ПОРШНЕВОЙ НАСОС-КОМПРЕССОР

Полезная модель относится к области насосо- и компрессоростроения и может быть использовано при создании поршневых машин объемного действия, предназначенных для сжатия и подаче потребителю одновременно или попеременно жидкостей и газов.
Известен поршневой насос-компрессор, содержащий цилиндр и дифференциальный поршень со штоком, причем нижняя часть цилиндра заполнена жидкостью, а верхняя - газом (см., например, АС СССР №1078126 по заявке 3513877/25-06, кл. F04В 39/06, опубл. 07.03.84, Бюл. №9).
Известен также поршневой насос-компрессор, содержащий картер, цилиндр и поршень, разделяющий цилиндр на верхнюю компрессорную и нижнюю насосную полости, которые соединены с источником и потребителем соответственно газа и жидкости с помощью обратных самодействующих газовых и жидкостных клапанов (см. патент РФ №118371, МКИ F04В 19/06 от 20.07.2012).
Недостатком известных конструкций являются большие габариты вдоль оси поршня и склонность к кавитации и гидроударам в насосной полости при высокой частоте возвратно-поступательного движения поршня (порядка 20-25 Гц, и более), характерной для малорасходных поршневых компрессоров, что также в целом снижает надежность конструкции и повышает ее материалоемкость, если требуется высокая работоспособность насос-компрессора, за счет вынужденного снижения частоты возвратно-поступательного движения поршня. Кроме того, в известных конструкциях, особенно при малой производительности, активный отвод теплоты от сжимаемого газа требует дополнительных затрат мощности на вентилятор, что снижает экономичность машины. Это особенно важно в случае применения насос-компрессора в мобильных системах и при размещении его в объеме транспортных средств, например, в моторном отсеке автомобиля.
Задачей полезной модели является повышение надежности и экономичности работы поршневого насос-компрессора и снижение его массы и габаритов.
Указанная задача решается тем, что поршень выполнен тронковым, а картер является частью объема насосной полости и соединен с обратными самодействующими жидкостными клапанами.
Цилиндр насос-компрессора может иметь полую рубашку, которая соединена с верхней частью картера, причем жидкостный нагнетательный клапан установлен в верхней части рубашки.
Сущность предложенного технического решения поясняется чертежом (фиг.), на котором схематично изображено осевое сечение насос-компрессора.
Насос-компрессор состоит из картера 1, в котором установлен всасывающий жидкостный клапан 2. В картере 1 размещен приводной вал 3 с кривошипом 4 и шатуном 5 тронкового поршня 6, имеющего газовую подпоршневую полость 7 и разделяющего цилиндр 8 на верхнюю компрессорную полость 9 и нижнюю насосную полость 10, которая напрямую соединена с картером 1, т.е. картер 1 является частью объема насосной полости. Цилиндр 8 имеет рубашку 11, в верхней части которой установлен нагнетательный жидкостный клапан 12, соединенный через рубашку 11 и отверстие 13 с картером 1. Компрессорная полость 9 имеет обратные самодействующие клапаны: 14 - нагнетательный и 15 - всасывающий. Картер 1 соединен через всасывающий клапан 2 с источником жидкости и через клапан 12 - с потребителем жидкости (показано стрелками). Компрессорная полость 9 соединена клапанами 15 и 14 соответственно с источником и потребителем газа (показано стрелками). Поршневые кольца 16 служат для уплотнения зазора между поршнем 6 и цилиндром 8. На фиг.1 жидкость обозначена волнистой штриховкой.
Насос компрессор работает следующим образом.
При вращении приводного вала 3 с кривошипом 4 за счет установленного на кривошипе 4 шатуна 5 происходит возвратно-поступательное перемещение тронкового поршня 6. При этом попеременно увеличивается и уменьшается объем компрессорной полости 9 и суммарный объема насосной полости 10, подпоршневого газового пространства 7 и картера 1.
Изменение объема компрессорной полости приводит к всасыванию газа через всасывающий клапан 15 (поршень 6 идет вниз до нижней мертвой точки), его сжатию и нагнетанию через нагнетательный клапан 14 потребителю (поршень 6 идет вверх до верхней мертвой точки).
При ходе поршня вниз из верхней мертвой точки общий объем полостей 7, 10 и 1 уменьшается, однако фактически изменение объема происходит только в полости 7 в связи с высокой способностью газа изменять свой объем при повышении давления в отличие от жидкости, которая практически несжимаема. Это приводит к плавному повышению давления газа в полости 7 и, соответственно в картере 1 и насосной полости 10, до тех пор, пока оно не превысит давление потребителя жидкости, после чего клапан 12 плавно открывается и начинается вытеснение жидкости из картера 1 через отверстие 13 и рубашку 11 потребителю. В течение всего процесса нагнетания жидкости давление газа в полости 7, как и в полости 10 и картере 1, сохраняется близким к давлению нагнетания потребителя жидкости. При подходе поршня 6 к нижней мертвой точке процесс вытеснения жидкости из картера 1 заканчивается.
При ходе поршня 6 вверх происходит увеличение суммарного объема полостей 7, 10 и картера 1, которое фактически происходит только за счет полости 7, однако это изменение не приводит к резкому падению давления в этих полостях, как в обычном насосе, и давление плавно снижается, благодаря плавному уменьшению давления в полости 7 в процессе расширения в ней газа, что приводит к плавному закрытию жидкостного нагнетательного клапана 12.
Далее объем полости 7 продолжает увеличиваться, и давление в ней плавно падает (соответственно плавно снижается давление жидкости в картере 1 и полости 10) до тех пор, пока оно не станет ниже давления источника жидкости, что приводит к плавному открытию всасывающего жидкостного клапана 2 и началу пополнения суммарного объема картера 1 и полости 10. Это пополнение происходит до прихода поршня 6 в верхнюю мертвую точку и продолжается до тех пор, пока давление в полости 7 не станет равным или большим, чем давление источника жидкости (в начале хода поршня 6 вниз), что приводит к плавному закрытию клапана 2, т.к. при повороте приводного (коленчатого) вала на значительный угол (5-10 градусов), изменение объемов в поршневой машине с кривошипно-шатунным механизмом очень мало при проходе поршнем мертвых точек.
Затем цикл работы насос-компрессора повторяется.
Следует заметить, что в описанной конструкции нагнетание жидкости происходит через рубашку 11, окружающую цилиндр 8 и охлаждающую его, отнимая теплоту, выделившуюся при сжатии газа в компрессорной полости 9, что приближает процесс сжатия к изотермическому и увеличивает экономичность работы компрессорной полости.
Однако, даже если нагнетание жидкости производить через нагнетательный клапан, установленный непосредственно в картере 1, то все равно - постоянная смена жидкости в картере и ее прохождение через детали, составляющие цилиндропоршневую группу, способствует активному отводу теплоты сжатия, переданной газом деталям компрессора за счет их теплопроводности, что также способствует повышению экономичности работы насос-компрессора.
Мягкая работа клапанов и отсутствие резкого изменения давления жидкости благодаря применению тронкового поршня и выполнения картера в виде части насосной полости, позволяет существенно увеличить частоту движения поршня, доведя ее до частот, характерных для компрессорных машин. Это позволяет значительно уменьшить габариты насос-компрессора (ориентировочно на 30-50%) и его массу, тем самым получить компактный поршневой компрессор, повысить надежность работы, которая в основном зависит от надежности работы клапанов, и повысить экономичность за счет улучшения термодинамики компрессорной полости.