Компрессор с жидкостными поршнями
COMPRESSOR WITH LIQUID PISTONS

Изобретение относится к компрессорам с жидкостными поршнями, предназначенным для сжатия газа до высоких давлений с помощью упругих текучих сред, и может применяться в различных областях техники.
Компрессоры с жидкостными поршнями широко известны из уровня техники. Они отличаются от компрессоров других типов высокой экономичностью, простотой конструкции, обслуживания и ремонта, а также высокой надежностью.
Для компрессора одним из основных качественных показателей при оценке функциональной способности является производительность, под которой понимается количество газа, нагнетаемого им в единицу времени, выраженное объёмом, который займет это количество газа при давлении всасывания и температуре всасывания. При этом, чем меньше объём газа, который остаётся в рабочей камере и не может быть вытеснен из неё при минимальном объёме этой камеры при высоком давлении, тем большее количество свежей порции газа может уместиться в рабочей камере при максимальном объёме рабочей камеры при низком давлении. Такое соотношение давлений и объёмов газа подтверждается известными термодинамическими зависимостями, в том числе уравнением Клапейрона-Менделеева для идеального газа и уравнением Ван-дер-Вальса для реального газа.
Для получения максимальной производительности компрессора, следует обеспечить в рабочих камерах минимальный относительный мёртвый объем.
Мёртвый объем – это объем газа, который не может быть вытеснен поршнем из рабочей камеры. Относительный мёртвый объём – отношение полного мёртвого объёма к рабочему объёму рабочей камеры, значение которого равно произведению площади поперечного сечения поршня на полный ход поршня в рабочей камере за одну ступень. Полный мёртвый объём складывается из линейного мертвого объема, обусловленного тем, что поршень компрессора не может полностью подойти к крышке рабочей камеры, мертвого объема в клапанах и суммы возможных дополнительных мёртвых объемов. На сегодняшний день в известных конструкциях компрессоров величина относительного мёртвого объёма лежит в диапазоне  от   1,0 %  до 20%.
При условии сохранения неизменной величины рабочего объёма рабочей камеры минимальный относительный мёртвый объём может быть достигнут за счёт одновременного уменьшения диаметра поршня и увеличения величины хода поршня. При этом будет увеличиваться так называемый объёмный коэффициент – основная составляющая потерь производительности поршневого компрессора. Объёмный коэффициент отражает влияние величины мёртвого объёма на действительную производительность поршневого компрессора; в идеальном случае он должен стремиться к 1, в действительности же он, как правило, заметно меньше, а при неблагоприятном сочетании конструктивных и режимных факторов может стремиться к нулю.
Вышесказанное справедливо и для компрессоров с жидкостными поршнями.
Из уровня техники известен компрессор с жидкостными поршнями (CN102953955A, МПК F04B 35/02, F04B 39/06, опубликовано 06.03.2013), в котором верхняя часть рабочих камер жидкостных поршней сообщается с камерой всасывания через клапаны всасывания и с камерой нагнетания через клапаны нагнетания. Нижняя часть рабочих камер сообщается с насосом через реверсивный клапан. Известен также вариант выполнения устройства, где рабочие камеры состоят из множества небольших трубок, что увеличивает площадь теплообмена.
Недостатком данного компрессора является значительная величина относительного мёртвого объёма, которая ограничивает его производительность.
Наиболее близким аналогом, принятым за прототип, является компрессор, содержащий рабочие камеры жидкостных поршней, клапаны всасывания и клапаны нагнетания газа, расположенные в верхних частях рабочих камер и соединяющие рабочие камеры с соответствующими камерой всасывания газа и камерой нагнетания газа, а также гидравлический насос, подключённый к нижним частям рабочих камер посредством распределительного узла с возможностью обеспечения возвратно-поступательного движения жидкостных поршней (UA 9092U, МПК F04B 35/02, опубликовано 15.09.2005). Недостатком такого компрессора наравне с остальным уровнем техники является значительная величина относительного мёртвого объёма в рабочих камерах, которая ограничивает его производительность.
Технической проблемой является устранение указанного недостатка и создание компрессора с жидкостными поршнями, позволяющего снизить величину относительного мёртвого объёма в рабочих камерах жидкостных поршней и повысить возможное отношение величины давления газа при минимальном объёме рабочей камеры к величине давления газа при максимальном объёме рабочей камеры, достигаемое в одной рабочей камере (в одной ступени), а также повысить КПД устройства при фиксированных давлениях всасывания и нагнетания без увеличения его габаритных размеров (за счёт применения дополнительных ступеней сжатия), расширить рабочий диапазон этих давлений при незначительном изменении производительности.
Технический результат заключается в повышении производительности компрессора. Указанная проблема решается, а технический результат достигается тем, что у компрессора, содержащего рабочие камеры жидкостных поршней, клапаны всасывания и клапаны нагнетания газа, расположенные в верхних частях рабочих камер и соединяющие рабочие камеры с соответствующими камерой всасывания газа и камерой нагнетания газа, а также гидравлический насос, подключённый к нижним частям рабочих камер посредством распределительного узла с возможностью обеспечения возвратно-поступательного движения жидкостных поршней, каждая рабочая камера выполнена в виде криволинейного канала, для которого значение соотношения внутреннего гидравлического диаметра к длине составляет не более 0,01.
Указанные криволинейные каналы выполнены в виде змеевиков (плоских или спиральных), или выполнены в массиве твердого материала, который представляет собой металлическую заготовку.
При этом распределительный узел содержит, по меньшей мере, один поворотный распределительный кран.
На фиг.1 представлена конструкция заявляемого компрессора;
На фиг.2 изображена диаграмма изменения величины объемного коэффициента при различном соотношении внутреннего гидравлического диаметра рабочей камеры и хода жидкостного поршня;
на фиг.3 изображена индикаторная диаграмма изменения давления в резервуарах жидкостных поршней.
Компрессор, конструкция которого представлена на фиг.1, содержит рабочие камеры 1, 2 для жидкостных поршней, образующие отдельные рабочие полости (внутренние пространства) 3, 4, в которых перемещаются указанные жидкостные поршни (на фиг.1 не пронумерованы). В верхних частях указанных рабочих камерах 1, 2 выполнены клапаны 5, 6 всасывания газа и клапаны 7, 8 нагнетания газа, посредством которых обеспечивается циркуляция газа между рабочими камерами 1, 2 и соответствующими камерой 9 всасывания газа и камерой 10 нагнетания газа.
Клапаны 5, 6 всасывания газа и клапаны 7, 8 нагнетания газа, как видно на фиг.1, расположены напротив друг друга в боковых стенках рабочих камер 1, 2, однако они могут располагаться и на их торцевых частях (крышках).
Для обеспечения возвратно-поступательного движения жидкостных поршней в рабочих полостях 3, 4 рабочих камер 1, 2 компрессор содержит гидравлический реверсивный узел.
Указанный гидравлический реверсивный узел включает в себя, по меньшей мере, один гидравлический насос 11, подключённый к нижним частям рабочих камер 1, 2 посредством распределительного узла, который содержит два распределительных крана 12, 13, выполненных с возможностью одновременного переключения, и систему трубопроводов.
В предложенном на фиг.1 варианте распределительный кран 12 соединен с выходом гидравлического насоса 11 посредством трубопровода 16, а распределительный кран 13 ‒ с входом гидравлического насоса 11 посредством трубопровода 17. При этом трубопровод 14 подачи и слива жидкости рабочей камеры 1 соединен посредством трубопровода 20 подачи жидкости с первым выходом распределительного крана 12, и посредством трубопровода 21 слива жидкости с первым выходом распределительного крана 13. Соответственно, трубопровод 15 подачи и слива жидкости рабочий 2 соединен посредством трубопровода 19 подачи жидкости со вторым выходом распределительного крана 12 и посредством трубопровода 18 слива жидкости со вторым выходом распределительного крана 13. В предложенной схеме возвратно-поступательное движение жидкостных поршней в рабочих камерах 1, 2 обеспечивается непосредственно за счет распределительного узла, при этом подача и слив жидкости из рабочих камер 1, 2 осуществляется через одно отверстие (канал), однако возможны и иные выполнения гидравлического реверсивного узла.
Компрессор, представленный на фиг. 1, содержит две рабочие камеры 1, 2, однако в альтернативных вариантах в его конструкции может быть предусмотрено их большее количество. Кроме того, функцию подачи жидкости в каждую из рабочих камер 1, 2 и слива жидкости из них могут осуществлять отдельные трубопроводы.
Согласно предложенному изобретению каждая рабочая камера 1, 2 представляет собой криволинейный канал, для которого значение соотношения внутреннего гидравлического диаметра к длине составляет не более 0,01.
В одном варианте, рабочие камеры 1, 2, представляющие собой криволинейные каналы, могут быть реализованы в виде отдельных змеевиков (такой вариант представлен на фиг.1). Расположение, форма и сечение змеевиков могут быть выполнены произвольно в зависимости от разных условий, в том числе от расположения самого компрессора. В частности, могут быть использованы плоские змеевики или змеевики в виде спиралей, с переменным или постоянным сечением, и т.п.
В другом варианте рабочие камеры 1, 2 выполнены, например, лазерным или электроэрозионным способом, в массиве твердого материала, который представляет собой металлическую заготовку или заготовку из другого подходящего материала, предпочтительно с хорошей теплопроводностью.
За счет такого выполнения рабочих камер 1, 2 обеспечивается уменьшение гидравлического диаметра и увеличение длины рабочих камер 1, 2, а следовательно – уменьшение диаметра и увеличение хода жидкостного поршня при сохранении неизменной величины рабочего объёма рабочей камеры, что приводит к снижению величины относительного мёртвого объёма. Кроме того, увеличение длины рабочих камер 1, 2 приводит также к понижению температуры всасывания за счёт увеличения интенсивности теплообмена посредством увеличения соотношения площади теплообменной поверхности и массы рабочего газа. Эти два фактора позволяют при одном и том же рабочем объёме рабочих камер 1, 2 закачивать в них большее количество газа, что положительно сказывается не только на его производительности, но также на температурном режиме и энергоэффективности. Для усиления эффекта компрессор может быть снабжён дополнительной системой внешнего охлаждения рабочих камер 1, 2.
Для пояснения выбора указанных значений соотношения между внутренним гидравлическим диаметром и длины рабочей камеры обратимся к диаграмме на фиг.2.
0
ст
На диаграмме на фиг.2, где ось λ - объёмный коэффициент (основная составляющая коэффициента потерь производительности (коэффициента подачи), учитывающая влияние мёртвого объёма на потери производительности), а ось ε  - степень повышения давления газа в одной ступени (отношение величины максимального давления газа в ступени (давления нагнетания) к величине минимального давления газа в ступени (давления всасывания)), показано изменение величины объёмного коэффициента (К) – основной определяющей составляющей коэффициента подачи в зависимости от соотношения величин давлений нагнетания и всасывания (степени повышении давления) при различном соотношении диаметра рабочей камеры и хода жидкостного поршня (при неизменной величине рабочего объёма рабочей камеры), то есть при различной относительной величине мёртвого объёма.
Так:
кривая К1 соответствует изменению величины коэффициента подачи при отношении диаметра рабочей камеры к ходу жидкостного поршня, равном 1 (величина относительного мёртвого объёма составляет около 10%);
кривая К2 соответствует значению соотношения внутреннего гидравлического диаметра к длине, равному 0,1 (величина относительного мёртвого объёма составляет около 1%);
кривая К3 соответствует значению указанного соотношения, равному 0,02 (величина относительного мёртвого объёма составляет около 0,5%);
кривая К4 соответствует значению указанного соотношения, равному 0,01 (величина относительного мёртвого объёма составляет не более 0, 1%);
кривая К5 соответствует значению указанного соотношения, равному 0,0025 (величина относительного мёртвого объёма составляет около 0,04%).
Как видно из диаграммы на фиг.2, если значение соотношения внутреннего гидравлического диаметра к длине составляет более 0,01, имеют место существенные потери производительности при возрастании отношения величины давления нагнетания к величине давления всасывания, составляющие десятки процентов. А в некоторых случаях (см. фиг.2 кривую К1) сжатие до высоких давлений в одной ступени невозможно из-за влияния мёртвого объёма.
0
Если значение соотношения внутреннего гидравлического диаметра к длине составляет порядка 0,01 и менее, то изменение величины объёмного коэффициента весьма несущественно во всём диапазоне этих отношений (не более 5%). Т.е. в указанной области достигается неожиданный технический результат, заключающийся в фактической независимости λ, характеризующего производительность компрессора, от остальных параметров системы (в частности, исходного давления и теплоёмкости используемого газа и т.д.).
Предлагаемое устройство работает следующим образом.
Для пояснения работы компрессора на диаграмме фиг.3 графически представлены изменения давления в рабочих камерах 1, 2 в зависимости от изменения объёма газа, находящегося в указанных рабочих камерах 1, 2. На оси ординат показано мгновенное давление рабочего газа в рабочих камерах 1, 2; на оси абсцисс – изменение величины заполненного газом геометрического объёма этих рабочих камерах 1, 2.
м
м
h
На оси абсцисс минимальный объём каждой из рабочих камер 1, 2, заполненный газом (при максимальном заполнении жидкостью объёма рабочей полости), обозначен V; а максимальный объём рабочей камеры, заполненный газом, будет равен V + V (при минимальном заполнении жидкостью объёма рабочей полости).
м
м
h
На фиг.1 изображён момент работы компрессора, при котором объём рабочей камеры 2, заполненный газом, минимальный и равен V; а объём рабочей камеры 1, заполненный газом, максимальный и равен V + V.
Также на фиг.1 показан момент, в который происходит переключение распределительных кранов 12, 13 из положения «В» в положение «А». При этом жидкость из рабочей камеры 2, свободный объём которой начинает увеличиваться, поступает последовательно через трубопроводы 15, 18, 17 в гидравлический насос 11, который перекачивает жидкость по трубопроводам 16, 20, 14 в рабочую камеру 1. При этом газ, оставшийся в рабочей камере 2, расширяется (процесс III-IV на диаграмме). Когда давление в рабочей камере 2 станет ниже, чем в камере 9 всасывания газа, открывается клапан 6 всасывания газа, и в рабочую камеру 2 начинает поступать газ (процесс IV-I на диаграмме). Клапан 7 нагнетания газа в этот момент закрыт. Газ, находящийся в рабочей камере 1, при этом сжимается (процесс I-II на диаграмме), и, когда его давление превышает давление в камере 10 нагнетания газа, открывается клапан 8 нагнетания газа, через который газ направляется в камеру 10 нагнетания газа (процесс II-III на диаграмме).
После максимального заполнения жидкостью рабочей полости 3 распределительные краны 12, 13 переключаются из положения «А» в положение «В», и направление потока меняется на противоположное.
При максимальном заполнении жидкостью рабочей камеры 1 согласно предложенному изобретению величина относительного мёртвого объёма составляет незначительную величину – не более 0,1%, причем, как было указано ранее, в известных конструкциях величина относительного мёртвого объёма лежит в диапазоне от   1,0 % до 20%. Таким образом, в предлагаемом изобретении за счёт выполнения камер со значением соотношения внутреннего гидравлического диаметра к длине составляет не более 0,01, обеспечивается недостижимая для известных конструкций малая величина относительного мёртвого объёма рабочих камер 1, 2. При этом непосредственный контакт жидкости и указанных клапанов 5-6 недопустим во всех случаях, так как это может привести к гидроудару и/или к потерям жидкости в гидравлическом реверсивном узле. И то, и другое может привести к неработоспособности компрессора.
м
м
h
Итак, после переключение распределительных кранов 12, 13 из положения «А» в положение «В», жидкость из рабочей камеры 1, свободный объём которой начинает увеличиваться, поступает последовательно через трубопроводы 14, 21, 17 в гидравлический насос 11, который перекачивает жидкость по трубопроводам 16, 19, 15 в рабочую камеру 2. При этом газ, оставшийся в рабочей камере 1 при минимальном объёме V, расширяется (процесс III-IV на диаграмме). Когда давление газа в рабочей камере 1 становится ниже, чем давление в камере 9 всасывания газа, открывается клапан 5 всасывания газа, и в рабочую камеру 1 начинает поступать газ; это происходит до того момента, пока объём рабочей камеры 1, заполненный газом, не достигнет максимальной величины V + V (процесс IV-I на диаграмме). При этом клапан 8 нагнетания газа в этот момент закрыт. Газ, находящийся в рабочей камере 2, при этом сжимается, и, когда его давление превышает давление в камере 10 нагнетания газа, открывается клапан 7 нагнетания газа, через который газ направляется в камеру 10 нагнетания газа. Затем распределительные краны 12, 13 снова переключаются в положение «А» (точка I на диаграмме), при этом движение жидкости снова меняет своё направление, и рабочий цикл повторяется.
Переключение распределительных кранов 12, 13 из положения «А» в положение «В» и обратно может происходить, например, с помощью средств автоматизации.
Таким образом, предлагаемая конструкция позволяет повысить производительность компрессора с жидкостными поршнями при неизменной величине рабочего объёма рабочей камеры путём снижения величины относительного мёртвого объёма в рабочих камерах жидкостных поршней, а также на порядки повысить возможное повышение давление газа в одной ступени практически без потерь производительности.