Способ работы поршневой вертикальной гибридной машины объемного действия и устройство для его осуществления
OPERATION METHOD OF PISTON VERTICAL HYBRID MACHINE OF DIMENSIONAL ACTION AND METHOD FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к области энергетических машин объемного действия и может быть использовано преимущественно при создании гибридов типа «поршневой насос-компрессор», обладающих широким диапазоном давления и высокой экономичностью.
Известен способ работы поршневой вертикальной гибридной машины объемного действия, заключающийся в том, что в общем цилиндре попеременно производится сжатие газа и жидкости и подача их потребителям (см., например, патент РФ №125635 «Поршневой насос-компрессор», МПК F04В 19/06, опубл. 10.03.2013, бюл. №7).
Известен также способ работы поршневой вертикальной гибридной машины объемного действия, заключающийся в том, что в общем цилиндре, разделенном дифференциальным поршнем с бесконтактным уплотнением с образованием надпоршневой газовой и подпоршневой жидкостной рабочих камер, при возвратно-поступательном движении поршня одновременно в газовую камеру через всасывающий клапан от источника всасывается газ или смесь газов, а в жидкостной камере сжимается и нагнетается потребителю жидкость, после чего одновременно в газовой камере сжимается и нагнетается потребителю газ или смесь газов, а в жидкостной камере производится всасывание жидкости от источника жидкости (см. патент РФ №2538371 «Способ работы насос-компрессора и устройство для его осуществления», МПК F04В 19/06, опубл. 10.01.2015, бюл. №1).
Недостатком известных конструкций является невозможность сжатия жидкости до давления, существенно (в 2 раза и более) превышающего давление нагнетания газа. Данное обстоятельство связано с тем, что жидкость обладает на несколько порядков большей вязкостью, чем газ, и при высоком давлении нагнетания жидкости она занимает не только весь объем уплотнения, но и проникает в газовую камеру над поршнем, а в процессе сжатия-нагнетания газа она не может быть вытеснена через бесконтактное уплотнение назад в подпоршневое пространство. Из-за этого жидкость постепенно скапливается над поршнем и, когда ее объем превышает объем мертвого пространства газовой полости, в конце хода нагнетания газа сначала жидкость начинает в значительном количестве выталкиваться в нагнетаемый газ, что затрудняет работу нагнетательной линии по очистке газа от примесей. И далее, по мере дальнейшего увеличения слоя жидкости над поршнем, происходит гидроудар, т.к. большой объем жидкости не может быть вытеснен через газовый нагнетательный клапан (или клапаны) в связи с его относительно малым проходным сечением. Уменьшение радиального зазора между поршнем и цилиндром и увеличение длины поршня с целью снижения расхода жидкости через бесконтактное поршневое уплотнение в сторону газовой полости приводит к увеличению массы поршня, и в связи с этим - снижению частоты его возвратно-поступательного движения из-за увеличения массы неуравновешенных частей, что, в свою очередь, приводит к росту габаритов и уменьшению общей эффективности машины. Кроме того, уменьшение радиального зазора помимо известных технологических проблем приводит к снижению массы жидкости, омывающей стенки поршня, что приводит к уменьшению отвода от него теплоты и ухудшению термодинамики цикла за счет увеличения показателя политропы процесса сжатия.
Технической задачей изобретения является расширение диапазона рабочих параметров поршневой гибридной машины объемного действия и улучшение эффективности ее работы.
Данный технический результат достигается тем, что при осуществлении способа работы поршневой вертикальной гибридной машины объемного действия, заключающегося в том, что в общем цилиндре, разделенном дифференциальным поршнем с бесконтактным уплотнением с образованием надпоршневой газовой и подпоршневой жидкостной рабочих камер, при возвратно-поступательном движении поршня одновременно в газовую камеру через всасывающий клапан от источника всасывается газ или смесь газов, а в жидкостной камере сжимается и нагнетается потребителю жидкость, после чего одновременно в газовой камере сжимается и нагнетается потребителю газ или смесь газов, а в жидкостной камере производится всасывание жидкости от источника жидкости, согласно заявляемому изобретению в процессе сжатия и нагнетания жидкости в жидкостной камере, за счет протечек жидкости через поршневое уплотнение, над поршнем в газовой камере создают слой жидкости, которую эвакуируют в конце процесса нагнетания газа в жидкостную подпоршневую камеру. Объем жидкости, поступающей в газовую камеру над поршнем в процессе сжатия-нагнетания жидкости, в конце хода поршня в процессе нагнетания газа может быть равен или больше объема мертвого пространства газовой камеры.
В поршневой вертикальной гибридной машине объемного действия, предназначенной для осуществления вышеописанного способа и содержащей общий цилиндр, разделенный дифференциальным поршнем на газовую и жидкостную камеры, соединенные с источником и потребителем газа и жидкости через обратные всасывающие и нагнетательные самодействующие клапаны, согласно изобретению в днище поршня установлен обратный самодействующий подпружиненный в сторону газовой камеры жидкостный клапан, вход которого соединен через отверстие с газовой камерой, а выход - через канал с жидкостной камерой. Этот клапан может быть размещен напротив всасывающего клапана газовой полости, а его пружина может опираться на регулировочный винт, установленный в теле поршня.
Сущность изобретения поясняется чертежами.
На фиг. 1 схематично изображено осевое сечение цилиндропоршневой группы машины в статике.
На фиг. 2 эта же группа изображена в процессе движения поршня вниз при подходе к нижней мертвой точке.
На фиг. 3 показано сечение цилиндропоршневой группы в конце процесса сжатия - начале процесса нагнетания газа.
На фиг. 4 показано состояние цилиндропоршневой группы в конце процесса нагнетания газа.
Поршневая вертикальная гибридная машина объемного действия (фиг. 1) содержит общий цилиндр 1, разделенный дифференциальным поршнем 2 на газовую 3 и жидкостную 4 камеры, соединенные с источником и потребителем газа и жидкости через обратные всасывающие 5 и 6 и нагнетательные 7 и 8 самодействующие клапаны. В днище поршня 2 напротив газового всасывающего клапана 5 газовой полости 3 установлен обратный самодействующий подпружиненный в сторону газовой камеры 3 жидкостный клапан 9, вход которого соединен через отверстие 10 с газовой камерой 3, а выход - через каналы 11 с жидкостной камерой 4. Пружина 12 клапана 9 опирается через стакан 13 на регулировочный винт 14, установленный в теле поршня 2. Дополнительный винт 15 служит для законтривания винта 14. Направляющая втулка 16 с отверстиями 17 служит для правильной ориентации клапана 9. Жидкостная рубашка 18 окружает цилиндр 1 и соединена с камерой 4 через канал 19. Между цилиндрической поверхностью поршня 2 и внутренней поверхностью цилиндра 1 имеется радиальный зазор 20. Клапаны 5 и 7 смонтированы в клапанной плите 21.
Способ работы поршневой вертикальной гибридной машины объемного действия осуществляется следующим образом (фиг. 2-фиг. 4).
При ходе поршня 2 вниз (фиг. 2) в камере 3 образуется разрежение, клапан 5 открывается, и газ от источника газа через этот клапан попадает в увеличивающуюся камеру 3. Клапан 7 при этом закрыт, т.к. у потребителя газа давление выше, чем в камере 3.
Одновременно в камере 4 происходит сжатие и нагнетание жидкости через открывшийся клапан 8 потребителю. При этом давление в камере 4 превосходит давление в камере 3, и жидкость из камеры 4 под действием перепада давления натекает через зазор 20 в камеру 3, образуя над днищем поршня 2 слой жидкости, толщина которого при приходе поршня 2 в положение нижней мертвой точки принимает максимальное значение для данного режима работы. Этот объем жидкости над поршнем при минимальном давлении ее нагнетания равен или больше мертвого объема мертвого пространства газовой камеры при последующем приходе поршня 2 в положение верхней мертвой точки.
После прохождения поршнем 2 нижней мертвой точки (фиг. 3) начинается движение поршня 2 вверх, что приводит к увеличению объема камеры 4, давление в ней падает ниже давления потребителя жидкости, в связи с чем клапан 8 закрывается и открывается клапан 6, т.к. давление жидкости в камере 4 становится ниже давления источника жидкости. При этом жидкость через рубашку 18 и канал 19 движется в камеру 4, охлаждая цилиндр 1.
Одновременно объем камеры 3 уменьшается, давление газа в ней повышается, и клапан 5 закрывается, т.к. давление газа в камере 3 становится выше давления источника газа. При достижении в камере 3 давления потребителя газа клапан 7 открывается и сжатый газ через него направляется потребителю газа.
В течение всего пути поршня от нижней мертвой точки вверх на поршне 2 существует перепад давления (над поршнем 2 оно выше, а под поршнем 2 оно ниже), под действием которого жидкость из камеры 3 через зазор 20 перетекает в камеру 4. При этом толщина слоя жидкости над днищем поршня 2 постоянно уменьшается. В то же время, в связи с тем, что в зазоре 20 постоянно находится жидкость, этот зазор представляет собой гидравлический затвор, препятствующий возможности утечек газа из камеры 3 в сторону камеры 4.
При подходе поршня 2 к верхней мертвой точке (фиг. 4), остатки слоя жидкости, находящейся над днищем поршня 2 в камере 3, начинают двигаться через все еще открытый клапан 7. Однако гидравлическое сопротивление газового клапана 7 слишком велико для прохождения через него всей жидкости, оставшейся над поршнем 2 в камере 3, в связи с чем давление в камере 3 резко возрастает из-за практически несжимаемости жидкости, что приводит к открытию клапана 9, имеющего большое проходное сечение, и пружина 12 которого отрегулирована винтом 14 на давление, заведомо большее, чем давление газа потребителя с учетом гидравлического сопротивления клапана 7 при прохождении по нему газа.
Например, номинальное давление нагнетания газа, равное давлению потребителя, равно 10 бар, а гидравлическое сопротивление клапана 7 в процессе нагнетания равно 2 бара. В этом случае пружина 12 регулируется на открытие клапана 9 при давлении в камере 3 больше чем 12 бар, например - 14-15 бар.
Установка клапана 9 напротив всасывающего газового клапана 5 позволяет минимизировать потери на трение в жидкости, уходящей через этот клапан, т.к. жидкости не приходится испытывать трение при течении вдоль поверхности днища поршня и поверхности клапанной плиты 21, в которой смонтированы газовые клапаны 5 и 7. Таким образом, жидкость, находящаяся в зоне нагнетательного газового клапана 7, истекает через этот клапан, а жидкость, находящаяся в зоне всасывающего газового клапана 5, истекает через клапан 9. И при этом жидкость почти не движется в слое между клапанной плитой 21 и днищем поршня 2, что гарантирует минимальное гидравлическое сопротивление движению жидкости в зазоре между клапанной плитой 21 и днищем поршня 2. Это обстоятельство не дает возможность дальнейшего повышения давления остатков жидкости в камере 3 и препятствует возникновению условий для гидроудара.
Геометрические параметры поршня 2 и цилиндра 1 (диаметр, длина поршня 2, радиальный зазор 20) выбираются таким образом, чтобы при всех возможных режимах работы (давления всасывания и нагнетания газа и жидкости, частоты вращения приводного вала) объем жидкости, попадающей в камеру 3 и образующей на днище поршня 2 слой жидкости, был равен или больше величины мертвого пространства камеры 3 при приходе поршня 2 в верхнюю мертвую точку. В этом случае гарантировано постоянное полное уплотнение зазора 20 в процессах сжатия и нагнетания газа, полноценное обмывание поверхности днища поршня жидкостью и увеличение производительности газовой камеры, т.к. весь газ вытесняется из камеры 3 потребителю.
Постоянное движение жидкости через зазор 20 и по днищу поршня 2 приводит к хорошему охлаждению всего тела поршня 2 и в том числе - поверхности его днища, что способствует интенсивному отводу теплоты от сжимаемого газа с учетом еще того факта, что практически газ сжимается постоянно сменяющими друг друга слоями жидкости, которая, к тому же, полностью уплотняет зазор 20. Таким образом, в данной конструкции жидкость участвует в охлаждении цилиндра не только со стороны его рубашки, но и со стороны его внутренней поверхности, что в совокупности со стопроцентным уплотнением поршня позволяет существенно приблизить основной процесс, в котором затрачивается механическая энергия (процесс сжатия газа), к наиболее энергетически выгодному - изотермическому, и к тому же - без потерь газа от утечек, что в целом улучшает эффективность работы машины.
Обеспечение возможности эвакуации избытка жидкости из газовой камеры 3 без угрозы возникновения гидроудара при подходе поршня 2 к положению верхней мертвой точки позволяет расширить диапазон давлений нагнетания жидкости в большую сторону.
В связи с изложенным следует считать, что поставленная техническая задача полностью выполнена.