ПОРШНЕВОЙ КОМПРЕССОР С АВТОНОМНЫМ ЖИДКОСТНЫМ ОХЛАЖДЕНИЕМ
PISTON COMPRESSOR WITH INDEPENDENT LIQUID COOLING

Изобретение относится к области компрессоростроения и может быть использовано при создании экономичных поршневых компрессоров с автономным жидкостным охлаждением цилиндропоршневой группы.
Известна вертикальная поршневая машина, содержащая картер, 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).
Известна также вертикальная поршневая машина, содержащая картер, 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 с рабочим объемом через нагнетательный клапан, причем вокруг рабочей полости 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.
Задачей изобретения является снижение приведенной стоимости сжатого газа и увеличение общей эффективности компрессора.
Указанная задача решается тем, что нижняя часть жидкостной рубашки охлаждения соединена с источником охлаждающей жидкости, а верхняя часть рубашки охлаждения соединена каналом с полостью нагнетания, источник охлаждающей жидкости может быть выполнен в виде дополнительной кольцевой рубашки, которая подсоединена к низу рубашки охлаждения каналом (или каналами) как сообщающийся герметичный сосуд и имеет на своей поверхности ребра охлаждения, в рубашке охлаждения с небольшим радиальным зазором относительно наружного и внутреннего ее диаметра может быть установлен поплавок, имеющий форму плоского кольца, нижняя часть жидкостной рубашки охлаждения может быть соединена с кольцевой рубашкой с помощью, по меньшей мере, двух каналов, в каждом из которых установлено, по крайней мере, по одной втулке в виде усеченного конуса, причем в одном канале втулка установлена вершиной в сторону рубашки охлаждения, а в другом - вершиной в сторону источника жидкости, канал, соединяющий полость нагнетания с верхней частью рубашки, может иметь вход со стороны этой полости, расположенный непосредственно над нагнетательным клапаном, в виде усеченного конуса, с большим основанием, направленным в сторону этого клапана, источник охлаждающей жидкости может быть выполнен в виде емкости, частично заполненной жидкостью, которая через обратный клапан и теплообменник соединена с буферной полостью, которая через обратный клапан соединена с верхней частью рубашки охлаждения, и при этом полость нагнетания соединена с верхней частью рубашки охлаждения через упомянутые буферную полость и обратный клапан.
Сущность изобретения поясняется чертежами.
На фиг. 1 схематично показано вертикальное сечение компрессора, с дополнительной кольцевой рубашкой, подсоединенной к низу рубашки охлаждения как сообщающийся герметичный сосуд, в исходном состоянии.
На фиг. 2 показано аналогичное сечение компрессора в действующем состоянии в момент нахождения поршня в нижней мертвой точке в начале процесса сжатия - нагнетания
На фиг. 3 показано аналогичное сечение компрессора в действующем состоянии в момент приближения поршня к верхней мертвой точке в процессе нагнетания.
На фиг. 4 показано схематично продольное сечение компрессора с источником питания охлаждающей жидкости в виде емкости, частично заполненной охлаждающей жидкостью.
Компрессор состоит (фиг. 1-3) из цилиндра 1 с размещенным в нем поршнем 2 с механизмом привода 3 (на рисунке показан шток этого механизма, сам механизм условно не показан) с образованием рабочего объема 4, полости нагнетания 5, соединенной с потребителем газа и с рабочим объемом 4 через нагнетательный клапан 6, и полость всасывания 7, соединенную с источником газа и с рабочим объемом 4 через всасывающий клапан 8, причем вокруг рабочего объема 4 размещена жидкостная рубашка охлаждения 9, ее нижняя часть соединена с источником охлаждающей жидкости, выполненным в виде дополнительной кольцевой рубашки 10 с ребрами охлаждения, через два канала 11 и 12, расположенные напротив друг друга относительно оси цилиндра 1, а верхняя часть рубашки охлаждения 9 соединена каналом 13 с полостью нагнетания 5. В канале 11 установлена втулка 14 в виде усеченного конуса, повернутого вершиной в сторону источника жидкости - кольцевой рубашки 10, а в канале 12 - аналогичная втулка 15, повернутая вершиной в сторону рубашки охлаждения 9. В верхней части рубашки охлаждения 9 имеется поплавок 16, размещенный с небольшим радиальным зазором относительно наружного и внутреннего ее диаметра и представляющий собой плоское кольцо. Канал 13, соединяющий полость нагнетания 5 с верхней частью рубашки 9, имеет вход со стороны этой полости, расположенный непосредственно над нагнетательным клапаном 6, в виде усеченного конуса 17, с большим основанием, направленным в сторону этого клапана.
В исходном состоянии над жидкостью в рубашке 9 имеется слой воздуха 18, а над жидкостью в рубашке 10 - слой воздуха 19.
На фиг. 4 схематично показано продольное сечение компрессора, в котором источник охлаждающей жидкости выполнен в виде емкости 20, частично заполненной жидкостью, которая через обратный клапан 21 и теплообменник 22 соединена с буферной полостью 23, которая через обратный клапан 24 соединена с верхней частью рубашки охлаждения, и при этом полость нагнетания 5 соединена с верхней частью рубашки охлаждения 9 через канал 13 и упомянутые буферную полость 23 и обратный клапан 24. В емкости 20 над жидкостью имеется слой газа 25, а в полости 23 - слой газа 26. В рубашке охлаждения имеется спиральный выступ 27 вдоль ее оси, который вынуждает охлаждающую жидкость двигаться в рубашке сверху вниз, огибая цилиндр 1.
Компрессор работает следующим образом (фиг. 1-3).
При неподвижном поршне (компрессор «стоит», фиг. 1) и отсутствии избыточного (по сравнению с источником газа, например, атмосферой) давления в полости нагнетания 5 жидкость в рубашке 10 находится на одном уровне с жидкостью в рубашке 9.
При возвратно-поступательном движении поршня 2 газ всасывается через полость 7 и клапан 8 в рабочую полость 4, сжимается в ней и нагнетается через клапана 6 и полость 5 потребителю, и давление потребителя постепенно повышается, что приводит к увеличению среднего давления в полости 5, которое через канал 13 попадает в слой воздуха 18, его давление повышается до давления нагнетания, и жидкость в рубашке 9 через канал 11 поступает в рубашку 10, поднимая в ней уровень до тех пор, пока не сравняются давления газа в слое 18 и в сжимающемся слое 19 (фиг. 2).
Во время хода поршня вниз (процесс всасывания, клапан 8 открыт) давление в полости 5, канале 13 и слое 18 стабилизируются и становятся равными давлению потребителя газа
При ходе сжатия (поршень идет вверх), когда давление в полости 4 достигает давления потребителя газа, клапан 6 открывается, начинается процесс нагнетания (фиг. 3), и газ через полость 5 попадает потребителю. В связи с неизбежным наличием гидравлического сопротивления линии нагнетания, по которой газ доходит до потребителя, давление в полости 5 в течение процесса нагнетания поднимается выше давления потребителя. Это повышенное давление по каналу 13 попадает в слой 18, давление в нем повышается сверх давления потребителя, и жидкость в рубашке 9 движется вниз, поднимая жидкость в рубашке 10 до тех пор, пока давления слоев 18 и 19 не сравняются между собой. Конус 17 стоит прямо по потоку нагнетаемого газа и служит для дополнительного увеличения давления газа, попадающего в канал 13, за счет преобразования части кинетической энергии движения газа в потенциальную энергию давления.
По окончании процесса нагнетания, когда поршень 2 проходит верхнюю мертвую точку, клапан 6 закрывается, начинается процесс всасывания с открытым клапаном 8, и в течение всего процесса всасывания происходит вновь стабилизация давления в слое 18, канале 13 и полости 5 до давления потребителя, т.к. они соединены друг с другом, а во время всего процесса всасывания движения газа в них отсутствует При этом в перечисленных элементах конструкции происходит понижение давления до давления потребителя, в то время как в слое 19 осталось более высокое давление, под действием которого жидкость в рубашке 10 движется вниз, а в рубашке 9 - вверх. Затем цикл повторяется.
Кроме того, в связи с наличием конусных втулок 14 и 15, которые имеют разные по направлению гидравлические сопротивления (при движении жидкости от основания конуса к его вершине оно меньше и наоборот), при подъеме жидкости в рубашке 9 ее в эту рубашку будет поступать больше через втулку 15, чем через втулку 14, а при опускании жидкости ее из рубашки 9 будет больше сливаться вниз через втулку 14, чем через втулку 15, из-за чего кроме движения жидкости в рубашке 9 «вверх-вниз», будет совершаться дополнительно круговое движение жидкости из правой части рубашки 9 (по рисунку) в ее левую часть и наоборот. И, соответственно, в рубашке 10 жидкость будет перетекать из левой части в правую при истечении жидкости из рубашки 9, и наоборот - при течении жидкости в рубашку 9.
Таким образом, в данной конструкции в течение каждого полного цикла (за один двойной ход поршня) жидкость в рубашках 9 и 10 совершает возвратно-поступательное и круговое движение, которое существенно повышает коэффициент теплопередачи от сжатого газа через стенку цилиндра 1 и далее через жидкость и стенки рубашек 9 и 10 в окружающую среду, чему способствуют также ребра охлаждения рубашки 10.
В конструкции, изображенной на фиг. 4, принцип работы которой аналогичен вышеописанному, в процессе нагнетания газа при повышении давления в полости 5 выше давления потребителя газа, это давление через канал 13 передается в слой газа 26, который через клапан 24 выдавливает жидкость из полости 23 в рубашку 9, где она по спирали движется вокруг стенок цилиндра 1 вниз, и через канал 11 попадает в емкость 20, сжимая слой газа 25, и не имеет возможность пройти через клапан 21, т.к. за ним в теплообменнике 22 жидкость находится под давлением слоя газа 26. По окончании процесса нагнетания, когда давление в полости 5, канале 13 и слое газа 26 стабилизируется и становится равным давлению потребителя газа, давление слоя газа 25, которое выше давления потребителя газа, выдавливает жидкость из емкости 20 через клапан 21, теплообменник 22, где она отдает теплоту, отнятую у поверхности цилиндра 1, в полость 23 до тех пор, пока давление в слое газа 25 не станет равным давлению слоя газа 26, который равен давлению потребителя газа.
То есть в данной конструкции осуществляется прерывистое движение охлаждающей жидкости по замкнутому кольцу, во время которого жидкость отводит теплоту от сжимаемого газа, передавая ее в окружающую среду и повышая КПД цикла компрессора.
Таким образом, в предложенных конструктивных вариантах компрессора отсутствуют специальные механизмы для прокачки жидкости через рубашку охлаждения цилиндра, и, соответственно, нет механических потерь, связанных с их работой, жидкостное охлаждение цилиндра производится автономно. Это повышает эффективность работы компрессора и снижает приведенные затраты на производство сжатого газа.