ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ СОЗДАНИЯ СВЕРХВЫСОКИХ ДАВЛЕНИЙ
THERMOMECHANICAL DEVICE FOR CREATING ULTRA-HIGH PRESSURES

Изобретение относится к компрессорной технике, а именно к термокомпрессорам для создания сверхвысоких давлений газов.
Наиболее близким по технической сути (прототипом) к предлагаемому устройству является устройство для создания сверхвысоких давлений (авторское свидетельство №127353), состоящее из обычного механического компрессора и последовательно соединенных периодически обогреваемых баллонов, в которых размещается рабочее тело, а в трубопроводах, соединяющих баллоны, установлены обратные клапаны, пропускающие газ только в одном направлении, и баллоны выполнены с внутренним электрообогревом, который включается последовательно. По сути, прототип является многоступенчатым термокомпрессором.
К недостатку этого устройства следует отнести то, что из-за большого количества баллонов-ступеней термокомпрессора, тепловой инерционности процессов нагрева и охлаждения, а также дозаправки заполняемых баллонов горячим газом возникает техническая проблема, заключающаяся в малой объемной производительности прототипа. Необходимо также отметить, что после заправки баллона горячим газом давление в нем будет снижаться по мере охлаждения газа.
Сущность изобретения заключается в том, что указанная техническая проблема решается путем разработки технического решения в виде устройства, характеризуемого следующей совокупностью существенных признаков.
Общими с прототипом существенными признаками являются наличие у предлагаемого термомеханического устройства для создания сверхвысоких давлений, компрессора, ресивера с запасом сжатого газа и термокомпрессора, сообщающегося с ресивером через обратные клапаны.
Отличительными существенными признаками является выполнение термокомпрессора предлагаемого устройства двухсекционным, и оснащение каждой его полости одной из двух последовательно подключенных секций термоэлектрической батареи, работающих, в зависимости от полярности ее подключения, в противофазных режимах нагрев-охлаждение. Следующими отличительными признаками является оснащение предлагаемого устройства цилиндром сверхвысокого давления со свободно плавающим теплоизолированным поршнем и его возвратным механизмом, сообщение надпоршневой полости цилиндра сверхвысокого давления с секциями термокомпрессора через клапаны, выполненными управляемыми, а также сообщение подпоршневой полости цилиндра сверхвысокого давления через входной обратный клапан с ресивером и через выходной обратный клапан - с заполняемым баллоном.
Предлагаемое термомеханическое устройство для создания сверхвысоких давлений имеет еще один существенный отличительный признак, являющийся дополнительным к перечисленным выше признакам: возвратный механизм свободно плавающего теплоизолированного поршня выполнен в виде пружины.
Совокупность перечисленных существенных признаков обеспечивает получение технического результата, выражающегося в повышении объемной производительности предлагаемого устройства по сравнению с прототипом.
Причинно-следственная связь между совокупностью перечисленных существенных признаков и получением указанного технического результата следующая.
Во-первых, большое количество баллонов-ступеней заменяется только двумя основными элементами, сообщающимися через клапаны не только с ресивером, но и между собой. Этими основными элементами являются:
- двухсекционный термокомпрессор с возможностью не только нагрева, но и охлаждения газа в его разных полостях;
- цилиндр сверхвысокого давления со свободно плавающим теплоизолированным поршнем, предназначенный для сжатия газа, находящегося в его подпоршневом пространстве, до сверхвысокого давления. Использование двухсекционного термокомпрессора в качестве формирователя в циклическом режиме параметров рабочего тела для цилиндра сверхвысокого давления со свободно плавающим теплоизолированным поршнем и указанное уменьшение числа элементов приводит к снижению тепловой инерционности процесса.
Во-вторых, цилиндр сверхвысокого давления в такте сжатия, хотя и использует в качестве рабочего тела нагретый газ, поступающий в его надпоршневую полость из нагреваемой полости термокомпрессора, не передает это тепло сжимаемому им газу, так как свободно плавающий теплоизолированный поршень выполнен теплоизолированным. Это обстоятельство коренным образом повышает степень изотермичности процесса сжатия газа, находящегося под свободно плавающим теплоизолированным поршнем, что и является одной из главных причин повышения объемной производительности.
В-третьих, тепловая инерционность процессов нагрева и охлаждения, присущая прототипу, существенным образом снижается также и за счет реализации в полостях двухсекционного термокомпрессора не только нагрева, но и принудительного охлаждения рабочего тела. При этом циклы нагрев-охлаждение рабочего тела реализуются в полостях термокомпрессора противофазно за счет размещения в них последовательно подключенных секций термоэлектрической батареи и изменения полярности ее подключения синхронно с завершением свободно плавающим теплоизолированным поршнем такта сжатия очередной порции газа и передавливания ее в заполняемый баллон. Такая схема организации процесса приводит к росту числа циклов в единицу времени, то есть - росту объемной производительности.
В-четвертых, для перехода свободно плавающего теплоизолированного поршня в исходное положение по завершении такта сжатия он оснащен возвратным механизмом, а для выполнения им такта сжатия поступление нагретого рабочего тела в надпоршневую полость из той или иной полости двухсекционного термокомпрессора происходит через соответствующий управляемый клапан.
Наконец, для осуществления поступления очередной порции холодного газа в подпоршневую полость цилиндра сверхвысокого давления она сообщена через входной обратный клапан с ресивером и через выходной обратный клапан - с заполняемым баллоном.
Обстоятельства, перечисленные в двух предыдущих абзацах, позволяют обеспечить циклическое поступление холодного газа на сжатие и, как это будет показано ниже, подачу рабочего тела в надпоршневую полость после его нагрева до требуемого уровня. Эти обстоятельства также являются одной из главных причин повышения объемной производительности.
Таким образом, предлагаемое термомеханическое устройство позволяет за счет реализации циклов нагрева-охлаждения конечного количества газа (как рабочего тела) и управления движением этого рабочего тела обеспечить дожатие неограниченного количества холодного газа высокого давления (400 МПа) до уровня сверхвысокого (более 400 МПа).
Предлагаемое термомеханическое устройство для создания сверхвысоких давлений поясняется рисунками.
На фиг. 1 представлена принципиальная схема предлагаемого устройства. На фиг. 1 позициями обозначено:
1 - компрессор;
2 - ресивер;
3 - выходной вентиль ресивера;
4, 8, 17, 19 - обратные клапаны;
5 - двухсекционный термокомпрессор;
6, 9 - полости двухсекционного термокомпрессора;
7 - термоэлектрическая батарея;
10, 11, 12, 18 - управляемые клапаны;
13 - цилиндр сверхвысокого давления;
14 - свободно плавающий теплоизолированный поршень;
15 - возвратный механизм поршня;
16 - заполняемый баллон.
На фиг. 2 представлена схема перекоммутации (переключения полярности) входных цепей питания секций термоэлектрической батареи 7 (фиг. 1). На фиг. 2 позициями и типом линий обозначено (номера, указанные в комментариях к позициям, относятся к фиг. 1):
1 - входная часть электрической цепи подключения той секции термобатареи 7, которая термически взаимодействует с газом в полости 6 двухсекционного термокомпрессора 5;
2 - входная часть электрической цепи подключения секции термобатареи 7, термически взаимодействующей с газом в полости 9 двухсекционного термокомпрессора 5;
- сплошной линией или пунктиром показаны коммутационные состояния входных частей указанных электрических цепей.
Предлагаемое устройство работает следующим образом (см. фиг. 1).
исх
исх
исх
исх
В исходном состоянии компрессором 1 произведено заполнение ресивера 2 газом до исходного давления р. Затем открываются: выходной вентиль 3 ресивера 2 и управляемые клапаны 10 и 11. Вследствие этого газ с давлением р через указанные клапаны 10 и 11, а также через обратные клапаны 4, 8, 17 и 19 одновременно заполняет полости 6 и 9 двухсекционного термокомпрессора 5, надпоршневую и подпоршневую полости цилиндра сверхвысокого давления 13, заполняемый баллон 16. Таким образом, во всех полостях термомеханического устройства установилось давление газа р при его температуре Т, свободно плавающий теплоизолированный поршень 14 (далее по тексту описания работы - поршень 14) цилиндра сверхвысокого давления 13 находится в исходном положении (на фиг. 1 - крайнее левое положение). Термомеханическое устройство приведено в исходное состояние. Затем управляемый клапан 11 закрывается, а управляемый клапан 10 остается открытым, выходной вентиль 3 ресивера 2 остается открытым в течение всего времени работы устройства.
Первый цикл сжатия газа в подпоршневои полости цилиндра сверхвысокого давления 13. Сначала рассмотрим работу в первом цикле, обусловленную изменениями температуры газа в полости 6 двухсекционного термокомпрессора 5.
На термоэлектрическую батарею 7 напряжение подается в такой полярности, чтобы в полости 6 двухсекционного термокомпрессора 5 начался нагрев находящегося в ней газа, а в полости 9 - охлаждение газа.
ст
Нагретый газ из полости 6 через открытый управляемый клапан 10 поступает в надпоршневую полость цилиндра сверхвысокого давления 13. Поршень 14 сжимает газ, находящийся под ним и через обратный клапан 19 выдавливает его в заполняемый баллон 16. Тепло Q от работы сжатия сбрасывается через стенки заполняемого баллона 16 в окружающую среду.
исх
исх
исх
6
исх
исх
исх
6
min
min
исх
В тот момент, когда поршень 14 достигнет крайней правой точки, производится перекоммутация входных цепей (позиции 1 и 2 на фиг. 2) и соответствующее изменение полярности питания термоэлектрической батареи 7. Газ в полости 6 двухсекционного термокомпрессора 5 охлаждаться, его давление падает, поршень 14 под действием его возвратного механизма 15 перемещается в направлении к своему исходному положению. Так как поршень 14, находясь в своем крайнем правом положении, выдавил газ из подпоршневой полости в заполняемый баллон 16, то по мере его движения к исходному положению давление в подпоршневой полости станет ниже р. Вследствие этого в подпоршневую полость через входной обратный клапан 17 из ресивера 2 через его открытый выходной вентиль 3 будет поступать новая порция газа с температурой Т и давлением р. Поршень 14 дойдет до исходного положения в тот момент, когда температура газа в полости 6 двухсекционного термокомпрессора 5 становится равной исходной Т=Т, и остановится. Газ в полости 6 продолжает охлаждаться, его давление становится ниже р. Вследствие этого газ из ресивера 2 через обратный клапан 4 поступит в полость 6, поддерживая в ней давление р, но уже при более низкой температуре Т=T, чем была в начале работы, так как T<Т. Вследствие этого масса газа в полости 6 становится больше исходной.
исх
исх
9
min
исх
Теперь рассмотрим процессы, обусловленные изменениями температуры газа в полости 9 в продолжении того же первого цикла сжатия. Для этого вернемся еще раз в начало первого цикла сжатия. Как отмечалось выше, в то время, пока происходит нагрев газа в полости 6 двухсекционного термокомпрессора 5 и нагнетание поршнем 14 первой порции газа в заполняемый баллон 16, одновременно происходит охлаждение газа в полости 9 двухсекционного термокомпрессора 5 и соответствующее снижение его давления до уровня ниже р. Вследствие этого газ из ресивера 2 через обратный клапан 8 поступит в секцию 9, поддерживая в ней давление р, но уже при более низкой температуре (вплоть до температуры Т=T), чем была в начале работы (Т). Вследствие этого масса газа в полости 9 становится больше исходной.
9
max
исх
6
min
После отмеченного выше переключения полярности термоэлектрической батареи 7, в момент достижения поршнем 14 крайнего правого положения, газ в полости 9 двухсекционного термокомпрессора 5 начинает нагреваться, его давление растет, однако управляемый клапан 11 пока закрыт, поэтому газ в полости 9 нагреется до некоторой конечной температуры Т=T и будет находиться при этой температуре и соответствующем давлении, превышающем р, до тех пор, пока газ в полости 6 не охладится до T=T.
6
min
9
max
В момент выполнения двух событий: достижения в полости 6 двухсекционного термокомпрессора 5 температуры Т=T и в полости 9 температуры Т=T первый цикл сжатия завершен. Управляемый клапан 10 закрывается.
В конце первого цикла сжатия массы газа в полостях 6 и 9 двухсекционного термокомпрессора 5 становятся одинаковыми и превышают исходную массу. Поэтому в дальнейшей работе поступление новых порций газа в полости 6 и 9 происходить не будет.
исх
В конце первого цикла сжатия поршень 14 цилиндра сверхвысокого давления 13 находится в исходном положении, давление газа в его подпоршневой полости равно р. Устройство готово ко второму циклу сжатия.
Второй цикл сжатия газа в подпоршневой полости цилиндра сверхвысокого давления 13. Управляемый клапан 11 открывается, управляемый клапан 10 остается закрытым. Полярность подключения термоэлектрической батареи 7 остается такой же, как и в конце первого цикла сжатия.
9
max
ст
Газ, нагретый в полости 9 двухсекционного термокомпрессора 5 до температуры Т=T и имеющий соответствующее давление, устремляется через открытый управляемый клапан 11 в надпоршневую полость цилиндра сверхвысокого давления 13. Поршень 6 сжимает газ, находящийся под ним и через обратный клапан 19 выдавливает его в заполняемый баллон 16. Тепло Q от работы сжатия сбрасывается через стенки заполняемого баллона 16 в окружающую среду.
исх
9
min
исх
исх
В тот момент, когда поршень 14 достигнет крайней правой точки, производится переключение полярности питания термоэлектрической батареи 7. Газ в полости 9 двухсекционного термокомпрессора 5 охлаждаться, его давление падает, и достигает значения, равного р в тот момент, когда его температура станет T=T. К этому моменту поршень 14 под действием возвратного механизма 15 переместится к исходному положению, а в подпоршневую полость через входной обратный клапан 17 из ресивера 2 через его открытый выходной вентиль 3 поступит новая порция газа с температурой Т, поддерживая в ней давление р=р.
В то время, пока в полости 9 двухсекционного термокомпрессора 5 происходило охлаждение газа, в его полости 6 проходил нагрев газа. Но так как управляемый клапан 10 находится в закрытом состоянии, газ из полости 6 никуда не выходит.
9
min
6
max
В момент выполнения двух событий: достижения в полости 9 температуры Т=T и в полости 6 температуры Т=T второй цикл сжатия завершен. Управляемый клапан 11 закрывается.
Все последующие циклы будут протекать аналогично.
В случае применения пружины в качестве возвратного механизма поршня 14 работа устройства будет аналогична описанному выше.
По окончании работы и заправки заполняемого баллона 16, для удаления газа (если это необходимо) из полостей двухсекционного термокомпрессора 5 и из полостей цилиндра сверхвысокого давления 13 выходной вентиль 3 ресивера 2 закрывают, после чего открываются все управляемые клапаны 10, 11, 12 и 18 и давление из устройства сбрасывается.