СПИРАЛЬНЫЙ ДЕТАНДЕР

Полезная модель относится к области машиностроению, в частности к компрессоростроению, насосостроению, двигателестроению, и предназначена для использования в спиральных детандерах (пневмодвигателях) для предотвращения выхлопа газа (пара) при нерасчетном режиме работы и повышении КПД машины.
Из уровня техники известна спиральная машина, содержащая корпус, отверстия для всасывания и нагнетания газа, неподвижный спиральный элемент, находящийся в зацеплении с подвижным спиральным элементом, совершающим движение с эксцентриситетом относительно неподвижного спирального элемента с образованием замкнутых полостей сжатия, противоповоротное устройство, эксцентриковый вал на подшипниковых опорах, вентилятор для обеспечения циркуляции охлаждающего воздуха. Лопатки колеса вентилятора установлены по отношению к неподвижному основанию, являющемуся поверхностью охлаждения с зазором для обеспечения при вращении колеса движения воздуха по поверхности неподвижного основания с образованием вихрей, отрыва потока воздуха, уменьшения термического сопротивления на поверхности охлаждения, на которую нанесена искусственная шероховатость. Колесо вентилятора снабжено автономным приводом (RU 2287720, 20.11.2006).
Известна спиральная машина, содержащая корпус с отверстиями для всасывания и нагнетания газа, неподвижный спиральный элемент, имеющий основание со спиральным ребром и находящийся в зацеплении с подвижным спиральным элементом, также имеющим основание со спиральным ребром, установленным на эксцентриковом валу с возможностью совершения движения с эксцентриситетом относительно неподвижного спирального элемента с образованием между их спиральными ребрами замкнутых полостей сжатия, противоповоротное устройство, установленное в корпусе с возможностью предотвращения вращения подвижного и неподвижного спиральных элементов друг относительно друга и средство для подачи охлаждающей среды. Неподвижный спиральный элемент выполнен со вторым спиральным ребром с другой стороны своего основания с оптимальным соотношением b/h (b - толщина ребра, h - высота ребра), образующим с поверхностями этой стороны основания и корпуса спиральный канал для движения охлаждающей среды под влиянием центробежного эффекта и вторичной циркуляции (RU 63001, 10.05.2007).
Известна спиральная машина, содержащая корпус с отверстиями для всасывания и нагнетания газа, неподвижный спиральный элемент, имеющий основание со спиральным ребром и находящийся в зацеплении с подвижным спиральным элементом, также имеющим основание со спиральным ребром и установленным на эксцентриковом валу с возможностью совершения движения с эксцентриситетом относительно неподвижного элемента с образованием между их спиральными ребрами замкнутых полостей сжатия, противоповоротное устройство и средство для подачи охлаждающей среды. Неподвижный элемент выполнен со вторым ребром с другой стороны своего основания, образующим с поверхностями этой стороны основания и корпуса канал для движения охлаждающей среды. Второе ребро и канал для движения охлаждающей среды выполнены спиральными. Второе спиральное ребро выполнено повторяющим форму спирального ребра, расположенного с противоположной стороны (RU 2343317, 10.01.2009).
Недостатком известных устройств является то, что их конструкция не позволяет избежать перерасширения газа (пара) и предотвращении выхлопа газа(пара) при нерасчетном режиме работы.
Задача, на решение которой направлена предложенная полезная модель, заключается в создании спирального детандера, который исключал бы указанные выше недостатки.
Технический результат, достигаемый при реализации данной полезной модели, заключается в избегании перерасширения газа (пара) за счет добавления порции газа (пара) в защемленную полость из области низкого давления при работе, предотвращении выхлопа газа (пара) при нерасчетном режиме работы и повышении КПД машины.
Указанный технический результат достигается в спиральном детандере, содержащем расположенные в корпусе неподвижную спираль и подвижную спираль, выполненные с возможностью образования парных защемленных полостей в момент перед раскрытием спиралей, при этом на наружной боковой поверхности внешнего края каждой спирали выполнен, по меньшей мере, один клапан.
Корпус выполнен с отверстиями для всасывания и нагнетания газа.
Клапан расположен перпендикулярно к боковой поверхности каждой спирали.
Внешний край каждой спирали, на котором расположен клапан, выполнен утолщенным.
Неподвижная спираль и подвижная спираль выполнены в виде спиралей Архимеда, или эвольвентных спиралей, или спиралей из полуокружностей.
Сущность полезной модели поясняется чертежом, на котором изображен общий вид подвижной и неподвижной спиралей с клапанами.
Спиральный детандер - детандер объемного типа действия, расширение газа в котором происходит за счет увеличения объема защемленной полости при орбитальном движении подвижной спирали относительно неподвижной. Защемленные полости образуются, так как спирали сдвинуты и зеркально отображены друг относительно друга.
Особенностью спирального детандера является постоянство геометрической степени расширения, то есть, постоянство отношения объемов защемленной полости в момент начала расширения газа и в момент выпуска газа. Впуск газа происходит обычно в центральной части через торцевое отверстие, выпуск - через боковую часть спиралей при их раскрытии. Процесс расширения в идеальном спиральном детандере - изоэнтропный. Геометрическая степень расширения приводит к тому, что для определенного газа и детандера существует только одна расчетная степень расширения (отношения давлений на входе и выходе). Это можно показать через уравнение Пуассона:
,
д
где π - степень расширения.
вх
P - давление на входе.
вых
P - давление на выходе.
вх
V - объем парной полости в начале расширения.
вых
V- объем парной полости в конце расширения.
k - коэффициент изоэнтропы газа.
При работе с нерасчетной степенью расширения может происходить следующее:
1. В случае, если реальная степень расширения больше расчетной, происходит выхлоп газа при раскрытии спиралей из-за того, что газ не может расшириться полностью при заданной геометрии спиралей, давление при раскрытии спиралей больше, чем на выходе.
2. В случае, если реальная степень расширения меньше расчетной, происходит выхлоп газа с выхода обратно в защемленные полости при раскрытии спиралей, давление при раскрытии спиралей меньше, чем на выходе.
Оба случая приводят к снижению КПД. В первом случае - из-за того, что при выхлопе газа не снимается механическая работа, которая могла бы быть совершена в случае полностью изоэнтропного расширения в детандере. Во втором - из-за того, что снимается лишняя работа на дополнительное расширение газа, давление которого все равно возрастет до уровня давления на выходе при раскрытии спиралей.
Суть полезной модели можно увидеть на чертеже, на котором отражены: неподвижная спираль 1, подвижная спираль 2, клапаны 3 наружной боковой поверхности внешнего края каждой спирали, 4 - парная защемленная полость в момент перед раскрытием спиралей.
Клапаны 3 на подвижной 2 и неподвижной 1 спиралях расположены таким образом, что в случае, если давление в парной защемленной полости 4 к моменту ее прохождения в месте установки клапанов 3 ниже, чем давление на выходе, то клапаны 3 открываются и добавляют порции газа с выхода в парные защемленные полости 4. Таким образом, не тратится работа на лишнее расширение газа в случае, если реальная степень расширения меньше расчетной. За счет того, что не тратится лишняя работа, не происходит значительного снижения КПД, как в случае отсутствия клапанов 3. Так как указанные боковые поверхности спиралей 1, 2 никак не используются, то установка клапанов 3 на них не окажет существенного влияния на работу детандера. Для установки клапанов 3 возможно даже утолщение этой части спиралей 1, 2 для размещения на них любых клапанов 3.
Полезную модель можно использовать для спиральных детандеров со спиралями любой геометрии, такой как спираль Архимеда, эвольвентная спираль, спираль из полуокружностей и др.
Количество клапанов может быть любым, вплоть до 1, максимально далекого от конца спирали на внешней части. Чем больше клапанов, тем меньше их суммарное гидросопротвление и тем больше, в итоге, КПД машины.