КРИОГЕННЫЙ ПОРШНЕВОЙ НАСОС
CRYOGENIC 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 природа 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 МГТУ им Н.Э. Баумана 2011 г)
Недостатками указанной конструкции являются необходимость для нормальной работы насоса переохлаждения криогенной жидкости на 1-2K 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 плунжер с всасывающим и нагнетательным клапанами и цилиндр, установленные на цилиндрическом опорном поясе внутреннего кожуха криостата и разделяющие объем внутреннего кожуха криостата на всасывающую и нагнетательную полости, криогенный линейный электродвигатель, трубопроводы подачи криогенной жидкости и отвода паров из всасывающей полости и трубопровод подачи криогенной жидкости потребителю из нагнетательной полости (См. патент РФ 2736116) Несмотря на то, что конструкция насоса обеспечивает малый теплоприток к цилиндру, отличается простотой в эксплуатации и монтаже, она имеет существенный недостаток, заключающийся в том, что на отдельных режимах работы в процессе такта всасывания через поршневое уплотнение из нагнетательной полости в полость цилиндра может попасть такое количество рабочей среды, которое приведет к значительному уменьшению коэффициента подачи насоса.
Цель изобретения - повышение эффективности рабочего цикла насоса при изменении режима его работы.
Поставленная цель достигается тем, что в криогенном поршневом насосе, содержащием плунжер с всасывающим и нагнетательным клапанами и цилиндр, установленные на цилиндрическом опорном поясе внутреннего кожуха криостата и разделяющие объем внутреннего кожуха криостата на всасывающую и нагнетательную полости, криогенный линейный электродвигатель, трубопроводы подачи криогенной жидкости и отвода паров из всасывающей полости и трубопровод подачи криогенной жидкости потребителю из нагнетательной полости, в цилиндре на высоте, равной ходу плунжера от НМТ, выполнена цилиндрическая канавка шириной от 0,2 до 0,4 от хода плунжера, а кроме того цилиндр снабжен переключателем утечки рабочей среды через поршневое уплотнение, выполненным в виде корпуса, в котором расположены верхняя, средняя и нижняя камеры, при этом верхняя камера подключена к нагнетательной полости и в ней установлены седло и подпружиненный шток, средняя камера подсоединена к цилиндрической канавке, а нижняя камера - к всасывающей полости и к каналу, который выполнен в днище цилиндра со стороны клапана впуска, а кроме того в ней установлены седло, клапан и поршень, диаметр которого в 1,5-2,0 раза больше диаметра штока.
Проведенный анализ уровня техники позволил установить, что заявителем не обнаружен аналог, характеризующийся совокупными признаками идентичными всем существенным признакам заявленного изобретения, следовательно, оно соответствует критерию НОВИЗНА.
Конструктивная схема криогенного поршневого насоса показана на фиг. 1.
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. На внутреннем кожухе в криостата 7 выполнен цилиндрический опорный пояс 8, на котором установлен цилиндр 4 с плунжером 1, разделяющие объем внутреннего кожуха 6 на всасывающую полость 9, которая соединена с трубопроводом 10 подачи криогенной жидкости и трубопроводом 11 отвода пара, и нагнетательную полость 12, которая соединена с трубопроводом 13 подачи криогенной жидкости к потребителю, например, в газификационную установку для заправки газовых баллонов, и в которой на крышке 14 криостата 7, выполненной с экранно-вакуумной изоляцией смонтирован линейный асинхронный электродвигатель 15, работающий при криогенных температурах, шток 16 которого шарнирно соединен с плунжером 1, а между крышкой 14 криостата 7 и цилиндром 4 размещен цилиндрический стакан 17 с радиальным зазором относительно линейного асинхронного электродвигателя 15 и в стакане 17 выполнены отверстия 18 для прохода криогенной жидкости в трубопровод 13 подачи криогенной жидкости к потребителю. С этой же целью выполнены каналы 19 в крышке 14. Герметичность нагнетательной злости 12 относительно всасывающей полости 9 обеспечивается с помощью прокладок 20, установленных между цилиндром 4 и цилиндрическим опорным поясом 8, цилиндрическим стаканом 17 и цилиндром 4, а герметичность нагнетательной полости 12 относительно внешней среды создается за счет прокладки 21 между цилиндрическим стаканом 17 и крышкой 14 и уплотнения 22 между внутренним кожухом 6 и крышкой 14, при этом необходимое усилие обеспечивается с помощью крышки 14. Для исключения попадания рабочей среды из нагнетательной полости 12 в рабочую полость цилиндра 4 в процессе его заполнения криогенной жидкостью в цилиндре 4 на высоте, равной ходу плунжера 1 от НМТ выполнена цилиндрическая канавка 23 шириной от 0,2 до 0,4 от хода плунжера, а кроме того цилиндр 4 снабжен переключателем утечки рабочей среды через поршневое уплотнение, выполненным в виде корпуса 24, в котором расположены соответственно верхняя, средняя и нижняя камера 25, 26, 27, при этом верхняя камера 25 подключена трубкой 28 к нагнете ель ной полости 12 и в ней установлены седло 29, пружина 30 и шток 31, средняя камера 26 подсоединена трубкой 32 к цилиндрической канавке 23, а нижняя камера 27 подсоединена каналом 33 к всасывающей полости 9 и трубкой 34 к каналу 35, который выполнен в днище цилиндра 4 со стороны клапана впуска 5, а также в ней установлены седло 36, клапан 37 и поршень 38, диаметр которого в 1,5-2,0 раза больше диаметра штока 31. На рисунке (см Фиг. 1) отражена работа насоса в момент отхода плунжера 1 от НМТ, сопровождающийся мгновенным падением давления криогенной жидкости в нижней камере 27, подключенной трубкой 34 к каналу 35 в нижней части цилиндра 4, и которое до этого равнялось давлению в нагнетательной полости 12. В результате усилие со стороны поршня 38 на клапан 37 становится меньше усилия, действующего на клапан 37 от пружины 30 и штока 31, размещенных в верхней камере 25, которая трубкой 28 подключена к нагнетательная полость 12. Падением давления криогенной в нижней камере 27 приведет к тому, что шток 31 переместится вниз и сядет на седло 29, перекрывая проход криогенной жидкости из нагнетательной полости 12, при этом шток 31 отрывает клапан 37 от седла 36 и тем самым устраняется попадание утечек рабочей среды через поршневое уплотнение в рабочую полость цилиндра 4 на всем рабочем такте наполнения за счет отвода утечек из цилиндрической канавки 23 во всасывающую полость 9 через трубку 32, открытый клапан 37 и канал 33, выполненный в корпусе 24 переключателя утечки рабочей среды через поршневое уплотнение. При дальнейшем движении плунжера 1 от НМТ к ВМТ криогенная жидкость под действием разности давлений из всасывающей полости 9 через всасывающий клапан 5 будет заполнять объем цилиндра 4, при этом плунжер 1 будет вытеснять криогенную жидкость под рабочим давлением из нагнетательной полости 12 через радиальный зазор между цилиндрическим стаканом 17 и линейным асинхронным электродвигателем 15, каналы 18 в цилиндрическом стакане 17 и отверстия 19 крышки 14 криостата 7 в трубопровод 13 подачи к потребителю. При движении плунжера 1 от ВМТ к НМТ в первый же момент в объеме цилиндра 4 создается давление криогенной жидкости равное давлению нагнетательной полости 12, которое передается через канал 35, трубку 34 на поршень 38, площадь которого в 1,5-2,0 раза больше площади штока 31. В результате со стороны поршня 38 возникает усилие, под действием которого шток 31 отходит вверх от седла 29, а клапан 37 садится на седло 36, перекрывая поток рабочей среды из цилиндрической канавки 23 во всасывающую полость 9. При дальнейшем движении плунжера 1 от ВМТ к НМТ осуществляется передавливание криогенной жидкости из объема цилиндра 4 в нагнетательную полость 12 через нагнетательной клапан 2, установленный в плунжере 1 и каналы 3, выполненные в плунжере 1, под давлением, равным давлению криогенной жидкости, направляемой по трубопроводу 13 к потребителю. При обратном движении плунжера от НМТ к ВМТ рабочий цикл повторяется, при этом пополнение криогенной жидкости, забираемой из всасывающей полости 9, осуществляется из трубопровода подачи 10, а пары криогенной жидкости, образующиеся от теплопритоков, из всасывающей полости отводятся по трубопроводу 11 в процессе работы насоса. Герметичность нагнетательной полости 12 относительно всасывающей полости 19 и по отношению к внешней среде обеспечивается с помощью прокладок 20, 21 и уплотнения 22 за счет усилия, создаваемого крышкой 14.
В процессе работы расход и давление криогенной жидкости после насоса в зависимости от условий потребителя могут изменяться, однако приведенное описание конструктивной схемы насоса показывает, что предложенное техническое решение позволяет обеспечить высокую эффективность его работы за счет сохранения коэффициента подачи в всем диапазоне его рабочей характеристики.
Сравнение существенных признаков предлагаемого и уже известных решении дает основание считать, что предлагаемое техническое решение отвечает критериям «изобретательский уровень» и «промышленная применяемость».