СПОСОБ РАБОТЫ НАСОС-КОМПРЕССОРА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
OPERATION OF PUMP-COMPRESSOR AND DEVICE TO THIS END

Изобретение относится к области насосо- и компрессоростроения и может быть использовано при создании машин, предназначенных для сжатия и подачи потребителю одновременно или попеременно жидкостей и газов.
Известен способ работы насоса-компрессора, заключающийся в одновременном или попеременном сжатии газа в надпоршневой компрессорной полости и жидкости в подпоршневой насосной полости и нагнетании потребителям жидкости и/или газа (см., например, АС СССР №1078126, МКИ F04B 39/06, 07.03.84, патент РФ №118371, МКИ F04B 19/06 от 20.07.2012).
Известен также способ работы насоса-компрессора, заключающийся в одновременном или попеременном сжатии газа в надпоршневой компрессорной полости и жидкости с находящимся над ней слоем газа в подпоршневой насосной полости при возвратно-поступательном перемещении поршня, и нагнетании потребителям жидкости и/или газа (см., например, патент РФ №125635 на полезную модель, МКИ F04B 19/06, 10.03.2013).
Недостатком известных способов является невозможность гарантированного обеспечения присутствия слоя газа над жидкостью, находящейся в подпоршневом пространстве, т.к. из-за явления растворения газа в жидкости он постепенно исчезает в подпоршневом пространстве, полностью перейдя в перекачиваемую жидкость.
Устройство для осуществления известного способа содержит цилиндр с обратными газовыми и жидкостными клапанами и поршень, разделяющий цилиндр на верхнюю компрессорную и нижнюю насосную полости, причем поршень выполнен П-образным.
Задачей изобретения является гарантированное обеспечение наличия слоя газа над жидкостью в подпоршневом пространстве.
Данный технический результат достигается тем, что при уменьшении слоя газа над жидкостью в подпоршневой полости эту полость «временно» подсоединяют к надпоршневой полости, причем это подсоединение могут производить в течение одного возвратно-поступательного перемещения поршня.
Насос-компрессор для осуществления предлагаемого способа содержит размещенный в насосной полости поплавок, делящий эту полость на газовый слой и жидкостную полость, в теле поршня установлен клапан с проходным каналом, который в открытом состоянии соединяет компрессорную полость с насосной полостью, и устройство для фиксации клапана в положении «открыт» и «закрыт», причем клапан содержит элемент, контактирующий с поплавком в вертикальном направлении.
Сущность изобретения поясняется на примере работы поршневого насоса-компрессора, схематично изображенного на чертежах.
На фиг.1 схематично показано продольное сечение цилиндропоршневой группы насоса-компрессора в обычном рабочем положении.
На фиг.2 показано положение элементов цилиндропоршневой группы при излишне малом объеме газа над жидкостью в насосной полости, когда поплавок взаимодействует с клапаном и открывает его.
На фиг.3 показано положение элементов цилиндропоршневой группы в процессе сжатия в компрессорной полости и заполнения насосной полости сжатым газом.
На фиг.4 показано положение элементов цилиндропоршневой группы, при котором происходит процесс окончания заполнения верхней газовой части насосной полости сжатым газом и закрытие клапана.
Насос-компрессор (фиг.1-4) состоит из цилиндра 1 с обратными газовыми (2 - всасывающий, 3 - нагнетательный) и жидкостными клапанами (4 - всасывающий, 5 - нагнетательный), в котором размещен П-образный поршень 6, разделяющий цилиндр 1 на две части - верхнюю компрессорную 7 и нижнюю насосную 8 полости. Свободно перемещающийся в вертикальной плоскости относительно поршня 6 поплавок 9 находится в насосной полости 8 в П-образном углублении поршня 6 и делит это углубление на две части - газовый слой 10 и жидкостную полость 11. Поплавок 9 имеет выступ 12, который при поднятии уровня жидкости в полости 11 контактирует с поджатым слабой пружиной 13 элементом 14, выполненным в виде штифта, установленного в теле клапана 15 и проходящего через паз 16 в теле поршня 6. Клапан 15 перекрывает проходной канал 17, выполненный в виде отверстий и соединяющий при открытии (подъеме) клапана 15 компрессорную полость 7 с газовым слоем 10. Устройство для фиксации клапана 15 в положении «открыт» (клапан поднят) и «закрыт» (клапан утоплен в теле поршня 6) состоит из подпружиненных шариков 18, находящихся на одной линии, перпендикулярной линии движения клапана 15, и двух выточек 19 в теле клапана 15. Между поршнем 6 и стенками цилиндра 1 имеется зазор 20, уплотнение 21 препятствует утечкам жидкости из насосной полости 8 в полость механизма привода (условно не показан). Жидкостная рубашка 22 служит для охлаждения цилиндра 1, отверстие 23 предназначено для направления потока нагнетаемой жидкости через рубашку 22.
Предлагаемый способ работы насоса-компрессора осуществляется следующим образом (фиг.1).
При возвратно-поступательном движении поршня 6 газ всасывается через клапан 2 в компрессорную полость 7, сжимается в ней и нагнетается потребителю через клапан 3. Одновременно жидкость всасывается в насосную полость 8 через клапан 4, сжимается в ней и нагнетается потребителю через клапан 5. При этом жидкость во время нагнетания протекает через рубашку 22 (через отверстие 23) и охлаждает стенки цилиндра 1, приближая процесс сжатия газа к изотермическому, что повышает КПД компрессорной полости 7.
-1
В связи с наличием газового слоя 10, отделенного от насосной полости 8 поплавком 9, процесс расширения и сжатия жидкости протекает плавно, т.к. слой газа 10 выполняет функцию демпфера или воздушного колпака и сглаживает резкие изменения давления в насосной полости 8, происходящие при перемене направления движения поршня 6. Это способствует безударной работе клапанов 4 и 5, снижению гидравлических и инерционных потерь и дает возможность довести частоту возвратно-поступательного движения поршня 6 до оптимальной, присущей поршневым компрессорам (от 750 до 1500 мин и выше), что позволяет улучшить экономические показатели компрессорной полости 7 и в целом насоса-компрессора.
В процессе сжатия и затем нагнетания жидкости (поршень 6 движется вниз) в насосной полости 8 и ее части полости 11 давление повышается, что приводит к повышению уровня жидкости в полости 11 и уменьшению толщины газового слоя 10 при одновременном повышении в нем давления до давления в полости 8 и перемещению поплавка 9 вверх.
В процессе расширения и затем всасывания жидкости давление в полости 8 и ее части полости 11 падает, газовый слой 10 расширяется, давление в нем становится равным давлению всасывания жидкости в полости 8, поплавок 9 перемещается вниз.
В связи с тем, что имеются перетечки жидкости из полости 11 в газовый слой 10 и наоборот  газа из слоя 10 в жидкость полости 11 в связи с негерметичностью сопряжения «внутренние стенки поршня 6 - поверхности поплавка 9», газ из слоя 10 постепенно растворяется в жидкости полости 11 и уносится в процессе нагнетания жидкости. При этом количество газа в слое 10 постепенно уменьшается, в связи с чем растет уровень жидкости в полости 11 и поплавок 9 в процессе нагнетания жидкости поднимается все выше и выше.
При определенной потере газа в слое 10 поплавок в процессе сжатия жидкости в полости 8 начинает контактировать выступом 12 с элементом 14, который благодаря пружине 13 и подпружиненным шарикам 18 удерживается в крайнем нижнем положении в пазу 16, в связи с чем клапан 15 остается в закрытом состоянии, показанном на фиг.1.
При излишне большой потере газа в полости 10 ее объем становится недопустимо малым для обеспечения нормальной работы насоса-компрессора, уровень жидкости в процессе ее нагнетания в полости 11 поднимается излишне высоко, и поплавок 9, упираясь в элемент 14, начинает утопать в слое жидкости полости 11. Благодаря силе Архимеда образуется достаточно большое выталкивающее поплавок 9 усилие в направлении элемента 14, которое превышает силу пружины 13, и фиксирующее усилие шариков 18, что приводит к расфиксации клапана 15 и его открытию при ходе поршня 6 вниз (фиг.2).
При этом происходит соединение слоя газа 10 через отверстия 17 с компрессорной полостью 7, в которой при ходе поршня 6 вниз осуществляется процесс всасывания газа, давление в полостях 7 и 10 выравниваются. Такое состояние продолжается до тех пор, пока поршень 6 движется вниз.
При последующем ходе поршня 6 вверх в полости 7 происходит последовательно процесс сжатия газа и его нагнетание, а в полости 8 - процесс всасывания с падением давления (фиг.3). В связи с разностью давлений в полостях 7 (оно больше) и 8 (оно ниже) происходит наполнение слоя 10 новой порцией газа, который в связи с тем, что объем уменьшающейся полости 7 больше объема внутреннего пространства П-образного поршня 6, затекает в слой 10 под повышенным давлением. При этом поплавок 9 движется вниз, вытесняя жидкость из полости 11 в расширяющуюся полость 8. Данный процесс заканчивается в момент прихода поршня 6 в верхнюю мертвую точку (фиг.4), когда клапан 15 упирается в клапанную плиту, срывается в фиксирующих шариков 18 и осаживается в первоначальное положение, где снова фиксируется шариками 18. Газовый слой принимает изначальный объем.
Затем работа конструкции повторяется. Восстановление газового слоя 10 производится за один двойной ход поршня 6.
Таким образом, предлагаемый способ и устройство для его осуществления позволяют на всем протяжении работы насоса-компрессора постоянно сохранять в заданном объеме газовый слой 10 независимо от содержания газа в перекачиваемой жидкости и способности его растворения в этой жидкости, которое может существенно отличаться как у ее разных сортов и марок, так и в зависимости от условий работы насоса-компрессора (температура, давление всасывания и нагнетания газа и жидкости, частота вращения и т.д.).