Поршневой компрессор высокого давления

Поршневой компрессор высокого давления
Полезная модель относится к компрессору высокого давления для сжатия газов.
Известен «МНОГОСТУПЕНЧАТЫЙ КОМПРЕССОР ДЛЯ СЖАТИЯ ГАЗОВ» [патент №2298692, опубл. 20.05.2005]. Сущность изобретения заключается в том, что многоступенчатый компрессор для сжатия газов содержит зону низкого давления и зону высокого давления. Зона высокого давления имеет, по меньшей мере, один приводимый в действие через коленчатый вал поршневой компрессор. Зона низкого давления имеет в качестве компрессора низкого давления, по меньшей мере, один винтовой компрессор с вращающимся вытеснителем, который соединен с коленчатым валом поршневого компрессора. Между поршневым компрессором и винтовым компрессором предусмотрены охлаждающее устройство и отделитель конденсата.
Недостатками аналога является то, что в известном техническом решении присутствуют две ступени сжатия: винтовой компрессор (ступень низкого давления), поршневая ступень (ступень высокого давления), наличие межступенчатого охладителя. Данные конструктивные решения приводят к значительным массогабаритным параметрам и имеют сложное техническое исполнение обусловленное применением двух различных видов компрессоров и дополнительного оборудования.
Наиболее близким к заявленному техническому решению является «КОМПРЕССОР ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ И СПОСОБ ЕГО РАБОТЫ» [RU №2432496, опубл. 27.10.2011 г.], в котором сжатие газов осуществляется по меньшей мере, двумя рабочими полостями, который выборочно может быть отрегулирован между одноступенчатым рабочим положением, в котором компримируемый газ сжимается в единственной ступени, и многоступенчатым рабочим положением, в котором, по меньшей мере, одна рабочая полость соединена последовательно с, по меньшей мере, одной последующей рабочей полостью. Предусмотрены, по меньшей мере, три рабочих полости, имеющие все одинаковый рабочий объем. В одноступенчатом рабочем положении все рабочие полости соединены параллельно между собой. Имеется возможность эффективно сжимать газы, имеющие сильно различающиеся уровни давления на входной стороне компрессора высокого давления до высокого давления, в частности до 70 бар. У рассматриваемого  компрессора высокого давления это достигается вследствие того, что предусмотрены, по меньшей мере, три рабочих полости, имеющие все одинаковый рабочий объем. Предпочтительно, в частности, если предусмотрены четыре или пять рабочих полостей. У обычных компрессоров высокого давления, у которых несколько рабочих полостей соединены параллельно друг другу, и имеется, таким образом, большой объем подачи, может достигаться степень сжатия, например, природного газа, максимально - около 1:5. Следовательно, компрессорами высокого давления подобного вида, возможно вводить в газопровод высокого давления, имеющий обычно уровень давления 70 бар, только природный газ, который подается на компрессор под давлением около 15 бар. Компрессором высокого давления, соответствующим изобретению, у которого на выбор может выбираться между одноступенчатым режимом работы и многоступенчатым режимом работы, при достижении определенного уровня давления на входной стороне компрессора высокого давления может последовательно подсоединяться, по меньшей мере, одна рабочая полость, так что может достигаться более высокое конечное сжатие, делающее возможным, в частности, ввод сжатого газа в газопровод высокого давления. При этом посредством предусмотрения рабочих полостей с одинаковым рабочим объемом достигается наибольшее возможное эффективное сжатие, то есть высокая производительность, в одноступенчатом режиме работы, в котором все рабочие полости могут быть соединены параллельно. Вместе с этим, посредством предусмотрения трех, в частности, четырех или пяти рабочих полостей достигается высокая эффективность в многоступенчатом режиме работы со степенью сжатия, в частности, 1:3 или 1:4. Таким образом, посредством предусмотрения, по меньшей мере, трех рабочих полостей с одинаковыми рабочими объемами можно достигнуть наибольшего возможного эффективного сжатия сжимаемого газа, как в одноступенчатом режиме работы, так и в многоступенчатом режиме работы.
Недостатками прототипа является наличие нескольких ступеней сжатия; наличие межступенчатых охладителей, что также как и в аналоге увеличивает массогабаритные параметры агрегата.
В источнике [Пластинин, П. И. Поршневые компрессоры. В 2 т. Т. 1. Теория и расчёт / П. И. Пластинин– 2-е изд., перераб. и  доп. – М.: КолосC, 2006. –  456 с., стр. 114.] приведены данные о возможности сжатия газа в одной ступени со степенью повышения давления 2,5…5. Ограничения по степени повышения давления обусловлены повышением температуры в быстроходных компрессорах выше критического значения 454 К [Пластинин, П. И. Поршневые компрессоры. В 2 т. Т. 1. Теория и расчёт / П. И. Пластинин– 2-е изд., перераб. и  доп. – М.: Колос, 2006. –  456 с., стр. 31.]. Что в существующих конструкциях приводит к необходимости осуществления многоступенчатого сжатия.
Задачей полезной модели является получение давления газа до 10 МПа в одной ступени с интенсивным внешним охлаждением при атмосферном давлении всасывания (степень повышения давления 100), повышение ресурса работы  компрессора, уменьшение шумовых характеристик, уменьшение массогабаритных характеристик.
Разработана конструкция поршневого длинноходового (ψ>10) тихоходного (время рабочего цикла – более 1с) компрессора. Наличие линейного привода и параметров ступени ψ=S/D>10. Известно, что в существующих современных компрессорах параметр ψ находится в пределах 0,27…0,8 [5]. Применение линейного привода позволяет выполнить компрессор тихоходным, более продолжительное время охлаждения ступени компрессора позволяет приблизить рабочий цикл к изотермическому, что в пределах допустимой температуры нагнетаемого газа позволяет сжимать газ в одной ступени до давления 10 МПа и более [3,4].  Скорость движения поршня в таких ступенях не более 0,5 м/с, что увеличивает ресурс работы компрессора из-за уменьшения износа трущихся деталей. Низкая скорость движения поршня уменьшает шумовые характеристики ступени.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, где:
- на фиг. представлена схема поршневого компрессора высокого давления
Поршневой компрессор содержит поршень-шток 1, который движется внутри цилиндра 2, рубашка охлаждения 3 и цилиндр 2 образуют пространство для прохождения охлаждающей жидкости, с торца цилиндра 2 со стороны поршня-штока 1 установлена головка цилиндра 4, в которой расположены клапан впуска 5 и выпуска 6 рабочего газа, с другого торца цилиндр закрыт торцевой крышкой 7, для обеспечения герметичности рабочей камеры, образуемой поршнем-штоком 1, цилиндром 2 и головкой цилиндра 4 на поршне-штоке 1 расположены уплотнения компрессионные 8, головка цилиндра 4 держится крышкой фланцевой 9,  поршень-шток 1 герметизируется торцевым уплотнением 10. Ввиду длины конструкции её жёсткость обеспечивают шпильки 11. Поршень-шток 1 приводится в движение линейным приводом 12 (например, гидравлическим).
Компрессор работает следующим образом: поршень-шток 1 приводится в движение линейным приводом 12, газ в рабочей камере сжимается, через полость образованной цилиндром 2 и рубашкой охлаждения 3 прокачивается жидкость, сжимаемый газ интенсивно охлаждается за счёт малой скорости сжатия и развитой поверхности теплообмена (ψ>10). В процессе всасывания газ поступает через клапан впуска 5, а в процессе нагнетания выталкивается через клапан выпуска 6. Оба клапана установлены в головке цилиндра 4. Торцевая крышка 7 служит для соединения цилиндра 2 и рубашки охлаждения 3 в жёсткую систему. Компрессионные уплотнения 8 герметизируют рабочую камеру, установлены на поршне-штоке 1. Крышка фланцевая 9 служит для удержания головки цилиндра 4 и соединяется с рубашкой охлаждения 3. Для направления движения поршня-штока 1 служит торцевое уплотнение 10. Шпильки 11 соединяют фланцы рубашки охлаждения 3 и придают общую жёсткость конструкции компрессора. За счёт соотношения величин хода поршня и диаметра цилиндра (ψ>10),
ψ=S/D>10,
где  S – ход поршня, м;
D – диаметр цилиндра, м.
обеспечивается большая площадь теплоотвода и времени полного цикла – более 1 с, а также наличия интенсивного охлаждения обеспечивает условия, при которых газ в рабочем процессе успевает отдавать значительную долю тепла охлаждающей среде. И при нагнетании температура газа не превышает допустимой температуры. К тому же за счёт низкой скорости движения поршня (до 0,5 м/с) увеличивается ресурс работы ступени и снижаются виброшумовые характеристики.
Таким образом предложена конструкция поршневого компрессора, позволяющая повысить изотермический КПД компрессора за счет более эффективного охлаждения газа в рабочем объеме компрессора, а также уменьшить металлоёмкость всего агрегата, увеличить ресурс работы и снизить виброшумовые характеристики. Компрессор позволяет получать как низкое давление, так и давление до 10МПа.