ТЕПЛОИСПОЛЬЗУЮЩИЙ КОМПРЕССОР Российский патент 2013 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 [1] - (Патент РФ №2230223, от 10.06.2004 г., МПК⁷ F04B 19/24), 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 вешнего пневмоцилидра, жестко закрепленного на торце холодной полости цилиндра теплового компрессора, при этом вытеснитель с поршнем двухстороннего действия пневмоцилиндра жестко связаны цилиндрическим уплотнительным штоком.

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), обладает повышенным сопротивлением 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 [2] - (Патент РФ №2183767 от 20.06.2002 г., МПК⁷ F04B 19/24, F25B 9/00), 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).

Недостатком аналога [2] 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.

Известен тепловой компрессор [3] - (Патент РФ №2271469, от 10.03.2006 г., МПК⁷ F04B 19/24), 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 резьбу (оребрения) с образованием зазоров, вытеснитель закрыт плоскими торцевыми заглушками с торцевыми осевыми выточками, в которых установлены пневматические пружины в виде плунжерных поршней, ответные плунжерные цилиндры которых установлены внутри холодной и горячей полостей на крышках цилиндра теплового компрессора.

Недостатком аналога [3] является сложность конструкции его пневматических пружин. Так, в торцевых заглушках вытеснителя теплового компрессора необходимо устанавливать и кольцевые выточки, и плунжерные поршни.

Прототипом заявляемого изобретения является тепловой компрессор [4] - (Патент РФ №2298690, от 10.05.2007 г., МПК⁸ F04B 19/24), 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 торцевыми заглушками, в которых установлены плунжерные цилиндры пневматических пружин, а ответные плунжерные поршни установлены внутри холодной и горячей полостей на крышках цилиндра теплоиспользующего компрессора.

Недостатком прототипа [4], также как и аналогов [1, 2 и 3], является недостаточные поверхности для теплообмена в холодной и горячих полостях цилиндра, что приводит к снижению эффективности устройства.

Указанный недостаток аналогов [1, 2, 3] и прототипа [4] ставит задачу повышения его эффективности путем увеличения поверхностей теплообмена в холодной и горячей полостях.

Эта задача достигается тем, что в теплоиспользующем 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 торцевыми заглушками, в которых установлены плунжерные цилиндры пневматических пружин, а ответные плунжерные поршни установлены внутри холодной и горячей полостей на крышках цилиндра теплоиспользующего компрессора, причем плунжерные поршни выполнены полыми и открыты соответственно со стороны холодной и горячей полостей для доступа холодного и горячего теплоносителя.

Введение признака «плунжерные поршни выполнены полыми и открыты соответственно со стороны холодной и горячей полостей для доступа холодного и горячего теплоносителя» необходимо для создания возможности передачи теплоты через цилиндрические поверхности полых поршней соответственно от холодного и горячего теплносителей к рабочему телу в холодных и горячих полостях теплоиспользующего компрессора. Это позволит без увеличения размеров холодной и горячей полостей повысить их теплопередающие поверхности и, следовательно, повысить эффективность теплоиспользующего компрессора в целом.

На чертеже схематично представлена конструкция теплоиспользующего компрессора.

Теплоиспользующий 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 теплоиспользующего 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 теплоиспользующего компрессора, причем плунжерные поршни 24 и 25 выполнены полыми и открыты соответственно со стороны полостей холодной 6 и горячей 7 для доступа холодного и горячего теплоносителя. Рабочим телом пневматических пружин является перекачиваемый теплоиспользующим компрессором газ.

Работает предложенный теплоиспользующий компрессор следующим образом: в установившемся режиме вытеснитель 2 движется возвратно-поступательно по цилиндру 1 под действием усилий газа (рабочего тела) между плунжерными поршнями 24 и 25, входящими 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 теплоиспользующий 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 теплоиспользующего 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. Теплота к газу (рабочему телу) от теплоносителя в горячей полости 7 подводится через его торцевую стенку, цилиндрический резьбовой участок 17, и дополнительно через цилиндрические стенки полого цилиндра 25. Из холодной полости 6 теплота к хладагенту отводится также через его торцевую стенку, цилиндрический резьбовой участок 17, и дополнительно через цилиндрические стенки полого цилиндра 24. Использование для теплообмена цилиндрических стенок полых плунжерных цилиндров позволит на 10÷20% увеличить поверхность холодной и горячей полостей, что повысит эффективность теплоиспользующего компрессора.

Устройство может использоваться в самых различных областях техники для сжатия и перекачки газа. Содержит цилиндр 1, вытеснитель 2 со встроенным генератором 3 и радиально наклоненными отверстиями 4 и 5 для соединения регенератора соответственно с холодной 6 и горячей 7 полостями цилиндра 1. Вытеснитель 2 приводится в действие электроприводом с ротором 8, расположенным на внешней стороне вытеснителя 2, и расположенным на цилиндре 1 статором 9. На внешних приторцевых участках вытеснителя 2 находятся резьбовые участки 16, а на внутренней поверхности приторцевых участков цилиндра 1 - резьбовые участки 17, с образованием кольцевых зазоров 18. Цилиндр 1 содержит теплообменник теплоносителя 11 с теплоизоляцией 12, теплообменник хладагента 10, газовую магистраль 13 с впускным 14 и выпускным 15 клапанами, ребристый теплообменник 19. Пневматические пружины динамического «подпружинивания» вытеснителя 2 выполнены в виде установленных в его торцевых заглушках 20 и 21 плунжерных цилиндров 22 и 23, ответные плунжерным поршням 24 и 25, которые жестко установлены внутри холодной 6 и горячей 7 полостей на крышках цилиндра 1 теплоиспользующего компрессора, причем плунжерные поршни 24 и 25 выполнены полыми и открыты соответственно со стороны полостей холодной 6 и горячей 7 для доступа холодного и горячего теплоносителя. Рабочим телом пневматических пружин является перекачиваемый теплоиспользующим компрессором газ. Повышается эффективность устройства путем увеличения поверхностей теплообмена в холодной и горячей полостях. 1 ил.

Теплоиспользующий 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 торцевыми заглушками, в которых установлены плунжерные цилиндры пневматических пружин, а ответные плунжерные поршни установлены внутри холодной и горячей полостей на крышках цилиндра теплоиспользующего компрессора, отличающийся тем, что плунжерные поршни выполнены полыми и открыты соответственно со стороны холодной и горячей полостей для доступа холодного и горячего теплоносителя.