КОМПРЕССОР
COMPRESSOR

Изобретение относится к компрессостроению и может быть использовано для нагнетания газов повышенного давления и снабжения пневматических пластинчатых насосов, пневматических установок с заданным давлением газа для подъема жидкости из скважин.
Известен двухступенчатый газовый компрессор с одинаковыми степенями сжатия обеих ступней, содержащий рабочие камеры первой и второй ступеней, связанные с трубопроводами всасывания и нагнетания ступеней, поршни, установленные в рабочих камерах и связанные штоками с приводным валом, при этом поршневые пространства обеих ступеней связаны с картером, при этом картер выполнен герметичным (SU1460405A1, 23.02.1989).
Недостатком известного устройства является малая производительность и не позволяет существенно улучшить наполнение рабочей камеры газом соответственно и ограничивает количество газа, которое можно применять с помощью такой системы.
Создание давления газов с помощью такой системы принципиально возможно, но лишь в малом количестве, но она не способна вырабатывать избыточное давление при высокой степени сжатия, например, по меньшей мере, до 60 МПа, а кпд установки небольшой для выработки сжатого газа, что малоэффективно, сложно и не экономично.
Другим недостатком является то, что низкая эффективность устройства заложена в самой кинематике работы поршней в ступнях, что отбирает полезную работу. Кроме того, отсутствует возможность регулировать объем камеры сгорания в процессе воспламенения газа и соответственно регулировать степень сжатия пламени, что отрицательно сказывается на кпд камеры. При этом от воздействия пламени может происходить обволакивание, если камера будет иметь связанные обратные клапаны, что может прервать процесс подачи газа в емкость.
Известен также двухступенчатый газовый компрессор с одинаковыми степенями сжатия обеих ступеней, содержащий рабочую камеру, трубопровод подачи газа и емкость, объем которой составляет 2…8 объема рабочей первой ступени (SU 1652650A2, 30.05. 1991).
Недостатком этого устройства - конструктивная сложность, в первую очередь, рабочие камеры снабжены поршнями, которые определяют общую работоспособность устройства - наличие подвижных поршней создает большие трения о стенки рабочих камер, способствующих потери энергии и снижение кпд, что заложено в самой кинематике работе поршней в ступенях. Кроме того, отсутствует возможность регулировать объем камеры сгорания в процессе воспламенения газа и соответственно регулировать степень сжатия пламени, что отрицательно сказывается на кпд камеры. При этом от воздействия пламени может происходить обволакивание, если камера будет иметь связанные обратные клапаны, что может прервать процесс подачи рабочего газа в емкость.
Задача, на решение которой направлено заявляемое техническое решение, - повышение надежности работы путем сокращения расширения газа в камере сгорания, упрощения конструкции и получения газовых потоков заданного давления и использования их для потребителя.
Технический результат, проявляющийся при решении поставленной задачи, - повышение надежности работы и упрощение конструкции компрессора, в т.ч. камеры сгорания в которой присутствует подвижная часть, при этом используется вся энергия получаемого рабочего газа (рабочая среда). Кроме того, обеспечивается возможность получения сжигания газовой смеси в периодически действующей камере до высокого давления, поступающего в емкость большего объема с периодическим удалением продуктов сгорания из камеры (например, вакуум-насосом) и далее поступления получаемого рабочего газа в ресивер для последующего использования потребителем энергии, например, пластинчатым насосом. Кроме того, конструкция нечувствительна к загрязнению топлива и воды твердыми частицами размером до 1…2 мм.
Указанный технический результат достигается тем, что в компрессоре, содержащем рабочую камеру, трубопровод и емкость, рабочая камера выполнена в виде камеры сгорания и снабжена перфорированным экраном сферической формы выпуклостью вверх, торцы которого отогнуты по диаметру вверх в сторону распределительного узла в виде смесительного патрубка с входящими каналами, отверстия которых подсоединены к сжатому воздуху, газу, воды и имеет свечу зажигания, при этом камера сгорания снабжена дополнительно экраном в виде тарелки, установленной соосно с перфорированным экраном, диаметр которой меньше чем диаметр перфорированного экрана, разделяющего камеру на две зоны, причем пространство второй зоны камеры под тарелкой сообщено посредством трубопровода с обратными клапанами с емкостью с рабочим высоким давлением, объем которой больше  объема камеры, при этом емкость связана посредством трубопровода и обратного клапана с ресивером высокого давления, который через газораспределитель связан с потребителем энергии, при этом компрессор снабжен регулировочным винтом с пружиной, расположенным в центре перфорированного экрана, соединенного с дополнительным экраном, при этом подпружиненный перфорированный экран установлен подвижно в пространстве перед смесительным парубком в зоне воспламенения газовой смеси.
Кроме того, узлы компрессора, коммутируемые со смесительным патрубком, который связан с камерой горения, сообщены с ним через обратные клапаны.
При этом регулировочный винт снабжен настроечным упором, расположенным в камере над перфорированным экраном, имеющим в центре направляющую трубку, контактирующую с пружиной.
При этом дополнительный экран в виде тарелки закреплен к выступам-ограничителям, которые вторым концом закреплены к дну камеры.
Кроме того, газораспределитель выполнен в виде цилиндрического золотника, содержащего неподвижный корпус с распределительными патрубками, подсоединенными к пневмолиниям, и поворотную пробку с выступающим хвостовиком, связанным с рычагом
На габариты, обусловленные наличием в рабочей камере сгорания газа перфорированного экрана сферической формы, играет роль виброэкрана, который направлен выпуклостью вверх с отогнутыми торцами также направленными вверх, а дополнительный экран - в виде тарелки, соосно расположенной перфорированному экрану, установленному в пространстве второй зоны камеры, дно которой имеет выступы-ограничители, которые верхним концом прикреплены жестко к основанию тарелки с возможностью взаимодействия через регулировочный винт с пружиной с перфорированным экраном вертикального перемещения с направляющей трубкой в его центре, через которую пропущен винт с настроечным упором, что позволяет обеспечить надежную и эффективную работу при максимальном сжатии на каждой степени (зоны) до подачи рабочего газа потребителю. Таким образом, создается полезная работа горения смеси в заданной ограниченной зоне камеры, и пламя не достигает дна камеры, а концентрируется над дополнительным экраном в виде тарелки, полученный газ поступает во вторую часть зоны (пространства) камеры (ступени), что предохраняет клапаны и другие элементы от эрозии прямого воздействия сгораемого газа над дополнительным экраном и отсутствует обволакивание клапанов от пламени; способствует максимально использовать полученный рабочий газ.
Управление компрессора обеспечивается измерителем-регулятором микропроцессорным, например 2TPM1 (двухканальный), совместно с первичными преобразователями (датчиками), предназначенными для измерения и регулирования температуры и других физических параметров, т.е. с блоком управления, значение которых внешним датчиком может быть преобразовано в сигналы постоянного тока или напряжения. Сам прибор снабжен печатными платами с клавиатурой управления и т.д. (блок-схема не приводится, так как не относится к существу заявляемого предложения). Схема блока может включать следующие режимы: «исходное», «наладка», «пуск», «работа», «остановка», «ожидание», «пароль», «тест» и «контроль». Например, в режиме «исходное» блок находится после подачи напряжения на него питающего напряжения, обеспечивает автоматическое поддержание заданного компонента, а после нажатия кнопки «пуск» переходит в режим «пуск» и т.д. Следует только отметить то, что свеча зажигания срабатывает при подаче на нее напряжения питания, что приводит к воспламенению поступающего газа в камеру через смесительный патрубок, т.е. розжиг запальника.
Вместе с тем, следует отметить, что перфорированные отверстия виброэкрана сферической формы не забиваются продуктами топлива горения, так как экран постоянно находится в движении от давления пламени при горении газа (вибрирует). Подкачка газа в емкость большего объема сжатого газа ведет к повышению кпд всей системы компрессора и улучшает характеристики его в целом. Обеспечивается плавный переход от одного режима работы к другому из полости камеры с двумя зонами, в емкость, далее в ресивер высокого давления, в конце в механическую энергию, например пластинчатый насос или другой потребитель.
Настоящее изобретение поясняется конкретным примером исполнения, который, однако, не является единственно возможным, но наглядно демонстрирует возможность достижения требуемого технического результата.
На фиг. 1 - блок-схема компрессора; на фиг. 2 - газораспределитель; на фиг. 3 - настроечный упор.
Компрессор содержит камеру сгорания 1 высокого давления, емкость 2 высокого давления, ресивер 3 высокого давления.
В данном модуле устройство получения газовой смеси, которое представляет камеру 1, внутри закреплен перфорированный экран 4 сферической формы выпуклостью вверх, торцы 5 его по окружности отогнуты вверх, дополнительный колпак 6 в виде тарелки разделяет полость камеры 1 на две (камеры) 7 и 8, нижняя зона 8 снабжена обратными клапанами выходными 9 и 10, штуцерами, связанными с емкостью 2, а устройство 11 выполнено для удаления продуктов сгорания, т.е. управляемый клапан (сбросной клапан) под небольшим избыточным давлением и выполнено с применением в виде вакуум-насоса или другого аппарата, например эжектора (на чертеже конструкция не раскрыта, так как не относится к существу заявляемого предложения).
Дополнительный экран 6 в виде тарелки закреплен к выступам-ограничителям 12, которые закреплены вторым концом к дну камеры 1, и экран 6 разделяет камеру 1 на две зоны 7 и 8 и делает ее с регулируемым объемом зоны продолжающегося горения и зоны поступления полученного рабочего газа. При этом диаметр экрана 6 меньше, чем диаметр перфорированного экрана 4 и размещен соосно последнему (по центру). Центры экранов 4 и 6 снабжены направляющими трубками 13 и 14, через которые пропущен регулировочный винт 15, соединенный с настроечным упором 16, размещенным выше экрана 4, между экранами 4 и 6 вмонтирована пружина 17 на винте. Упругость пружины 17 подобрана таким образом, чтобы создавать вибрирующие свойства и преодолевать давление газа при воспламенении над перфорированным экраном 4 и при прохождении пламени через перфорированные отверстия в нем в сторону дополнительного экрана 6, т.е. пружина 17 должна поддерживать экран 4 в верхнем положении перед цилиндрическим патрубком 18 присоединенного к камере 1 сгорания, соединенных разъемно-болтовыми соединениями (на чертежах не показано) и/или сваркой.
В стенках патрубка 18 выполнены сквозные отверстия 19, соединенные каналами связи с дистанционно управляемыми запорными кранами 20, обратными клапанами 21,  предохранительным клапаном 22, подачей газа 23, компрессором 24 для нагнетания атмосферного воздуха, подачей воды 25 под высоким давлением через форсунку, которая и охлаждает корпус камеры 1 сгорания, одновременно включается свеча зажигания 26 (до подачи охлаждающей воды). Управление исполнительными механизмами компрессора обеспечивается автоматически приборами с блок-схемами, которые не приводятся, так как не относятся к существу заявляемого предложения. Обратные клапаны, используемые в конструкции компрессора, не отличаются по конструкции от известных, их рабочие характеристики должны соответствовать режимам работы компрессора.
Емкость 2 высокого давления сообщается через обратный клапан выходной 27 штуцером, связанным трубопроводом 28 с ресивером 3 высокого давления, сообщенным с газораспределителем 29 через газолинию 30 и подсоединенным к газолиниям 31 и 32 потребителя. Газораспределитель 29 выполнен в виде цилиндрического золотника, содержащего неподвижный закрепленный на специальном стационарном устройстве (на чертежах не показано) с распределительными патрубками 33, 34 и 35, подсоединенными к газолиниям 30, 31, 32, и поворотную пробку 36 с выступающим хвостовиком 37, связанным с рычагом 38.
2
T
Компрессор работает следующим образом. В нерабочем состоянии компрессора перфорированный экран 4 (виброэкран) находится в верхнем положении за счет действия пружины 17. Для запуска компрессора в работу по команде системы управления компрессор 24 начинает подавать атмосферный воздух под давлением в патрубок 18 через сквозное отверстие 19 по каналу связи. Далее по команде системы управления в полость камеры сгорания 1 начинается подача газа 23, находящегося под давлением атмосферного воздуха, одновременно включается свеча зажигания 26. Воспламенение топлива-газа в камере сгорания приводит к мгновенному возрастанию как температуры газов, так и давления их в камере сгорания 1. Пламя концентрируется над перфорированным экраном 4 с отогнутыми кромками 5 вверх и далее поступает через перфорированные отверстия в зону пространства на дополнительный экран 6 в виде тарелки к ее центру, где топливо выгорает и пламя гаснет, а образующиеся при этом рабочие газы поступают в промежутки между боковыми камерами и торцами тарелки под экран 6 камеры 1. При горении давление газа повышается и уравновешивается сопротивлением пружины 17, происходит постоянная вибрация экрана 4 относительно неподвижного экрана 6 в виде тарелки. Происходит открытие обратных клапанов выходных 9 и 10 в режиме заданного алгоритма работы, в результате чего происходит заполнение емкости 2 высокого давления до расчетного объема. При достижении в емкости 2 заданного давления согласно закону Гей-Люссака газы при постоянном давлении расширяются пропорционально повышению температуры, причем все газы имеют практически один и тот же коэффициент «α» теплового расширения. Вязкость углекислого газа, например, равная 0,16 мПз, при температуре 20°C при атмосферном давлении увеличивает повышение давления до 50 кг/см. Если объем газа поддерживается постоянным, то давление p в нем возрастает пропорционально повышению Т°.
В работе камеры 1 над экраном 4 и в полости первой зоны 6 экрана происходит выделение большого количества тепла, превышающее естественную теплоотдачу при заданном перепаде температур газа Δt во второй зоне 7 камеры. По команде системы управления под давлением от бака 25 воды через обратный клапан открывается и под высоким давлением через форсунку поступает вода в полость камеры 1, которая мгновенно превращается в пар и охлаждает корпус камеры 1 сгорания выше экранов 4 и 6. Таким образом, дозирование воды и топлива (газа) в смеси осуществляется по команде системы автоматического управления за счет регулирования продолжительности горения топлива в камере 1. Так как стенки камеры достаточно прогреты, то вода интенсивно испаряется, способствуя отведению тепла газа во вторую 7 зону полости камеры 1. Водяной пар при высокой температуре диссоциируется на кислород и водород, причем, чем выше температура пара, тем выше степень диссоциации. Эффект диссоциации воды позволяет дополнительно повысить эффективность сгорания топлива (газа) за счет дополнительного кислорода, все это происходит на коротком замкнутом участке камеры до перекрытия первой 6 зоны экраном 6 полости камеры 1, когда пламя воспламенения еще достаточно сильное при горении топлива.
По команде с пульта управления, когда завершается процесс сгорания определенного количества топлива (газа), происходит остановка работы камеры 1 сгорания, и происходит сброс остатков газопаровой смеси из камеры сгорания 1 в атмосферу через управляемый клапан или путем использования вакуум-насоса 10.
Далее все повторяется до прогрева камеры, до уровня, способного обеспечить получение высокого давления рабочего газа в пространстве второй 8 зоны камеры 1 и обеспечить эффективное поступление рабочего газа в емкость 2.
Ресивер 3 высокого давления сообщен с емкостью 2 с обратным выпускным 27 клапаном посредством трубопровода 28. Газораспределитель 29 кинематически связан с рычагом 38 и подсоединен к газолиниям 30, 31, 32 подачи под давлением в механическую энергию, например, пластинчатый насос и т.д. Дополнительная подкачка рабочего газа в емкость 2 большего объема и ресивер 3 ведет к повышению кпд всей блочной системы компрессора и улучшает его характеристики.
Если расход газа из ресивера 3 прекращается потребителем, то давление в емкости 2 повышается и уравновешивается сопротивлением пружиной 17 за счет поднятия вверх перфорированного экрана 4, а в камере 1 также повышается давление газа. В этом случае поступает сигнал на пульт управления, и компрессор отключается (не работает), т.е. компрессор не будет работать до тех пор, пока не возобновится расход газа из ресивера 3.
Предлагаемый компрессор работает в автоматическом режиме и обеспечивает повышенную надежность и устойчивость в работе. Например, для подъема жидкости из скважин применение воздушных подъемников, где поднимают из скважин воздушно-жидкостную смесь с определенной глубины погружения форсунки, сводится к определению поступления газа необходимого количества, давления и мощности компрессора.
Применение предлагаемого изобретения позволит более полно использовать рабочий газ высокого давления емкости и ресивера при их большем объеме накопления, увеличить производительность работы компрессора пропорционально потребляемой энергии газа различными потребителями, т.е. удельная производительность компрессора не меняется. Дополнительно постоянная подпитка ресивера рабочим газом ведет к повышению кпд компрессора. Сглаживание пульсаций при воспламенении газа с воздухом в камере сгорания небольших размеров способствует устойчивому и надежному образованию рабочего газа в нижнем пространстве (зоне) камеры и процессу заполнения в этом случае емкости, объем которой в несколько раз больше чем камера. Сферическая форма выполнения камеры и емкости обеспечивает их прочность в целом, в которых отсутствуют сложные подвижные элементы.
Конструкция компрессора обеспечивает полное сгорание топлива, что повышает кпд камеры, следовательно, рабочий газ значительно экономичнее расходуется потребителем. Сочетание работы перфорированного экрана, торцы которого отогнуты вверх, и связь с дополнительным экраном в виде тарелки, установленной соосно с перфорированным экраном по центру, диаметр дополнительного экрана которого меньше, может способствовать рабое под действием статического давления при сгорании топлива в автоматическом режиме, что уравновешивается сопротивлением пружины на регулировочном винте. Изобретение повышает надежность работы компрессора и упрощает получение рабочих газов для потребителя.