Тепловой насос-испаритель Советский патент 1992 года по МПК F04B17/00 

Изобретение относится к топливной аппаратуре газовых двигателей внутреннего сгорания, использующих сжиженное газообразное топливо с подачей в цилиндр под высоким давлением, и может быть использовано в топливных системах газовых двигателей.

Известен тепловой насос-испаритель, содержащий корпус с горячим и холодным цилиндрами, первый из которых выполнен большего диаметра, расположенные в цилиндрах поршни, соединенные между собой подпружиненным штоком с образованием в цилиндрах штоковых и бесштоковых полостей, канал с испарителем, сообщенный со штоковой полостью горячего цилиндра, а в поршне последнего установлен перепускной клапан с возможностью перепуска среды из штоковой полости горячего цилиндра в бесштоковую полость.

Недостатком известного насоса является наличие массивных штока, соединяющего поршни, и втулки, соединяющей цилиндры, что обеспечивает большой тепловой поток от теплового к холодному цилиндру и значительное испарение криопродукта как в полостях насоса, так и в криобаке при установке насоса непосредственно в криобак. Кроме того, большое количество клапанов и теплообменников усложняет конструкцию насоса, а увеличенные мертвые объемы теплообменников, работающих в циклическом режиме, ограничивают степень повышения давления газообразного продукта.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является тепловой насос-испаритель содержащий корпус с горячим и холодным цилиндрами, первый из которых выполнен большего диаметра расположенные в цилиндрах поршни соедиXI

ел о о о

00

ненные между собой подпружиненным штоком с образованием в цилиндрах штоковых и бесштоковых полостей, всасывающий клапан, установленный в холодном цилиндре со стороны его штоковой полости, нагнетательный клапан, установленный в горячем цилиндре со стороны его бесштоковой полости, при этом штоковая полость холодно- гсГ цилиндра соединена со штоковой полостью горячего цилиндра посредством линии, в которой последовательно установлены обратный клапан на выходе из штоковой полости холодного цилиндра, испаритель и второй обратный клапан на входе в штоковую полость горячего цилиндра, а в поршне последнего установлен перепускной клапан с переключателем его положения при взаимодействии с корпусом и фиксатором, расположенным со стороны штоковой полости горячего цилиндра а также источник пускового давления, сообщенный через обратный клапан со штоковой полостью горячего цилиндра

Недостатком насоса является ограничение максимального давления, обусловленное затяжкой испарения в нагревателе до возврата поршней в нижнее положение, так как подача жидкого продукта в испаритель происходит во время движения поршня вверх и к моменту остановки поршня и возврата его вниз интенсивно испаряющийся криопродукт поступает через открытый клапан поршня теплого цилиндра к потребителю без отдачи энергии на работу холодного цилиндра, Кроме того, насосу характерен длительный выстой поршней в нижней мертвой точке из-за недостаточного количества испаряющего продукта, что снижает цикличность и производительность насоса

Цель изобретения - повышение КПД и увеличение максимального давления теплового насоса-испарителя.

Указанная цель достигается тем, что тепловой насос-испаритель, содержащий корпус с горячим и холодным цилиндрами, первый из которых выполнен большего диаметра, расположенные в цилиндрах поршни, соединенные между собой подпружиненным штоком с образованием в цилиндрах штоковых и бесштоковых полостей, всасывающий клапан, установленный в холодном цилиндре со стороны его штоковой полости, нагнетательный клапан, установленный в горячем цилиндре со стороны его бесштоковой полости, при этом штоковая полость холодного цилиндра связана со штоковой полостью горячего цилиндра посредством линии, которая включает испаритель и два обратных клапана, первый из которых установлен на выходе из штоковой

полости холодного цилиндра, а второй сре- диняет испаритель со штоковой полостью горячего цилиндра, а в поршне последнего установлен перепускной клапан с переключением его положения при взаимодействии с корпусом и фиксатором, расположенным со стороны штоковой полости горячего цилиндра, дополнительно содержит гидроаккумулятор и золотник, который жестко

0 связан со штоком и установлен в линии, соединяющей между собой штоковые полости холодного и горячего цилиндров, на участке между испарителем и установленным на выходе из штоковой полости холодного

5 цилиндра обратным клапаном, причем последний дополнительно соединен с гидроаккумулятором

На чертеже представлена принципиальная схема теплового насоса-испарителя.

0 Тепловой насос-испаритель содержит корпус 1 с горячим 2 и холодным 3 цилиндрами, первый из которых выполнен большего диаметра. В цилиндрах 2 и 3 расположены поршни 4 и 5, жестко соеди5 ненные между собой штоком 6 с образованием в цилиндрах 2 и 3 штоковых 7, 8 и бесштоковых 9, 10 полостей соответственно Бесштоковая полость 10 холодного цилиндра 3 сообщена с полостью емкости 11,

0 которая заполнена жидким криопродуктом. Через обратный клапан 12 со штоковой полостью горячего цилиндра 2 сообщен источник 13 пускового давления

В поршне 4 горячего цилиндра установ5 лен подпружиненный перепускной клапан 14 с возможностью перепуска для среды из штоковой полости 7 горячего цилиндра 2 в бесштоковую полость 9

Перепускной клапан 14 выполнен с кон- О цевыми переключателями 15 и 16 его положения при воздействии с корпусом 1 и фиксатором 17, например, магнитного типа, расположенным со стороны штоковой полости 7 горячего цилиндра 2

5 Всасывающий клапан 18 насоса установлен в холодном цилиндре 3 со стороны его штоковой полости 8, а подпружиненный нагнетательный клапан 19 насоса - в горячем цилиндре 2 со стороны его бесштоковой

0 полости 9,

Шток 6 герметизирован кольцевыми уплотнениями 20 и 21 и подпружинен совместно с поршнями 4 и 5 пружиной 22, размещенной в бесштоковой полости 9 го5 рячего цилиндра 2

Штоковая полость 8 холодного цилиндра 3 связана со штоковой полостью 7 горячего цилиндра посредством линии 23, которая включает испаритель 24 и два обратных клапана 25 и 26 Обратный клапан 25

установлен на выходе штоковой полости 8 холодного цилиндра, а обратный клапан 26 соединяет испаритель 24 со штоковой полостью 7 горячего цилиндра 2,

Тепловой насос-испаритель дополнительно содержит гидроаккумулятор 27 и золотник 28,. который жестко связан со штоком и установлен в линии 23 на участке между испарителем 24 и обратным клапаном 25.

Обратный клапан 25 дополнительно соединен с гидроаккумулятором 27, например, выполненными в виде пневмогид- роаккумулятора без разделителя, у которого верхняя газовая часть размещена в зоне размещения испарителя 24 (горячей зоне). Гидроаккумулятор 27 может быть также пружинного типа (не показано).

Золотник 28 может быть образован частью штока 6, содержащей проточку, как показано на чертеже. В этом случае шток 6 установлен в отверстии корпуса 1 с кольцевым зазором а на участке между уплотнениями 20 и 21, а корпус 1 содержит кольцевой выступ 29 с уплотнительным цилиндрическим пояском 30, взаимодействующим с ул- лотнительными поясками золотника 28, являющегося одновременно наружной уп- лотнительной поверхностью штока б, при перемещении последнего относительно выступа 29.

Кольцевой зазор а выполняет роль части трубопровода линии 23. связывающей между собой штоковые полости 8 и 7.

При расположении проточки золотника 28 напротив выступа 29 между поверхностями пояска 30 и проточки золотника имеется зазор Ь.

Тепловой насос-испаритель работает следующим образом.

При запуске насоса в работу от источника 13 пускового давления подают импульс давления через обратный клапан 12 в што- ковую полость 7 горячего цилиндра, что приводит к повышению давления в полости 7 и вызывает совместное перемещение поршней 4 и 5 со штоком б вверх с одновременным сжатием пружины 22.

При ходе поршней вверх поршень 5 вытесняет жидкий криопродукт из полости 8 через клапан 26, зазоры а и b и далее через испаритель 24 и клапан 26 в штоковую полость 7 горячего цилиндра.

При прохождении криопродукта через испаритель 24 происходит испарение криопродукта в линии 23 в результате чего повышается давление в линии 23 и штоковой полости 7 горячего цилиндра 2

Повышение давления в полости 7 приводит к увеличению усилия ч соответствующий торец поршня 4 горячего цилиндра, в результате чего оба поршня 4 и 5 перемещаются вверх вне зависимости от наличия пускового давления.

5При перемещении штока 6 с поршнями

вверх нижняя (по чертежу) кромка К золотника 28, приближаясь к уплотнительному пояску 30 выступа 29, отсекает линию 23 от клапана 25, в результате чего прекращается 10 поступление жидкого криопродукта из полости 8 в линию 23, а в результате повыше- ния давления в полости 8 жидкий криопродукт из последней через клапан 25 поступает в аккумулятор 27, сжимая находя- 15 щуюся в его верхней части, расположенной в горячей зоне, газовую подушку, образованную испаренным в аккумуляторе криоп- родуктом. Дальнейшее перемещение поршней вверх происходит за счет давле- 0 ния испаряющегося криопродукта, ранее накопленного в испарителе. При этом имеющийся в полости 9 газ поршнем 4 вытесняется к потребителю. При подходе к верхней мертвой точке поршней переключатель 16, 5 взаимодействуя с верхней крышкой цилиндра 2, открывая клапан 14, сообщает штоковую полость 7 с бесштоковой полостью 9. Перепад давлений между полостями 7 и 9 при этом исчезает. Перепускной клапан 14 0 удерживается к открытом состоянии своей пружиной, сообщая между собой полости 7 и 9.

Давление газа в полостях цилиндра 2. взаимодействуя на площадь поперечного 5 сечения штока б, перемещает поршни 4 и 5 со штоком 6 вниз. При этом происходит всасывание жидкого криопродукта через клапан 18 в полость 8 холодного цилиндра 3.

При подходе поршней к нижней мерт- 0 вой точке нижняя кромка К золотника 28 отходит от пояска 30 выступа 29, открывая в линии 23 проток по зазору Ь. При этом накопленный в аккумуляторе 27 жидкий криопродукт под давлением газовой подушки в 5 верхней части аккумулятора вытесняется через зазор Ь в испаритель 24, проходя через который криопродукт нагревается и, испаряясь в газ. повышает давление в линию 23. а следовательно, и в связанной к ней 0 через клапан 26 полости 7. Одновременно повышается давление и в полости 9. сообщенной через открытый перепускной клапан 14с полостью 7.

Из полости 7 под давлением часть газо- 5 образного криопродукта через клапан 19 поступает потребителю. Движение поршней 4 и 5 вниз продолжается до момента взаимодействия переключателя 15 перепускного клапана 14с нижним торцом цилиндра 2. В результате этого клапан 14

закрывается, полость 7 разобщается с полостью 9,

После закрытия клапана 14 давление газа в полости 7 возрастает в результате дальнейшего испарения жидкого криопро- дукта, находящегося в испарителе 24.

Под действием возросшего перепада давлений между полостями 7 и 9 поршни 4 и 5 перемещаются вверх, и цикл повторяется.

Благодаря тому, что криопродукт из аккумулятора 27 под давлением интенсивно поступает в испаритель 24 еще до момента подхода поршня к нижней мертвой точке, испаритель 24 к моменту начала движения поршней 4 и 5 вверх обеспечивает выдачу большего количества газа в полость 7, что повышает начальную скорость движения поршней из нижней мертвой точки, а следовательно, увеличивает цикличность и производительность.

Прекращение подачи криопродукта за счет перекрытия зазора b телом золотника 28 в конце первой половины хода поршней 4 и 5 вверх обеспечивает повышение КПД теплового насоса-испарителя благодаря более полному использованию давления испа- ренного криопродукта Этот эффект аналогичен эффекту, проявляемому при отсечке пара в поршневых паровых машинах, однако достигается иными средствами

Формула изобретения Тепловой нзсос-испаритель, содержащий корпус с горячим и холодным цилиндрами, первый из которых выполнен

большего диаметра, расположенные в .цилиндрах поршни, соединенные между собой штоком с образованием в цилиндрах штоко- вых и бесштоковых полостей, всасывающий

клапан, установленный в холодном цилиндре со стороны его штоковой полости, нагнетательный клапан, установленный в горячем цилиндре со стороны его бесштоковой полости, при этом штоковая полость холодного

цилиндра связана со штоковой полостью горячего цилиндра посредством линии, которая включает испаритель и два обратных клапана, первый из которых установлен на выходе из штоковой полости холодного цилиндра, а второй соединяет испаритель со штоковой полостью горячего цилиндра, в поршне последнего установлен перепускной клапан с переключателем его положения при взаимодействии с корпусом и

фиксатором, расположенным со стороны штоковой полости горячего цилиндра, а также источник пускового давления, сообщен; ный через обратный клапан со штоковой полостью горячего цилиндра, отличающ и и с я тем, что, с целью повышения КПД теплового насоса-испарителя и увеличения максимального давления, насос снабжен гидроаккумулятором и золотником, последний жестко связан со штоком и установлен

в линии, соединяющей штоковые полости холодного и горячего цилиндров на участке между испарителем и установленным на выходе из штоковой полости холодного цилиндра обратным клапаном, который

дополнительно соединен с гидроаккумулятором

11

Изобретение относится к двигателест- роению, а именно: к топливной аппаратуре газовых двигателей внутреннего сгорания. Цель изобретения - повышение КПД теплового насоса-испарителя и увеличение максимального давления. Насос-испаритель имеет корпус с горячим и холодным цилиндрами, расположенные в цилиндрах поршни, соединенные между собой штоком с образованием в цилиндрах штоковых и бес- штоковых полостей, клапаны и источник пускового давления. Насос-испаритель снабжен гидроаккумулятором и золотником. Последний жестко связан со штоком и установлен в линии, соединяющей штоко- вые полости холодного и горячего цилиндров, на участке между испарителем и установленным на в ыходе из штоковой полости холодного цилиндра обратным клапаном, который дополнительного соединен с гидроэккумулятором. 1 ил (/ С