Поршневой двухцилиндровый компрессор с автономным жидкостным рубашечным охлаждением
RECIPROCATING TWO-CYLINDER COMPRESSOR WITH AUTONOMOUS LIQUID JACKET COOLING

Изобретение относится к области энергетических машин и касается преимущественно поршневых компрессоров и систем их охлаждения, и может быть использовано при создании поршневых компрессоров с повышенной экономичностью за счет организации автономной энергосберегающей системы охлаждения цилиндропоршневой группы.
Известны поршневые двухцилиндровые компрессоры, содержащие первый и второй цилиндры с всасывающими и нагнетательными клапанами, соединяющими рабочие полости цилиндров через полости всасывания и нагнетания с источником и потребителем газа (см., например, кн. Агурин А.П. «Передвижные компрессорные станции», М.: Высшая школа, 1989. – 184 с., стр. 58, рис. 39).
К недостатку этих машин следует отнести их невысокую экономичность, связанную с плохим охлаждением цилиндропоршневой группы, что повышает политропу процесса сжатия, удлиняет процесс расширения из мертвого пространства, и в совокупности снижает производительность компрессора и его КПД.
Эти недостатки устраняются применением жидкостного рубашечного охлаждения, которое организуется за счет перемещения поршней.
Известна конструкция поршневого двухцилиндрового компрессора, содержащего первый и второй цилиндры с всасывающими и нагнетательными клапанами, соединяющими рабочие полости цилиндров через полости всасывания и нагнетания с источником и потребителем газа, причем цилиндры имеют жидкостные рубашки охлаждения и поршни,
соединенные с механизмом привода, содержащим коленчатый вал с первой и второй опорными и шатунными шейками, находящимися в противофазе одна относительно другой (см. патент РФ № 2565134, МПК F04B19/06, опубл. 20.10.2015).
К недостатку известной конструкции относится ее сложность и большие затраты на перемещение охлаждающей жидкости через жидкостную рубашку, окружающую цилиндропоршневые группы, т.к. жидкость заполняет весь картер машины, и механизм движения (особенно шатуны поршней) испытывают сопротивление жидкости при своем движении.
Известен также поршневой двухцилиндровый компрессор с жидкостным рубашечным охлаждением, содержащий первый и второй цилиндры с всасывающими и нагнетательными клапанами, соединяющими рабочие полости цилиндров через полости всасывания и нагнетания с источником и потребителем газа, причем цилиндры имеют жидкостную рубашку охлаждения и поршни, соединенные с механизмом привода, содержащим коленчатый вал с первой и второй опорными и шатунными шейками, находящимися в противофазе одна относительно другой, причем всасывающие полости обоих цилиндров объединены в единую всасывающую полость, которая соединена с герметичной емкостью, наполненную жидкостью, и эта емкость имеет всасывающий и нагнетательный клапаны, соединенные с жидкостной рубашкой охлаждения соединенной с дополнительной емкостью, которая заполнена жидкостью и имеет отверстие, соединяющее полость этой емкости с атмосферой (см. патент РФ № 2640970, МПК F 04 B 39/06, 12.01.2018 г.).
Недостатком известной конструкции является низкая экономичность при работе на переходных режимах, когда давление потребителя снижается по сравнению с максимальным давлением, на которое рассчитана работа компрессора.
ε
ε
Подавляющее большинство потребителей сжатого одноступенчатым компрессором воздуха работает в диапазоне от 6-ти до 8-ми бар, и остается работоспособным при давлении 4-5 бар (пневмодрели, пневмогайковерты, пневмозажимы, пневмораспылители краски и др.). При централизованном пневмоснабжении группы потребителей их количество, расходующих сжатый воздух постоянно меняется, соответственно и меняется давление, развиваемое компрессором. При максимальном потреблении оно минимально, а при минимальном потреблении оно максимально. Таким образом, степень повышения давления , равная отношению давления нагнетания к давлению всасывания, в рабочих полостях цилиндров компрессора в течение рабочего дня может меняться от 4-х до 8-ми (при более высоком давлении реле давления при  его  наличии останавливает компрессор, либо срабатывает предохранительный клапан и осуществляется сброс излишка давления в атмосферу). Соответственно, изменяется и температура конца процесса сжатия  - при уменьшении  она снижается, а при увеличении – растет. При этом изменяется и среднеиндикаторная температура, а вместе с ней – и температура деталей цилиндропоршневой группы (ЦПГ). Для обеспечения нормального теплового режима работы  ЦПГ проектирование систем и узлов компрессора ведется из расчета максимальной температуры. В данной конструкции жидкостное охлаждение деталей ЦПГ осуществляется путем прокачки жидкости через систему охлаждения за счет перепада давления между полостью всасывания и атмосферой, которое образуется в процессе всасывания газа, и которое возникает в связи с наличием гидравлического сопротивления линии всасывания. Чем больше это сопротивление, тем больше расход жидкости и больше интенсивность охлаждения. Поэтому при проектировании выбирается такое гидравлическое сопротивление, которое обеспечивает расход жидкости, необходимый для компенсации выделения теплоты при сжатии газа до максимального давления. То есть в конструкцию ЦПГ закладывается максимальное гидравлическое сопротивление всасывающего тракта. Следует отметить, что наличие гидравлического сопротивления на всасывании снижает секундную производительность компрессора и, следовательно, повышает удельную работу, затрачиваемую на производство сжатого газа. Это обстоятельство снижает эффективность работы компрессора, т.к. реально он работает на переменных режимах, когда потребляется газ под давлением порядка 4-6 бар, в то время как изготовитель вынужден обеспечивать гидравлическое сопротивление всасывающего тракта, обеспечивающее нормальную работу машины при  максимальном давлении оборудования - 8 бар.
Технической задачей изобретения является повышение экономичности компрессора за счет снижения работы, потраченной на перемещение через рубашку охлаждающей жидкости при работе на переменных режимах.
Указанная техническая задача решается тем, что в поршневом двухцилиндровом компрессоре с автономным жидкостным рубашечным охлаждении, содержащем первый и второй цилиндры с всасывающими и нагнетательными клапанами, соединяющими рабочие полости цилиндров через всасывающий и нагнетательный трубопроводы и, соответственно, полости всасывания и нагнетания, с источником и потребителем газа, причем цилиндры имеют жидкостную рубашку охлаждения и поршни, соединенные с механизмом привода, содержащем коленчатый вал с первой и второй опорными и шатунными шейками, находящимися в противофазе одна относительно другой, причем всасывающие полости обоих цилиндров объединены в единую всасывающую полость, которая соединена с герметичной емкостью, наполненную жидкостью, и эта емкость имеет всасывающий и нагнетательный клапаны, соединенные с жидкостной рубашкой охлаждения соединенной с дополнительной емкостью, которая заполнена жидкостью и имеет отверстие, соединяющее полость этой емкости с атмосферой, согласно изобретению, всасывающий трубопровод снабжен заслонкой, имеющей возможность частичного перекрытия этого трубопровода, причем эта заслонка снабжена устройством для ее перемещения в направлении перекрытия всасывающего трубопровода, установленном на верхней части цилиндров.
Устройство для перемещения заслонки может быть снабжено мультипликатором, выполненным в виде, например, рычагов первого или второго рода.
Устройство для перемещения заслонки может быть выполнено в виде биметаллической пластины, или в виде цилиндра с жидкостью, причем в верхней части цилиндра над столбом жидкости размещен поршень, имеющий скос, контактирующий с заслонкой таким образом, что при перемещении поршня заслонка перемещается перпендикулярно оси этого цилиндра.
Устройство для перемещения заслонки может быть выполнено также в виде цилиндра с жидкостью, причем в верхней части цилиндра жестко закреплен открытым торцом заполненный жидкостью сильфон, направленный в сторону всасывающего трубопровода, а на другом глухом торце установлена заслонка.
Герметичная емкость может быть выполнена цилиндрической и содержать стержень, изготовленный из материала с высокой теплопроводностью, расположенный вдоль оси емкости и имеющий выступающую наружу часть, причем та часть, которая находится внутри емкости, упирается в ее дно и содержит ленточный витой выступ, нижний конец которого упирается в дно емкости в зоне между всасывающим и нагнетательным клапанами, та часть, которая выступает наружу, имеет ребра охлаждения, при этом всасывающий и нагнетательный клапаны могут быть соединены с внутренней полостью герметичной емкости каналами, расположенными по касательной к окружности этой емкости, причем всасывающий клапан расположен в верхней части, а нагнетательный – в нижней части емкости.
Герметичная емкость может содержать оребренную по длине пластину, изготовленную из материала с высокой теплопроводностью, часть которой находится внутри емкости, а другая часть – с ее наружной стороны, причем та часть, которая находится внутри емкости, делит эту емкость по высоте на две части и имеет сквозные отверстия, соединяющие эти части, причем нижняя кромка нижнего по высоте отверстия находится на расстоянии от нижнего торца внутренней части герметичной емкости, равном или меньшем минимального уровня жидкости, заполняющей эту емкость.
Сущность изобретения поясняется чертежами.
На фиг. 1 схематично показано сечение поршневого двухцилиндрового компрессора с устройством для перемещения заслонки в виде биметаллической пластины.
На фиг. 2 показана верхняя часть цилиндров с биметаллической пластины при выключенном компрессоре.
На фиг. 3 показана верхняя часть рабочих цилиндров с биметаллической пластины при работе компрессора на среднем режиме.
На фиг. 4 показана верхняя часть рабочих цилиндров с биметаллической пластины при работе компрессора на режиме максимально развиваемого давления.
На фиг. 5 показана верхняя часть рабочих цилиндров с цилиндром, заполненном жидкостью и скошенным поршнем при работе компрессора на среднем режиме.
На фиг. 6 показана верхняя часть рабочих цилиндров с установленным на них заполненным жидкостью цилиндром, в верхней части которого установлен заполненный жидкостью сильфон при работе компрессора на среднем режиме.
На фиг. 7 и 8 показана герметичная емкость с перегородкой, имеющей ребра для повышения интенсивности охлаждения.
На фиг. 9 и 10 показана эта же емкость в виде цилиндра с центральным стержнем, снабженным ленточным витым выступом и выступающей частью с ребрами охлаждения.
На фиг. 11 и 12 показана эта же цилиндрическая емкость со стрежнем, в которой всасывающий и нагнетательный клапаны расположены по касательной к окружности.
На фиг. 13 показана верхняя часть рабочих цилиндров с основной и дополнительной заслонкой, прикрепленной к биметаллической пластине, нижняя часть которой погружена в охлаждающую жидкость.
На фиг. 14 и 15 показана верхняя часть рабочих цилиндров с заслонкой для частичного перекрытия всасывающего трубопровода, которая прикреплена к рычагам соответственно первого и второго рода, с которыми взаимодействуют биметаллические пластины, установленные в верхней части рабочих цилиндров.
Компрессор (фиг. 1) содержит первый 1 и второй 2 рабочие цилиндры с всасывающими 3 и 4 и нагнетательными 5 и 6 клапанами, соединяющими рабочие полости 7 и 8 цилиндров 1 и 2 через единую всасывающую полость 9 и полости нагнетания 10 и 11 соответственно с источником и потребителем газа через всасывающий трубопровод 12 и нагнетательный трубопровод 13.
Цилиндры 1 и 2 имеют общую жидкостную рубашку 14 охлаждения и поршни 15 и 16, соединенные шатунами 17 и 18 с механизмом привода, содержащим коленчатый вал 19 с первой 20, второй 21 опорными, и 22 и 23 шатунными шейками, находящимися в противофазе одна относительно другой.
Единая всасывающая полость 9 соединена с герметичной емкостью 24, наполненную жидкостью, через канал 25. Емкость 24 имеет всасывающий клапан 26 и нагнетательный клапан 27 соединенные с жидкостной рубашкой 14 охлаждения через теплообменники 28 и 29, и, кроме того - соединена через рубашку 14 и канал 30 с дополнительной емкостью 31, заполненной жидкостью и имеющей отверстие 32, соединяющее полость этой емкости с атмосферой.
На этом чертеже (фиг. 1) штриховыми линиями показаны положения поршней 15 и 16 в верхней (аббревиатура ВМТ) и нижней (аббревиатура НМТ) точках.
Всасывающий трубопровод 12 снабжен заслонкой 33, имеющей возможность частичного перекрытия этого трубопровода через окно 34, причем эта заслонка снабжена устройством для ее перемещения в направлении перекрытия всасывающего трубопровода 12, установленном на верхней части 35 цилиндров 1 и 2.
В данном примере (фиг. 1-4) устройство для перемещения заслонки 33 выполнено в виде биметаллической пластины 36, к которой прикреплена заслонка 33, жестко защемленной в верхней части 35 цилиндров.
В другом варианте (фиг. 5) устройство для перемещения заслонки выполнено в виде цилиндра 36 с жидкостью 37, причем в верхней части этого цилиндра над столбом жидкости 37 размещен поршень 38, имеющий скос 39, контактирующий с направляющей 40 подпружиненной заслонки 41 таким образом, что при перемещении поршня 38 заслонка 41 перемещается перпендикулярно оси цилиндра 36.  Цилиндр 36 запрессован в верхнюю часть 35 цилиндров и имеет крышку 42 с сапуном 43.
Третий вариант (фиг. 6) содержит устройство для перемещения заслонки, которое выполнено в виде цилиндра 44 с жидкостью 45, причем в верхней части цилиндра 44 жестко закреплен открытым торцом 46 заполненный такой же жидкостью сильфон 47, направленный в сторону всасывающего трубопровода 12, а на другом глухом торце 48 установлена заслонка 49.
В качестве жидкостей 37 и 45 могут использоваться жидкости с большим коэффициентом температурного расширения, такие как спирт, ацетон, бензин, керосин, эфир, глицерин, скипидар.
L
h
На фиг. 7 и 8 показана герметичная емкость 24, содержащая оребренную ребрами 50 по длине пластину 51, изготовленную из материала с высокой теплопроводностью, например, из дюралюминия. Часть  пластины 51 находится внутри емкости 24, а другая часть – с ее наружной стороны. Та часть, которая находится внутри емкости 24, делит эту емкость по высоте на две части 52 и 53 и имеет сквозные отверстия 54, соединяющие эти части. Нижняя кромка 55 нижних по высоте отверстий 54 находится на расстоянии  от нижнего торца 56 внутренней части герметичной емкости 24, равном или меньшем минимального уровня  жидкости, заполняющей эту емкость.
На фиг. 9 и 10 показана герметичная емкость 24, которая выполнена цилиндрической и содержит стержень 57, изготовленный из материала с высокой теплопроводностью, например, из дюралюминия. Стержень расположен вдоль оси емкости 24 и имеет выступающую наружу часть  с ребрами охлаждения 58. А та часть, которая находится внутри емкости 24 и упирается в ее дно, содержит ленточный витой выступ 59, нижний конец 60 которого упирается в дно емкости в зоне между всасывающим 26 и нагнетательным 27 клапанами.
На фиг. 11 и 12 показан аналогичный вариант конструкции емкости 24, в котором всасывающий 26 и нагнетательный 27 клапаны соединены с внутренней полостью герметичной емкости 24 каналами 61 и 62, расположенными по касательной к окружности этой емкости. Причем всасывающий 26 клапан расположен в верхней части, а нагнетательный 27 – в нижней части емкости 24.
На фиг. 13 показан вариант, в котором наряду с заслонкой 33, закрепленной на биметаллической пластине 37, установленной на верхней части 35 рабочих цилиндров, дополнительно установлено устройство для перемещения заслонки 63, которое запрессовано в верхнюю часть 35 цилиндров и частично погружено в жидкостную рубашку 14 охлаждения. Это устройство, на котором закреплена заслонка 63, выполнено в виде биметаллической пластины 64, нижняя часть которой представляет собой цилиндрический штырь 65.  Этот штырь через теплоизоляционную втулку 66 запрессован в верхнюю часть 35 цилиндров и проникает в полость жидкостной рубашки 14. Заслонка 63 входит в окно 67.
S
S
1
2
На фиг. 14 показан вариант установки заслонки 33 на одном конце рычага первого рода 68, который может поворачиваться вокруг оси 69, и контактирует с биметаллической пластиной 36 на расстоянии  от оси поворота. Расстояние от оси поворота 69 до заслонки 33 равно . Ось 69 установлена в кронштейне 70, закрепленном на трубопроводе 12. Таким образом, рычаг 68 выполняет функцию мультипликатора, которым снабжено устройство для перемещения заслонки 33. Ленточная пружина 71 прижимает рычаг 68 к платине 36.
На фиг. 15 показана аналогичная конструкция с мультипликатором в виде рычага 72 второго рода
Компрессор работает следующим образом (фиг. 1).
При вращении коленчатого вала 19 шатунные шейки 22 и 23 совершают орбитальное круговое движение, в результате чего соединенные с ними через шатуны 17 и 18 поршни 15 и 16 совершают возвратно-поступательное движение от ВМТ к НМТ и обратно. При этом объем полостей 7 и 8 цилиндров 1 и 2 изменяется, в результате чего газ всасывается через всасывающий трубопровод 12, общую полость всасывания 9 и клапаны 3 и 4 в полости 7 и 8, сжимается в них и подается потребителю через нагнетательные клапаны 5 и 6, полости нагнетания 10 и 11 и нагнетательный трубопровод 13.
При осуществлении процессов всасывания в цилиндрах 1 и 2 в связи с наличием гидравлического сопротивления всасывающего трубопровода  и клапанов 3 и 4 давление в полостях 7 и 8 становится существенно ниже давления всасывания (давления атмосферы). Из-за гидравлического сопротивления линии всасывания 12 давление в полости 9 также становится ниже атмосферного в течение процессов всасывания в цилиндрах 1 и 2, и это давление тем ниже, чем выше скорость движения поршня в течение его хода. То есть, по существу в данной конструкции в полости 9 происходит колебание давления с амплитудой в сторону ниже атмосферного давления. Эти колебания давления передаются через канал 25 в полость герметичной емкости 24, и давление в этой емкости колеблется с удвоенной частотой вращения коленчатого вала 19 и с амплитудой, направленной в сторону разрежения от атмосферного давления.
Емкость 24 и емкость 31 представляют собой сообщающиеся через теплообменники 28, 29, рубашку 14 и канал 30 сосуды. Причем, в емкости 31 на жидкость, ее заполняющую, всегда действует атмосферное давление, благодаря наличию отверстия 32.
При давлении в емкости 24 ниже атмосферного возникает перепад давления между емкостью 31 и емкостью 24, в результате чего открывается клапан 26, и жидкость из рубашки 14 через теплообменник 28 поступает в эту емкость, ее уровень в ней повышается. Одновременно жидкость истекает из емкости 31 в рубашку 14 через канал 30, и ее уровень в емкости 31 понижается.
При давлении в емкости 24 равному атмосферному, в связи с возникшим перепадом высот в емкости 24 и емкости 31, под действием гравитационных сил жидкость в емкости 24 давит на клапан 27, открывает его и истекает через теплообменник 29 назад в рубашку 14, а из нее - через канал 30 в емкость 31.
В связи с тем, что, разрежение в емкости 24 длится дольше, чем длится атмосферное давление, расход жидкости в емкость 24 сначала больше, чем из этой емкости. В результате этого растет перепад высот уровней жидкости в емкостях 24 и 31. Этот рост продолжается до тех пор, пока перепад высот не достигнет такого уровня, что влияние гравитационных сил станет одинакового порядка с влиянием сил от перепада давления, и расход  в емкость 24 и из нее станет одинаковым, возникает устойчивый режим, при котором жидкость постоянно мигрирует в пределах всей системы охлаждения. При этом и в емкости 24, и в емкости 31 наблюдается конвективное движение жидкости – более нагретая поднимается вверх, а охладившаяся о стенки – опускается вниз, чем достигается постоянный «круговорот» жидкости в системе. В результате этого отнятая жидкостью теплота сжатия газа от стенок цилиндров 1 и 2 в рубашке 14 передается в окружающую среду, что повышает экономичность работы компрессора.
При работе компрессора на низком и среднем давлении нагнетания  температура верхней части 35 цилиндров относительно невелика, и биметаллическая пластина 36, температура которой зависит от температуры цилиндров, прогибается на такую величину, что заслонка 33 (фиг. 3) не входит в живое сечение трубопровода 12, т.к. его гидравлического сопротивления и создаваемого им разрежения в полости 9 во время процесса всасывания достаточно для циркуляции жидкости в системе охлаждения ЦПГ.
При увеличении давления нагнетания температура в верхней части 35 цилиндров вырастает, соответственно растет температура пластины 36 и ее прогиб (фиг. 4), и заслонка 33 входит в живое сечение трубопровода 12, уменьшает это сечение, в результате чего его сопротивление увеличивается. Это приводит к увеличению разрежения в полости 9 во время процесса всасывания и, соответственно, к росту расхода жидкости, циркулирующей в системе охлаждения, что приводит к снижению температуры ЦПГ до приемлемого уровня.
В конструкции, изображенной на фиг. 5, увеличение температуры верхней части 35 цилиндров приводит к дополнительному (по сравнению с температурой при низких и средних давлениях нагнетания) нагреву жидкости 37, ее объем дополнительно увеличивается, что приводит к дополнительному продвижению поршня 38 вверх. При этом своим скосом 39 он воздействует на направляющую 40, и закрепленная на ней пластина 41 входит в живое сечение трубопровода 12, увеличивая его гидравлическое сопротивление, что влечет за собой увеличение расхода охлаждающей жидкости.
В конструкции, изображенной на фиг. 6 увеличение температуры части 36 цилиндров приводит к росту температуры жидкости 45, ее дополнительному расширению, что приводит к удлинению сильфона 47 и частичному перекрытию заслонкой 49 живого сечения трубопровода 12, что приводит к увеличению его гидравлического сопротивления и росту расхода жидкости в системе охлаждения.
В предложенных вариантах конструкции компрессора с автономным жидкостным охлаждением существенно уменьшены потери работы на преодоление гидравлического сопротивления всасывающего трубопровода при работе на переменных режимах, когда давление, развиваемое компрессором, ниже максимального. Следует учесть, что именно эти режимы занимают большую часть времени работы компрессора в реальных условиях.
Таким образом, следует считать, что техническая задача повышения экономичности компрессора за счет снижения работы, потраченной на перемещение охлаждающей жидкости при работе на переменных режимах, полностью выполнена.