ИЗОТЕРМИЧЕСКИЙ СПОСОБ КОМПРЕССИИ
ISOTHERMAL COMPRESSION METHOD

Изобретение относится к способам компрессии газов и предназначено для получения выгоды от экономии потребляемой энергии компрессорами циклического принципа действия, поршневыми, диафрагменными, ротационными и другими, рабочий цикл которых основан на сжатии рабочего тела в рабочей камере с использованием газораспределения (клапанов впуска и выпуска). Предлагаемый способ можно применять при изготовлении компрессоров газов, воздуха.
Существует известный поршневой компрессор для сжатия атмосферного воздуха в объеме ресивера под высоким давлением порядка 8 и выше атмосфер, с последующей утилизацией сжатого воздуха потребителем. Принцип действия компрессора разделен на два этапа. Первый этап - всасывание в рабочую камеру воздуха атмосферного давления с последующим его сжатием в рабочей камере до размера давления в ресивере. Когда давление в рабочей камере компрессора достигает значения давления в ресивере, открывается выпускной клапан, и далее начинается второй этап - сжатие происходит в объеме, включающем в себя объем ресивера и оставшийся объем компрессора. После вытеснения массы воздуха из рабочей камеры в объем ресивера выпускной клапан компрессора закрывается и цикл повторяется. Чем выше необходимо получить давление, тем интенсивнее нагрев газа в рабочей камере и существенны энергозатраты на привод. Описанный способ компрессии точно также организован в известных компрессорах диафрагменного и ротационного типа. Сам способ энергозатратен, практически адиабатное сжатие газа на первом этапе значительно повышает температуру газа и увеличивает работу сжатия привода компрессора. С целью уменьшения энергозатрат и стабилизации оптимальных температурных характеристик, применяют воздушное или жидкостное охлаждение, а также многоступенчатые компрессоры с повышением давления в каждой ступени и промежуточным охлаждением каждой ступени (RU 2202713 C).
Существует известный способ внешнего охлаждения, когда охлаждающая жидкость циркулирует в рубашке охлаждения рабочего цилиндра, отбирая теплоту сжатия газа, и радиатора, где охлаждающая жидкость отдает теплоту окружающей атмосфере. Сам способ малоэффективен, так как не мешает энергозатратному процессу адиабатного сжатия газа в рабочей камере, а только ограничивает рост температуры смазки и рабочих поверхностей компрессора, имеет высокую степень сжатия, которая увеличивает износ сопряженных поверхностей и габариты системы жидкостного охлаждения (GB 502690 A).
Существует известный способ многоступенчатого сжатия газа с охлаждением каждой ступени, когда адиабатно сжатый газ в рабочей камере первой ступени компрессора поступает в теплообменник первой ступени, где реализуется способ внешнего охлаждения. Далее охлажденный газ адиабатно сжимается в рабочей камере второй ступени до более высокого давления и поступает на охлаждение в теплообменник второй ступени, потом наступает очередь третьей ступени и т.д. На практике используют три ступени - это оптимальное решение по КПД. Сам способ экономичней простого внешнего охлаждения и КПД способа выше, но грамозкость системы очевидна, металлоемкость ведет к удорожанию подобных проектов и ограничению по применимости. Сжатие газа в рабочей камере идет адиабатными характеристиками и имеет высокую степень, хотя общий процесс сжатия, получается, сдвинут в область изотермических характеристик. Существует известный способ внутреннего охлаждения, когда охлаждающая жидкость подводится внутрь рабочей камеры (либо впрыск, либо увлажнение газа) в процессе адиабатного сжатия газа с высокой степенью сжатия. Жидкость эффективно поглощает выделяемую теплоту сжатия и через систему сепарации и очистки поступает в радиатор охлаждения, где охлаждающая жидкость отдает теплоту окружающей атмосфере. КПД способа выше, чем у многоступенчатых решений, за счет тепловых характеристик сжатия, приближенных к изотермическим, но сложность системы охлаждения и загрязнение сжимаемого газа в процессе сжатия накладывает вполне определенные эксплуатационные ограничения и коммерческое удорожание подобных устройств. На циркуляцию жидкости также требуются энергозатраты (GB 658351 A).
Существует известный способ отвода теплоты адиабатного сжатия, когда используется комбинированный способ внутреннего охлаждения совместно с внешним способом (JP 2006214309 A).
Данный способ самый эффективный по энергозатратам на привод, а при использовании в качестве охлаждающей жидкости смазки (масло) определенно экономен при эксплуатации. Все недостатки внешнего и внутреннего способа охлаждения присущи этому способу. Возможны варианты компактных компрессоров. Нагрев сжимаемого газа приводит к значительным затратам энергии на привод компрессора, нагрев узлов компрессора сокращает их ресурс, нагрев смазки приводит к ее разложению с вытекающими последствиями, поэтому эффективное охлаждение при высокой степени компрессии залог экономического успеха машины. Эту задачу решают несколькими способами: применяют многоступенчатые компрессоры с охлаждением каждой ступени, применяют охлаждение компрессора внешнее как воздушное, так и жидкостное или применяют охлаждение внутреннее жидкостное или применяют комбинацию внутреннего и внешнего способа.
В рассматриваемых решениях и им подобных оцениваются компрессорные машины объемного типа действия. Принцип их компрессии основан на политропном процессе сжатии газа в объеме рабочей камеры, что гарантирует адиабатный нагрев сжимаемого газа. Эффективный отвод тепла сжатия осуществляют жидкостью (маслом), которая поступает вовнутрь рабочей камеры, загрязняя газ. У каждого класса компрессоров есть свои достоинства и недостатки, но на подобные способы отвода теплоты сжатия газа требуются как дополнительные технологические решения по системе охлаждения и очистки в целом, так и затраты энергии на функционирование этих систем, что в конечном итоге усложняет устройство машин и снижает экономический КПД эксплуатации. Как известно, тепловые процессы сжатия газов в рабочей камере компрессоров имеют степень сжатия в несколько единиц (десятков единиц) и склоняются больше в сторону адиабатных характеристик. Известные прототипы используют сжатие газа непосредственно в рабочей камере, что приводит к увеличению тепловой нагрузки на рабочие узлы компрессора и требует применения более энергозатратного привода. Также известно, что при равных условия на адиабатный процесс сжатия газа требуется до 30% больше работы, чем на изотермический процесс сжатия. На практике обходят эту проблему, применяя воздушное либо водяное охлаждение, либо многоступенчатые компрессоры с промежуточным охлаждением газов после каждой ступени, таким образом, приближая характеристики компрессии к изотермическим, или вообще не извлекают пользы.
Заявленное изобретение решает проблему изотермической компрессии газов за счет:
- уменьшения степени сжатия газа за цикл (менее 1,1);
- использования выхлопа газа при выравнивании давления;
- дросселирования газа через клапан выпуска.
Техническим результатом заявленного решения являются более экономичные энергозатраты на привод, отсутствие системы жидкостного охлаждения с подготовкой и очисткой жидкости, отсутствие ограничений по сжимаемым газам (газы не загрязняются), уменьшение тепловой нагрузки на сопряженные узлы и поверхности рабочей камеры компрессора.
Заявленный технический результат достигается за счет того, что изотермический способ компрессии, характеризующийся сжатием газа рабочим органом компрессора в рабочей камере, отличающийся тем, что сжатие газа рабочим органом компрессора производят также и в ресивере таким образом, что цикл увеличения давления газов происходит в объемах рабочей камеры и ресивера с предварительным выравниванием давления.
Кроме того, используют две и более рабочие камеры в компрессорах.
Объем ресивера не менее чем на порядок больше объема рабочей камеры, причем в качестве ресивера используют сосуды высокого давления или теплообменники, или картера самих компрессоров, или трубопроводы, или иное технологическое оборудование с объемом, превышающим объем рабочей камеры компрессора на обозначенный уровень.
Сжатие газа в объеме ресивера производят с предварительным выравниванием давления в рабочей камере, за счет адиабатного выхлопа газа из ресивера. При больших объемах обратного выхлопа устанавливают турбодетандер в байпасную линию клапана выпуска.
В момент начала этапа выравнивания давления газ дросселируется через зазор между клапаном выпуска и его седлом, с понижением температуры.
Изобретение может быть осуществлено следующим образом. Предлагаемый способ основан на сжатии газа в объеме ресивера с предварительным выравниванием давления в рабочей камере, за счет адиабатного выхлопа газа из ресивера, т.е. принцип действия компрессора разделен на три этапа. Первый этап - впуск в рабочую камеру воздуха атмосферного давления. Второй этап - выравнивание давления в рабочей камере до размера давления в ресивере. Процесс происходит при закрытии окна впуска и открытии клапана выпуска, соединенного с ресивером. Выравнивание давления происходит за счет выхлопа газа высокого давления из ресивера в объем рабочей камеры. Данный адиабатный процесс сопровождается незначительным понижением температуры газа. Когда давление в рабочей камере компрессора достигает значения давления в ресивере, начинается третий этап - сжатие газа, которое происходит в объеме, включающем в себя объем ресивера и объем компрессора. Данный адиабатный процесс сопровождается незначительным повышением температуры газа, за счет низкой степени сжатия. После вытеснения массы воздуха из рабочей камеры в объем ресивера выпускной клапан компрессора закрывается и цикл повторяется. Общий рост температуры газа носит положительную динамику но невысокую скорость, поэтому можно использовать воздушное охлаждение предлагаемого способа компрессии. Общий процесс сжатия максимально приближен к области изотермических характеристик. Обязательное условие - это объем ресивера на порядок и более больше объема рабочей камеры. Предлагаемый способ компрессии газов отличают положительные стороны комбинированного способа, самый эффективный по энергозатратам на привод, и положительные стороны внешнего воздушного охлаждения компрессора, когда отсутствует система жидкостного охлаждения с подготовкой и очисткой жидкости. Также нет ограничения по сжимаемым газам, потому что газы не загрязняются, эксплуатационные расходы минимальны и коммерческая себестоимость компрессоров, функционирующих на данном способе, не увеличивается. Предлагаемый способ компрессии применим для серийно выпускаемых машин объемного типа - поршневых, диафрагменных, ротационных с внешним охлаждением, которые повышают давление порциями, без изменения их конструкции, но с применением ресивера и использованием доработанных узлов, и не подходит для машин динамического типа с непрерывным повышением давления. Предлагаемый способ компрессии газов - это политропный процесс с низкой степенью сжатия за цикл в комбинации с эффектом Джоуля-Томсона. Предлагаемый способ компрессии по своим характеристикам будет ближе к изотермическим, а значит, работа привода не будет расходоваться на нагрев рабочих узлов компрессора. Заявленный способ изотермической компрессии характеризуется функционированием по принципу «обратного выхлопа», т.е. выхлоп идет в противоположном направлении к процессу компрессии (Фиг.1). Например, если в патенте JP 63009695 применить вместо нерегулируемого выпускного клапана (поз.11 на Фиг.2 патента) регулируемый, например электромагнитный, тогда при наличии ресивера можно организовать эффект «обратного выхлопа». Сжатие газа рабочим органом компрессора (поршень, диафрагма, ротор и т.п.) только в рабочей камере не производится, соответственно для отвода теплоты жидкостью, маслом, любым теплоносителем загрязнять сжимаемый газ не требуется. Не требуется система внутреннего охлаждения: впрыск и/или смешивания охлаждающей жидкости (масла) и газа, сепарация газожидкостной смеси, подготовка жидкости(масла), охлаждение жидкости (масла), вспомогательных технологических узлов с оборудованием и трубопроводами, приборами и запорной арматурой. Сжатие новой порции газа низкого давления в объеме рабочей камере производится расширением газа из объема ресивера (выравнивание давления в сосудах), при этом процессе присутствует положительный эффект Джоуля-Томсона, как при частичном открытии выпускного клапана (дросселирование), так и при полном открытии(выхлоп). Для получения высокого давления не требуются многоступенчатые решения компрессии с охлаждением каждой ступени, достаточно одной ступени с внешним охлаждением. При больших объемах обратного выхлопа целесообразно устанавливать турбодетандер в байпасную линию клапана выпуска.
При использовании заявленного способа компрессоры будут меньше нагреваться, обладать меньшей системой внешнего охлаждения, меньшими габаритами и весом, а значит, их производство будет без удорожания себестоимости, также будут иметь низкие эксплуатационные расходы и более высокий механический КПД.
На фиг.1 изображен компрессор, функционирующий по принципу «обратного хода», на фиг.2 изображен однопоршневой компрессор воздуха с нерегулируемым газораспределением и с ресивером, на фиг.3 - то же, с регулируемым газораспределением и с ресивером, на фиг.4 - двухпоршневой компрессор воздуха с регулируемым газораспределением и с ресивером, на фиг.5 - двухпоршневой компрессор с нерегулируемым газораспределением и с ресивером.
Способ может быть реализован на примере нижеописанных устройств компрессоров.
Описание процесса изотермической компрессии на примере однопоршневого компрессора воздуха с нерегулируемым газораспределением и с ресивером показано на Фиг.2, где 1 - клапан всасывания, 2 - перепускной клапан, 3 - рабочая камера, 4 - картер, 5 - перепускное окно, 6 - ресивер, 7 - поршень.
Холостой ход. Движение поршня 7 от нижней мертвой точки (НМТ) к верхней мертвой точке (ВМТ). Перепуск газа из объема 3 через клапан 2 в объем 4 и 6. Клапан 1 закрыт. Рабочий ход. Движение поршня 7 от ВМТ к НМТ. Впуск газа через клапан 1 в объем 3. Клапан 2 закрыт. Сжатие газа поршнем 7 в объеме 4 и 6. Выравнивание давления. При прохождении поршнем 7 перепускного окна 5 происходит расширение газа из объема 4,6 и выравнивание давления в объеме 3, 4, 6. Клапан 1 при этом закрывается.
Описание процесса изотермической компрессии на примере однопоршневого компрессора воздуха с регулируемым газораспределением и с ресивером показано на Фиг.3.
Впуск. Движение поршня 7 от ВТМ к НМТ. Впуск газа через клапан 1. Клапан 2 закрыт. Выравнивание давления. Движение поршня 7 около НМТ. Клапан 2 открывается, клапан 1 закрывается. Газ из объема 6 расширяется в объем 3. Рабочий ход. Движение поршня 7 от НМТ к ВМТ. Клапан 2 остается открытым, газ сжимается в объеме 3,6.
Автоматизация процесса газораспределения может быть механической, электромагнитной или иной выгодной конструкцией. Описание процесса изотермической компрессии на примере двухпоршневого компрессора воздуха с регулируемым газораспределением и с ресивером показано на Фиг.4, где 1, 11 - клапан всасывания, 2, 9 - перепускной клапан, 3, 10 - рабочая камера, 7, 12 - поршень.
Впуск. Движение поршня 7 от ВТМ к НМТ. Впуск газа через клапан 1. Клапан 2 закрыт. Рабочий ход. Движение поршня 12 от НМТ к ВМТ. Клапан 9 остается открытым, газ сжимается в объеме 10, 6.
Выравнивание давления. Движение поршня 7 около НМТ. Клапан 2 открывается, клапан 1 закрывается. Газ из объема 6 расширяется в объем 3. Рабочий ход. Движение поршня 7 от НМТ к ВМТ. Клапан 2 остается открытым, газ сжимается в объеме 3,6.
Впуск. Движение поршня 12 от ВТМ к НМТ. Впуск газа через клапан 11. Клапан 9 закрыт.
Выравнивание давления. Движение поршня 12 около НМТ. Клапан 9 открывается, клапан 11 закрывается. Газ из объема 6 расширяется в объем 10. Описание процесса изотермической компрессии на примере двухпоршневого компрессора воздуха с нерегулируемым газораспределением и с ресивером показано на Фиг.5, где 4, 13 - картер.
Рабочий ход. Движение поршня 7 от НМТ к ВМТ. Сжатие газа из объема 3 через клапан 2 в объем 4, 6, 13. Клапан 1 закрыт. Впуск. Движение поршня 12 от ВМТ к НМТ. Впуск газа через открытый клапан 11, клапан 9 закрыт.
Выравнивание давления. При прохождении поршнем 12 перепускного окна 8 происходит расширение газа из объема 4, 6, 13 и выравнивание давления в объеме 3, 4, 6, 10, 13. Клапан 11 при этом закрывается. Рабочий ход. Движение поршня 12 от НМТ к ВМТ. Сжатие газа из объема 10 через клапан 9 в объем 4, 6, 13. Клапан 9 закрыт.
Впуск. Движение поршня 7 от ВМТ к НМТ. Впуск газа через открытый клапан 1, клапан 2 закрыт.
Выравнивание давления. При прохождении поршнем 7 перепускного окна 5 происходит расширение газа из объема 4, 6, 13 и выравнивание давления в объеме 3, 4, 6, 10, 13. Клапан 1 при этом закрывается.