СПОСОБ АВТОНОМНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ ПОРШНЕВОГО КОМПРЕССОРА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2024 года по МПК F04B39/06 

Изобретение относится к области машин объемного действия поршневого типа и может быть использовано при создании высокоэффективных поршневых машин малой и средней производительности с автономной жидкостной системой охлаждения.

Известен способ охлаждения поршневых компрессоров, в котором цилиндр обтекается охлаждающей жидкостью (см., например, кн. Б.С. Фотин, И.Б. Пирумов, И.К. Прилуцкий, П.И. Пластинин. Поршневые компрессоры, стр. 184-185, рис. 6.32).

Недостатком такого способа является необходимость наличия сетевого источника охлаждающей жидкости, что ограничивает область их применения.

Известен также способ автономного охлаждения поршневого компрессора, в котором охлаждающая жидкость, находящаяся в рубашке цилиндра, содержащего поршень и рабочую полость, прокачивается за счет перепада давления между полостью всасывания и окружающей средой (см. например, патент РФ № 2578776 «Способ работы машины объемного действия и устройство для его осуществления», опубл. в БИ № 9, 27.03.2016, фиг. 4-7).

Недостатком известного способа, описанного в этом патенте, является громоздкость и большие массогабаритные параметры конструкции, и сложность настройки режимных параметров для обеспечения циркуляции жидкости в системе охлаждения, что ограничивает диапазон частоты вращения, экономичности и производительности машины.

Технической задачей изобретения является снижение массогабаритных параметров, повышение экономичности и расширение диапазона частоты работы компрессора.

Указанная задача решается тем, что в способе автономного охлаждения поршневого компрессора, в котором охлаждающую жидкость, находящуюся в рубашке цилиндра, содержащего поршень и рабочую полость, прокачивают за счет перепада давления между полостью всасывания и окружающей средой, согласно изобретения, полость всасывания на части хода всасывания через промежуточную полость соединяют с нижней частью рабочей полости цилиндра при положении поршня в нижней мертвой точке.

В поршневом компрессоре, использующемся для реализации данного способа, содержащем цилиндр с рубашкой охлаждения, рабочую полость и поршень с приводом, приводной вал и механизм преобразования вращательного движения вала в возвратно-поступательное движение поршня, всасывающие и нагнетательные клапаны, установленные в полости всасывания и нагнетания, и соединяющие рабочую полость цилиндра с всасывающей и нагнетательной линиями, причем рубашка охлаждения соединена с источником охлаждающей жидкости с помощью всасывающего и нагнетательного клапанов, согласно изобретению, полость всасывания на части хода всасывания соединена каналом через промежуточную полость с нижней частью рабочей полостью цилиндра при положении поршня в нижней мертвой точке. Причем поршень может содержать полость, снабженную обратным клапаном, соединяющим эту полость с рабочей полостью цилиндра, и отверстие в сторону боковой поверхности цилиндра, совпадающее с каналом при положении поршня в нижней мертвой точке, всасывающая линия может быть снабжена заслонкой, связанной с приводным валом через механизм ее перемещения, выполненный кулачкового или электромагнитного типа. В последнем случае механизм электромагнитного типа может содержать индуктор, состоящий из неподвижно закрепленной катушки индуктивности, и якорь в виде постоянного магнита, закрепленный на приводном валу с возможностью прохода мимо катушки индуктивности с малым зазором, а катушка индуктивности соединена с катушкой электромагнита, якорем которого является заслонка, и, кроме того, механизм кулачкового типа может содержать кулачок, кинематически или непосредственно связанный с приводным валом с возможностью воздействия на заслонку.

Сущность изобретения поясняется чертежами.

На фиг. 1 показана схема компрессора в простейшем варианте,

на фиг. 2 - укрупненно его цилиндропоршневая группа.

На фиг. 3 показана схема компрессора в процессе нагнетания,

на фиг. 4 показан схема компрессора в процессе всасывания,

на фиг. 5 показан этап работы компрессора, при котором происходит сообщение полости всасывания с рабочей полостью через дополнительный канал.

На фиг. 6 показана схема компрессора в процессе сжатия.

На фиг. 7 показана схема компрессора с промежуточной полостью, а

на фиг 8 - индикаторная диаграмма рабочей полости компрессора.

На фиг. 9 показан процесс всасывания в компрессоре с промежуточной полостью, при котором открыт клапан в промежуточную полость.

На фиг. 10 показан момент работы компрессора в процессе всасывания с закрытым клапаном промежуточной полости.

На фиг. 11 показан момент работы компрессора, при котором промежуточная полость сообщается с полостью всасывания.

На фиг 12 показан момент работы компрессора с промежуточной полостью в процессе сжатия.

На фиг. 13 показана схема компрессора с заслонкой на линии всасывания, приводимой в движение электромагнитом, а

на фиг. 14 - приводимой в движение кулачковым механизмом.

Компрессор (фиг. 1) содержит цилиндр 1 с рубашкой охлаждения 2, рабочую полость 3 и поршень 4 с приводом, состоящим из приводного вала 5 и кривошипно-шатунного механизма 6 преобразования вращательного движения вала 5 в возвратно-поступательное движение поршня 4, всасывающие 7 и нагнетательные 8 клапаны, установленные в полости всасывания 9и нагнетания 10, и соединяющие рабочую полость 3 цилиндра 1 с всасывающей 11 и нагнетательной 12 линиями, причем рубашка охлаждения 2 соединена с источником охлаждающей жидкости 13 с помощью всасывающего 14 и нагнетательного 15 клапанов.

Полость всасывания 9 соединена каналом 16 с нижней частью рабочей полости 3 при положении поршня 4 в нижней мертвой точке НМТ, куда поршень 4 приходит из верхней мертвой точка ВМТ. Рубашка 2 соединена с источником жидкости 13 через каналы 17 и 18, причем на последнем установлен теплообменник 19. Линия всасывания 11 также снабжена обратным клапаном 20 с выходом в промежуточную полость 21.

На фиг. 2 также обозначены длина поршня L_P, которая больше хода поршня S_h.

На фиг. 7 показана цилиндропоршневая группа компрессора, в котором поршень 4 содержит полость 22, снабженную обратным клапаном 23, соединяющим эту полость с рабочей полостью 3 цилиндра 1, и отверстие 24 в сторону боковой поверхности цилиндра, совпадающее с каналом 16 при положении поршня в нижней мертвой точке.

В этой конструкции также соблюдается условие L_P > S_h.

На фиг. 8 использованы следующие обозначения:

- р - давление в рабочей полости 3;

- р_Н - давление нагнетания;

- р_В - давление всасывания;

- ϕ - угол поворота приводного вала, начиная с ВМТ;

- α - угол падения давления в конце процесса всасывания;

- β - угол падения давления в начале процесса всасывания;

- Δр - перепад давления;

- а÷з - характерные точки диаграммы.

На фиг. 13 и 14 показана схема поршневого компрессора, в котором всасывающая линия всасывающая линия 11 снабжена заслонкой 25, связанной с приводным валом 5 через механизм ее перемещения.

На фиг. 13 это механизм перемещения электромагнитного типа, который содержит индуктор, состоящий из неподвижно закрепленной на картере 26 компрессора катушки индуктивности 27, и якоря в виде постоянного магнита 28, закрепленного через фланец 29 с фиксатором 30 на приводном валу 5 с возможностью прохода мимо катушки индуктивности 27 с малым зазором. Катушка индуктивности 27 при этом электрически соединена (соединение показано штриховыми линиями) с катушкой 31 электромагнита 32, якорем которого является заслонка 25, подпружиненная в противоположную сторону от линии всасывания 25 пружиной 33.

На фиг. 14 показан компрессор с механизмом перемещения заслонки кулачкового типа, содержащий кулачок 34, который установлен на приводном валу 5 и воздействует на заслонку 35, установленную во всасывающей линии 11 через шток 36. Заслонка 35 подпружинена пружиной 37 в противоположную сторону от линии всасывания 25. Кулачок 34 зафиксирован на валу 5 фиксатором 38.

Процессы в рабочей камере 3 компрессора происходят следующим образом (фиг. 1 и 8).

При вращении приводного вала 5 поршень 4 движется вниз из положения ВМТ в сторону НМТ. В начале этого движения в полости 3 происходит расширение ранее сжатого газа из мертвого объема, заключенного между днищем поршня 4 в положении ВМТ и верхним сечением цилиндра 1 (линия а→б на фиг. 8). Оба клапана 7 и 8 находятся в закрытом положении.

Расширение происходит до тех пор, пока давление в полости 3 не снизится до давления всасывания р_В (точка б), когда начинается открытие всасывающего клапана 7 (линия б→в).

В точке в клапан 7 полностью открывается, и начинается всасывание газа из линии всасывания 11, сопровождающееся колебаниями давления (линия в→е).

После прихода поршня 4 в положение НМТ (точка е) поршень меняет направление движения и движется к ВМТ, начинается процесс сжатия, при котором давление в полости 3 растет (линия е→ж), что приводит к закрытию клапана 7.

В точке ж давление газа становится равным давлению нагнетания р_Н, и начинается открытие нагнетательного клапана 8 (линия ж→з). В точке з клапан полностью открывается, и начинается процесс нагнетания газа в линию нагнетания 12, сопровождающийся колебаниями давления газа (линия з→а).

В точке а процесс нагнетания заканчивается, клапан 8 закрывается, поршень 4, достигший положения ВМТ, меняет направление движения на противоположное, и процесс повторяется.

Способ автономного охлаждения компрессора путем организации движения жидкости через рубашку охлаждения за счет временного соединения полости всасывания с рабочей полостью цилиндра осуществляется следующим образом (фиг. 2 - 6 и 8).

При ходе поршня 4 вверх из НМТ в ВМТ (фиг. 3) клапан 7 закрыт, клапан 8 открывается при достижении давления в полости 3 давления нагнетания. В это время в линии всасывания 11 давление близко к давлению всасывания, и через клапан 20 происходит натекание газа в полости 21 и 9 до того момента, когда давление в этих полостях не станет равно давлению всасывания, например, равного давлению окружающей среды.

Жидкость из рубашки 2 под действием гравитационных сил стекает в полость 13 по каналу 18 и клапан 15, отдавая теплоту в окружающую среду через теплообменник 19. Поршень 4 перекрывает канал 16, и по этому каналу движения жидкости нет

При ходе поршня 4 вниз (фиг. 4) в полости 3 давление снижается, и клапан 8 закрывается. После расширения из мертвого объема и снижения давления ниже давления всасывания начинается процесс наполнения полости 3 через открывшийся клапан 7. При этом давление в полости 21 снижается ниже давления всасывания из-за сопротивления клапана 21, в связи с чем клапан 14 открывается и начинается пополнение полости 21 охлаждающей жидкостью.

После прохождения поршнем 4 середины хода, его скорость начинает падать, соответственно уменьшается скорость движения газа в линии 11 и гидравлическое сопротивление клапана 20, давление в полости 21 начинает приближаться к давлению всасывания, и скорость течения жидкости из источника 13 замедляется.

Однако, при приближении поршня к НМТ (фиг. 5), вскрывается выходное в цилиндр отверстие канала 16 (точка д на фиг. 8), через который полость всасывания 9 соединяется с полостью 3 цилиндра, происходит резкий сброс давления в полости 21, т.к. давление в полости 3 в этот момент существенно ниже давления в линии 11 на величину Δр1, и жидкость снова начинает активно течь из источника 13 в полость 21. Процесс активизации движения жидкости занимает отрезок д→е и угол α индикаторной диаграммы (фиг. 8).

После прохождения поршнем 4 положения НМТ, он движет вверх, отсекает канал 16 и полость всасывания 9 от полости 3, снижение давления в полости 21 прекращается, и в связи с натеканием газа из линии 11 в эту полость, давление в ней поднимается, что приводит к закрытию клапана 14 и открытию клана 15, жидкость начинает стекать через клапан 15 в источник 13, охлаждаясь в теплообменнике 19.

Таким образом, в данной конструкции происходит активное круговое движение охлаждающей жидкости и интенсивный отвод теплоты от стенок цилиндра 1.

Принцип работы конструкции, изображенной на фиг. 7, аналогичен вышеописанной за исключением того, что для активизации движения охлаждающей жидкости в ней используется другая часть хода поршня в процессе всасывания.

При движении поршня 4 из положения ВМТ в сторону НМТ (фиг. 9), на клапан 23 действует сила инерции, направленная вверх (поршень движется с ускорением). И когда давление в полости 3 становится значительно ниже давления в линии 11 (точка в на фиг. 8), сумма силы инерции и силы от перепада давления на этом клапане превышают силу его пружины, и он открывается, соединяя полость 22 с полостью всасывания 9 через открытый клапан 7. Поскольку давление в полости 3 в этот момент минимальное, газ из полости 22 через открытый клапан 23 истекает в полость 3, и в полости 22 фактически давление становится такое же, как в полости 3.

Кроме того, как и в предыдущей конструкции, в связи с падением давления в полости 21, клапан 14 открывается, и жидкость из источника 13 течет в полость 21.

После прохода поршня середины пути от ВМТ к НМТ (фиг. 10) направление сил инерции, действующих на клапан 23, меняет свое направление, давление в полости 3 несколько увеличивается (оставаясь все-таки ниже давления в линии 11), и клапан 23 под действием своей пружины и сил инерции закрывается, сохраняя в полости 22 низкое давление.

Как и в предыдущей конструкции, при подходе поршня 4 к положению НМТ (фиг. 11) клапан 7 закрывается, через клапан 20 происходит натекание газа. При этом выходное отверстие канала 16 совпадает с отверстием 24 полости 22, в которой давление гораздо ниже давления лини 11, в результате чего происходит резкое понижение давления в полости 21, что приводит к продолжению поступления жидкости через клапан 14 в полость 21.

Далее, как и в предыдущей конструкции, при ходе поршня вверх, в связи с тем, что отверстие 24 разобщается с каналом 16, давление в полости 21 поднимается в связи с натеканием в нее газа под давлением всасывания из линии 11, клапан 14 закрывается, и жидкость через рубашку 2 стекает в источник 13 через клапан 15, охлаждаясь в теплообменнике 19.

В этой конструкции в полости 22, периодически на части хода поршня соединяющейся с полостью всасывания 9, постоянно образуется максимально низкое давление, что позволяет интенсифицировать круговое движение охлаждающей жидкости через рубашку 2.

В конструкциях, изображенных на фиг. 13 и 14, интенсификация движения жидкости в системе охлаждения также организуется за счет временного соединения полости всасывания 9 с полостью 3 через открытый всасывающий клапан 7. Это происходит следующим образом.

При вращении приводного вала 5 вместе с ним вращается зафиксированный в определенно положении фиксатором 30 фланец 29. На этом фланце установлен постоянный магнит 28, при прохождении которого мимо неподвижной катушки 27 в ней индуцируется всплеск электрического тока, который поступает на катушку 31. При этом катушкой 31 создается кратковременное магнитное поле, втягивающее якорь в виде заслонки 25, которая преодолевает усилие пружины возврата 31 и частично перерывает линию всасывания 11. Данное действие происходит в тот отрезок времени, когда поршень 4 подходит к положению НМТ, и когда канал 6 соединяет рабочую полость цилиндра с полостью всасывания 9.

В связи с тем, что частичное перекрытие линии 11 сопровождается падением давления в полости 9, происходит интенсификация подачи жидкости через клапан 14 в полость 21.

В дальнейшем импульс магнитного поля прекращается, и заслонка 25 под действием пружины 33 возвращается в исходное положение.

В конструкции, схема которой показана на фиг. 14, движение подпружиненной пружиной возврата 37 заслонки 35 организуется кулачком 34 через шток 36. Кулачок имеет профиль, обеспечивающий частичное перекрытие линии 11 в момент подхода поршня 4 к положению НМТ.

Предложенный способ и его реализация в виде конструктивных решений позволяет существенно снизить массогабаритные параметры компрессора с автономным охлаждением за счет более компактного расположения действующих распределительных органов в пределах цилиндропоршневой группы, повысить экономичность работы за счет более интенсивного движения жидкости в системе охлаждения, что позволяет приблизить процесс сжатия газа к наиболее экономичному - изотермическому.

Интенсификация процесса охлаждения также позволяет стабилизировать температуру деталей цилиндропоршневой группы (ЦПГ) и за счет этого уменьшить величину мертвого объема, которая определяется как технологическими возможностями изготовителя, так и в значительной степени - температурными изменениями деталей ЦПГ в процессе их нагрева во время работы компрессора. Уменьшение мертвого объема позволяет повысить КПД, производительность и максимальный коэффициент повышения давления (отношение давления нагнетания к давлению всасывания) в одной ступени.

Более надежная организация движения жидкости через рубашку дает также возможность расширить диапазон частоты работы компрессора, особенно в сторону повышения частоты, что также позволяет улучшить массогабаритные показатели.

В связи с вышеизложенным, следует признать, что поставленные технические задачи полностью выполнены.

Группа изобретений относится к способу автономного охлаждения поршневого компрессора и устройству для его осуществления и может быть использована при создании высокоэффективных поршневых машин малой и средней производительности с автономной жидкостной системой охлаждения. Способ заключается в том, что охлаждающую жидкость, находящуюся в рубашке 2 цилиндра 1, содержащего поршень 4 и рабочую полость 3, прокачивают за счет перепада давления между полостью всасывания 9 и окружающей средой. Полость всасывания 9 на части хода всасывания через промежуточную полость 21 соединяют с нижней частью рабочей полости 3 цилиндра 1 при положении поршня 4 в нижней мертвой точке. Группа изобретений направлена на снижение массогабаритных параметров, повышение экономичности и расширение диапазона частоты работы компрессора. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 14 ил.

1. Способ автономного охлаждения поршневого компрессора, в котором охлаждающую жидкость, находящуюся в рубашке цилиндра, содержащего поршень и рабочую полость, прокачивают за счет перепада давления между полостью всасывания и окружающей средой, отличающийся тем, что полость всасывания на части хода всасывания через промежуточную полость соединяют с нижней частью рабочей полости цилиндра при положении поршня в нижней мертвой точке.

2. Поршневой компрессор с автономным охлаждением, содержащий цилиндр с рубашкой охлаждения, рабочую полость и поршень с приводом, приводной вал и механизм преобразования вращательного движения вала в возвратно-поступательное движение поршня, всасывающие и нагнетательные клапаны, установленные в полости всасывания и нагнетания, и соединяющие рабочую полость цилиндра с всасывающей и нагнетательной линиями, причем рубашка охлаждения соединена с источником охлаждающей жидкости с помощью всасывающего и нагнетательного клапанов, отличающийся тем, что полость всасывания на части хода всасывания соединена каналом через промежуточную полость с нижней частью рабочей полости цилиндра при положении поршня в нижней мертвой точке.

3. Компрессор по п. 2, отличающийся тем, что поршень содержит полость, снабженную обратным клапаном, соединяющим эту полость с рабочей полостью цилиндра, и отверстие в сторону боковой поверхности цилиндра, совпадающее с каналом при положении поршня в нижней мертвой точке.

4. Компрессор по п. 2, отличающийся тем, что всасывающая линия снабжена заслонкой, связанной с приводным валом через механизм ее перемещения, выполненный кулачкового или электромагнитного типа.

5. Компрессор по п. 4, отличающийся тем, что механизм электромагнитного типа содержит индуктор, состоящий из неподвижно закрепленной катушки индуктивности, и якорь в виде постоянного магнита, закрепленный на приводном валу с возможностью прохода мимо катушки индуктивности с малым зазором, а катушка индуктивности соединена с катушкой электромагнита, якорем которого является заслонка.

6. Компрессор по п. 4, отличающийся тем, что механизм кулачкового типа содержит кулачок, кинематически или непосредственно связанный с приводным валом с возможностью воздействия на заслонку.