ПОРШНЕВОЙ НАГНЕТАТЕЛЬ ГАЗА
PISTON-TYPE GAS PUMP

Предлагаемое изобретение относится к области компрессоростроения, а именно, к нагнетателям газа поршневого типа, и может быть использовано в различных отраслях народного хозяйства.
Известен поршневой компрессор (см. книгу Касаткина А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии, М.: Альянс, 2005 г., стр.158, рис.IV-3а), содержащий цилиндр с всасывающим и нагнетательным клапанами и поршень, установленный в цилиндре с возможностью осевого возвратно-поступательного перемещения.
Недостатками поршневого компрессора являются низкая производительность из-за малого объема цилиндра и сложность конструкции клапанной системы.
Известен поршневой нагнетатель газа, используемый в устройстве для очистки воды (см. Патент РФ на полезную модель №54370, МКП С02F 1/00, БИ №18, 2006 г.) и содержащий цилиндр с одним открытым торцом и поршень, установленный в цилиндре с возможностью осевого возвратно-поступательного перемещения, причем цилиндр обращен открытым торцом к емкости и установлен относительно ее патрубка входа газа с зазором и соосно ему.
Прототипом является поршневой нагнетатель газа (см. А.с. СССР №1216423, МКИ F04В 31/00, БИ №9, 1986 г.), содержащий цилиндр с открытым торцом, расположенную соосно цилиндру нагнетательную емкость с входным отверстием, сообщенным с цилиндром со стороны его открытого торца, и размещенный в цилиндре поршень, причем открытый торец цилиндра расположен относительно нагнетательной емкости с зазором.
В указанных поршневых нагнетателях газа кромка на пересечении внутренней стенки цилиндра с его торцовой стенкой со стороны открытого конца выполнена заостренной под углом 90°.
Общими недостатками указанных поршневых нагнетателей газа являются низкая производительность и высокие энергозатраты.
Низкая производительность обусловлена большим сопротивлением поступающему в цилиндр в период всасывания газу со стороны вихревого течения газа в пристеночной зоне цилиндра у его открытого торца, возникающего при срыве входящего в цилиндр газового потока с заостренной под углом 90° кромки.
Высокие энергозатраты обусловлены сжатием газа в цилиндре между его закрытым торцом и поршнем и большим сопротивлением, оказываемым вихревым течением газа в цилиндре входу газового потока в этот цилиндр.
Задачей предполагаемого изобретения является повышение производительности и снижение энергозатрат.
Задача осуществляется тем, что в поршневом нагнетателе газа, содержащем цилиндр с открытым торцом, расположенную соосно цилиндру нагнетательную емкость с входным отверстием, сообщенным с цилиндром со стороны его открытого торца, и размещенный в цилиндре поршень, причем открытый торец цилиндра расположен относительно нагнетательной емкости с зазором, согласно изобретению цилиндр выполнен в виде открытой с обоих торцов трубы, а кромка на ее открытом торце, наиболее удаленном от поршня, выполнена закругленной в сторону внутренней стенки трубы, при этом радиус закругления кромки составляет 24…26 мм.
На чертеже изображен предлагаемый поршневой нагнетатель газа.
Нагнетатель газа содержит цилиндр в виде трубы 1 с открытыми торцами 2 и 3 и поршень 4 с штоком 5, установленным в опоре 6 с возможностью осевого возвратно-поступательного перемещения. Кромка на торце 3 трубы 1 выполнена закругленной в сторону ее внутренней стенки. Радиус закругления кромки составляет 24…26 мм.
На конце трубы 1, наиболее удаленного от поршня 4, укреплен фланец 7.
Нагнетатель фланцем 7 обращен к нагнетательной емкости 8, установлен относительно этой емкости с зазором 9 и соосно ее входному отверстию 10.
Фланец 7 поршневого нагнетателя газа соединен с нагнетательной емкостью 8 посредством распорных втулок 11 и болтов 12.
Поршневой нагнетатель газа работает следующим образом.
Поршень 4 с присоединенным к нему штоком 5 совершает в трубе 1 возвратно-поступательное движение с частотой, совпадающей с частотой собственных колебаний столба газа в пространстве трубы между ее торцом 3 и поршнем. Опора 6 удерживает шток 5 в горизонтальном положении. Вследствие явления резонанса в колеблющемся газе в пространстве трубы 1 между ее торцом 3 и поршнем 4 возникают периодические ударные волны и порции газа через торец 3 трубы выбрасываются во входное отверстие 10 нагнетательной емкости 8.
При движении поршня 4 в сторону торца 3 трубы 1 происходит всасывание газа в пространство трубы между ее торцом 2 и поршнем и выброс газа из пространства трубы между торцом 3 и поршнем. Обратный ход поршня 4 приводит к тому, что газ из пространства снаружи нагнетателя устремится в пространство трубы 1 между ее торцом 3 и поршнем, а газ, находящийся в трубе в противоположном от поршня пространстве, выбрасывается наружу, и сжатие газа в этом пространстве не происходит.
Неподвижное соединение трубы 1 нагнетателя газа с нагнетательной емкостью 8 посредством фланца 7, распорных втулок 11 и болтов 12 обеспечивает соосное расположение трубы 1 относительно входного отверстия 10 нагнетательной емкости 8 и неизменным зазор 9 между нагнетателем и нагнетательной емкостью 8.
Закругленная на торце 3 трубы 1 в сторону внутренней ее стенки кромка обеспечивает плавное вхождение газового потока в трубу в период всасывания, что исключает возникновение сильных вихревых течений газа в пристеночной зоне трубы у торца 3.
В резонансном режиме работы нагнетателя с трубой длиной 2,56 м и внутренним диаметром 0,076 м при ходе поршня 3,5 мм частота колебаний поршня составила 34 Гц, скорость газа на выходе из трубы с заостренной под 90° кромкой на открытом торце - 17 м/с, а с закругленной по радиусу 25,4 мм к внутренней стенке трубы - 32,84 м/с.
Производительность предлагаемого поршневого нагнетателя газа определена по формуле (Р.Г.Галиуллин, В.М.Ларионов, С.Е.Филипов. Использование поршневого генератора нелинейных колебаний газа в качестве нагнетательного и теплообменного устройства. Материалы докладов национальной конференции по теплоэнергетике. НКТЭ - 2006. Казань. Россия. Исследовательский центр проблем энергетики Каз. НЦРАН. Казань 2006.):
,
где В≈1,0 - константа, учитывающая эффект вытеснения газового потока в трубе акустическим пограничным слоем;
0
m=0,219 - постоянная добавка к скорости газа на выходе из трубы;
d=0,076 м - внутренний диаметр трубы;
V - амплитуда скорости газа на выходе из трубы, м/с;
0
φ=arcsin m.
3
3
Производительность нагнетателя с заостренной под углом 90° кромкой составила 121,22 м/ч, а с закругленной по радиусу 25,4 мм к внутренней стенке трубы - 230,3 м/с.
Технико-экономическая эффективность от использования предлагаемого изобретения достигается за счет повышения производительности в 1,9 раза и снижения энергозатрат. Это стало возможным благодаря:
выполнению цилиндра поршневого нагнетателя в виде открытой с обоих торцов трубы, что исключает сжатие газа в трубе;
выполнению кромки на торце трубы, наиболее удаленного от поршня, закругленной в сторону внутренней стенки трубы, что исключает появление сильных вихревых течений газа в пристеночной зоне трубы у ее торца.