СПОСОБ РАБОТЫ ПОРШНЕВОГО НАСОС-КОМПРЕССОРА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF OPERATING PISTON PUMP-COMPRESSOR AND DEVICE THEREFOR

Изобретение относится к области насосо- и компрессоростроения и может быть использовано при создании гибридных поршневых машин объемного действия преимущественно малой и средней производительности, предназначенных для сжатия и подачи потребителю одновременно или попеременно жидкостей и газов.
Известна конструкция поршневого насоса-компрессора, содержащая цилиндр, поршень, клапана. Рабочие камеры конструктивно расположены над и под поршнем. Способ работы такой конструкции заключается в попеременном сжатии и подаче потребителю газа из надпоршневой полости, сжатии жидкости в подпоршневой полости и подаче ее потребителю (см. патент РФ №118371, МКИ F04B 19/06 от 20.07.2012).
Известна также конструкция поршневого насоса-компрессора, состоящая из цилиндра, поршня и клапанов, в которой рабочие камеры так же располагаются над и под поршнем. Способ работы заключается в попеременном всасывании, сжатии и подаче потребителю газа из надпоршневой полости, и всасывании и сжатии жидкости в подпоршневой полости и подаче ее потребителю, причем подача сжатого газа потребителю осуществляется через самодействующий нагнетательный клапан и линию нагнетания газа, а подача жидкости потребителю осуществляется через линию нагнетания жидкости (см., например, Патент РФ №125635 на полезную модель «Поршневой насос-компрессор», МПК F04B 19/06, заявл. 24.09.2012, опубл. 10.03.2013).
Недостатком известных конструкций и их способов работы является узкий диапазон производительности насосной и компрессорной полости, так как из-за большой инерционности жидкости нельзя увеличивать скорость движения поршня, что сказывается на производительности компрессорной полости.
Так же значимым недостатком является невозможность работы с жидкостями под высоким давлением, т.к. это давление находится в картере машины, что чрезвычайно затрудняет уплотнение приводного коленчатого вала, а также плоских стыков конструкции (например - стыка между цилиндром и картером). Кроме того, при высоком давлении жидкости (выше 5 МПа) к материалу картера (а это обычно - литье) предъявляются большие требования по прочности, что усложняет технологию отливки, либо его стенки приходится делать большой толщины, что ухудшает такой показатель, как материалоемкость конструкции. Следует также отметить сравнительно большие утечки газа через зазор между поршнем и цилиндром в процессе сжатия-нагнетания в компрессорной полости, т.к. в это время в насосной полости, отделенной от компрессорной полости зазором, происходит процесс всасывания, т.е. давление жидкости низкое, и она не может препятствовать утечкам газа. В то же время в процессе сжатия-нагнетания жидкости, когда в компрессорной полости происходит всасывание, жидкость может проникать через зазор между поршнем и цилиндром в больших количествах и загрязнять сжимаемый газ, и даже приводить к гидроудару.
Задачей изобретения является расширение функциональных возможностей в сторону увеличения удельной производительности, снижение массы конструкции, повышение КПД компрессорной полости, а также снижение затрат на работу системы охлаждения.
Указанная задача изобретения достигается тем, что в известном способе работы насоса-компрессора согласно изобретению, всасывание и нагнетание жидкости происходит путем изменения давления в компрессорной полости.
Для осуществления указанного способа в поршневом насос-компрессоре, содержащем цилиндр с установленным в нем поршнем, компрессорной и насосной полостями, соединенными с линиями всасывания газа через всасывающие самодействующие клапаны, и с линиями нагнетания газа через нагнетательные самодействующие клапаны, а с линиями всасывания и нагнетания жидкости через соответствующие гидродиоды. Поршень делит компрессорную полость на две части, насосная и одна из компрессорных полостей расположены под поршнем, привод поршня может находиться вверху или внизу. Компрессорная полость в данной конструкции работает по принципу работы компрессора двухстороннего действия.
В результате данных конструкционных изменений, насос-компрессор может работать с частотой вращения поршневого компрессора и сократить, таким образом, его габариты, повысить удельную производительность. Благодаря отсутствию клапанов в насосной полости, решена проблема инерционности клапанов при высоких частотах работы насос-компрессора. Непосредственный контакт жидкости со сжимаемым газом позволяет эффективно охлаждать насос-компрессор.
Сущность изобретения поясняется на примере работы конструктивного варианта насос-компрессора, схематично изображенного на чертежах.
На фиг. 1 изображена конструктивная схема поршневого насос-компрессора. Поршень находится в верхней мертвой точке (ВМТ) в самом начале хода вниз.
На фиг. 2 изображена схема насос-компрессора в процессе движения поршня от ВМТ к нижней мертвой точке (НМТ).
На фиг. 3 изображена схема насос-компрессора при достижении поршнем НМТ.
На фиг. 4 изображена схема насос-компрессора при движении поршня от НМТ к ВМТ.
Насос-компрессор (фиг. 1) содержит цилиндр 1 с всасывающим 2 и нагнетательным 3 газовыми клапанами, соединенными соответственно с всасывающей 4 и нагнетательной 5 полостями. Всасывающий и нагнетательный жидкостные клапаны выполнены в виде пакетов гидродиодов соответственно 6 и 7, расположены в нижней части цилиндра 1 и соединены соответственно с всасывающей 8 и нагнетательной 9 полостями. Их минимальное гидравлическое сопротивление направлено от полости 8 всасывания жидкости в сторону полости 9 нагнетания жидкости.
Поршень 10 со штоком 11 соединен с механизмом привода (на чертежах не показан) и размещен в цилиндре 1 с образованием надпоршневой 12 и подпоршневой 13 полости.
Подпоршневая полость 13 соединена с газовой нагнетательной полостью 5 через дополнительный нагнетательный газовый клапан 14, размещенный между положением днища поршня 10 в нижней мертвой точке и нагнетательным газовым клапаном 3 надпоршневой полости 12, и частично заполнена жидкостью 15.
Всасывающий и нагнетательный газовые клапаны 2 и 3 расположены ниже днища поршня 10 при его положении в ВМТ.
Способ работы поршневого насоса-компрессора осуществляется следующим образом (фиг. 1). При положении поршня 10 в ВМТ, газ и жидкость 15 в полости 13 находятся под давлением всасывания, газовые клапаны (2, 3, 14) закрыты, в «запертой» полости 12 газ находится в сжатом до некоторого, определяемого давлением нагнетания и объемом полости 12, давлении, которое выше давления нагнетания газа. В полости 9 жидкость находится под давлением нагнетания жидкости, в полости 8 жидкость находится под давлением всасывания жидкости, в полости 5 газ находится под давлением нагнетания газа.
Под действием перепада давления между полостями 9 и 8 жидкость течет через гидродиоды 7 из полости 9 в полость 13, и оттуда через гидродиоды 6 в полость 8. В связи с тем, что гидродиоды в этом направлении имеют большое гидравлическое сопротивление, этот расход жидкости очень мал, примерно половина его идет на пополнение количества жидкости 15 и увеличение ее уровня в полости 13, а половина - истекает в полость 8.
При движении поршня 10 вниз (фиг. 2) газ сжимается под поршнем в полости 13, а полость 12 увеличивается в объеме и давление в ней падает. Когда поршень 10 пересекает уровень клапана 2, давление в ней падает до давления всасывания, после чего при продолжающемся увеличении объема полости 12 в ней создается разрежение (этот момент и изображен на фиг. 2), открывается всасывающий газовый клапан 2, и газ начинает всасываться в полость 12.
При повышении давления газа в полости 13 повышается и давление жидкости 15 (оба давления одинаковы, т.к. между жидкостью и газом нет разделительного элемента), в результате чего жидкость 15 вытесняется одновременно через гидродиоды 6 и 7 в полости 8 и 9.
В связи с тем, что в данном случае сопротивление гидродиодов 6 встречному потоку значительно больше, чем гидродиодов 7 попутному потоку, расход жидкости в основном направлен через гидродиоды 7 в сторону полости 9, т.е. в сторону нагнетания жидкости потребителю.
При достижении в полости 13 давления нагнетания газа, клапан 14 открывается, и сжатый газ из полости 13 поступает в полость 5 и далее -потребителю.
При дальнейшем движении поршня к НМТ (фиг. 3) поршень 10 пересекает клапан 14, соединяя его с полостью 12, а т.к. давление в ней равно давлению всасывания, нагнетательный клапан 14 закрывается.
Остаток сжатого газа в полости 13 продолжает вытеснять жидкость 15 из полости 13.
При достижении поршнем 10 положения НМТ все вышеописанные процессы оканчиваются.
При движении поршня 10 от НМТ к ВМТ (фиг. 4) сначала происходит полное расширение остатков сжатого в полости 13 газа, а затем, в связи с продолжающимся увеличением полости 13, в ней возникает разрежение, за счет которого, жидкость начинает всасываться в полость 13 из полости всасывания 8 и из полости нагнетания 9.
В связи с тем, что гидродиоды 6 оказывают попутному потоку малое сопротивление, а гидродиоды 7 встречному потоку - большое сопротивление, пополнение жидкости 14 происходит в основном за счет потока через гидродиоды 6 из полости всасывания 8. При этом уровень жидкости 15 растет, а в полости 13 поддерживается разрежение.
В это же время объем полости 12 уменьшается, давление газа в ней увеличивается, клапан 2 закрывается, и при достижении давления газа, равному давлению нагнетания, открывается нагнетательный клапан 3, и газ поступает в полость 5 и оттуда - потребителю.
При подходе поршня 10 к положению ВМТ он открывает доступ газу из полости всасывания 4 к полости 13, в которой давление намного ниже давления всасывания, в результате чего клапан 2 открывается, и газ заполняет свободное пространство полости 13.
Затем цикл работы насос-компрессора повторяется.
Очевидно, что суммарный расход жидкости 14 при возвратно-поступательном движении поршня 10 направлен в сторону полости нагнетания 9 и далее - потребителю.
Отсутствие клапанов с подвижными массивными элементами на линиях всасывания-нагнетания жидкости 15 позволяет довести частоту возвратно-поступательного движения поршня 10 до частоты, характерной для поршневых компрессоров, что примерно в 2 раза выше, чем применяемые частоты для поршневых насосов. Это дает возможность существенно сократить размеры и массу насос-компрессора, т.е. увеличить его удельную производительность.
Постоянный непосредственный контакт жидкости 15 со сжимаемым газом позволяет существенно приблизить процесс сжатия газа в полости 13 к изотермическому, и повысить за счет этого КПД машины без каких-либо затрат на систему охлаждения.
Таким образом, техническая задача изобретения - расширение функциональных возможностей в сторону увеличения удельной производительности, снижение массы конструкции, повышение КПД процесса сжатия-нагнетания газа, а также снижение затрат на работу системы охлаждения, полностью выполнена.