ПОРШНЕВОЙ КОМПРЕССОР С АВТОНОМНЫМ ОХЛАЖДЕНИЕМ ЦИЛИНДРА
PISTON COMPRESSOR WITH INDEPENDENT COOLING OF CYLINDER

Изобретение относится к области компрессоростроения и может быть использовано при создании экономичных поршневых компрессоров малой и средней производительности, в том числе передвижных машин, с автономным жидкостным охлаждением цилиндропоршневой группы.
Известен поршневой компрессор, содержащий цилиндр с установленным в нем поршнем со штоком или шатуном с образованием камеры сжатия, всасывающий клапан с запорным элементом и седлом, соединяющий линию всасывания с камерой сжатия через полость всасывания, нагнетательный клапан с запорным элементом и седлом, соединяющий линию нагнетания с камерой сжатия через полость нагнетания (см., например, книгу Б.С. Фотин, И.Б. Пирумов, И.К. Прилуцкий, П.И. Пластинин. «Поршневые компрессоры». - Л.: Машиностроение, 1987, стр. 5, рис. В1).
Наиболее близким к заявляемому техническому решению является поршневой компрессор, содержащий цилиндр с установленным в нем поршнем со штоком или шатуном с образованием камеры сжатия, всасывающий клапан с запорным элементом и седлом, соединяющий линию всасывания с камерой сжатия через полость всасывания, нагнетательный клапан с запорным элементом и седлом, соединяющий линию нагнетания с камерой сжатия через полость нагнетания, причем цилиндр содержит рубашку охлаждения, соединенную с источником охлаждающей жидкости и теплообменником, отличающийся тем, что источник охлаждающей жидкости выполнен в виде поплавковой камеры, поплавок которой установлен с возможностью управления золотником, один выход которого соединен с окружающей средой, а другой - с камерой сжатия (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 компрессорной установки и занимаемую ей площадь и объем производственного помещения, усложняет ее конструкцию, увеличивает 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.
Поставленная задача решается тем, что в поршневом компрессоре, содержащем цилиндр с установленным в нем поршнем со штоком или шатуном с образованием камеры сжатия, всасывающий клапан с запорным элементом и седлом, соединяющий линию всасывания с камерой сжатия через полость всасывания, нагнетательный клапан с запорным элементом и седлом, соединяющий линию нагнетания с камерой сжатия через полость нагнетания, причем цилиндр содержит рубашку охлаждения, соединенную с источником охлаждающей жидкости и теплообменником, согласно данному изобретению источник охлаждающей жидкости выполнен в виде поплавковой камеры, поплавок которой установлен с возможностью управления золотником, один выход которого соединен с окружающей средой, а другой - с камерой сжатия.
Поплавковая камера своей нижней частью может быть соединена с верхней частью рубашки охлаждения, а теплообменник может иметь по крайней мере два канала, соединенные между собой и с нижней частью рубашки охлаждения, причем в обоих каналах установлено по крайней мере по одному гидродиоду и гидродиоды в этих каналах имеют разнонаправленные диодности.
Один выход золотника может быть соединен с камерой сжатия через канал и пространство между запорным элементом всасывающего клапана и его седлом при открытом положении клапана или один выход золотника может быть соединен с камерой сжатия через канал, дополнительную полость всасывания или нагнетания и соответственно через дополнительный всасывающий или нагнетательный клапан, который может быть установлен в нижней части цилиндра на его боковой стенке выше положения поршня в нижней мертвой точке.
Поплавок может быть соединен со штоком, который имеет возможность воздействия на подвижный элемент золотника, установленного с возможностью перемещения вдоль своей оси в цилиндре, причем этот подвижный элемент имеет вдоль цилиндрической образующей две проточки, фиксирующие его в двух положениях с помощью по крайней мере одного фиксатора.
Золотник может иметь электромагнитный привод, катушка которого соединена с выходом схемы управления, два входа которой соединены с контактами, которые замыкаются с помощью штока, закрепленного на поплавке поплавковой камеры, при верхнем и нижнем положении поплавка.
Сущность изобретения поясняется чертежами.
На фиг. 1 схематично изображено продольное (вдоль оси цилиндра) сечение компрессора с поплавковой камерой и золотником, один выход которого соединен с атмосферой, а другой - через канал со щелью между запорным элементом всасывающего клапана и его седлом.
На фиг. 2 показано крупно сечение золотника.
На фиг. 3 показано увеличенное сечение золотника в зоне отверстий, соединяющих полости над и под подвижным элементом золотника.
На фиг. 4 показан фрагмент цилиндропоршневой группы в зоне вхождения канала, соединяющего золотник с щелью между подвижным элементом запорного органа всасывающего клапана и его седлом.
На фиг. 5 показана аналогичная фиг. 1 схема, в которой один выход золотника соединен с камерой сжатия компрессора через дополнительный всасывающий клапан.
На фиг. 6 показан вариант конструкции с использованием части нагнетаемого газа через дополнительный нагнетательный клапан для прокачки жидкости через рубашку цилиндра.
На фиг. 7 и 8 показана схема конструкции при использовании электромагнита для перемещения подвижного элемента золотника.
Поршневой компрессор (фиг. 1-3) с автономным охлаждением цилиндра содержит цилиндр 1 с установленным в нем поршнем 2 со штоком 3 с образованием камеры сжатия 4, всасывающий клапан с запорным элементом 6 и седлом 7, соединяющий линию всасывания 8 с камерой сжатия 4 через полость всасывания 9, размещенную в клапанной коробке 10, нагнетательный клапан с запорным элементом 11 и седлом 12, соединяющий линию нагнетания 13 с камерой сжатия 4 через полость нагнетания 14, причем цилиндр 1 содержит рубашку 15 охлаждения, соединенную с источником охлаждающей жидкости 16, который выполнен в виде поплавковой камеры 17 и содержит подпружиненный пружиной 18 пустотелый поплавок 19, который жестко соединен со штоком 20 с выступами 21 и 22, которые воздействуют на подвижный элемент 23 золотника 24 и управляют его положением.
Подвижный элемент 23 (фиг. 2) имеет возможность перемещаться вдоль оси в цилиндре 25 и имеет вдоль цилиндрической образующей две проточки 26 и 27, которые необходимы для его фиксации в двух положениях с помощью подпружиненных фиксаторов 28.
Один выход 29 золотника 24 соединен с окружающей средой (атмосферой), а другой 30 - с камерой сжатия 4 через канал 31 и пространство (щель) 32 между запорным элементом 6 всасывающего клапана и его седлом 7 при открытом положении клапана.
Поплавковая камера 17 своей нижней частью соединена каналом 33, выполненным в виде теплообменника, с верхней частью рубашки 15 охлаждения, а теплообменник 34 имеет два оребренных канала 35 и 36, соединенные между собой трубками 37 и с нижней частью рубашки 15 охлаждения каналами 38 и 39, причем в обоих этих каналах установлены группы гидродиодов 40 и 41 и гидродиоды в каналах 38 и 39 имеют разнонаправленные диодности.
Отверстия 42 (фиг. 3) в подвижном элементе 23 соединяют между собой верхнюю и нижнюю полости цилиндра 25.
На фиг. 5 изображен вариант компрессора, в котором выход 30 золотника 16 соединен с камерой сжатия 4 через канал 31, дополнительную полость всасывания 42 и через дополнительный всасывающий клапан 43.
На фиг. 6 изображен вариант компрессора, в котором выход 30 золотника 16 соединен с камерой сжатия 4 через канал 31, дроссель 44, дополнительную полость нагнетания 45 и через дополнительный нагнетательный клапан 46.
На фиг. 7 изображен вариант компрессора с электромагнитным управлением положения подпружиненного пружиной 47 элемента 23, который соединен штоком 48 с электромагнитом 49, втягивающая катушка 50 которого соединена с выходом схемы управления 51, два входа (Вход 1 и Вход 2) которой соединены с двумя парами контактов 52 и 53, установленными в корпусе 54 с возможностью их замыкания элементом (пятой) 55 штока 20, закрепленного на поплавке 19 поплавковой камеры 17, при верхнем и нижнем положении поплавка 19. Схема управления 51 получает питание от сети переменного тока через преобразователь 56. Полость 57, расположенная над поплавком 19, соединена каналами 58 и 59 с золотником 24 соответственно на одном уровне с выходом 29 в атмосферу и выходом 30 в канал 31.
На фиг. 8 изображен вариант конструктивной схемы компрессора с электромагнитным управлением работы золотника 24 и положением дополнительного нагнетательного клапана 46 в нижней части цилиндра на его боковой стенке выше нижней мертвой точки (НМТ) положения поршня 2.
Компрессор работает следующим образом.
При возвратно-поступательном движении поршня 2 воздух из линии всасывания 8 через полость 9 всасывается через открытый клапан 6 в камеру сжатия 4, сжимается в ней при закрытых клапанах 6 и 11 и нагнетается потребителю через открытый клапан 11, полость 14 и линию нагнетания 13.
При ходе поршня 2 вниз в камере 4 создается разрежение, и под действием возникшего перепада давления между атмосферой (линия всасывания 8, полость 9) и камерой 4 клапан 6 открывается на некоторую величину. При этом между тарелкой клапана 6 и седлом 7 образуется щель 32, через которую воздух идет с большой скоростью. В соответствии с уравнением Бернулли статическое давление в щели 32 становится намного меньше атмосферного давления, и воздух начинает «подсасываться» через канал 31 и выход 30 из цилиндра 25, в связи с чем давление в этом цилиндре падает как над подвижным элементом 23 золотника 24, так и, благодаря наличию отверстий 42 (фиг. 2 и 3), в пространстве над поплавком 19. В то же время давление жидкости под поплавком в камере 17 равно атмосферному, т.к. она соединена через канал 33, рубашку 15 и каналы 38 и 39 с оребренными каналами 36 и 36 теплообменника 34, который открыт в атмосферу. В связи с появлением перепада давления на поплавке 19 (снизу больше, сверху меньше) он начинает двигаться вверх, всасывая жидкость в камеру 17 из каналов 35 и 36 через каналы 38 и 39. В связи с тем, что диодность группы диодов 40 направлена против потока жидкости, этот поток тормозится. В то же время диодность группы диодов 41 направлена попутно потоку, и они не оказывают заметного влияния на расход жидкости через канал 39. Поэтому расход жидкости в сторону рубашки 15 через канал 38 меньше, чем через канал 39, и для сохранения уровня жидкости в каналах 35 и 36 жидкость по трубкам 37 частично перетекает из канала 35 в канал 36.
Таким образом, пока клапан 6 открыт (поршень 2 идет вниз), совершается подъем жидкости в полости 17, ее движение по рубашке 15 и истечение жидкости из каналов 35 и 36 теплообменника 34 с одновременным перетеканием жидкости из канала 35 в канал 36.
При ходе поршня 2 вверх давление в камере 2 становится больше атмосферного, и клапан 6 закрывается, начинается сжатие воздуха в камере 4.
При закрытом клапане 6 поднятие жидкости в полости 17 останавливается, т.к. усилие пружины 18 и вес поплавка 19 противодействуют образовавшемуся в результате хода всасывания перепаду давления на поплавке 19.
В процессе сжатия при дальнейшем ходе поршня 2 вверх давление воздуха в камере 4 становится равным давлению нагнетания, и клапан 11 открывается, перепуская сжатый воздух через полость 14 и линию нагнетания 13 в направлении потребителя сжатого воздуха до тех пор, пока поршень 2 не достигнет крайнего верхнего положения - верхней мертвой точки, после чего клапан 11 закрывается, и поршень 2 снова движется вниз.
При движении поршня вниз повторяется процесс всасывания с дальнейшим понижением давления в цилиндре 25.
Затем цикл повторяется, поплавок 19 постепенно от цикла к циклу движется вверх, перекачивая жидкость из теплообменника 34 и рубашку 15 в полость 17.
Такая работа гидропневматической системы продолжается до тех пор, пока поплавок 19 не поднимется настолько, что выступ 21 штока 20 не упрется в нижний торец подвижного элемента 23, и подъемная сила поплавка 19 не окажется достаточной, чтобы «сорвать» элемент 23 с фиксаторов 28, в результате чего элемент 23 переходит из положения, определяемого положением проточки 27, в положение, определяемое положением проточки 26.
При этом элемент 23 открывает выход 29, соединенный с атмосферой, в результате чего воздух с атмосферным давлением очень быстро проникает в полость цилиндра 25, и в канале 31 устанавливается атмосферное давление. Теперь при осуществлении процесса всасывания, когда клапан 6 открыт, в щель 32 попадает атмосферный воздух, и воздействие пониженного давления в этой щели не оказывает никакого влияния на работу источника жидкости 16.
В то же время под действием силы сжатой пружины 21 и веса поплавка жидкость из камеры 17 вытесняется через канал 33 назад в рубашку 15 и из нее по каналам 38 и 39 истекает в каналы 35 и 36. Причем гидравлическое сопротивление канала 39 протеканию по нему жидкости больше (группа диодов 41 тормозит поток), а гидравлическое сопротивление канала 38 меньше (группа диодов 40 практически не оказывает тормозящего действия), в связи с чем в канал 35 попадает больше жидкости, чем в канал 36. И снова для поддержания одинакового уровня жидкость перетекает из одного канала в другой по трубкам 37, но теперь - в обратном направлении - из канала 35 в канал 34.
Вытеснение жидкости из полости 17 при движении поплавка 19 вниз происходит до тех пор, пока выступ 22 не упрется в торец элемента 23, в результате чего под действием веса поплавка и усилия пружины 21 не произойдет «срыв» элемента 23 с фиксаторов 28 и переход его снова в нижнее положение, при котором выход 29 отсекается от атмосферы.
Затем процесс повторяется.
Таким образом, при возвратно-поступательном движении поршня 2 периодически происходит движение жидкости из теплообменника 34 через рубашку 15 в полость 17 и обратно при одновременном перемешивании жидкости в каналах 35 и 36 теплообменника 34. Это позволяет интенсифицировать отвод теплоты сжатия, которая поступает от сжимаемого воздуха к стенкам камеры сжатия 4, и передать ее стенкам и ребрам теплообменника 34, откуда она отводится в окружающую среду за счет естественной или принудительной конвекции (с использованием вентилятора, который на чертежах не показан) в окружающую среду.
Конструкция компрессора, фрагмент цилиндропоршневой группы которого показан на фиг. 4, работает аналогично вышеописанной. Отличие ее состоит в конструктивном решении подвода канала 31 к щели 32, которое более компактно, чем показанное на фиг. 1.
На фиг. 5 показана конструктивная схема компрессора, в котором создание пониженного по сравнению с атмосферным давление в цилиндре 25 организуется путем соединения его непосредственно с камерой 4 при ходе поршня вниз в процессе всасывания. Для этого канал 31 соединен с камерой 4 через полость 42 и дополнительный всасывающий клапан 43 с достаточно большим гидравлическим сопротивлением. В этом случае при ходе поршня 2 вниз разрежение в полости 42 и соответственно в цилиндре 25 будет несколько больше, чем в камере сжатия 4. Хотя и обычного падения давления в камере 5 на ходе всасывания уже достаточно для организации периодического возвратно-поступательного движения жидкости в гидравлической линии «теплообменник 34 - рубашка 15 - камера 17», которая является системой охлаждения цилиндра 1.
На фиг. 6 показан пример конструктивной схемы компрессора, в котором движение жидкости в системе охлаждения организовано путем подачи в цилиндр 25 золотника 24 повышенного по сравнению с атмосферным давления и камеры сжатия 4 в процессе сжатия - нагнетания, когда поршень 2 идет вверх. В связи с этим выход 30 золотника 24 помещен в нижней части цилиндра 25, а выход 29 - в верхней части цилиндра 25. Дроссель 44 служит для снижения давления, поступающего к золотнику 24 с тем, чтобы снизить затраты работы на перемещение жидкости, т.к. обычное для ступеней поршневых компрессоров давление нагнетания (4-6 бар и выше) избыточно большое для осуществления работы предложенной гидравлической системы охлаждения цилиндра. Дополнительных пояснений работа этой конструкции не требует.
Конструктивная схема компрессора, изображенного на фиг. 7, работает аналогично схеме, изображенной на фиг. 5, с той разницей, что управление положением золотника 23 осуществляется электромагнитом 49, соединенным с золотником 23 с помощью штока 48. Электромагнит 49 получает команды с «Выхода» схемы управления 51, которая, в свою очередь, обрабатывает сигналы, полученные при замыкании контактов 52 и 53.
Во время осуществления ходов всасывания, когда элемент 23 находится в верхнем положении (этот момент показан на фиг. 7) и в связи с образующимся разрежением в полости 57 поплавок 19 идет вверх, электромагнит 49 выключен, и напряжение на концах его обмотки 50 отсутствует. Происходит перекачивание жидкости из теплообменника 34 в камеру 17.
При достижении крайнего верхнего положения поплавка 19 пята 55 замыкает контакты 52, что в схеме управления 51 соответствует команде «пуск» (замыкание нормально разомкнутых контактов кнопки «пуск»), и на «Выход» системы управления 51 подается напряжение, которое передается на катушку 50, электромагнит 49 включается и через шток 48 притягивает элемент 23 вниз, сжимая пружину 47. При этом канал 58 соединяется через выход 29 с атмосферой, происходит заполнение полости 57 воздухом под атмосферным давлением, перепад давления на поплавке 57 исчезает, и под действием силы тяжести и усилия пружины 18 поплавок 19 движется вниз, перекачивая жидкость из камеры 17 в теплообменник 34. В течение всего этого времени с «Выхода» системы управления 51 на катушку 50 электромагнита 49 подается напряжение, и электромагнит 49 удерживает элемент 23 в нижнем положении, при котором канал 59 и выход 30 разобщены.
При достижении поплавком крайнего нижнего положения, пята 55 замыкает контакты 53, что соответствует команде «стоп» в системе управления 51 (замыкание нормально разомкнутых контактов электромеханического реле, размыкающего нормально замкнутые контакты кнопки «стоп»). При этом прекращается подача напряжения на «Выход» схемы управления 51, и электромагнит 49 отпускает шток 48 с элементом 23, который под действием пружины 47 переходит в крайнее верхнее положение, разобщая канал 58 с выходом 29 и сообщая канал 59 с выходом 30. Начинается создание разрежения в полости 57, поднятие поплавка 19 вверх и перекачивание жидкости из теплообменника 34 в камеру 17.
Затем цикл повторяется.
Устройство схемы управления 51 соответствует тривиальной схеме управления пуском электродвигателя и пояснения не требует.
На фиг. 8 изображен вариант конструктивной схемы компрессора с электромагнитным управлением работы золотника 24 и положением дополнительного нагнетательного клапана 46 в нижней части цилиндра на его боковой стенке и выше нижней мертвой точки (НМТ). Работа этой схемы отличается от предыдущей тем, что в ней перемещение поплавка 19 осуществляется, как и в схеме на фиг. 6, за счет сжатого в камере 4 воздуха. Однако в этом примере воздух, который используется для движения поплавка 19, в отличие от схемы на фиг. 6, сжимается до низкого давления - гораздо ниже, чем давление нагнетания (в схеме на фиг. 6 - до давления нагнетания), что позволяет тратить на прокачку жидкости через гидравлическую систему охлаждения существенно меньше механической работы. Единственный недостаток этой схемы состоит в необходимости установки дополнительного нагнетательного клапана 46 в стенке цилиндра 1 через рубашку охлаждения 15.
Дополнительных пояснений данная схема компрессора не требует.
Таким образом, предложенное техническое решение позволяет осуществлять полноценное и интенсивное жидкостное охлаждение цилиндропоршневой группы компрессора абсолютно автономно, без использования дополнительных жидкостных насосов и внешних источников охлаждающей жидкости, что обеспечивает снижение приведенной стоимости сжатого газа и увеличение общей эффективности компрессора.