Способ работы гидропневматического агрегата и устройство для его осуществления
OPERATING METHOD OF HYDROPNEUMATIC UNIT AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к области гидропневматической техники и может быть использовано при создании компактных и высокоэкономичных поршневых компрессоров высокого давления.
Известен способ работы гидропневматического агрегата, в котором сжатие газа до высокого давления осуществляется столбом жидкости при подаче ее в газовую полость, заполненную газом низкого давления. При этом жидкость сжимает газ и одновременно его охлаждает, что позволяет сжимать газ до высокого давления, благодаря также тому, что утечки газа при таком сжатии через жидкостный столб-поршень практически отсутствуют - см., например, патенты SU № 1513186 «Компрессор с жидкостным поршнем» от 07.10.1989, SU № 1687855 «Компрессор» от 30.06.1989, RU № 2259499 «Компрессор с гидрозатвором для квазиизотермического сжатия и перекачки газожидкостных смесей» от 27.08.2005, RU № 2282749 «Устройство для нагнетания газов и газожидкостных смесей» от 27.08.2006.
В этих же источниках информации описаны устройства для осуществления такого способа, которые содержат поршневой насос цилиндрической рабочей полостью и кривошипно-шатунным приводом поршня, причем рабочая полость соединена каналом непосредственно с газовым цилиндром, имеющим всасывающие и нагнетательные клапаны.
Недостатком известного способа и основанных на нем конструкция является неэффективное охлаждение сжимаемого газа, что практически делает сжатие адиабатным и существенно снижает экономичность способа и устройств, особенно при сжатии газа до высокого давления. Это, например, отмечается в диссертационной работе Мартынова В.Н. «Разработка и исследование насосно-компрессорных установок для сжатия газов и газожидкостных смесей». Автореферат канд. техн. наук, - М.: РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, 2009. На стр. 21 автореферата в выводах по работе автор, в частности, пишет: «Интенсивность теплообмена в компрессионной камере не столь высока, чтобы можно было считать процесс сжатия изотермическим. Значение коэффициента политропы сжатия возрастает с ростом отношения давлений, постепенно приближаясь к показателю адиабаты соответствующего газа».
Технической задачей изобретения является повышение экономичности работы гидропневматического агрегата путем улучшения процесса охлаждения сжимаемого газа.
Данная задача решается следующим образом:
При подаче жидкости в полость газового цилиндра ее живое сечение сначала увеличивается от минимального до достижения поршнем насоса середины хода, а затем уменьшается до величины, соответствующей проходному сечению нагнетательного газового клапана.
Перед сжатием газа в газовом цилиндре, его предварительно сжимают в дополнительной газовой полости, причем сжатие осуществляют с помощью поршня или плунжера, соединенного непосредственно с поршнем или плунжером жидкостного насоса.
Рабочую полость газового цилиндра выполняют в виде симметричного относительно его поперечного сечения веретена, нижний конец которого непосредственно через канал соединен с рабочей полостью жидкостного насоса, а в зоне верхнего конца рабочей полости устанавливают газовые всасывающие и нагнетательные клапаны.
Образующую веретена газового цилиндра выполняют в виде параболы или в виде двух пересекающихся под тупым углом прямых линий, при этом отношение половины длины веретена к его радиусу в его срединной части может составлять величину, находящуюся в пределах от 10-ти до 20-ти..
Газовый цилиндр выполняют из двух жестко стянутых между собой частей с разъемом по максимальному радиусу рабочей полости.
Поршень насоса выполнен дифференциальным и делит цилиндрическую полость на две части, причем подпоршневая полость является рабочей полостью насоса, а надпоршневая полость - дополнительной газовой полостью, в которой установлены всасывающие клапаны, соединенные с источником газовой среды, и нагнетательные клапаны, соединенные со всасывающими клапанами газового цилиндра.
Напротив входа канала, соединяющего рабочую полость насоса с газовой полостью, в этой полости установлена жесткая площадка, закрепленная, например, в плоскости разъема газового цилиндра.
Поршень или плунжер насоса закреплен на поршне, размещенном в дополнительном цилиндре, этот поршень соединен с кривошипно-шатунным механизмом, и в этом цилиндре установлены всасывающие клапаны, соединенные с источником газа, и нагнетательные клапаны, соединенные со всасывающими клапанами газового цилиндра, при этом газовый цилиндр может быть установлен неподвижно на цилиндре жидкостного насоса, а дополнительный цилиндр может быть выполнен в виде замкнутой цилиндрической полости, дополнительный поршень выполнен дифференциальным и соединен с механизмом привода через шток, проходящий через нижнюю часть этого цилиндра, при этом дополнительный поршень делит дополнительный цилиндр на две части - подпоршневую и надпоршневую, причем одна из этих полостей соединена через всасывающий клапан с источником газа, а через нагнетательный - со всасывающим клапаном другой полости, нагнетательный клапан которой соединен через всасывающий клапан с газовой полостью. Кроме того, дополнительный цилиндр может быть выполнен в виде замкнутой цилиндрической полости, дополнительный поршень выполнен дифференциальным и соединен с механизмом привода через шток, проходящий через нижнюю часть этого цилиндра, при этом дополнительный поршень делит дополнительный цилиндр на две части - подпоршневую и надпоршневую, причем одна из этих полостей соединена через всасывающий клапан с источником газа, а через нагнетательный - со всасывающим клапаном газовой полости, нагнетательный клапан которой соединен через всасывающий клапан с дополнительной газовой полостью, нижняя часть которой соединена непосредственно с другой частью дополнительного цилиндра, заполненной жидкостью.
Рабочая полость газового цилиндра, имеющая веретенообразное продольное сечение, заполнена высокопористым материалом, например, в виде слоев металлической сетки.
Рабочая полость газового цилиндра, имеющая веретенообразное продольное сечение, выполнена в виде радиатора, состоящего из ряда соединенных общими каналами веретенообразных трубок.
Рабочая полость газового цилиндра имеет цилиндрическую форму с прямолинейной образующей и заполнена округлыми телами, разделенными поперек продольной оси цилиндра высокопористыми прокладками, выполненными, например, в виде металлических сеток, причем размер округлых тел каждого ряда их укладки уменьшается в направлении от продольного центра к торцам цилиндра.
Рабочая полость газового цилиндра имеет цилиндрическую форму с прямолинейной образующей, а вдоль цилиндра по его оси установлен стержень, выполненный в виде двух направленных к середине цилиндра конусов.
Поршень насоса выполнен дифференциальным с образованием верхней и нижней жидкостной полости, которые соединены между собой через каналы и теплообменник, причем с газовым цилиндром соединена полость, имеющая больший объем, а разность между объемами этих полостей равна рабочему объему газового цилиндра.
Сущность изобретения поясняется чертежами.
На фиг. 1 изображен гидропневматический агрегат с поршневым насосом и веретенообразной газовой полостью, соединенной с этим насосом.
На фиг. 2 показан агрегат с дифференциальным поршнем, который делит цилиндр на газовую и насосную полости, которые соединены с газовым цилиндром веретенообразной формы.
На фиг. 3 показана отдельно газовая полость в виде встречных конусов с прямолинейными образующими и с площадкой напротив входа жидкости.
На фиг. 4 показан агрегат с плунжером насоса, который закреплен на поршне, размещенном в дополнительном газовом цилиндре с газовыми клапанами, и при этом нагнетательные клапаны соединены со всасывающими клапанами газового цилиндра.
На фиг. 5. показан агрегат, аналогичный изображенному на фиг. 4, в котором газовый цилиндр установлен неподвижно на цилиндре жидкостного насоса.
На фиг. 6 изображен агрегат, аналогичный показанному на фиг. 5, в котором дополнительный поршень выполнен дифференциальным и делит дополнительный цилиндр на две части - подпоршневую и надпоршневую, которые являются первой и второй газовыми ступенями агрегата.
На фиг. 7 изображен агрегат, аналогичный показанному на фиг. 6, в котором полость над дополнительным поршнем заполнена жидкостью и соединена с дополнительным газовым цилиндром, являющимся третьей газовой ступенью.
На фиг. 8 показан газовый цилиндр заполнен высокопористым материалом, например, в виде слоев металлической сетки, фрагмент которой показан на фиг. 9.
На фиг 10 и 11 показан агрегат, в котором рабочая полость газового цилиндра выполнена в виде радиатора, состоящего из ряда соединенных общими каналами веретенообразных трубок с индивидуальными газовыми клапанами у каждой трубки, а на фиг. 12 - такой же агрегат, но с общими газовыми клапанами.
На фиг. 13 показан газовый цилиндр, который имеет цилиндрическую форму с прямолинейной образующей и заполнен округлыми телами, разделенными поперек продольной оси цилиндра высокопористыми прокладками.
На фиг. 14 показан газовый цилиндр с цилиндрической формой и с прямолинейной образующей с установленным стержнем, в виде двух направленных к середине цилиндра конусов.
На фиг 15 и 16 показан агрегат с дифференциальным поршнем и двумя жидкостными полостями, соединенными между собой теплообменником.
Гидропневматический агрегат для осуществления способа по п. 1 (фиг. 1), содержит поршневой жидкостный насос 1 с цилиндрической рабочей полостью 2 и кривошипно-шатунным приводом 3 поршня 4. Рабочая полость 2 соединена каналом 5 с теплообменником 6 непосредственно с газовым цилиндром 7, имеющим всасывающие 8 и нагнетательные 9 клапаны. При этом рабочая полость 10 газового цилиндра 7 выполнена в виде симметричного относительно его поперечного сечения веретена, нижний конец 11 которого непосредственно через канал 5 соединен с рабочей полостью 2 жидкостного насоса 1, а газовые всасывающие и нагнетательные клапаны 8 и 9 установлены в зоне верхнего конца 12 рабочей полости 10. В данном примере образующая веретена рабочей полости 10 газового цилиндра 7 выполнена в виде параболы, и газовый цилиндр 7 изготовлен из двух жестко стянутых между собой частей 13 и 14 с разъемом 15 по максимальному радиусу рабочей полости 10. Изготовление цилиндра 7 в виде двух стянутых между собой частей существенно облегчает его изготовление.
Отношение половины длины веретена к его радиусу в его срединной части составляет величину, находящуюся в пределах от 10-ти до 20-ти.
Гидропневматический агрегат для осуществления способа по п. 2 (фиг. 2), содержит поршневой жидкостный насос 1 с цилиндрической рабочей полостью 20 и кривошипно-шатунным приводом (условно показан только шток 21 привода) поршня 22. Поршень 22 насоса выполнен дифференциальным со штоком 21 и делит цилиндрическую полость 20 на две части, причем подпоршневая полость 23 является рабочей полостью насоса, а надпоршневая полость 24 - дополнительной газовой полостью, в которой установлены всасывающие клапаны 25, соединенные с источником газовой среды, и нагнетательные клапаны 26, соединенные со всасывающими клапанами 8 газового цилиндра через канал 27 и теплообменник 28.
На фиг. 3 показан газовый цилиндр 7 с рабочей полостью 10 в виде веретена, поверхность которого образована двумя прямыми линиями, пересекающимися под тупым углом β. В данном примере напротив входа канала 5, соединяющего рабочую полость 23 насоса с газовой полостью 10, в этой полости установлена жесткая площадка 29, закрепленная через стенки вставки 30 с окнами 31 в плоскости разъема 15 газового цилиндра 7.
На фиг. 4 показан агрегат, содержащий плунжерный жидкостный насос с цилиндрической рабочей полостью 40 жидкостного цилиндра 41 и кривошипно-шатунным приводом 42 плунжера 43, размещенного в жидкостном цилиндре 41 с образованием рабочей полости 40. Рабочая полость 40 насоса соединена каналом 5 через теплообменник 6 непосредственно с газовым цилиндром 7, имеющим всасывающие 8 и нагнетательные 9 клапаны. Плунжер 43 насоса закреплен на поршне 44, размещенном в дополнительном цилиндре 45 с образованием рабочей полости 46, и этот поршень 44 соединен с кривошипно-шатунным механизмом 42. В цилиндре 45 установлены всасывающие 47 клапаны, соединенные с источником газа, и нагнетательные 48 клапаны, соединенные со всасывающими клапанами 8 газового цилиндра 7 через канал 49 и теплообменник 50. На входе канала 5 в полость 10 установлена вставка 51 из пористого материала.
Конструкция, изображенная на фиг. 5, отличается от изображенной на фиг. 4 тем, что газовый цилиндр 7 установлен неподвижно на цилиндре 41 жидкостного насоса. В этом варианте агрегата отсутствует теплообменник 6, а функция канала 5 и пористой вставки 51 совмещена.
Агрегат, изображенный на фиг. 6, отличается от предыдущей конструкции тем, что дополнительный цилиндр 45 выполнен в виде замкнутой цилиндрической полости, а дополнительный поршень 44 выполнен дифференциальным и соединен с механизмом привода через шток 60, проходящий через нижнюю часть цилиндра 45. При этом дополнительный поршень 44 делит дополнительный цилиндр 45 на две части - подпоршневую 61 и надпоршневую 62, причем одна из этих полостей (в данном примере - полость 61) соединена через всасывающий клапан 63 с источником газа, а через нагнетательный 64 - через канал 65 и теплообменник 66 - со всасывающим клапаном 67 другой полости (в данном примере - с полостью 62), нагнетательный клапан которой 68 соединен через канал 69, теплообменник 70 и клапан 8 с газовой полостью 10.
Конструкция агрегата, изображенного на фиг. 7, отличается от изображенной на фиг. 6 тем, что надпоршневая полость 62 дополнительного цилиндра 45 заполнена жидкостью и соединена через канал 80 с теплообменником 81 и через пористую вставку 82 с нижней частью полости 83 дополнительного газового цилиндра 84. Всасывающий клапан 85 дополнительного газового цилиндра соединен через канал 86 с теплообменником 87 с нагнетательным клапаном 9 газового цилиндра 7, всасывающий клапан 8 которого соединен через канал 90 и теплообменник 91 с нагнетательным клапаном 64 подпоршневой полости 61, всасывающий клапан которой 63 соединен с источником газа.
На фиг 8 изображен газовый цилиндр 7 гидропневматического агрегата, в котором рабочая полость 10, имеющая веретенообразное продольное сечение, заполнена высокопористым материалом виде слоев металлической сетки 92, фрагмент которой показан на фиг. 9.
На фиг 10-11 изображен газовый цилиндр гидропневматического агрегата, в котором рабочая полость газового цилиндра, имеющая веретенообразное продольное сечение, выполнена в виде радиатора, состоящего из ряда соединенных общими каналами 100, 101 и 102 веретенообразных трубок 103. Законцовки трубок 103 снабжены пористыми вставками 104 и 105. Радиатор собран из верхнего 106 и нижнего 107 бачков и боковин 108. В данной конструкции всасывающие 8 и нагнетательные 9 клапаны являются индивидуальными для каждой трубки 103.
На фиг. 12 показан аналогичный радиатор, но с общими для всех трубок 103 всасывающим 8 и нагнетательным 9 клапанами, что обеспечено наличием дополнительной планки 109 для монтажа трубок 103 и пазом 110 в верхнем бачке 106, заполненном пористой массой.
На фиг. 13 показан газовый цилиндр 7 с цилиндрической формой рабочей полости с прямолинейной образующей, которая заполнена округлыми телами - шариками 120, разделенными поперек продольной оси цилиндра высокопористыми прокладками 121, выполненными, например, в виде металлических сеток, причем размер шариков каждого ряда их укладки уменьшается в направлении от продольного центра 122 к торцам цилиндра 7.
На фиг. 13 показан газовый цилиндр 7 с цилиндрической формой рабочей полости с прямолинейной образующей, а вдоль цилиндра по его оси установлен стержень 123, выполненный в виде двух направленных к середине цилиндра конусов 124 и 125, причем основания конусов отстоят от верхнего и нижнего торцов цилиндра 7 на расстояние, достаточное для прохода жидкости и газа.
На фиг. 15 показан гидропневматический агрегат, в котором дисковый поршень 130 насоса выполнен дифференциальным со штоком 131 и с образованием верхней 132 и нижней 133 жидкостных полостей. Эти полости соединены между собой через каналы 134 и 135, теплообменник 136, а с газовым цилиндром 7 через высокопористую вставку 137 соединена полость 132, имеющая больший объем, а разность между объемами полостей 132 и 133 равна рабочему объему 10 газового цилиндра 7. Поршень 130 установлен в цилиндре 138.
На фиг 16 показан агрегат, аналогичный изображенному на фиг. 15. Разница состоит в том, что дифференциальный поршень 139 этого агрегата выполнен тронковым с шатуном 140, а цилиндр 138 выполнен ступенчатым с образованием жидкостных полостей 132 и 133.
Реализация способа по п. 1 происходит следующим образом (фиг. 1).
При возвратно-поступательном движении поршня 4 объем полости 2 последовательно наполняется и опорожняется от жидкости. При движении поршня 4 из нижней мертвой точки (НМТ) вверх он вытесняет жидкость из полости 2, и она через канал 5 и теплообменник 6 попадает в полость 10 газового цилиндра 7. Объем этого цилиндра равен рабочему объему полости 2 (определяется произведением площади поршня 4 на величину его хода), и когда поршень 4 находится в положении НМТ, полость 10 свободна от жидкости и заполнена газом. В этот же момент времени канал 5 и теплообменник 6 полностью заполнены жидкостью. Поэтому в самом начале движения поршня 4 вверх жидкость начинает заполнять полость 10.
В связи с тем, что поршень 4 приводится в движение кривошипно-шатунным механизмом, в начале хода его скорость очень мала, и количество жидкости, поступающее в полость 10, тоже мало. Однако, в связи с тем, что полость 10 выполнена в виде веретена, ее сечение в нижней части 14 также мало, и поэтому уровень жидкости поднимается достаточно быстро, скорость ее течения вдоль стенок полости 10 и скорость движения поверхности ее уровня также велико, что предопределяет весьма интенсивный теплообмен между жидкостью и сжимаемым газом и между газом и стенками полости 10.
При дальнейшем ходе поршня 4 вверх, до середины его хода, его скорость растет, однако растет и сечение полости 10, в связи с чем относительное движение поверхностей жидкости и газа и газа и стенок полсти 10 остается примерно таким же высоким, как в начале хода поршня.
Такое явление продолжается до середины хода поршня 4, а затем начинается обратное явление - при снижении скорости поршня 4 растет скорость движения уровня жидкости, и интенсивность теплообмена остается высокой.
При достижении давления в полости 10 до давления нагнетания потребителя открывается нагнетательный клапан 9, и сжатый в полости 10 газ направляется потребителю.
При достижении поршнем 4 положения верхней мертвой точки (ВМТ) жидкость полностью заполняет полость 10, и процесс сжатия-нагнетания газа заканчивается.
При последующем движении поршня 4 из ВМТ вниз жидкость, следуя за поршнем, начинает движение назад в полость 2, давление в полости 10 падает ниже давления источника газа, клапан 9 закрывается, открывается клапан 8, начинается процесс всасывания газа, который продолжается до прихода поршня 4 в положение НМТ, рабочий цикл заканчивается.
В процессе каждого рабочего цикла жидкость охлаждается в теплообменнике 6.
В связи с тем, что в такой конструкции газового цилиндра 7 утечки газа практически отсутствуют, и происходит интенсивный отвод теплоты сжатия от газа к жидкости и к стенкам полости 10, возможно сжатие газа до высокого давления в одной ступени.
Данное утверждение, построенное на логике, подтверждается математическим исследованием, в котором используется метод контрольных объемов, широко применяемый при расчете рабочих процессов, происходящих в полостях машин объемного действия.
В данном случае контрольным объемом является полость 10, для которой записывается система уравнений, включающая в себя уравнение первого закона термодинамики для тела с переменной массой, уравнение сохранения массы, уравнение состояния, уравнение динамики запорного элемента клапана и уравнение расхода через клапан:
Уравнение расхода через клапан:
для докритического режима истечения через клапан - (рс/р0) < 0,528, и для критического и надкритического истечения через клапан (рс/р0) ≥ 0,528:
, где рС - давление после клапана, р0 - давление перед клапаном, k - показатель адиабаты, μ - коэффициент расхода, fщ - площадь проходного сечения клапана, определяется из уравнения динамики запорного элемента (текущее значение величины h) и его геометрических размеров, а также приведенной массы подвижных элементов клапана (величина mпр) с учетом суммы всех действующих на запорный элемент клапана сил FК.
-  - элементарное изменение внутренней энергии газа;
- - элементарный тепловой поток между газом и стенками рабочей полости 10; , где
- площадь поверхности теплообмена;  - коэффициент теплоотдачи;  - средняя температура поверхности теплообмена;  - текущая температура газа в полости 10;  - элементарный промежуток времени; коэффициент теплоотдачи ; текущее значение числа Нуссельта , А, В и х - постоянные коэффициенты (для объемных машин простого действия А = 0,2…0,235, Х = 0,8…0,86 и В = 500…800), Re - число Рейнольдса - , где VP - скорость движения газа (рана скорости движения поверхности уровня жидкости), ν - кинематическая вязкость газа; λ(Т) - коэффициент теплопроводности газа; dп - эквивалентный размер полости 10, определяется как текущий по времени диаметр свободной от жидкости части полости 10;
- - элементарная контурная работа, учитывающая геометрическое изменение газового объема Vk рабочей полости 10 за счет натекания в него и вытекания из него жидкости;
-  и - удельная энтальпия и масса газа, присоединяемая (в процессе всасывания газа) и отделяемая (в процессе нагнетания газа) в результате массообмена;
При расчете объема и площади поверхности теплообмена конической и параболической части веретенообразной полости 10 использовались следующие уравнения:
- площадь параболоида вращения , ;
- объем параболоида вращения ;
- площадь конуса ,  ;
- объем конуса ,
Значение текущего радиуса Ri получается путем приравнивания значения мгновенного объемного расхода жидкости из полости (или в полость) 2 и объема заполнения (или опорожнения) полости 10. Так, например, для конической формы веретена , где Vi - объем жидкости, вытесненной в i-тый момент времени τ из полости 2, или «втянутой» поршнем 4 в эту полость.
Интегрирование вышеприведенной системы уравнений происходит по углу поворота коленчатого вала кривошипно-шатунного привода 3 поршня 4, за каждый шаг интегрирования в полости 10 происходит изменение уровня жидкости на величину ΔS и радиуса поверхности уровня жидкости на величину ΔR (фиг. 1 и 3). Элементарный объем вытесненной или «втянутой» в полость 2 жидкости определяется по уравнению , где λ - отношение радиуса кривошипа к длине шатуна кривошипно-шатунного привода 3, ϕ - угол поворота коленчатого вала, FП - площадь днища поршня 4, ω - угловая скорость вращения коленчатого вала.
Вариантные и оптимизационные расчеты показали, что наиболее рациональной формой веретена параболической или конусообразной формы, образованной двумя пересекающимися под тупым углом β (фиг. 3) прямыми линиями является такая, в которой отношение половины длины веретена h к его радиусу R0 в его срединной части составляет величину, находящуюся в пределах от 10-ти до 20-ти.
Осуществление работы агрегата по п. 2 формулы происходит в агрегате, показанном на фиг. 2. Здесь перед сжатием газа в полости 10 газового цилиндр 7, его предварительно сжимают в дополнительной надпоршневой газовой полости 24, причем сжатие осуществляют с помощью поршня 22, который в данном примере является одновременно и поршнем жидкостного насоса с рабочей подпоршневой полостью 23. Таким образом, надпоршневая полость 24 является первой газовой ступенью агрегата (обозначена индексом I), а полость 10 газового цилиндра 7 является второй ступенью (обозначена индексом II). Это позволяет в целом повысить давление источника газа, учитывая хорошее охлаждение полости 10 и отсутствие в ней утечек, еще минимум в 10-15 раз, и, например, при давлении источника газа в 1 бар получить на выходе из агрегата давление 150 бар и более.
Для того чтобы при высокой скорости возвратно-поступательного движения жидкости в агрегате, в начале заполнения полости 10 цилиндра 7 жидкость из канала 5 не била струей вверх, что может привести к ее попаданию под запорный элемент еще не закрывшегося полностью всасывающего клапана 8, и не нарушила его работу, над входом канала 5 в полость 10 установлена площадка 29 (фиг. 3), закрепленная через стенки вставки 30 с окнами 31 для свободного прохода жидкости в плоскости разъема 15 газового цилиндра 7.
Агрегат, изображенный на фиг. 4. работает аналогично двухступенчатой машине, изображенной на фиг. 2 и пояснения не требует. Основное его отличие состоит в использовании тронкового поршня 44 вместо дискового поршня 22, что упрощает конструкцию, но влечет за собой появление на поршне 44 боковых нагрузок. Здесь же показана пористая вставке 51 в конце канала 5 на входе в полость 10, которая способствует более равномерному распределению жидкости в начале заполнения полости 10.
Двухступенчатый по газу агрегат, изображенный на фиг. 5, отличается от агрегата, изображенного на фиг. 4, компоновкой цилиндра 7 непосредственно на жидкостном цилиндре 41. Это позволяет сделать конструкцию агрегата технологичной и компактной,
На фиг. 6 изображен трехступенчатый (по газу) вариант агрегата. Он является комбинацией машин, изображенных на фиг. 2-4. Газ от источника сначала сжимается в полости 61 (1-я ступень), охлаждается в теплообменнике 66, сжимается в полости 62 (2-я ступень), охлаждается в теплообменнике 70, и затем сжимается жидкостью в полости 10 газового цилиндра 7 (3-я ступень). В такой конструкции при давлении всасывания 1 бар можно получить ориентировочно газ под давление 500 бар и выше.
На фиг. 7 показан также трехступенчатый агрегат, однако во второй и третьей ступени газ сжимается жидкостью, подаваемой при возвратно-поступательном движении поршня 44 и плунжера 43 в полость 10 (вторая ступень) и полость 83 цилиндра 84.
Газ сначала сжимается в первой ступени (полость 61), охлаждается в теплообменнике 91, сжимается во второй ступени (полость 10), охлаждается в теплообменнике 87 и затем сжимается в полости 83. в такой конструкции можно сжать газ от 1 бар до 700 бар и выше.
На фиг. 8 показан газовый веретенообразный цилиндр, который заполнен слоями крупной сетки 92 (см. также фиг. 9). Это позволяет полностью исключить неравномерность заполнения полости 10, и, что очень важно - использовать большую поверхность сеток для охлаждения сжимаемого газа.
В вышеописанных конструкциях жидкость, сжимающая газ в полости газового цилиндра, охлаждает газ за счет теплообмена поверхности уровня жидкости с газом, а также за счет теплообмена газа со стенками газовой полости, которые также охлаждаются этой же жидкостью.
В данном примере жидкость помимо стенок полости 10 охлаждает и огромную (по сравнению с поверхностью стенок полости 10) поверхность сеток 92, в связи с чем поверхность контакта газа с охлаждающими поверхностями кратно возрастает. Это позволяет существенно увеличить теплопередачу от газа к охлаждающей жидкости и реально существенно приблизить процесс сжатия газа к изотермическому.
На фиг. 10 и 11 показана конструкция газового цилиндра в виде радиатора, состоящего из нескольких веретенообразных трубок. Каждая трубка имеет собственные всасывающие и нагнетательные клапаны, пористые вставки 100, 104 и 105 служат для равномерного распределения жидкости в зоне ее подачи в трубки и в зоне всасывания и нагнетания, чтобы жидкость не плескалась и не попадала под запорные элементы клапанов. Такое исполнение газового цилиндра дополнительно в несколько раз повышает поверхности теплообмена и эффективность процесса сжатия газа. А на фиг. 12 показан вариант такой же конструкции, но с общими для трубок всасывающими и нагнетательными клапанами, что организовано пазом 110, тянущимся вдоль трубок 103 и заполненном высокопористым материалом.
На фиг. 13 показан газовый цилиндр 7. у которого рабочая полость 10 имеет цилиндрическую форму, а сам цилиндр заполнен округлыми телами (шариками) 120, ряды которых разделены сетками 121. Размер шариков каждого ряда их укладки уменьшается в направлении от продольного центра 122 к торцам цилиндра 7. Шарики изготовлены из материала с высоким удельным весом и высокой теплоемкостью и теплопроводностью. Это, например, свинец и его сплавы, чугун, медь и ее сплавы. Таким образом в цилиндрической полости 10 между шариками образуется свободный веретенообразный объем. Кроме того, что такая форма объема полости 10 способствует повышению эффективности процесса сжатия, шарики 10 создают, как и в конструкции, изображенной на фиг. 8, значительный эффект регенеративного теплообмена, дополнительно приближая процесс сжатия газа к изотермическому.
На фиг. 14 также изображен цилиндр 7 с прямолинейной образующей полости 10. Установленный вдоль цилиндра по его оси стержень 123, выполненный в виде двух направленных к середине цилиндра конусов 124 и 125, позволяет создать полость 10 веретенообразной формы. Преимущество такой конструкции, как и предыдущей (см. фиг. 13) состоит в простоте изготовления цилиндра 7, т.к. стержень 123 обрабатывается по наружной поверхности, что не представляет технологической сложности, в отличие от изготовления внутренних конических поверхностей и необходимости делать конструкцию цилиндра сборной, или применять для его изготовления такие специфические технологии, как центробежное литье, гидроштамповка, литье по выплавляемым моделям и т.д.
На фиг. 15 и 16 изображен поршень насоса выполненный дифференциальным с образованием верхней 132 и нижней 133 жидкостных полостей, которые соединены между собой через каналы и теплообменник 136, причем с газовым цилиндром соединена полость 132, имеющая больший объем.
Работа конструкций, изображенных на фиг. 15 и 16 отличается от предыдущих тем, что в ней нет теплообменника между газовой полостью 10 и полостью насоса - в данных примерах верхней полостью 132. Теплообменник 136 установлен между верхней 132 и нижней 133 полостями, а разность между их объемами равна объему полости 10.
При ходе поршня 130 (фиг. 15) или 139 (фиг. 16) вверх часть жидкости через пористую вставку 137 поступает в полость 10, сжимая газ, а избыточная часть - через теплообменник 136 - в нижнюю полость 133.
При ходе поршней 130 или 139 вниз жидкость отсасывается из полости 10 в полость 132, и туда же поступает жидкость из уменьшающейся полости 133, происходит интенсивное перемешивание жидкости, побывавшей в полости 10 и воспринявшей теплоту от ее стенок и сжимаемого газа, и жидкости, охладившейся в теплообменнике 136.
В данной конструкции по сравнению с вышеописанными, существенно увеличен объем рабочей жидкости, что позволяет дополнительно снизить температуру газа в процессе его сжатия.
Таким образом, техническая задача повышения экономичности работы гидропневматического агрегата выполнена за счет улучшения процесса охлаждения сжимаемого газа путем оптимального проведения процесса сжатия и увеличения поверхности контакта сжимаемого газа с поверхностью теплообмена.