ПОРШНЕВОЙ ДЕТАНДЕР

Полезная модель относится к области машиностроения, а именно к машинам объемного действия, в частности, поршневым детандер-компрессорным агрегатам, и может быть использована в холодильной технике, например, в криогенной технике, воздушных холодильных установках, установках кондиционирования воздуха и т.д.
Известен поршневой детандер, включающий в себя цилиндр, в котором установлен поршень, связанный с кривошипно-шатунным механизмом (КШМ), расположенным в картере и клапан впуска, причем стенки цилиндра содержат выпускные окна, расположенные выше нижней мертвой точки поршня (НМТ) [см. Агрегат детандерный ДПВ 4,2-200/6-2. Техническое описание и инструкция по эксплуатации. - Омск, 1985. - 81 с.].
Недостатком данного детандера является низкая эффективность работы детандера по холодопроизводительности, обусловленная тем, что часть рабочего тела остается в цилиндре после рабочего хода, сжимается при обратном ходе поршня и разогревается, после чего смешивается с холодным рабочим телом, поступившим через впускной канал, и за счет конвективного теплообмена повышает его температуру.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению является поршневой детандер, содержащий цилиндр, в котором установлен поршень, связанный с кривошипно-шатунным механизмом, расположенным в картере, и клапан впуска, причем стенки цилиндра содержат выпускные окна, расположенные выше НМТ поршня, а полости окон объединены общим коллектором, выпускные каналы, полость которых связана с полостью коллектора через перепускной клапан, выполненный нормально закрытым (см. патент РФ №2703843, МКП 25 В 9/00, опубл. 2019.10.22).
Недостатком данного детандера является низкая надежность из-за повышенной нагрузки на КШМ в момент нахождения поршня в верхней мертвой точке (ВМТ) при открытии впускного клапана, так как происходит ударное воздействие рабочего тела на днище поршня из-за резкого возрастания силы давления, которое может привести к снижению ресурса и разрушению КШМ детандера.
Техническим результатом предлагаемого устройства является повышение надежности детандера за счет плавного повышения силы давления рабочего тела на днище поршня в момент открытия впускного клапана при нахождении поршня в ВМТ посредством дополнительного выступа на поршне, выполняющего роль газового затвора.
Указанный технический результат достигается тем, что известный поршневой детандер, содержащий цилиндр, в котором установлен поршень, связанный с кривошипно-шатунным механизмом, расположенным в картере и клапан впуска, причем стенки цилиндра содержат выпускные окна, расположенные выше нижней мертвой точки поршня, а полости окон объединены общим коллектором, выпускные каналы, полость которых связана с полостью коллектора через перепускной клапан, выполненный нормально закрытым, согласно изобретению, отличающийся тем, что на днище поршня выполнен соосно цилиндрический выступ, высота которого равна величине хода поршня при угле поворота коленчатого вала на 30°относительно верхней мертвой точки поршня и диаметр выступа меньше диаметра поршня, а верхняя часть цилиндра содержит сужение, высота и диаметр которого соответствуют высоте и диаметру выступа.
Сущность полезной модели заключается в том, что на днище поршня выполнен соосно цилиндрический выступ, высота которого равна величине хода поршня при угле поворота коленчатого вала на 30° относительно верхней мертвой точки поршня и диаметр выступа меньше диаметра поршня, а верхняя часть цилиндра содержит сужение, высота и диаметр которого соответствуют высоте и диаметру выступа.
В известном прототипе (см. патент РФ №2703843, МКП 25 В 9/00, опубл. 2019.10.22) при работе поршневого детандера, в момент нахождения поршня в ВМТ, открывается на определенное время клапан впуска и рабочее тело под давлением поступает через впускной канал в цилиндр, и давит на поршень, заставляя двигаться его вниз, и, тем самым вращать коленчатый вал. При этом увеличивается объем рабочего тела, что сопровождается понижением его температуры. Выпускной канал и перепускной клапан в это время закрыты. На определенном угле поворота коленчатого вала (вблизи НМТ) открываются выпускные окна, и основная часть охлажденного рабочего тела по принципу прямотока поступает в общий коллектор. За счет энергии, накопленной маховиком, поршень начинает движение вверх. В это время открывается перепускной клапан, и оставшаяся часть рабочего тела направляется через полость канала потребителю. После достижения поршнем ВМТ перепускной клапан закрывается. Далее цикл повторяется.
При этом, в момент нахождения поршня в ВМТ и начале впуска рабочего тела через клапан в цилиндр, происходит ударное воздействие рабочего тела на днище поршня из-за резкого повышения силы давления. От поршня это воздействие передается на другие детали КШМ: шатунный палец, шатун, шейку коленчатого вала. При этом, угол поворота коленчатого вала и крутящий момент на нем равны нулю, а вектор силы давления рабочего тела проходит через оси этих деталей. При угле поворота коленчатого вала от 0° до 30° от ВМТ КШМ детандера испытывает наибольшие нагрузки. Например, для детандера ДПВ-4,2-200/6-2 [см. Агрегат детандерный ДПВ 4,2-200/6-2. Техническое описание и инструкция по эксплуатации. - Омск, 1985. - 81 с.] сила давления рабочего тела на днище поршня в момент нахождения поршня в ВМТ может достигать величины 45000 Н.
Согласно полезной модели, при работе поршневого детандера, в момент нахождения поршня в ВМТ и открытия на определенное время клапана впуска, происходит плавное повышение силы давления рабочего тела на днище поршня и детали КШМ за счет дополнительного выступа на поршне, выполняющего роль газового затвора. При этом рабочее тело поступает первоначально в верхнюю часть цилиндра с меньшим диаметром и давит на выступ поршня, имеющего значительно меньшую площадь по сравнению с площадью днища поршня, что снижает силу давления на поршень пропорционально отношению площадей днища поршня и выступа, соответственно. При дальнейшем движении поршня от ВМТ к НМТ, когда угол поворота коленчатого вала достигнет величины 30°, выступ поршня выходит из суженной части цилиндра и сила давления рабочего тела начинает воздействовать на всю площадь поршня. Таким образом, происходит плавное увеличение силы давления рабочего тела на поршень и на детали КШМ детандера на угле поворота коленчатого вала от 0° до 30° от ВМТ, и устраняется ударная нагрузка на КШМ. Этим достигается указанный в полезной модели технический результат.
ц
B
ц
в
п
Структурная схема поршневого детандера представлена: в положении поршня в ВМТ - на фигуре 1, в положении поршня при повороте коленчатого вала на 30° - на фигуре 2, где показаны: 1 - поршень; 2 - клапан впуска; 3 - впускной канал; 4 - цилиндр; 5 - коленчатый вал; 6 - верхняя суженная часть цилиндра; 7 - выступ; 8 - кривошипно-шатунный механизм (КШМ); D - внутренний диаметр верхней части цилиндра; d - диаметр выступа; Н - высота цилиндра; h - высота выступа; S - величина хода поршня при угле поворота коленчатого вала на 30° относительно ВМТ поршня.
Поршневой детандер работает следующим образом. В момент нахождения поршня 1 в ВМТ, открывается на определенное время клапан впуска 2 и рабочее тело под давлением поступает через впускной канал 3 в цилиндр 4, и давит на поршень 1, заставляя двигаться его вниз, и, тем самым вращать коленчатый вал 5. При этом рабочее тело поступает первоначально в верхнюю часть 6 цилиндра 4 с меньшим диаметром и давит на выступ 7 поршня 1, имеющего значительно меньшую площадь по сравнению с площадью днища поршня 1, что снижает силу давления F на поршень 1 пропорционально отношению площадей днища поршня 1 и выступа 7, соответственно. При дальнейшем движении поршня 1 от ВМТ к НМТ, когда угол поворота α коленчатого вала 5 достигнет величины 30°, выступ 7 поршня 1 выходит из суженной части 6 цилиндра 4 и сила давления F рабочего тела начинает воздействовать на всю площадь поршня 1. Таким образом, происходит плавное увеличение силы давления F рабочего тела на поршень 1 и на детали КШМ 8 детандера на угле поворота коленчатого вала от 0° до 30° от ВМТ, и устраняется ударная нагрузка на КШМ 8. Этим достигается указанный в полезной модели технический результат.
Таким образом, предлагаемое техническое решение позволяет плавно повысить силу давления рабочего тела на днище поршня в момент открытия впускного клапана при нахождении поршня в ВМТ и тем самым исключить ударное воздействие рабочего тела на днище поршня, предотвратить разрушение кривошипно-шатунного механизма, повысить ресурс и надежность детандера.