ПОРШНЕВОЙ КОМПРЕССОР С РУБАШЕЧНЫМ ОХЛАЖДЕНИЕМ
PISTON COMPRESSOR WITH JACKET COOLING

Изобретение относится к области компрессоростроения и может быть использовано при создании экономичных энергетических машин объемного действия - поршневых компрессоров с автономным жидкостным охлаждением цилиндропоршневой группы.
Известен поршневой компрессор, содержащий цилиндр с размещенным в нем поршнем с механизмом привода с образованием рабочего объема, полость всасывания, соединенную с источником газа и с рабочим объемом через всасывающий клапан, и полость нагнетания, соединенную с потребителем газа и рабочим объемом через нагнетательный клапан (см., например, книгу Б.С. Фотин, И.Б. Пирумов, И.К. Прилуцкий, П.И. Пластинин «Поршневые компрессоры», - Л.: Машиностроение, 1987, стр. 5, рис. В1).
Известен также поршневой компрессор, содержащий общий цилиндр с размещенным в нем дифференциальным поршнем с механизмом привода с образованием двух рабочих объемов, полостей всасывания, соединенных с источником газа и с рабочими объемами через всасывающие клапаны, и полости нагнетания, соединенные с потребителем газа и с рабочими объемами через нагнетательные клапаны, причем вокруг общего цилиндра размещена жидкостная рубашка охлаждения (см., например, книгу Б.С. Фотин, И.Б. Пирумов, И.К. Прилуцкий, П.И. Пластинин «Поршневые компрессоры», - Л.: Машиностроение, 1987, стр. 185-185, рис. 6.32).
К недостатку первого варианта относится невозможность экономичного получения в одной ступени высокой степени повышения давления т.к. при использовании воздушного охлаждения невозможно отвести от сжимаемого газа достаточно большое количество теплоты. Во втором случае, когда рабочая полость омывается охлаждающей жидкостью и имеется возможность увеличения степени повышения давления, конструкция компрессора становится громоздкой из-за необходимости иметь дополнительно механизм подачи охлаждающей жидкости, что увеличивает массу компрессора, усложняет его конструкцию, увеличивает его стоимость и увеличивает общие затраты мощности на сжатие газа. Все это вместе взятое увеличивает приведенную стоимость сжатого газа и снижает общую эффективность компрессора.
Технической задачей изобретения является снижение приведенной стоимости сжатого газа и увеличение общей эффективности компрессора.
Указанная задача решается тем, что в поршневом компрессоре, содержащем общий цилиндр с размещенным в нем дифференциальным поршнем с механизмом привода с образованием двух рабочих объемов, полости всасывания, соединенные с источником газа и с рабочими объемами через всасывающие клапаны, и полости нагнетания, соединенные с потребителем газа и с рабочими объемами через нагнетательные клапаны, причем вокруг общего цилиндра размещена жидкостная рубашка охлаждения, заполненная охлаждающей жидкостью, согласно предлагаемому изобретению полости всасывания соединены с жидкостной рубашкой через теплообменники, часть рабочего объема которых, подключенная к полостям всасывания, находится выше уровня охлаждающей жидкости. При этом место соединения теплообменников с рубашкой охлаждения может находиться в зоне нагнетательных клапанов компрессора.
Сущность изобретения поясняется чертежами.
На фиг. 1 схематично изображено продольное (вдоль оси цилиндра) сечение цилиндропоршневой группы компрессора.
На фиг. 2 изображено это же сечение при ходе поршня вверх в процессе сжатия-нагнетания газа в верхней части цилиндра и всасывания в нижней части цилиндра.
На фиг. 3 показано это же сечение при ходе поршня вниз, когда над ним в полости цилиндра происходит процесс всасывания, а под ним - сжатия-нагнетания.
На фиг. 4 показан конструктивный вариант цилиндропоршневой группы компрессора, в котором обе полости всасывания подключены к рубашке охлаждения в зоне действия нагнетательных клапанов.
Поршневой компрессор с рубашечным охлаждением (фиг. 1) содержит общий цилиндр 1 с размещенным в нем дифференциальным поршнем 2, соединенным через шток 3 с механизмом привода (на чертеже условно не показан) с образованием двух рабочих объемов - надпоршневым 4 и подпоршневым 5, полости всасывания которых соответственно 6 и 7 соединены с источником газа и с рабочими объемами 4 и 5 через всасывающие клапаны 8 и 9. Полости нагнетания 10 и 11 соединены с потребителем газа и с рабочими объемами 4 и 5 через нагнетательные клапаны 12 и 13. Вокруг общего цилиндра 1 размещена жидкостная рубашка охлаждения 14, заполненная охлаждающей жидкостью, и полости всасывания 6 и 7 соединены с жидкостной рубашкой 14 через теплообменники 15 и 16, часть рабочего объема которых 17 и 18, подключенная к полостям всасывания 6 и 7, находится выше уровня А-А охлаждающей жидкости в рубашке охлаждения 14. В данном варианте место соединения теплообменников 15 и 16 с рубашкой охлаждения 14 находится примерно по центру длины рубашки вдоль оси цилиндра 1. Всасывание газа от источника происходит через всасывающие трубопроводы 19 и 20, а нагнетание потребителю - через нагнетательные трубопроводы 21 и 22.
В компрессоре, изображенном на фиг. 4, место соединения теплообменников 15 и 16 с рубашкой охлаждения 14 находится в зоне нагнетательных клапанов 12 и 13 компрессора.
н
в
На чертежах введены также следующие обозначения: р - давление, р - давление нагнетания газа, р - давление всасывания газа, h - высота подъема или опускания жидкости в теплообменниках 15 и 16.
Компрессор работает следующим образом (фиг. 1).
При возвратно-поступательном движении поршня 2 рабочий объем 4 увеличивается (поршень 2 идет вниз), газ всасывается в него от источника через трубопровод 19, полость 6, открытый клапан 8 (клапан 12 при этом закрыт). Затем поршень 2 достигает нижней мертвой точки и начинает движение вверх. При этом клапан 8 закрывается, и при закрытых клапанах 8 и 12 происходит уменьшение объема 4, сжатие газа в этом объеме до достижения им давления нагнетания, после чего клапан 12 открывается (клапан 8 закрыт) и через него происходит нагнетание газа потребителю через полсть 10 и трубопровод 21.
Аналогично происходит работа компрессора в рабочем объеме 5, в котором при возвратно-поступательном движении поршня 2 газ всасывается через трубопровод 20, полость 7, клапан 9, сжимается и нагнетается потребителю через клапан 13, полость 11 и трубопровод 22.
При ходе поршня 2 вверх (фиг. 2) происходит сжатие газа в рабочем объеме 4 и его нагнетание потребителю через открытый клапан 12 и нагнетательный трубопровод 21. При этом в рабочем объеме 4 сначала газ достигает давления нагнетания, затем несколько превышает его (в связи с силами инерции, действующими на запорный элемент клапана, и силой упругости пружины, которая его прижимает, - на чертеже условно не показана), и далее после открытия клапана нагнетания 12 газ из рабочего объема 4 истекает через полость 10, клапан 12 и нагнетательный трубопровод 21 потребителю под давлением нагнетания. При этом всасывающий клапан 8 закрыт под действием перепада давления, а в полости 6, в части 17 теплообменника и в самом теплообменнике 15 в связи с отсутствием в них движения газа действует давление всасывания.
в
В это же время рабочий объем 5 увеличивается, в нем происходит процесс расширения объема и процесс всасывания газа, при котором давление в этом объеме падает ниже давления всасывания р - давления источника газа. В связи с сопротивлением всасывающего трубопровода 20 и, как правило, сопротивлением установленного на нем фильтра (на чертеже условно не показан), давление в полости всасывания 7 становится также меньше давления всасывания. Такое же давление устанавливается в соединенном с полостью 7 теплообменнике 16 и, соответственно, в его верхней части 18. При этом нагнетательный клапан 13 закрыт под действием перепада давления.
По существу теплообменники 15 и 16 являются сообщающимися через рубашку 14 сосудами. И при этом давление в левой по рисунку ветви (в теплообменнике 15) становится выше, чем в правой ветви (в теплообменнике 16) этих сосудов. Под действием создавшегося перепада давления жидкость из теплообменника 15 через рубашку 14 перетекает в теплообменник 16.
Это течение сохраняется до тех пор, пока поршень 2 не придет в верхнюю мертвую точку, и движение газа через всасывающий трубопровод 20, полость 7 и клапан 9 не прекратится, клапан 9 не закроется, что приводит к тому, что давление в полости 7 становится равным давлению всасывания.
В конце этого процесса жидкость в правой ветви повысится, а в левой ветви понизится на величину h (при равном диаметре и количестве трубок теплообменников 15 и 16).
При ходе поршня 2 вниз (фиг. 3) происходит уменьшение рабочего объема 5, сжатие в нем газа и затем нагнетание его через открывшийся клапан 13, полость 11 и трубопровод 22 потребителю, всасывающий клапан 9 при этом закрыт, давление в полости 7 равно давлению всасывания.
В это же время рабочий объем 4 увеличивается, давление в нем падает, клапан 12 закрывается, а клапан 8 - открывается, в связи с чем начинается движение газа через всасывающий трубопровод 19, полость 6 и клапан 8 в полость 5 - происходит процесс всасывания газа в полость 4.
Так же как и при всасывании газа в полость 5 (этот процесс описан выше), при всасывании газа в полость 4 возникает перепад давления между полостями 7 (оно выше) и 6 (оно ниже), в результате чего жидкость из теплообменника 16 перетекает через рубашку 14 в теплообменник 15.
Таким образом, при возвратно-поступательном движении поршня 2 жидкость постоянно совершает колебательное движение в трубках теплообменников 15 и 16 и течет в рубашке 14.
При сжатии газа выделяется теплота сжатия, которая путем конвективного теплообмена передается стенкам цилиндра 1 и далее, за счет передачи теплоты теплопроводностью - в жидкость, находящуюся в рубашке 14. Постоянно движущаяся через рубашку 14 жидкость переносит эту теплоту в зону теплообменников 15 и 16, где теплота сжатия путем конвективного теплообмена передается в окружающую среду.
На фиг. 1-3 изображен вариант компрессора со сравнительно короткоходовым поршнем 2 - ход поршня 2 примерно равен диаметру цилиндра 1. В этом случае длина цилиндра 1 невелика и его теплонапряженность сравнительно равномерна по длине, и движущаяся в рубашке жидкость нормально охлаждает цилиндр и примыкающие к нему детали клапанной крышки, в которой установлены клапаны, будучи подведенной из теплообменников 15 и 16 примерно в центре длины цилиндра 1.
В том случае, если ход поршня 2 сравнительно велик (например, ход поршня 2 равен полутора диаметрам цилиндра 1 и более), необходимо охлаждение наиболее нагретых зон, в которых установлены нагнетательные клапаны 12 и 13. Для этого входы теплообменников 15 и 16 в рубашку 14 сделаны в зоне этих клапанов (фиг. 4). Это позволяет, во-первых: более равномерно охладить цилиндропоршневую группу с целью минимизации искажения формы цилиндра и поршня, что положительно сказывается на работоспособности поршневого уплотнения, а во-вторых: снизить теплонапряженность деталей нагнетательных клапанов, что положительно сказывается на ресурсе их работы и их герметичности.
Работа компрессора, изображенная на фиг. 4, пояснений не требует.
Хорошее охлаждение цилиндропоршневой группы в предложенной конструкции компрессора позволяет ему работать с высокой степенью повышения давления в одной ступени (10-12 и выше) при обеспечении показателей по экономичности (индикаторные КПД), характерных для компрессоров с подводом охлаждающей жидкости от посторонних источников. Однако при этом предложенное техническое решение позволяет обойтись без посторонних источников охлаждающей жидкости, что дает возможность существенно улучшить массогабаритные характеристики компрессора, приблизить эти характеристики к показателям компрессоров с воздушным охлаждением при автономной работе компрессора, снизить его стоимость.
Все это вместе взятое позволяет выполнить поставленную техническую задачу - снизить массу компрессора, упростить его конструкцию, снизить его стоимость и общие затраты мощности на сжатие газа, т.е. в конечном итоге - снизить приведенную стоимость сжатого газа и повысить общую эффективность компрессора.