Поршневой компрессор с автономным жидкостным рубашечным охлаждением
RECIPROCATING COMPRESSOR WITH SELF-CONTAINED LIQUID JACKET COOLING

Изобретение относится к области машин объемного действия поршневого типа и может быть использовано при создании высокоэффективных поршневых машин малой и средней производительности с автономной жидкостной системой охлаждения.
Известен поршневой компрессор объемного с попеременным всасыванием и нагнетанием газа путем изменения объема рабочей полости цилиндра, в которой цилиндр обтекается охлаждающей жидкостью (см., например, кн. Б.С. Фотин, И.Б. Пирумов, И.К. Прилуцкий, П.И. Пластинин. Поршневые компрессоры, стр. 184-185, рис. 6.32).
Недостатком этих машин является необходимость наличия сетевого источника охлаждающей жидкости, что ограничивает область их применения.
Известен также поршневой компрессор с автономным жидкостным рубашечным охлаждением, содержащий рабочую полость цилиндра, полость всасывания и полость нагнетания с обратными самодействующими клапанами, жидкостную рубашку охлаждения, и в качестве источника охлаждающей жидкости отдельную емкость, частично заполненную жидкостью (см. например, патент РФ № 2578776 «Способ работы машины объемного действия и устройство для его осуществления», опубл. в БИ № 9, 27.03.2016, фиг. 4-7),
Недостатком известных конструкций, опубликованных в этом патенте, является громоздкость и большие массогабаритные параметры конструкции, и сложность настройки режимных параметров для обеспечения циркуляции жидкости в системе охлаждения, что ограничивает диапазон частоты вращения и производительности машины.
Технической задачей изобретения является снижение массогабаритных параметров и расширение диапазона частоты работы компрессора.
Указанная задача реализуется тем, что в поршневом компрессоре с автономным жидкостным рубашечным охлаждением, содержащем рабочую полость цилиндра, полость всасывания и полость нагнетания с обратными самодействующими клапанами, жидкостную рубашку охлаждения, и в качестве источника охлаждающей жидкости отдельную емкость, частично заполненную жидкостью, согласно изобретению компрессор содержит дополнительную полость всасывания с размещенным в ней дополнительным обратным самодействующим клапаном и дроссельным отверстием, соединяющим эту дополнительную полость с рабочим объемом цилиндра. Дополнительная полость всасывания может быть размещена последовательно или параллельно полости всасывания компрессора. Дроссельное отверстие может располагаться непосредственно в дополнительном самодействующем клапане, а дополнительная емкость, частично заполнена жидкостью, выполнена в виде теплообменника.
Сущность изобретения поясняется чертежами.
На фиг. 1 схематично показан компрессор с последовательно размещенными основной и дополнительной полостями всасывания.
На фиг. 2 и 3 – этот же компрессор в процессе сжатия-нагнетания и в процессе всасывания.
На фиг. 4 схематично показан компрессор с параллельно размещенными основной и дополнительной полостями и с дополнительной емкостью в виде теплообменника.
На фиг. 5 и 6 показан этот же компрессор в процессе сжатия-нагнетания и в процессе всасывания.
На фиг. 7 показана дополнительная емкость, выполненная в виде теплообменника.
Компрессор (фиг. 1) содержит рабочую полость 1 цилиндра 2, полость всасывания 3 и полость нагнетания 4 с обратными самодействующими клапанами 5 и 6, жидкостную рубашку охлаждения 7, и в качестве источника охлаждающей жидкости отдельную емкость 8, частично заполненную жидкостью. Эта емкость соединена каналами 9 и 10, содержащими обратные самодействующие клапаны 11 и 12, с рубашкой охлаждения 7, верхняя часть 13 которой через отверстие 14 соединена с дополнительной полостью всасывания 15, размещенной последовательно полости всасывания 3. В полости 15 размещен дополнительный обратный самодействующий клапан 16. Дроссельное отверстие 17, размещенное в данном примере в теле клапана 5, соединяет дополнительную полость 15 через полость 3 с рабочей полостью 1 цилиндра 2. В цилиндре 2 совершает возвратно-поступательное движение поршень 18, канал 10 содержит теплообменник 19. Рабочее вещество (газ) поступает к компрессору по линии всасывания 20 и нагнетается по линии нагнетания 21 потребителю.
Другой вариант компрессора показан на фиг. 4.
В этой конструкции дополнительная полость всасывания 15 размещена параллельно полости всасывания 3 компрессора и соединена с нижней частью рубашки 7 через канал 22, дополнительную емкость 8, которая в данном примере выполнена в виде теплообменника, и канал 23. Верхняя часть рубашки 7 каналом 24 соединена с частично заполненной жидкостью герметичной емкостью 25, имеющую газовую полость 26.
Дополнительная емкость 8, выполненная в виде теплообменника, показана на фиг. 7. Она состоит ряда оребренных трубок 27, соединенных внизу нижним бачком 28, а вверху – верхним бачком 29.
Компрессор работает следующим образом (фиг. 2 и 3).
При ходе поршня 18 вверх (фиг. 2) в полости 1 происходит сжатие газа при закрытых клапанах 5 и 6 до давления потребителя, после чего клапан 6 открывается, и сжатый газ поступает в линию нагнетания 21.
Одновременно часть газа, количество которого определяется давлением в полости 1 и гидравлическим сопротивлением дросселя 17, поступает сначала в полость всасывания 3, а затем в последовательно установленную ей дополнительную полость 15.
В связи с тем, что давление этого газа выше давления всасывания, под которым находится линия всасывания 20, клапан 16 закрывается, и газ поступает только в верхнюю часть 13 рубашки 7, давит на жидкость, и она под действием перепада давления между давлением в полости 15 и атмосферой, движется по рубашке 7 вниз через открывшийся клапан 12, проходит через теплообменник 19, в котором отдает теплоту, отнятую от цилиндра 2 в рубашке 7, и сливается в дополнительную емкость 8.
После прохождения верхней мертвой точки, поршень 18 начинает движение вниз (фиг. 3), в результате чего происходит увеличение объема полости 1, давление газа в ней сначала падает до давления всасывания, а затем становится ниже его, в результате чего клапан 6 закрывается, и открывается клапан 5. В результате открытия этого клапана сначала происходит быстрый сброс давления из полости 3, после чего открывается клапан 16, и начинается процесс всасывания из линии всасывания через полости 15 и 3 в полость 1. Газ движется из полости 3 в полость 1 также и через дроссель 17, однако по сравнению с расходом газа через основное проходное отверстия клапана этот расход незначителен.
В процессе всасывания давление в полости 15 в связи с гидравлическим сопротивлением клапана 16 становится ниже атмосферного давления, в результате чего клапан 12 закрывается, клапан 11 открывается, и жидкость  из емкости 8 под действием перепада давления между атмосферой и давлением в полости 15 начинает движение через канал 9 и рубашку 7 вверх.
Затем процесс повторяется.
Компрессор, в котором дополнительная полость всасывания 15 размещена параллельно основной полости всасывания 3, изображенный на фиг. 4, работает следующим образом.
При ходе поршня 18 вверх (фиг. 5)  в направлении к верхней мертвой точке происходит сжатие газа в полости 1 до давления потребителя, после чего клапан 6 открывается, и сжатый газ через линию нагнетания 21 направляется потребителю. В течение этого процесса клапаны 5 и 16 закрыты.
В это же время часть сжатого газа, определяемая гидравлическим сопротивлением дросселя 17, попадает в дополнительную полость  всасывания15, и через канал 22 поступает в верхнюю часть емкости 8, где давит на жидкость и вытесняет ее через канал 22 в рубашку 7. Жидкость протекает через рубашку 7, отнимая теплоту сжатия, полученную стенками цилиндра при сжатии газа, и через канал 24 поступает в емкость 25. При этом газ, находящийся в емкости 25 над жидкостью в полости 26, сжимается, запасая энергию давления.
После прохождения верхней мертвой точки, поршень 18 начинает движение вниз (фиг. 6). При этом давление в полости 1 сначала падает до давления всасывания, а затем уменьшается в связи с разрежением в процессе всасывания из-за гидравлического сопротивления открывшегося клапана 5.
При этом клапан 16 открывается под действием перепада давления, в результате чего происходит сброс давления в полости 15 и, соответственно, в верхней части емкости 8. В результате этого сжатый в предыдущем ходе поршня газ в полости 26 начинает расширяться, давит на находящуюся в полости 25 жидкость, и она под действием перепада давления между полостью 26 и полостью 15 движется через рубашку 7 в обратном направлении и поступает в емкость 8, где отдает теплоту, отнятую от цилиндра 2, в окружающую среду.
Затем цикл повторяется.
Предложенные конструкции компрессора с жидкостным автономным рубашечным охлаждением имеют существенно более простую структуру, что обеспечивает снижение массогабаритных параметров. Гидравлическая схема этих конструкций не требует применения высокочувствительных компонентов, требующих подстройки по частоте, например, типа гидравлических диодов, в связи с чем предложенные конструкции имеют гораздо более широкий диапазон частоты возвратно-поступательного движения поршня.
В вязи с этим следует считать, что техническая задача полностью выполнена.