Поршневой двухцилиндровый компрессор с жидкостным рубашечным охлаждением
PISTON DOUBLE-CYLINDER COMPRESSOR WITH LIQUID JACKET COOLING

Изобретение относится к области энергетических машин и касается преимущественно поршневых компрессоров и систем их охлаждения, и может быть использовано при создании поршневых компрессоров с повышенной экономичностью за счет организации автономной энергосберегающей системы охлаждения цилиндропоршневой группы.
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.
Технической задачей изобретения является повышение экономичности компрессора за счет снижения работы, потраченной на перемещение через рубашку охлаждающей жидкости.
Указанная техническая задача решается тем, что в поршневом двухцилиндровом компрессоре, содержащем 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, согласно изобретению всасывающие полости обоих цилиндров объединены в единую всасывающую полость, которая соединена с герметичной емкостью, наполненной жидкостью, и эта емкость имеет всасывающий и нагнетательный клапаны, соединенные с жидкостной рубашкой охлаждения, которая соединена с дополнительной емкостью, заполненной жидкостью и имеющей отверстие, сообщающее полость этой емкости с атмосферой.
2
P
P
Вторая шатунная шейка коленчатого вала может быть смещена относительно первой шатунной шейки на угол ϕ=180-ϕ, где ϕ - угол поворота коленчатого вала, в течение которого во втором цилиндре происходит процесс расширения газа из мертвого объема.
В герметичной емкости может быть установлен поплавок, в котором вдоль вертикальной оси размещен стержень, соединенный одним концом с запорным элементом нагнетательного клапана и имеющий возможность перемещения вдоль оси поплавка, и второй конец которого имеет выступ, размещенный в отверстии поплавка, причем это отверстие имеет торцовые поверхности, ограничивающие движение стержня в осевом направлении, и при этом на верхнем торце поплавка установлена стальная пластина, а напротив нее в верхней крышке емкости закреплен постоянный магнит, и в этой крышке размещен обратный клапан или клапаны, при взаимодействии которых с верхним торцом поплавка полость герметичной емкости сообщается с атмосферой.
Сущность изобретения поясняется чертежами.
На фиг. 1 схематично показано сечение поршневого двухцилиндрового компрессора с рубашечным охлаждением с общей полостью всасывания для обоих цилиндров.
На фиг. 2 и фиг. 3 показаны совмещенные индикаторные диаграммы давления первого и второго цилиндров.
На фиг. 4 показана схема сечения компрессора с поплавком в герметичной емкости во время заполнения этой емкости жидкостью, а на фиг. 5 - во время ее опорожнения.
Компрессор (фиг. 1) 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 единую всасывающую полость 9 и полости нагнетания 10 и 11 соответственно с источником и потребителем газа через линию всасывания 12 и линию нагнетания 13.
Цилиндры 1 и 2 имеют общую жидкостную рубашку 14 охлаждения и поршни 15 и 16, соединенные шатунами 17 и 18 с механизмом привода, содержащим коленчатый вал 19 с первой 20, второй 21 опорными и 22 и 23 шатунными шейками, находящимися в противофазе одна относительно другой.
Единая всасывающая полость 9 соединена с гермечичной емкостью 24, наполненной жидкостью, через канал 25. Емкость 24 имеет всасывающий клапан 26 и нагнетательный клапан 27, соединенные с жидкостной рубашкой 14 охлаждения через теплообменники 28 и 29, и, кроме того - соединена через рубашку 14 и канал 30 с дополнительной емкостью 31, заполненной жидкостью и имеющей отверстие 32, сообщающее полость этой емкости с атмосферой.
2
P
P
P
На этом чертеже (фиг. 1) штриховыми линиями показаны положения поршней 15 и 16 в верхней (аббревиатура ВМТ) и нижней (аббревиатура НМТ) точках. В частности, показан вариант конструкции, в котором при нахождении поршня 15 первого цилиндра 1 точно в положении ВМТ поршень 16 второго цилиндра 2 уже прошел положение НМТ и начал движение вверх в связи с тем, что вторая шатунная шейка 23 смещена относительно первой шатунной шейки на угол ϕ=180-ϕ, где ϕ - угол поворота коленчатого вала, в течение которого во втором цилиндре происходит процесс расширения газа из мертвого объема. В обычном варианте привода компрессора (п. 1 формулы изобретения) шатунная шейка 22 и шатунная шейка 23 отстоят относительно друг друга по углу поворота коленчатого вала 19 на 180 градусов. А в данном примере (п. 2 формулы изобретения) поршень 16 опережает на угол ϕ движение поршня при обычной конструкции привода.
P
Работа этих вариантов (обычный и со смещенной на угол ϕ шейкой коленчатого вала) показана на фиг. 2 и фиг. 3 в виде индикаторных диаграмм рабочих полостей 7 и 8 цилиндров 1 и 2 и диаграммы давления в полости 9.
На обоих графиках сплошной линией обозначена индикаторная диаграмма давления в цилиндре 1, а пунктирной - диаграмма давления в цилиндре 2. Точечной линией обозначено давление в общей полости всасывания 9.
P
2
СВ
1
2
Обозначения: Р - давление в полостях 7 и 8 цилиндров 1 и 2; ϕ - угол поворота коленчатого вала 19 в градусах; ϕ - угол, на который смещена шейка 23, соответствует углу поворота коленчатого вала 19, в течение которого в цилиндре 2 происходит расширение из мертвого пространства; ϕ - угол между шейками 22 и 23; ϕ - суммарный угол, в течение которого в цилиндрах 1 и 2 последовательно происходит процесс всасывания; ВМТ и ВМТ - положение соответственно поршней 15 и 16 в верхней мертвой точке по углу поворота коленчатого вала 19.
На фиг. 4 и фиг. 5 показан вариант компрессора, в котором в герметичной емкости 24 установлен поплавок 33, в котором вдоль вертикальной оси размещен стержень 34, соединенный одним концом с запорным элементом нагнетательного клапана 26, и имеющий возможность перемещения вдоль оси поплавка 33. Второй конец стержня 34 имеет выступ 35, размещенный в отверстии 36 поплавка. Это отверстие 36 имеет торцовые поверхности, ограничивающие движение стержня 34 в осевом направлении. На верхнем торце поплавка 33 установлена стальная пластина 37, а напротив нее в верхней крышке емкости 24 закреплен постоянный магнит 38, и в этой же крышке размещены обратные клапаны 39, при взаимодействии которых с верхним торцом поплавка 33 эти клапаны открываются, и полость 40 герметичной емкости 24 сообщается с атмосферой.
Компрессор работает следующим образом (фиг. 1).
При вращении коленчатого вала 19 шатунные шейки 22 и 23 совершают орбитальное круговое движение, в результате чего соединенные с ними через шатуны 17 и 18 поршни 15 и 16 совершают возвратно-поступательное движение от ВМТ к НМТ и обратно. При этом объем полостей 7 и 8 цилиндров 1 и 2 изменяется, в результате чего газ всасывается через линию всасывания 12, общую полость всасывания 9 и клапаны 3 и 4 в полости 7 и 8, сжимается в них и подается потребителю через нагнетательные клапаны 5 и 6, полости нагнетания 10 и 11 и линию нагнетания 13.
При осуществлении процессов всасывания в цилиндрах 1 и 2 (см. также фиг. 3) давление в полостях 7 и 8 становится существенно ниже давления всасывания (давления атмосферы) в связи с наличием гидравлического сопротивления линии всасывания 12 и клапанов 3 и 4. Из-за гидравлического сопротивления линии всасывания 12 давление в полости 9 также становится ниже атмосферного в течение процессов всасывания в цилиндрах 1 и 2, и это давление тем ниже, чем выше скорость движения поршня в течение его хода. То есть, по существу в данной конструкции в полости 9 происходит колебание давления с амплитудой в сторону ниже атмосферного давления. Эти колебания давления передаются через канал 25 в полость герметичной емкости 24, и давление в этой емкости колеблется с удвоенной частотой вращения коленчатого вала 19 и с амплитудой, направленной в сторону разрежения от атмосферного давления.
Емкость 24 и емкость 31 представляют собой сообщающиеся через теплообменники 28, 29, рубашку 14 и канал 30 сосуды. Причем в емкости 31 на жидкость, ее заполняющую, всегда действует атмосферное давление, благодаря наличию отверстия 32.
При давлении в емкости 24 ниже атмосферного возникает перепад давления между емкостью 31 и емкостью 24, в результате чего открывается клапан 26, и жидкость из рубашки 14 через теплообменник 28 поступает в эту емкость, ее уровень в ней повышается. Одновременно жидкость истекает из емкости 31 в рубашку 14 через канал 30, и ее уровень в емкости 31 понижается.
При давлении в емкости 24, равном атмосферному, в связи с возникшим перепадом высот в емкости 24 и емкости 31 под действием гравитационных сил жидкость в емкости 24 давит на клапан 27, открывает его и истекает через теплообменник 29 назад в рубашку 14, а из нее - через канал 30 в емкость 31.
В связи с тем, что, согласно графикам на фиг. 2, разрежение в емкости 24 длится дольше, чем длится атмосферное давление, расход жидкости в емкость 24 сначала больше, чем из этой емкости. В результате этого растет перепад высот уровней жидкости в емкостях 24 и 31. Этот рост продолжается до тех пор, пока перепад высот не достигнет такого уровня, что влияние гравитационных сил станет одинакового порядка с влиянием сил от перепада давления, и расход в емкость 24 и из нее станет одинаковым, возникает устойчивый режим, при котором жидкость постоянно мигрирует в пределах всей системы охлаждения. При этом и в емкости 24, и в емкости 31 наблюдается конвективное движение жидкости - более нагретая поднимается вверх, а охладившаяся о стенки - опускается вниз, чем достигается постоянный «круговорот» жидкости в системе. В результате этого отнятая жидкостью теплота сжатия газа от стенок цилиндров 1 и 2 в рубашке 14 передается в окружающую среду, что повышает экономичность работы компрессора.
Эффект охлаждения усиливается в результате увеличения скорости течения жидкости, когда благодаря смещению шатунной шейки 23 механизма движения поршня 16 в цилиндре 2 увеличивается время, в течение которого в полости 9 наблюдается постоянное разрежение (фиг. 3). При этом наполнение емкости 24 в течение цикла срабатывания обоих поршней 15 и 16 в режиме всасывания продолжается дольше, чем в вышеописанном случае (фиг. 2). Также дольше в полости 9 наблюдается давление, равное атмосферному. Частота колебаний давления в полости 9 по сравнению с вышеописанной конструкцией снижается, становясь равной частоте вращения коленчатого вала 19. Последнее благоприятно сказывается на работе клапанов 26 и 27.
Благодаря увеличению времени непрерывного наполнения емкости 24 в этом варианте достигается больший перепад высот уровней жидкости в емкостях 24 и 31. Это обеспечивает большую величину гравитационных сил, действующих на жидкость, и более высокую скорость ее течения в системе охлаждения, что повышает коэффициент теплопередачи и увеличивает количество теплоты, отнимаемой от цилиндров 1 и 2 и передаваемой в окружающую среду.
Конструкция, изображенная на фиг. 4 и фиг. 5, работает аналогично вышеописанным, в ней предусматривается смещение шатунной шейки 23. Здесь для организации направленного закольцованного движения жидкости в системе охлаждения используется автоматический регулятор, выполненный в виде поплавка 33.
В связи с тем, что в этой конструкции благодаря смещению шатунной шейки 23 разрежение в полости 9 длится гораздо дольше, чем атмосферное давление, в емкости 24 идет практически постоянное повышение уровня жидкости, пока запорный элемент клапана 26 находится в закрытом состоянии. При этом уровень жидкости в емкости 31 настолько же падает, насколько повышается уровень жидкости в емкости 24 (фиг. 4).
Вместе с повышением уровня жидкости в емкости 24 поднимается и поплавок 33, постепенно приближаясь к верхней крышке емкости 24.
В тот момент, когда расстояние между стальной пластинной 37 и магнитом 38 становится достаточно мало, происходит резкий рост магнитной силы, которая обратно пропорциональна кубу расстояния от магнита 38 до пластины 37. При этом поплавок 33, на котором закреплена эта пластина, «подпрыгивает» до полного соприкосновения пластины 37 и магнита 38, открывая при этом клапаны 39 и перекрывая канал 25 (фиг. 5). Кроме того, благодаря наличию выступа 35 поплавок 33 «выдергивает» запорный элемент клапана 26 из тела емкости 24.
Через открывшиеся клапаны 39 в полость 40 емкости 24 попадает воздух с атмосферным давлением и давление над жидкостью в полости 24 становится равным атмосферному, т.е. такому же, как и давление над жидкостью в емкости 31.
В результате этих действий находящаяся на более высоком уровне жидкость в емкости 24 через открывшееся в нижней ее части отверстие под действием гравитационных сил течет через теплообменник 28 в рубашку 14, а оттуда - в емкость 31.
Это движение происходит до тех пор, пока уровень жидкости в емкости 24 станет настолько низким, что сила Архимеда, удерживающая поплавок 33 «на плаву», станет настолько малой, что вес поплавка за вычетом этой силы станет больше силы магнита 38, и поплавок 33 «сорвется» с магнита 38 и упадет вниз. При этом произойдет закрытие клапанов 39 и клапана 26, а также открытие канала 25 в сторону полости 40 емкости 24, система придет в исходное положение, и снова начнется заполнение емкости 24 жидкостью.
Данная конструкция позволяет лучше, чем предыдущая, регулировать циркуляцию охлаждающей жидкости в системе за счет использования оптимального веса и размеров поплавка 33 и оптимальной силы магнита 38.
В предложенной конструкции компрессора на движение жидкости через рубашку в системе охлаждения практически не затрачивается механическая энергия, подводимая к приводу компрессора, в связи с чем повышается его общий (механический) КПД.
Это позволяет считать, что техническая задача изобретения полностью выполнена.