Ступень поршневого компрессора Российский патент 2024 года по МПК F04B39/06 

Изобретение относится к компрессорной технике.

Известны компрессоры статического и динамического сжатия. К компрессорам динамического сжатия относятся осевые и центробежные, а к компрессорам статического (объемного) сжатия - винтовые, мембранные, ротационные и поршневые (Дзитоев М.С., Пеньков М.М. и др. Системы газоснабжения и вакуумная техника: учебник. - СПб.: ВКА им. А.Ф. Можайского, 2010. - С. 23-36). Общим недостатком существующих компрессоров объемного сжатия является недостаточно развитая поверхность теплоотдачи от сжимаемых газов в систему охлаждения, например, в головке цилиндра.

В области малорасходных компрессоров высокого и среднего давления наиболее широкое распространение получили компрессоры объемного сжатия с жидкостным охлаждением, основным исполнительным элементом которых является ступень, содержащая цилиндр с примыкающими к нему полостями всасывания и нагнетания (см. кн. Френкель М.И. Поршневые компрессоры /подзаголовок: Теория, конструкция и основы проектирования/. 3-е изд., перераб. и доп.Л.: Машиностроение 1969. - 744 с, рис. IV.2 (стр. 112 и 113), рис. IV.14 (стр. 122), рис. VII.3 (стр. 282), рис. VII.5 (стр. 284), рис. VII.6 (стр. 285), рис. VII.23 д, з, и (стр. 304) рис. XI.4 (стр. 630), рис. XI. 17. (стр. 652), рис. XI. 18 (стр. 654), рис. XI.21 (стр. 656)). На данных рисунках всасывающие и нагнетательные клапаны размещены как на боковой, так и на торцевой поверхностях цилиндра.

Наиболее близким по технической сути (прототипом) к предлагаемому устройству является вторая ступень водородного компрессора, представленная на рис. XI. 17 (стр. 652) в кн. Френкель М.И. Поршневые компрессоры /подзаголовок: Теория, конструкция и основы проектирования /. 3-е изд., перераб. и доп.Л.: Машиностроение 1969. - 744 с.

Ступень имеет впускной и выпускной клапаны, охлаждаемые полости всасывания и нагнетания, патрубки линий всасывания и нагнетания, теплообменное устройство с жидкостным охлаждением в виде пучка труб.

Недостатком прототипа является ограниченный отвод тепла от сжимаемого газа в полости нагнетания, который полностью определяется площадью ее охлаждаемой поверхности. Это приводит к росту механической работы, необходимой для сжатия газа.

В ступени к сжимаемому газу подводится энергия в виде работы, а отводится от него только часть энергии в виде тепла. Подводимая к газу работа может быть определена соотношением

Охлаждение газа при его сжатии в течение цикла способствует уменьшению механической работы.

Для оценки термодинамического совершенства ступеней поршневых компрессоров с охлаждением используют изотермический КПД, величина которого определяется следующим соотношением:

где - удельная работа изотермического сжатия;

- удельная работа действительного процесса сжатия. Если пренебречь силами трения в ступени и другими факторами, влияющими на необратимость процесса сжатия, то удельная работа действительного процесса сжатия запишется как:

где С_р - удельная изобарная теплоемкость сжимаемого газа;

Т_стн - температура газа в стандартной точке нагнетания;

Т_ств - температура газа в стандартной точке всасывания.

Стандартные точки всасывания и нагнетания - это точки, расположенные на оси потока газа в плоскостях сопряжения патрубка линии всасывания и полости всасывания и полости нагнетания и патрубка линии нагнетания соответственно.

Значение температуры газа в стандартной точке нагнетания является одним из показателей технического совершенства ступени поршневого компрессора.

Из уравнения (3) следует, что при понижении температуры газа в стандартной точке нагнетания Т_стн механическая работа будет понижаться, а изотермический КПД будет увеличиваться.

Таким образом, значение температуры газа в стандартной точке нагнетания является одним из показателей технического совершенства ступени поршневого компрессора.

Для снижения температуры газа в стандартной точке нагнетания Т_стн ступени поршневого компрессора необходимо отводить тепло, образуемое при сжатии газа. Это тепло можно отводить в том числе и через стенки полости нагнетания. При этом тепловой поток формируется за счет передачи тепла от сжимаемого газа к стенкам полости нагнетания и далее - в систему охлаждения. Причем, чем больше количество тепла передано стенкам полости нагнетания, тем эффективнее осуществляется теплоотвод от сжимаемого газа, а, следовательно, тем больше снижается температуры газа в стандартной точке нагнетания ступени поршневого компрессора.

Общий тепловой поток от сжатого газа к стенкам полости нагнетания можно выразить формулой:

где F - общая площадь стенки, к которой подводится тепло;

k - коэффициент теплопередачи;

T_OC - температура с внешней стороны полости нагнетания.

Из формулы (4) видно, чем больше площадь внутренней поверхности полости нагнетания ступени поршневого компрессора, тем больше тепловой поток, а, следовательно, тем эффективнее отводится тепло от сжимаемого газа.

Преобразовав формулу (4), можно выразить температуру газа в стандартной точке нагнетания Т_стн ступени поршневого компрессора:

Из формулы (5) видно, что чем больше площадь поверхности теплообмена в полости нагнетания, тем ниже конечная температура газа в стандартной точке нагнетания Т_стн ступени поршневого компрессора.

Задачей изобретения является повышение изотермического КПД ступени за счет понижения температуры газа в стандартной точке нагнетания Т_СТН ступени поршневого компрессора путем разработки технического решения в виде устройства, характеризуемого следующей совокупностью отличительных признаков.

Общими с прототипом существенными признаками являются наличие у предлагаемой ступени поршневого компрессора и прототипа впускного и выпускного клапанов, охлаждаемых полостей всасывания и нагнетания, патрубков линий всасывания и нагнетания, теплообменного устройства с жидкостным охлаждением в виде пучка труб.

Отличительными существенными признаками являются: размещение теплообменного устройства с жидкостным охлаждением в виде пучка труб в полости нагнетания (то есть непосредственно за выпускным клапаном) для обеспечения дополнительного охлаждения указанной полости, при этом площадь живого сечения каналов для прохода газа в данном теплообменном устройстве не менее площади в щели полностью открытого выпускного клапана.

Совокупность перечисленных существенных признаков обеспечивает получение технического результата, выражающегося в снижении конечной температуры газа в стандартной точке нагнетания 7_СТН ступени поршневого компрессора в предлагаемом устройстве по сравнению с прототипом.

Причинно-следственная связь между совокупностью перечисленных существенных признаков и получением указанного технического результата следующая.

Во-первых, размещение в полости нагнетания (то есть, непосредственно за выпускным клапаном) теплообменного устройства с жидкостным охлаждением в виде пучка труб приводит к увеличению площади теплообменной поверхности в полости нагнетания и к дополнительному охлаждению газа, поступающего в эту полость из цилиндра через выпускной клапан. Это повышает эффективность отведения тепла от газа в полости нагнетания, так как возрастает тепловой поток от сжимаемого газа в систему охлаждения ступени. В результате этих процессов понизится конечная температура газа в стандартной точке нагнетания ступени поршневого компрессора. Вследствие этого в полости нагнетания, непосредственно за выпускным клапаном ступени, будет увеличиваться плотность газа и как следствие - снижаться его давление. По этой причине при условии сохранения неизменным давления, создаваемого поршнем ступени перед выпускным клапаном, из-за одновременного снижения давления за выпускным клапаном (вследствие его дополнительного охлаждения) на этом клапане будет происходить увеличение перепада давления. Это приведет к росту изотермического КПД, так как для увеличения перепада давления на клапане не потребуется совершение поршнем дополнительной работы сжатия. Данное обстоятельство способствует уменьшению механической работы на сжатие газа.

Во-вторых, выбор площади живого сечения для прохода газа в каналах упомянутого теплообменного устройства с жидкостных охлаждением не менее площади в щели полностью открытого выпускного клапана позволяет минимизировать газодинамические потери при движении потока газа в полости нагнетания по направлению к патрубку линии нагнетания данной ступени.

Данные обстоятельства также способствуют уменьшению механической работы на сжатие газа.

Суть изобретения поясняется рисунками - фиг. 1 и фиг. 2.

На них позициями обозначено:

1 - охлаждаемая полость сжатия;

2 - торцевая крышка;

3 - патрубок линии нагнетания;

4 - место расположения стандартной точки нагнетания;

5 - теплообменное устройство с жидкостным охлаждением в виде пучка труб;

6 - вход охлаждающей жидкости;

7 - выход охлаждающей жидкости;

8 - вход газа в полость нагнетания.

На фиг. 1 представлена полость сжатия ступени компрессора с охлаждаемыми стенками с размещенным в ней теплообменным устройством с жидкостным охлаждением в виде пучка труб. Стрелками, направленными в полости сжатия снизу вверх, показано движения сжимаемого газа. Горизонтальными стрелками на входе в упомянутое теплообменное устройство и на его выходе, а также стрелками внутри него показано движение охлаждающей жидкости.

На фиг. 2 в аксонометрии показано теплообменное устройство с жидкостным охлаждением в виде пучка труб. Вертикальными стрелками обозначено движение газа относительно труб пучка, горизонтальными -поступление охлаждающей жидкости на входе в теплообменное устройство и на выходе из него.

Рассмотрим работу предлагаемой ступени поршневого компрессора (фиг. 1). При достижении необходимого давления сжатия открывается выпускной клапан, и сжатый газ попадает в полость нагнетания 1, где установлено теплообменное устройство с жидкостным охлаждением в виде пучка труб 5.

Сжатый газ в полости нагнетания проходит через межтрубное пространство дополнительного устройства с жидкостным охлаждением в виде пучка труб 5 и через стенки его трубок сбрасывает тепло в охлаждающую жидкость, которая поступает через вход 6 и выходит через выход 7 устройства с жидкостным охлаждением в виде пучка труб 5, Далее охлажденный сжатый газ входит в патрубок линии нагнетания 3, в центре выхода из которого находится стандартная точка нагнетания 4.

Положительный эффект предлагаемого устройства можно определить путем сравнения конечной температуры газа в стандартной точке нагнетания ступени поршневого компрессора и ступени прототипа.

Для проведения соответствующих расчетов использована прикладная программа КОМДЕТ-ВКА (Основы расчета и оптимального проектирования поршневых компрессоров и детандеров на унифицированных базах: монография / М.М. Пеньков, И.К. Прилуцкий, А.И. Прилуцкий. - СПб.: ВКА имени А.Ф. Можайского, 2020), основанная на математическом моделировании рабочих процессов в компрессорных и расширительных машинах объемного действия. Данная программа прошла всестороннюю апробацию на ряде отечественных предприятий и организаций. Результаты расчетов сведены в таблицу 1.

При проведении расчетов считалось, что внешние протечки газа через закрытые клапаны и внешние утечки отсутствуют.

Из таблицы 1 видно, что конечная температура газа в стандартной точке нагнетания Т_стн становится существенно ниже, чем у прототипа.

Изобретение относится к компрессорной технике. Ступень поршневого компрессора содержит впускной и выпускной клапаны, охлаждаемые полости всасывания и нагнетания, патрубок линий всасывания и патрубок 3 линии нагнетания, теплообменное устройство с жидкостным охлаждением в виде пучка труб 5. Теплообменное устройство с жидкостным охлаждением в виде пучка труб 5 размещено в полости нагнетания для обеспечения дополнительного охлаждения указанной полости. Площадь живого сечения каналов для прохода газа в нем должна быть не менее площади в щели полностью открытого выпускного клапана. Изобретение направлено на повышение изотермического КПД ступени. 2 ил., 1 табл.

Ступень поршневого компрессора, содержащая впускной и выпускной клапаны, охлаждаемые полости всасывания и нагнетания, патрубки линий всасывания и нагнетания, теплообменное устройство с жидкостным охлаждением в виде пучка труб, отличающаяся тем, что теплообменное устройство с жидкостным охлаждением в виде пучка труб размещено в полости нагнетания для обеспечения дополнительного охлаждения указанной полости, при этом площадь живого сечения каналов для прохода газа в нем должна быть не менее площади в щели полностью открытого выпускного клапана.