ПОРШНЕВОЙ НАСОС
PISTON PUMP

Изобретение относится к области криогенного машиностроения и может быть использовано в составе газификационных установок.
Известен криогенный поршневой насос, содержащий цилиндр с всасывающим и нагнетательным клапанами, плунжер, соединенный со штоком механизма привода насоса, и сальниковый узел для устранения утечек рабочего продукта в атмосферу. (См. Машины низкотемпературной техники под редакцией A.M. Архарова и И.К. Буткевича, стр. 554-555, рис. 7.30. Из-во МВТУ им Н.Э. Баумана, 2011 г.).
Недостатками указанной конструкции являются необходимость для нормальной работы насоса переохлаждения криогенной жидкости на 1-2К за счет охлаждения цилиндровой группы газообразным азотом и размещения ее в специальном теплоизоляционном кожухе и установка специальной текстолитовой плиты для уменьшения теплопритоков к холодной части насоса.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является криогенный поршневой насос, содержащий цилиндр с всасывающим клапаном, нагнетательным клапаном и плунжером, размещенные во внутреннем кожухе криостата с экранно-вакуумной изоляцией, трубопровод подачи криогенной жидкости, трубопровод отвода ее паров и трубопровод подачи криогенной жидкости к потребителю, а также электродвигатель с механизмом движения, размешенные вне криостата, при этом механизм движения, совершающий возвратно-поступательное движение и соединенный с плунжером, снабжен сальниковым узлом уплотнения. (См. патент РФ 2684739, патент РФ 164584 U1).
Несмотря на то, что большая часть цилиндровой группы насоса находится внутри вакуумного кожуха, что существенно снижает внешние теплопритоки, он имеет ряд недостатков:
- во всасывающую полость насоса рубашки охлаждения передается теплота от сжатия криогенной жидкости в цилиндре и трения от колец поршневого уплотнения;
- необходимость применения сложной конструкции сальникового узла уплотнения штока и работа штока на сжатие;
- продолжительное время захолаживания и выхода на рабочий режим;
Решаемая задача - повышение эффективности работы и упрощение конструкции криогенного поршневого насоса.
Поставленная задача достигается тем. что в криогенном поршневом насосе, содержащем цилиндр с всасывающим клапаном, нагнетательным клапаном и плунжером, размещенные во внутреннем кожухе криостата с экранно-вакуумной изоляцией, трубопровод подачи криогенной жидкости, трубопровод отвода ее паров и трубопровод подачи криогенной жидкости к потребителю, а также электродвигатель с механизмом движения, размещенные вне криостата, при этом механизм движения, совершающий возвратно-поступательное движение и соединенный с плунжером, снабжен сальниковым узлом уплотнения, во внутреннем кожухе криостата сделан цилиндрический опорный пояс, на котором установлен цилиндр с плунжером, разделяющие объем внутреннего кожуха криостата на всасывающую полость, в которой смонтированы входной фильтр и входной клапан и которая соединена с трубопроводом подачи криогенной жидкости и трубопроводом отвода паров, и нагнетательную полость, которая соединена с трубопроводом подачи криогенной жидкости потребителю и в которой на крышке криостата, выполненной с экранно-вакуумной изоляцией, смонтирован линейный асинхронный электродвигатель, работающий при криогенных температурах, шток которого шарнирно соединен с плунжером, при этом в плунжере установлен нагнетательный клапан и выполнены каналы для прохода криогенной жидкости, а в цилиндре соосно клапану выпуска установлен всасывающий клапан и упор с окнами для прохода криогенной жидкости, а, кроме того, между крышкой криостата и цилиндром размещен цилиндрический стакан с радиальным зазором относительно линейного асинхронного электродвигателя, при этом в стакане и крышке криостата выполнены каналы для прохода криогенной жидкости в трубопровод подачи к потребителю, а герметичность нагнетательной полости относительно всасывающей полости, а также нагнетательной полости относительно внешней среды обеспечивается за счет усилия от крышки криостата, передаваемого на прокладки, установленные между опорные поясом и цилиндром, цилиндром и цилиндрическим стаканом, цилиндрическим стаканом и крышкой, а также уплотнения между внутренним кожухом криостата и крышкой криостата.
Конструктивная схема криогенного поршневого насоса показана на чертеже. Криогенный поршневой насос содержит плунжер 1, в котором установлен нагнетательный клапан 2 и выполнены каналы 3 для прохода криогенной жидкости, цилиндр,4, в котором соосно плунжеру установлен всасывающий клапан 5 и упор 6 с окнами для прохода криогенной жидкости. На внутреннем кожухе 7 криостата 8 выполнен цилиндрический опорный пояс 9, на котором установлен цилиндр 4 с плунжером 1, разделяющие объем внутреннего кожуха 7 на всасывающую полость 10, в которой смонтированы входной фильтр 11 и входной клапан 12 и которая соединена с трубопроводом 13 подачи криогенной жидкости и трубопроводом 14 отвода пара, и нагнетательную полость 15, которая соединена с трубопроводом 16 подачи криогенной жидкости к потребителю, например, в газификационную установку для заправки газовых баллонов, и в которой на крышке 17 криостата 8, выполненной с экранно-вакуумной изоляцией, смонтирован линейный асинхронный электродвигатель 18, работающий при криогенных температурах, шток 19 которого шарнирно соединен с плунжером 1, а между крышкой 17 криостата 8 и цилиндром 4 размещен цилиндрический стакан 20 с радиальным зазором относительно линейного асинхронного электродвигателя 18 и в стакане 20 выполнены отверстия 21 для прохода криогенной жидкости в трубопровод 16 подачи криогенной жидкости к потребителю. С этой же целью выполнены каналы 22 в крышке 17 криостата 8. Герметичность нагнетательной полости 15 относительно всасывающей полости 10 обеспечивается с помощью прокладок 24, установленных между цилиндром 4 и цилиндрическим опорным поясом 9, цилиндрическим стаканом 20 и цилиндром 4, а герметичность нагнетательной полости 15 относительно внешней среды создается за счет прокладки 25 между цилиндрическим стаканом 20 и крышкой 17 криостата 8 и уплотнения 26 между внутренним кожухом 7 и крышкой 17 криостата 8, при этом необходимое усилие обеспечивается с помощью крышки 17 криостата 8. После установки цилиндра 4 на цилиндрический опорный пояс 9 входной клапан 12 под действием упора 6 открывается, обеспечивая проход криогенной жидкости во всасывающую полость 10.
Работа криогенного насоса начинается тогда, когда насос захоложен, а всасывающая полость 10 и нагнетательная полость 15 заполнены криогенной жидкостью. После пуска линейного асинхронного электропривода 18 шток 19 электропривода, шарнирно соединенный с плунжером 1 будут совершать возвратно-поступательное движение с ходом равным заданному ходу плунжеру 1. При движении плунжера от НМТ к ВМТ криогенная жидкость под действием разности давлений из всасывающей полости 10 через окна упора 6 и всасывающий клапан 5 будет заполнять объем цилиндра 4, при этом плунжер 1 будет вытеснять криогенную жидкость под рабочим давлением из нагнетательной полости 15 через радиальный зазор между цилиндрическим стаканом 20 и линейным асинхронным электродвигателем 18, каналы 22 в крышке 17 криостата 8 и отверстия 21 цилиндрическом стакане 20 в трубопровод 16 подачи к потребителю. При движении плунжера 1 от ВМТ к НМТ осуществляется передавливание криогенной жидкости из объема цилиндра 4 в нагнетательную полость 15 через нагнетательный клапан 2, установленный в плунжере 1 и каналы 3, выполенные в плунжере 1, под давлением, равным давлению криогенной жидкости, направляемой по трубопроводу 16 к потребителю. При обратном движении плунжера от НМТ к ВМТ рабочий цикл повторяется, при этом пополнение криогенной жидкости, забираемой из всасывающей полости 10, осуществляется из трубопровода подачи 13 через входной фильтр 11 и входной клапан 12, открытый под действием упора 6. Пары криогенной жидкости, образующиеся от теплопритоков, из всасывающей полости 10 отводятся по трубопроводу 14 в процессе работы насоса. Герметичность нагнетательной полости 15 относительно всасывающей полости 10 и по отношению к внешней среде обеспечивается с помощью прокладок 24, 25 и уплотнения 26 за счет усилия, создаваемого крышкой 17 криостата 8.
Основная особенность работы криогенного поршневого насоса заключается в том, что она позволят минимизировать теплоприток к криогенной жидкости во всасывающей полости 10, так как в цилиндре насоса происходит только передавливание криогенной жидкости из объема цилиндра в нагнетательную полость 15, в которой к теплоте от сжатия добавляется теплота от линейного асинхронного электродвигателя 18, что термодинамически выгодно при работе погружного поршневого насоса в составе газификационных установок. Кроме того, в предлагаемой конструкции исключены потери криогенной жидкости, связанные с уплотнением штоков, обеспечено быстрое захолаживание и выход на рабочий режим насоса, а также - удобство монтажно-ремонтных работ.
Отмеченные преимущества предлагаемой конструкции криогенного поршневого насоса позволяют повысить эффективность работы насоса при существенном упрощении его конструкции.