Поршневой двухцилиндровый компрессор с автономным жидкостным охлаждением
TWO-CYLINDER RECIPROCATING COMPRESSOR WITH AUTONOMOUS LIQUID COOLING

Изобретение относится к области энергетических машин и касается поршневых машин и систем их охлаждения и может быть использовано при создании поршневых компрессоров с повышенной экономичностью за счет организации автономной энергосберегающей системы охлаждения цилиндропоршневой группы, к которым предъявляются жесткие требования по температуре нагнетаемых газов.
Известны поршневые двухцилиндровые компрессоры, содержащие первый и второй цилиндры с всасывающими и нагнетательными клапанами, соединяющими рабочие полости цилиндров через полости всасывания и нагнетания с источником и потребителем газа (см., например, кн. Агурин А.П. «Передвижные компрессорные станции», М.: Высшая школа, 1989. - 184 с., стр. 58, рис. 39).
К недостатку этих машин следует отнести их невысокую экономичность, связанную с плохим охлаждением цилиндропоршневой группы, что повышает политропу процесса сжатия, удлиняет процесс расширения из мертвого пространства и в совокупности снижает производительность компрессора и его КПД. Эти недостатки устраняются применением жидкостного рубашечного охлаждения, которое организуется за счет перемещения поршней.
Известна конструкция поршневого двухцилиндрового компрессора, содержащего первый и второй цилиндры с всасывающими и нагнетательными клапанами, соединяющими рабочие полости цилиндров через полости всасывания и нагнетания с источником и потребителем газа, причем цилиндры имеют жидкостные рубашки охлаждения и поршни, соединенные с механизмом привода, содержащим коленчатый вал с первой и второй опорными и шатунными шейками, находящимися в противофазе одна относительно другой (см. патент РФ №2565134, МПК F04B 19/06, опубл. 20.10.2015). К недостатку известной конструкции относится ее сложность и большие затраты на перемещение охлаждающей жидкости через жидкостную рубашку, окружающую цилиндропоршневые группы, т.к. жидкость заполняет весь картер машины, и механизм движения (особенно шатуны поршней) испытывает сопротивление жидкости при своем движении.
Известна также конструкция поршневого двухцилиндрового компрессора, содержащего первый и второй цилиндры с всасывающими и нагнетательными клапанами, соединяющими рабочие полости цилиндров через полости всасывания и нагнетания с источником и потребителем газа, причем цилиндры имеют жидкостную рубашку охлаждения и поршни, соединенные с механизмом привода, содержащим коленчатый вал с первой и второй опорными и шатунными шейками, находящимися в противофазе одна относительно другой, причем всасывающие полости обоих цилиндров соединены с первой и второй герметичными емкостями, частично наполненными жидкостью, и первая емкость имеет всасывающий и  нагнетательный клапаны, соединенные с жидкостной рубашкой охлаждения, которая соединена со второй емкостью (см. патент РФ 2.640.970, Поршневой двухцилиндровый компрессор с жидкостным рубашечным охлаждением, опубл. в БИ №2 16.08.2016). К недостатку этой конструкции следует отнести невозможность эффективного регулирования расхода жидкости в системе охлаждения цилиндров и, следовательно, ограничение области применения, особенно при сжатии газов, к которым применяются жесткие требования по температуре, например - горючих газов.
Технической задачей изобретения является расширение области применения за счет повышения эффективности работы системы охлаждения путем получения возможности регулирования расхода охлаждающей жидкости и, следовательно, интенсивности отвода теплоты от сжимаемого газа, в широких пределах.
Указанная задача реализуется тем, что в известной конструкции компрессора, содержащего первый и второй цилиндры с всасывающими и нагнетательными клапанами, соединяющими рабочие полости цилиндров через полости всасывания и нагнетания с источником и потребителем газа, причем цилиндры имеют жидкостную рубашку охлаждения и поршни, соединенные с механизмом привода, содержащим коленчатый вал с первой и второй опорными и шатунными шейками, находящимися в противофазе одна относительно другой, причем всасывающие полости обоих цилиндров соединены с первой и второй герметичными емкостями, частично наполненными жидкостью, и первая емкость имеет всасывающий и нагнетательный клапаны, соединенные с жидкостной рубашкой охлаждения, которая соединена со второй емкостью, в соответствии с изобретением, каждая из полостей всасывания первого и второго цилиндра соединена с источником газа через регулируемое гидравлическое сопротивление, выполненное, например, в виде вентиля, всасывающий клапан первой герметичной емкости соединен с рубашкой охлаждения, а нагнетательный клапан этой емкости соединен через теплообменник с нижней частью второй герметичной  емкости, и через эту емкость - с рубашкой охлаждения.
Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором схематично изображено поперечное сечение компрессора.
Компрессор содержит первый 1 и второй 2 цилиндры с всасывающими 3 и 4 и нагнетательными 5 и 6 клапанами, соединяющими рабочие полости  7 и 8 цилиндров 1 и 2 через полости всасывания 9 и 10 и общую полость нагнетания 11 с источником и потребителем газа, причем цилиндры 1 и 2 имеют общую жидкостную рубашку 12 охлаждения и поршни 13 и 14, соединенные с механизмом привода, содержащим коленчатый вал с первой и второй опорными и шатунными шейками, находящимися в противофазе одна относительно другой (на чертеже условно не показаны). Всасывающие полости 9 и 10 обоих цилиндров 1 и 2 соединены с первой 15 и второй 16 герметичными емкостями, частично наполненными жидкостью. Первая емкость 15 имеет всасывающий 17 и нагнетательный 18 клапаны, соединенные каналами 19 и 20 с жидкостной рубашкой охлаждения 12, которая соединена со второй емкостью 16 каналом 21.
Каждая из полостей всасывания 9 и 10 первого 1 и второго 2 цилиндра соединена с источником газа через каналы 22 и 23, на которых установлены регулируемые гидравлические сопротивления 24 и 25, выполненные в данном примере, в виде вентилей.
Всасывающий клапан 17 первой герметичной емкости 15 соединен с рубашкой охлаждения 12 через канал 19, а нагнетательный клапан 18 этой емкости соединен через канал 20 и теплообменник 26 с нижней частью второй герметичной  емкости 16, и через эту емкость - с рубашкой охлаждения 12 по каналу 21.
Верхняя часть емкости 16 соединена с полостью 10 через канал 27. Верхняя часть емкости 15 соединена с полостью 9 через канал 28.
Компрессор работает следующим образом.
При возвратно-поступательном движении поршней 13 и 14, положение которых смещено на 180 градусов, происходит изменение объема полостей 7 и 8, в результате чего газ всасывается через клапаны 3 и 4, сжимается и нагнетается через клапаны 5 и 6 в полость нагнетания 11 и далее поступает потребителю.
В процессе всасывания, происходящем в полости 7 первого цилиндра 1,  когда поршень 13 идет вниз, в связи с наличием гидравлического сопротивления вентиля 24, давление в полости 9 падает ниже давления всасывания, что приводит к снижению давления в емкости 15.
В это же время в полости 8 происходит сжатие и нагнетание газа (поршень 14 идет вверх), всасывающий клапан 4 закрыт, и в полостях 10 и емкости 16 давление газа равно давлению всасывания, т.к. в нее происходит натекание газа через вентиль 25, который при низкой скорости течения не оказывает существенного гидравлического сопротивления.
Под действием образовавшейся разности давлений между емкостями 15 (в ней давление ниже) и 16 (в ней давление выше) жидкость через канал 21 и рубашку охлаждения 12, открытый клапан 17 (клапан 18 закрыт) течет в емкость 15, отнимая у стенок цилиндров 1 и 2 теплоту, полученную ими от газа при его сжатии.
В следующем цикле, когда поршень 13 идет верх, а поршень 14 вниз, клапан 3 закрыт, давление в полости 9 в связи с натекающим газом из  канала 22 становится равным давлению всасывания, поскольку скорость течения газа низкая, и вентиль 22 практически не оказывает сопротивления его течению. В то же время, при движении поршня 14 вниз из-за сопротивления вентиля 25 давление газа в полости 10 и емкости 16 падает ниже давления всасывания. При этом возникает перепад давления между емкостями 15 (в ней давление выше) и 16 (в ней давление ниже), в результате чего клапан 16 открывается, клапан 17 закрывается, и жидкость из емкости 15 через канал 20 и теплообменник 26, где полученная ранее от цилиндров 1 и 2 теплота рассеивается в окружающую среду, перетекает  в емкость 16.
Затем цикл работы повторяется.
Таким образом, возникает круговое течение жидкости в системе охлаждения из емкости 15 по каналу 20, через теплообменник 26, емкость 16, рубашку 12 и снова в емкость 15, в результате чего теплота от цилиндров 1 и 2 передается жидкости, а затем, через теплообменник 26 - окружающей среде.
Интенсивность движения жидкости в системе охлаждения целиком зависит от гидравлического сопротивления вентилей 24 и 25, которое определяет величину разности давления между емкостями 15 и 16. Воздействуя на вентили 24 и 25, оператор может повышать или понижать интенсивность отвода теплоты от сжимаемого газа и, следовательно - температуру его нагнетания.
Для снижения температуры нагнетаемого газа сопротивление вентилей 24 и 25 следует увеличивать, и наоборот.
Таким образом, в предложенной конструкции осуществляется возможность регулировать интенсивность отвода теплоты от сжимаемого газа в широких пределах, и при необходимости снижать ее до установленных технологией температур, что и являлось технической задачей изобретения, которую следует считать выполненной.