ЛИНЕЙНЫЙ КОМПРЕССОР С РЕГУЛИРУЕМЫМ ПРИВОДОМ

Полезная модель относится к области машин объемного действия и может быть использована при создании линейных поршневых компрессоров, работающих без смазки цилиндрической части рабочей камеры с возможностью регулирования привода.
Известен «Однокамерный многоцилиндровый двигатель внутреннего сгорания со встречно движущимися поршнями» [патент №2362893, опубл. 27.07.2009], техническим результатом которого является повышение КПД и расширение его регулировочных возможностей. Сущность изобретения заключается в том, что в двигателе применяется одна камера сгорания на несколько рабочих цилиндров с рабочими поршнями, поэтому весь рабочий объем заявляемого двигателя приходится на одну камеру сгорания. Кроме того, в двигателе реализована возможность значительно повысить плотность подаваемого в рабочие цилиндры свежего заряда. Это позволяет сжечь повышенную цикловую дозу топлива, тем самым произвести больше работы без увеличения тепловых потерь. Расширение регулировочных возможностей двигателя достигается за счет применения в заявляемом ДВС кривошипно-шатунных механизмов с возможностью регулировки хода рабочих поршней, а также за счет применения устройства изменения фаз движения рабочих поршней. Это позволяет изменять степень сжатия в процессе эксплуатации двигателя, применять различные виды топлива и оптимизировать работу двигателя на различных режимах его работы.
Известен «Линейный компрессор с линейным приводом» [RU 174245, опубл. 09.10.2017 г.], в котором линейный компрессор с линейным приводом и компрессорным блоком установлены на единой раме. Компрессорный блок содержит компрессорную камеру, которая с одной стороны ограничена подвижным поршнем. Поршень жестко соединен со штоком, который передает усилие от линейного привода к поршню. Линейный привод управляется блоком управления, сигнал на который приходит от датчиков конечных положений, которые могут представлять собой герконы. В свою очередь датчики получают информацию о положении поршня посредствам магнита, расположенного на штоке. Датчики конечных положений перемещаются по направляющей между упорами. Поршень расположен внутри цилиндра.
Основной недостаток описанных технических решений заключается в том, что сжимаемый газ в компрессоре сильно нагревается, температура в камере может возрастать до 454К [Пластинин, П.И. Поршневые компрессоры. В 2 т. Т. 1. Теория и расчет / П.И. Пластинин - 3-е изд., доп. - М.: КолосС, 2006. - 456 с., стр. 27.]. Температура 454К ограничивает значение максимальной степени повышения давления в компрессорной камере, и как следствие увеличивает число ступеней сжатия компрессора для достижения давления нагнетания. Также увеличивается мощность потребляемая приводом в процессе сжатия и нагнетания, на что требуются значительные энергозатраты и соответственно привод с большими массогабаритными параметрами, что может привести к выходу из строя самого компрессора.
Задача полезной модели заключается в увеличении степени повышения давления в одной ступени, снижении потребляемой мощности компрессора и снижении массогабаритных параметров привода.
Данный технический результат достигается за счет того, что в предложенном линейном компрессоре с линейным приводом и компрессорным блоком, установленными на единой раме, содержащем компрессорную камеру, подвижный поршень со штоком, магнит, создающий магнитное поле, компрессорный блок содержит компрессорную камеру, которая с одной стороны ограничена подвижным поршнем, а с другой стороны - клапанной плитой, подвижный поршень выполнен с возможностью перемещения по цилиндру и жестко соединен со штоком, предназначенным для передачи усилия от линейного привода к подвижному поршню, линейный привод соединен с блоком управления, к которому подсоединены герконы конечных положений подвижного поршня, один из которых фиксирует положение подвижного поршня в нижней мертвой точке и выполнен с возможностью перемещения по направляющей, для изменения хода подвижного поршня, а другой - неподвижный зафиксирован в непосредственной близости к компрессорному блоку и предназначен для определения верхней мертвой точки, на штоке расположен магнит, предназначенный для создания магнитного поля, воздействующего на герконы, предназначенные для передачи управляющего сигнала с герконов на блок управления, на направляющей расположены упоры, предназначенные для ограничения перемещения подвижного поршня, блок управления соединенный с герконами электрической связью и предназначенный для изменения направления движения поршня при получении сигнала с герконов, согласно заявляемому техническому решению конструкция содержит промышленный программируемый контроллер (ППК), который как и блок управления так же соединен электрической связью с герконами (датчиками "конечных положений" подвижного поршня НМТ и ВМТ) и предназначенный для регулирования режима работы линейного компрессора с регулируемым приводом (скорость движения поршня Vп), ППК обеспечивает скорость движения поршня Vп по заданному алгоритму посредствам электрической связи с линейным приводом и получающий сигнал о положении поршня от герконов также посредствам электрической связи.
Преимуществом заявляемого технического решения является то, что в линейном компрессоре с регулируемым приводом для снижения температуры нагнетаемого газа движения поршня в процессе всасывания происходит с большей скоростью, а движение в процессе сжатия и нагнетания с меньшей скоростью, что обеспечивается ППК. Большая скорость в процессе всасывания обеспечивает быстрое расширение газа и его охлаждение. Низкая скорость в процессе сжатия и нагнетания, когда растет температура с ростом давления, позволяет увеличить время теплообмена сжимаемого газа с окружающей средой и снизить температура нагнетаемого газа. Также, учитывая, что потребляемая мощность пропорциональна усилию и скорости движения, данное решение позволяет более равномерно распределить потребляемую мощность за время цикла: в процессе всасывания усилие мало, а скорость большая, и наоборот, в процессе сжатия и нагнетания усилие большое, а скорость мала. Таким образом, уменьшается максимальная потребляемая мощность, и исключаются скачки в потребляемой мощности.
На Фиг. 1 представлена схема линейного компрессора с регулируемым приводом.
На Фиг. 2 представлена зависимость координаты поршня х от времени τ одного цикла, то есть за время движения поршня от НМТ до ВМТ и обратно τ.
п
сж
Скорость движения поршня от НМТ до ВМТ Vп=S/τ, где
Vп - средняя скорость движения поршня при сжатии и нагнетании;
п
S - ход поршня;
сж
_
τ время сжатия (время движения от НМТ до ВМТ).
Скорость движения поршня от ВМТ до НМТ:
1
п
вс
Vп=S/τ, где
1
Vп - средняя скорость движения поршня при всасывании газа.
вс
τ - время всасывания (время движения от ВМТ до НМТ).
сж
вс
Причем τ=τ+τ.
где τ - время цикла, то есть время движения поршня от НМТ до ВМТ и обратно.
1
сж
вс
Максимальная скорость поршня ограничивается допустимым значением - 7 м/с [Пластинин, П.И. Поршневые компрессоры. В 2 т. Т. 1. Теория и расчет / П.И. Пластинин - 2-е изд., доп. - М.: КолосС, 2000. - 456 с., стр. 83]). То есть Vп ≤ 7 м/с, учитывая это условие определяется соотношение времени сжатия к времени всасывания - τ/τ.
На Фиг. 3 представлены зависимость величины мгновенной мощности потребляемой линейным приводом (N) в зависимости от соотношения времени движения поршня от НМТ до ВМТ и обратно.
сж
вс
сж
вс
сж
вс
Так проведенные теоретические расчеты при следующих исходных данных: Рвс=0,1 МПа, Рн=10 МПа, Твс=291 К, Dц=0,05 м, Sп=0,8 м, τ=2 с; позволили получить следующие результаты: при т/т=1:1 индикаторная мощность N=15 кBт, при τ/τ=2:1 индикаторная мощность N=12 кBт, при τ/τ=3:1 индикаторная мощность N=10,5 кBт.
1
Линейный компрессор с регулируемым приводом и компрессорным блоком установлены на единой раме. Компрессорный блок 1 содержит компрессорную камеру 2, которая с одной стороны ограничена подвижным поршнем 3, а с другой стороны - клапанной плитой 4. Подвижный поршень 3 выполнен с возможностью перемещения в цилиндре 5 и жестко соединен со штоком 6, предназначенным для передачи усилия от линейного привода 7 к подвижному поршню 3. Линейный привод 7 соединен с блоком управления 8, к которому подсоединены герконы 9 и 10 «конечных положений» подвижного поршня 3, один из которых 9 фиксирует положение подвижного поршня 3 в нижней мертвой точке (НМТ) и выполнен с возможностью перемещения по направляющей 11, для изменения хода подвижного поршня 3, а другой 10 - «неподвижный», зафиксирован в непосредственной близости к компрессорному блоку 1, и предназначен для определения верхней мертвой точки (ВМТ). На штоке 6 расположен магнит 12, предназначенный для создания магнитного поля, воздействующего на герконы 9 и 10. Герконы 9 и 10 предназначены для передачи управляющего сигнала на блок управления 8. Магнит 12 подбирают экспериментально, таким образом, чтобы магнитный поток создаваемый магнитом 12 был больше соответствующего параметра срабатывания геркона. На направляющей 11 расположены упоры 13 и 14, предназначенные для ограничения перемещения поршня и не позволяющие подвижному поршню 3 ударяться при движении о клапанную плиту 4 и цилиндр 5. Блок управления 8 соединен электрической связью с герконами 9 и 10 (датчиками "конечных положений" подвижного поршня НМТ и ВМТ) и с линейным приводом 7, и в то же время герконы 9 и 10 также соединены электрической связью с промышленным программируемым контроллером (ППК) 15, предназначенным для регулирования параметров режима работы линейного компрессора с регулируемым приводом (скорость движения поршня Vп), путем передачи электрического сигнала на линейный привод 7. Линейный компрессор с регулируемым приводом работает следующим образом: линейный привод 7 передает усилие для поступательного движения через шток 6 на подвижный поршень 3, расположенный в цилиндре 5 компрессорного блока 1. Подвижный поршень 3 перемещается и изменяет объем компрессорной камеры 2. Ход подвижного поршня 3 ограничен герконами 9 и 10. На штоке 6 расположен магнит 12. Во время движения подвижный поршень 3 достигает верхней мертвой точки (ВМТ), а магнитное поле, создаваемое магнитом 12, воздействует на геркон 10, который выдает сигнал на блок управления 8 и подвижный поршень 3 останавливается и начинает движение к геркону 9. При достижении магнитом 12 геркона 9 -нижней мертвой точки (НМТ), магнитное поле образуемое магнитом 12 воздействует на геркон 9 и он выдает сигнал на блок управления 8, тем самым останавливая подвижный поршень 3, и тот после этого начинает движение к геркону 10. Ход подвижного поршня 3 Sп равен расстоянию между герконами 9 и 10 (см. фиг. 1). Упоры 13, 14, не позволяют подвижному поршню 3 ударяться об цилиндр 5 и клапанную плиту 4 компрессорного блока 1. Поршень движется от НМТ к ВМТ, при достижении ВМТ ППК 15 и блок управления 8 получают сигналы от геркона 10, блок управления 8 выдает управляющий сигнал на линейный привод 7 и происходит изменение направления движения поршня 3, в то же время ППК 15 выдает управляющий сигнал на линейный привод 7 и происходит изменение скорости движения поршня 3, причем скорость движения поршня 3 от НМТ к ВМТ меньше скорости движения поршня 3 от ВМТ к НМТ (процесс всасывания) соотношение скоростей ограничено значением скорости при движении от ВМТ к НМТ - Vп ≤ 7 м/с. После этого поршень движется от ВМТ к НМТ, и при достижении НМТ ППК 15 и блок управления 8 получают сигналы от геркона 9, блок управления 8 выдает управляющий сигнал на линейный привод 7 и происходит изменение направления движения поршня 3, в то же время ППК 15 выдает управляющий сигнал на линейный привод 7 и происходит изменение скорости движения поршня 3, поршень начинает движение от НМТ к ВМТ и процесс повторяется.
Преимуществом заявляемого технического решения является то, что в линейном компрессоре с регулируемым приводом для снижения температуры нагнетаемого газа в компрессорной камере движение поршня 3 в процессе всасывания происходит с большей скоростью, чем скорость в процессе сжатия и нагнетания, что обеспечивается ППК 15. Большая скорость в процессе всасывания обеспечивает быстрое расширение газа и его охлаждение, низкая скорость в процессе сжатия и нагнетания, когда растет температура с ростом давления, позволяет увеличить время теплообмена сжимаемого газа с окружающей средой и снизить температура нагнетаемого газа. Таким образом допустимая температура газа (454К) в поршневой камере достигается при большей степени повышения давления, что позволяет уменьшить число ступеней сжатия для достижения требуемого давления газа. Также, учитывая что потребляемая мощность пропорциональна усилию и скорости движения данное решение позволяет более равномерно распределить потребляемую мощность за время цикла: в процессе всасывания усилие мало, а скорость большая, и наоборот, в процессе сжатия и нагнетания усилие большое, а скорость мала. Таким образом, возможно уменьшение максимальной потребляемой мощности привода на 40%, то есть для данного компрессора возможно будет применить двигатель с меньшей номинальной мощностью, естественно меньших размеров и меньшей стоимости по сравнению с двигателем примененным при отсутствия регулирования привода с помощью ППК, а также уменьшается амплитуда изменения потребляемой мощности приводом (см. Фиг. 3), что значительно увеличит его надежность.