 при нажатии баллоном на опорный элемент 17, и замедляющим поток жидкости, предпочтительно, препятствующим полному вытеснению жидкости из жидкостного резервуара 3.

Устройство для рекуперации гидравлической энергии по Фиг.3 включает два аккумулятора 1, ресивер 8 с регенерирующим теплообменником 9, два управляемых клапана 11, отделяющих каждый из аккумуляторов 1 от ресивера 8. Управляемые клапаны 11 выполнены в виде запорных вентилей с электроприводом 15. Средства определения разницы давлений газа 16 выполнены в виде трех манометров, сообщающихся соответственно с газовыми резервуарами обоих аккумуляторов 1 и ресивером 8. Данное исполнение устройства обладает лучшей конфигурируемостью в силу того, что вместо одного аккумулятора большой емкости использованы два аккумулятора меньшей емкости. Предпочтительно использовать мембранные аккумуляторы, которые благодаря своей форме и возможности размещения в любом положении добавляют еще больше гибкости в размещении устройства на агрегате. Дополнительным преимуществом данного исполнения является повышенная надежность и работоспособность. При выходе из строя одного из аккумуляторов 1 газ из него вытеснят в ресивер 8 и отсекают поврежденный аккумулятор от газовой линии 10 соответствующим запорным клапаном 11. Устройство остается работоспособным в уменьшенном диапазоне рабочих давлений. Средства определения разницы давлений газа 16 позволяют обнаружить неисправность (утечку) в аккумуляторах на ранней стадии ее развития путем замера давлений в аккумуляторах в выключенном состоянии устройства и сравнения с номинальным значением. При обнаружении утечки в одном из аккумуляторов 1 выдается предупреждение о необходимости его замены, и данный аккумулятор 1 отсекается управляемым клапаном 11 от газовой линии 10 и не участвует в циклах рекуперации.

Рассмотрим функционирование устройства на примере рабочего цикла рекуперации гидравлической энергии, состоящего из трех фаз: запасания энергии в устройстве, хранения запасенной энергии и возврата энергии в гидросистему.

При запасании энергии от гидросистемы в устройстве жидкость из гидросистемы через жидкостный порт 2 аккумулятора 1 нагнетается в его жидкостный резервуар 3, разделитель 4 перемещается, уменьшая объем газового резервуара 5 и вытесняя часть газа в ресивер 8, повышая тем самым давление и температуру газа в газовом резервуаре 5 аккумулятора 1 и в ресивере 8. Благодаря малым средним расстояниям между газом и теплообменными поверхностями находящегося в ресивере 8 регенерирующего теплообменника 9 и большой его теплоемкости, газ, перетекающий в ресивер из газового резервуара аккумулятора, эффективно отдает часть тепла регенерирующему теплообменнику 9, что снижает степень нагрева газа при сжатии.

При хранении запасенной в устройстве гидравлической энергии тепловые потери малы, в силу меньшей степени нагрева газа и регенерирующего теплообменника, а также благодаря тому, что структура регенерирующего теплообменника препятствует конвекции.

При возврате энергии от устройства в гидросистему сжатый газ, находящийся в ресивере 8 и газовом резервуаре 5 аккумулятора 1, расширяется, разделитель 4 аккумулятора 1 перемещается, уменьшая объем его жидкостного резервуара 3 и вытесняя жидкость из него через жидкостный порт 2 в гидросистему. Благодаря сохранению малых средних расстояний между газом и теплообменными поверхностями регенерирующего теплообменника 9, последний эффективно возвращает газу полученную часть тепла. Таким образом, устройство с уменьшенными потерями возвращает в гидросистему полученную от нее гидравлическую энергию.

Средний размер пор металлической пористой структуры регенерирующего теплообменника 9 не менее 0,05 мм, а запирающий элемент 12 глубоко (предпочтительно, на глубину, не менее 20% от осевой длины ресивера 8) проникает в регенерирующий теплообменник 9. Благодаря этому газодинамические потери при протекании газа между аккумулятором и ресивером, а также через металлическую пористую структуру регенерирующего теплообменника 9 малы.

Запирающий элемент 12, снабженный фильтрующим элементом 13, препятствует проникновению частиц материала регенерирующего теплообменника 9 в газовую линию 10 и газовый резервуар 5 аккумулятора 1. Таким образом, эластичный разделитель (или скользящие уплотнения поршневого разделителя в исполнении с поршневым аккумулятором) защищены от абразивного воздействия, а газовая линия 10 - от оседания частиц, что повышает надежность устройства.

При выключении устройства из работы, т.е. при прекращении циклов рекуперации (например, во время длительной стоянки гибридного автомобиля) жидкость из гидросистемы нагнетается в жидкостный резервуар 3 аккумулятора. После вытеснения большей части газа (предпочтительно, 80% или более) из газового резервуара 5 аккумулятора 1 в ресивер 8, управляемый клапан 11 запирает газовую линию 10 между газовым резервуаром 5 аккумулятора 1 и ресивером 8, а жидкость из аккумулятора сбрасывается в жидкостный резервуар низкого давления гидросистемы. Остаточное давление газа в газовом резервуаре 5 аккумулятора 1, отсеченном управляемым клапаном 11 от ресивера 8, в течение всего времени простоя системы остается существенно меньшим рабочего давления. Таким образом, потери газа во времени простоя будут существенно снижены. (Например, для устройства с 10 л аккумулятором и 10 л ресивером при верхнем рабочем давлении в 400 атм и остаточном объеме газа 0,2 л в аккумуляторе и газовой линии между аккумулятором и управляемым клапаном после вытеснения газа в ресивер и отключения от него, остаточное давление газа в аккумуляторе составит 8 атм, а не 200 атм, что означает 25-кратное снижение давления и, соответственно, потерь газа, при простое). При включении устройства в работу, т.е. перед началом циклов рекуперации управляемый клапан 11 отпирает газовую линию 10 между газовым резервуаром 5 аккумулятора 1 и ресивером 8. Для повышения надежности работы устройства и устранения возможности газодинамического удара при включении гидросистемы в работу целесообразно сначала нагнетать жидкость в жидкостный резервуар 3 аккумулятора 1, измеряя, с помощью средств определения разницы давлений газа 16, разницу давлений газа в газовом резервуаре 5 аккумулятора 1 и в ресивере 8, а открывать управляемый клапан 11 лишь после того, как разница указанных давлений снизится до заданного безопасного уровня (предпочтительно, не более 10% от рабочего давления).

При исполнении управляемого клапана с электрическим приводом (как на Фиг.1) целесообразно выполнять его так, чтобы клапан был заперт при отсутствии на нем управляющего напряжения. Это гарантирует невозможность попадания газа из ресивера в аккумулятор до момента включения электропитания агрегата, в который входит устройство, то есть до начала работы устройства.

Если управляемый клапан имеет гидравлический привод, то целесообразно выполнять его так, чтобы при давлении на управляющем входе клапана меньше заданного уровня, клапан был заперт. Это гарантирует невозможность попадания газа из ресивера в аккумулятор до момента начала работы насоса гидросистемы, то есть до начала работы устройства.

При использовании устройства в гидросистемах с длительными периодами простоя целесообразно для минимизации потери газа выполнять управляемый клапан в виде запорного вентиля с электромеханическим (как на Фиг.2), гидравлическим или иным приводом.

Вышеописанные исполнения являются примерами воплощения основного замысла настоящего изобретения, которое предполагает также множество других вариантов исполнения, не описанных здесь подробно, например, включающих несколько аккумуляторов и ресиверов, соединенных совокупностью газовых линий, и снабженных совокупностью управляемых клапанов с возможностью отключать поврежденные аккумуляторы, а также различные варианты выполнения управляемых клапанов и средств определения разницы давлений газа.

Таким образом, предложенные решения позволяют создать устройство для рекуперации гидравлической энергии со следующими качествами:

- уменьшенными тепловыми потерями и повышенной эффективностью рекуперации гидравлической энергии,

- простотой и относительной дешевизной в производстве,

- пониженными утечками газа, а значит повышенной надежностью и долговечностью,

- повышенной ремонтопригодностью.

Список литературы

1 - Х.Экснер, Р.Фрейтаг, Д-р X.Гайс, Р.Ланг, И.Оппольцер, П.Шваб, Е.Зумпф, У.Остендорфф, М.Райк «Гидропривод. Основы и компоненты», Издание 2-е на русском яз., «Бош Рексрот АГ Сервис Автоматизация Дидактика», Эрбах Германия, 2003, стр.154-156.

2 - Патент US 6405760.

3 - Патент RU 2402697.

4 - Патент RU 2383785.

5 - Патент RU 2382913.

Устройство включает, по меньшей мере, один гидропневматический аккумулятор, в корпусе которого выполнен жидкостный порт, сообщающийся с жидкостным резервуаром аккумулятора, отделенным подвижным разделителем от газового резервуара аккумулятора, который через газовый порт сообщается по меньшей мере с одним газовым ресивером. В ресивере выполнен регенерирующий теплообменник предпочтительно в виде металлической пористой структуры с суммарной площадью теплообменных поверхностей регенерирующего теплообменника, приведенной к суммарному внутреннему объему ресивера, превышающей 2000 см²/литр, предпочтительно, превышающей 10000 см²/литр, и суммарной теплоемкостью, приведенной к суммарному внутреннему объему газового ресивера, превышающей 40 Дж/К/литр. Газовый резервуар аккумулятора сообщается с газовым портом, по меньшей мере, одного ресивера через газовый канал, снабженный управляемым клапаном, выполненным с возможностью запирания и отпирания этого газового канала. Технический результат - повышение эффективности рекуперации гидравлической энергии. 11 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Устройство для рекуперации гидравлической энергии, включающее по меньшей мере один гидропневматический аккумулятор, в корпусе которого выполнен жидкостный порт, сообщающийся с жидкостным резервуаром аккумулятора, отделенным подвижным разделителем от газового резервуара аккумулятора, который через газовый порт сообщается с газовым портом по меньшей мере одного газового ресивера, отличающееся тем, что в газовом ресивере выполнен регенерирующий теплообменник с суммарной площадью теплообменных поверхностей регенерирующего теплообменника, приведенной к суммарному внутреннему объему газового ресивера, превышающей 2000 см²/л, предпочтительно превышающей 10000 см²/л, с суммарной теплоемкостью, приведенной к суммарному внутреннему объему газового ресивера, превышающей 40 Дж/К/л, причем газовый резервуар аккумулятора сообщается с газовым портом по меньшей мере одного газового ресивера через газовый канал, снабженный управляемым клапаном, выполненным с возможностью запирания и отпирания этого газового канала.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что регенерирующий теплообменник сформирован из металлической стружки.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что регенерирующий теплообменник сформирован из металлических волокон.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что регенерирующий теплообменник сформирован из пенометалла.

5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что газовый порт газового ресивера снабжен запирающим элементом, проницаемым для газа, но препятствующим проникновению частиц материала регенерирующего теплообменника из газового ресивера через его газовый порт.

6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что гидропневматический аккумулятор включает сжимаемый регенератор, выполненный в его газовом резервуаре с возможностью уменьшать расстояние между теплообменными поверхностями при уменьшении объема газового резервуара и увеличивать при его увеличении, причем при максимальном объеме газового резервуара среднее расстояние между соседними теплообменными поверхностями регенератора не превышает 10 мм.

7. Устройство по п.1, отличающееся тем, что гидропневматический аккумулятор выполнен с баллонным разделителем, причем жидкостный резервуар расположен внутри баллонного разделителя.

8. Устройство по п.7, отличающееся тем, что внутри баллонного разделителя размещен опорный элемент, размеры и форма которого выбраны так, чтобы при облегании баллонным разделителем опорного элемента объем внутри баллонного разделителя был в пределах от 3% до 30% от объема аккумулятора, а жидкостный порт аккумулятора снабжен предохранительным клапаном, соединенным с опорным элементом с возможностью запирания жидкостного порта аккумулятора при нажатии на опорный элемент.

9. Устройство по п.1, отличающееся тем, что управляемый клапан выполнен с электромеханическим приводом так, что при отсутствии управляющего напряжения на управляемом клапане указанный газовый канал заперт.

10. Устройство по п.1, отличающееся тем, что управляемый клапан выполнен с гидравлическим приводом так, что при давлении на управляющем входе управляемого клапана меньше заданного уровня, предпочтительно не превосходящего 10% от максимального рабочего давления, указанный газовый канал заперт.

11. Устройство по п.1, отличающееся тем, что управляемый клапан выполнен в виде запорного вентиля.

12. Устройство по п.1, отличающееся тем, что газовый резервуар по меньшей мере одного аккумулятора и по меньшей мере один ресивер сообщаются со средствами определения разницы давлений газа между ними.