МЕМБРАННАЯ КОМПРЕССОРНАЯ УСТАНОВКА
MEMBRANE COMPRESSOR UNIT

Изобретение относится к области преобразования энергии механического движения в энергию рабочего тела (газ, пар), а более конкретно к мембранным компрессорам.
Для преобразования энергии механического движения в энергию рабочего тела, в практике широко используются поршневые машины, например компрессоры, насосы и т.д. Когда предъявляются жесткие требования к чистоте сжимаемых газов, а также при работе с взрывоопасными или высокотоксичными газами часто используются мембранные компрессоры. Особенность его состоит в том, что сжимаемая и сжимающая среды разделены мембраной, что позволяет обеспечить чистоту сжимаемой среды.
Известна поршневая машина, включающая пружину, в которую соосно установлен эластичный баллон, концы которого закреплены на торцах пружины, и один торец пружины с эластичным баллоном герметически закреплен на корпусе машины, а на другом торце пружины с эластичным баллоном, соосно, закреплен поршень со штоком (патент России "Поршневая машина" RU 2001115594, опубликовано 08.06.2001; международная заявка No.: WO/2002/101199; No.: PCT/RU2002/000019; 19.12.2002).
Однако приведенная поршневая машина имеет характерные поршневым машинам недостатки. У всех существующих поршневых компрессоров имеется существенный недостаток - высокая энергоемкость, особенно при больших значениях степени сжатия компрессора. Так как за цикл работы результатирующая сила давления сжимаемого рабочего тела, действующего на поршень компрессора, увеличивается пропорционально степени сжатия, то привод компрессора работает при существенно переменных нагрузках и при самом оптимальном подборе двигателя привода энергоемкость компрессора значительно превосходит номинальную величину теоретической энергоемкости адекватного процесса сжатия.
В основу настоящего изобретения положена задача создания компрессора, позволяющего обеспечить политропическое сжатие низкотемпературных паров жидкостей с высокой степенью сжатия (от 2000-3000 Па до 10 МПа) при минимальных затратах энергии.
Эта задача решена созданием мембранной компрессорной установки для преобразования механического движения в энергию рабочего тела (газ, пар), включающая, по меньшей мере, два идентичных мембранных компрессора, снабженных нагнетательными и всасывающими клапанами, эластичными осесимметричными мембранами и пружинами, установленными и закрепленными на корпусах компрессоров и привод установки, отличающаяся тем, что в процессе сжатия площади поперечных сечений пружин с мембранами, воспринимающими давление рабочего тела, убывают до достижения давлением рабочего тела величины установленного давления нагнетательного клапана ресивера мембранной компрессорной установки и в этих сечениях к мембранам с пружинами, по периметру, соосно прикреплены стаканообразные полые цилиндры постоянного сечения, в которых установлены поршни, неподвижно закрепленные на корпусах мембранных компрессоров и снабженные внутренними отверстиями, соединяющими мембранные и стаканообразные камеры через нагнетательные клапаны мембранных компрессоров с  ресивером, а фланцы стаканообразных полых цилиндров при помощи соосно установленных эластичных пористых цилиндров, имеющих замкнутые поры, герметично соединены с наружной поверхностью пружин с мембранами и днища стаканообразных полых цилиндров при помощи шатунов шарнирно соединены с приводной балкой качания, симметрично относительно точки качания приводной балки, которая установлена на корпусе мембранной компрессорной установки и кинематически связана с приводом мембранной компрессорной установки.
Пружины и эластичные мембраны являются основными деталями предлагаемой конструкции компрессорной установки. Они служат для восприятия давления рабочего тела при осуществлении процесса сжатия и выдавливания рабочего тела в ресивер мембранной компрессорной установки. Чтобы обеспечить герметичность камеры сжатия и эффективное выдавливание сжатого до необходимой степени рабочего тела, пружина компрессора должна быть телескопической, а мембрана - достаточно прочной и эластичной. Предлагаемая конструкция компрессора позволяет изготовить компрессоры, у которых в процессе сжатия рабочего тела площади поперечных сечений пружин с мембранами, воспринимающими давление рабочего тела, убывают. Установив соответствующий характер убывания площади поперечных сечений пружин с мембранами, можно минимизировать изменение усилия давления, действующего на шатуны мембранных компрессоров. Такой режим работы позволит существенно снизить энергоемкость процесса сжатия рабочего тела в компрессорах.
Радиальную жесткость и шаг пружины нужно выбирать таким образом, чтобы обеспечить прочность эластичной мембраны при максимальном давлении рабочего тела в мембранной камере. Аксиальная жесткость пружины влияет только на ее динамические характеристики и для обеспечения равномерного изменения силы давления при сжатии рабочего тела необходимо выбирать параметры пружины таким образом, чтобы обеспечить минимальную аксиальную жесткость для системы. После определения параметров пружины необходимо провести проверочный расчет геометрических размеров пружины на циклическую прочность. Для поршневых машин, имеющих небольшую мощность и малый диаметр поперечного сечения мембранной камеры, удобно пользоваться телескопическими витыми пружинами, которые, имея небольшую жесткость, просты в изготовлении и могут противостоять небольшим давлениям рабочего тела. Для более мощных компрессорных установок, в которых необходимо получить большое усилие давления, предпочтение нужно отдавать телескопическим кольцевым пружинам, у которых упругодеформирующимся элементом являются волнистые образующие (фиг. 1). Радиальную жесткость обеспечивают кольца с диаметрами соответствующими поперечным сечениям мембранной камеры. Они установлены перпендикулярно к оси пружины и прикреплены к волнистым, упругим образующим. Волнистые образующие этих пружин работают на совместный изгиб и сжатие, однако, в отличие от витых пружин, имеют жесткость, не зависящую от геометрических размеров колец. Они позволяют не только обеспечить практически любую жесткость пружины при достаточной прочности, но и позволяют достаточно просто обеспечить получение разных осесимметричных конфигураций внутренней поверхности телескопической кольцевой пружины.
При помощи эластичной мембраны достигается максимальная герметичность камеры давления без необходимости использования принудительной системы смазки трущихся поверхностей и без высокоточной обработки поверхностей отдельных деталей мембранной камеры компрессора. Эластичная мембрана имеет форму, идентичную форме пружины и на ее внешней поверхности проделана канавка, в которую ставится и крепится с ней пружина. Она должна быть достаточно эластичной (допустимая деформация растяжения не меньше 200%), иметь низкий модуль упругости (не более 10 МПа) и иметь соответствующую степень адиабатического сжатия мембранного компрессора термопрочность. Такими характеристиками обладает, например, силиконовая термопрочная резина. Конструкция мембранных компрессоров позволяет использование материалов с невысокими прочностными характеристиками, так как стенки эластичной мембраны являются промежуточным звеном для передачи высокого давления рабочего тела к пружине, что способствует возникновению сравнительно низких напряжений в стенках эластичной мембраны при функционировании мембранного компрессора. Толщину стенок эластичного призматического баллона нужно принимать равным примерно половине расстояния между кольцевыми элементами призматической пружины при ее максимальном раскрытии, так как с этого момента радиальные деформации эластичной мембраны становятся значительными и могут привести к ее разрушению. В предлагаемой конструкции мембранного компрессора оба торца пружины и эластичной мембраны закреплены совместно. Это позволяет уменьшить износ и существенно увеличить долговечность эластичной мембраны.
Нагнетательные клапаны мембранных компрессоров служат для подачи сжатого рабочего тела в ресивер. Они являются обратными и верхний предел их рабочего давления должен быть выше величины давления нагнетательного клапана ресивера. Разность давлений этих клапанов зависит от производительности мембранных компрессоров и объема ресивера. Клапаны всасывания мембранных компрессоров должны обеспечить доступ рабочего тела в мембранные компрессоры без препятствий. Для этого их пропускная способность должна быть высокой. Для этого можно использовать обратные клапаны с высоким расходом рабочего тела.
Стаканообразные полые цилиндры выполняют функцию временного хранилища сжатого рабочего тела и при помощи направляющих поршней обеспечивают возвратно-поступательное прямолинейное движение мембран с пружинами. Диаметр стаканообразных полых цилиндров принимается равным диаметру эластичных мембран и пружин при минимальном поперечном сечении, когда давление рабочего тела равно величине давления нагнетательного клапана ресивера мембранной компрессорной установки. Длина стаканообразных полых цилиндров определяется из условия обеспечения контакта между стаканообразными цилиндрами и поршнями, а также минимального зазора между закрытыми торцами стаканообразных полых цилиндров и торцами поршней при крайнем верхнем положении поршня. Толщина стенок стаканообразных полых цилиндров определяется из условия циклической прочности при изменении действующего внутри них давления рабочего тела от всасывания до нагнетания. Изготавливаются они из термопрочных и износостойких сплавов. Для уравновешения атмосферного давления, действующего на подвижные части мембранных компрессоров, стаканообразные полые цилиндры оснащены фланцами, которые при помощи цилиндров из пористых эластиков с закрытыми порами герметично закреплены к мембранам мембранных компрессоров. Диаметр фланцев должен равняться наибольшему диаметру мембран с пружинами. А эластичные пористые цилиндры имеют тот же диаметр, что фланцы и изготавливаются из пористых эластиков с закрытыми порами, например из силиконовой пористой резины.
Корпуса мембранных компрессоров служат для закрепления на них оснований пружин с эластичными мембранами и оснащены клапанами всасывания и нагнетания рабочего тела. Они из себя представляют диски с цилиндрическими осями, на которых установлены поршни. Диаметры цилиндрических осей принимают таким образом, чтобы обеспечить минимальный зазор между ними и мембранами при закрытии мембранных камер. Поршни устанавливаются в стаканообразный полый цилиндр и обеспечивают прямолинейное движение эластичной мембраны с пружиной и стаканообразным полым цилиндром по геометрической оси мембранного компрессора. Основание корпуса покрывается эластичной резиной, что обеспечивает полное прилегание мембраны в процессе сжатия рабочего тела.
Использование приводной балки качания в предлагаемой мембранной компрессорной установке позволяет полностью или частично уравновесить усилия, действующие в обоих мембранных компрессорах и действующих на балку качания симметрично относительно точки качания. Это позволяет минимизировать момент, действующий на приводную балку качания со стороны привода компрессорной установки и тем самым существенно уменьшить мощность привода мембранной компрессорной установки и, соответственно, энергоемкость процесса.
Корпус мембранной компрессорной установки состоит из плиты со стойкой, на которой стоит опора приводной балки с подшипником, в которой подвижно закрепляется приводная балка. К приводной балке симметрично относительно ее точки качания, при помощи шатунов шарнирно закрепляются стаканообразные полые цилиндры мембранных компрессоров, а корпуса самих мембранных компрессоров неподвижно закрепляются на плите корпуса мембранной компрессорной установки. К корпусу мембранной компрессорной установки закрепляется ресивер, к которому через нагнетательные клапаны мембранных компрессоров присоединены мембранные компрессоры.
Допускается использовать цилиндрическую гофрированную мембрану, установив в ее наружных и внутренних впадинах кольца пружины, а изменение поперечного сечения мембраны с пружиной локализировать во фланце стаканообразного полого цилиндра, придав ему форму отсеченного конуса. Диаметр внешней окружности фланца равен диаметру внутренней впадины мембраны, к которой она закрепляется при помощи прижимного кольца. При этом поверхности основания корпусов мембранных компрессоров должны иметь ту же конфигурацию, что и фланец стаканообразного полого цилиндра.
Допускается мембраны мембранных компрессоров установить в пружины и закрепить с пружинами в предварительно растянутом состоянии. Это позволит обеспечить лучший контакт между мембраной и поверхностью основания корпуса мембранного компрессора при сжатии рабочего тела. При этом надо учесть, что в крайне растянутом положении деформация мембран должна быть в пределах допустимого для материала мембраны.
Если коэффициенты сжатия мембранных компрессоров превосходят 20-25, необходимо обеспечить охлаждение стаканообразных полых цилиндров и поршней. Для этого можно в стенках стаканообразных полых цилиндров и поршнях сделать замкнутую систему отверстий и соединить их с системой подачи охлаждающей жидкости. Так как в первую очередь нагреваются эти детали, то этим будет обеспечено охлаждение мембранных компрессоров.
Можно на наружную поверхность мембраны нанести антифрикционное покрытие, например графит. Это позволит существенно уменьшить силы трения между пружиной и мембраной и тем самым увеличить долговечность эластичных мембран.
Можно установить телескопические пружины во внутренние полости мембран, закрепляя их с мембраной и наружной пружиной. Это позволит использовать мембранную компрессорную установку для сжатия рабочего тела с начальным давлением ниже атмосферного.
Можно клапаны всасывания мембранных компрессоров выполнить управляемыми, что позволит обеспечить приток рабочего тела при небольших давлениях.
Предлагаемое конструктивное выполнение мембранной компрессорной установки позволяет существенно снизить энергоемкость процесса сжатия газов и позволит осуществить политропическое сжатие низкопотенциальных паров. Позволит снизить точность изготовления деталей компрессора и тем самым существенно уменьшить трудоемкость производства. Без дополнительных осложнений конструкции компрессора обеспечивается высокая герметичность камеры давления, облегчается обслуживание машины. При этом существенно упрощается изготовление компрессоров большой мощности.
Для лучшего понимания изобретения приведены схематичные изображения предлагаемой поршневой машины.
На фиг. 1 схематично изображена мембранная компрессорная установка. На фиг. 2 схематично изображен вариант мембранной компрессорной установки с цилиндрическими гофрированными мембранами и стаканообразными полыми цилиндрами, оснащенными фигурными фланцами.
Предлагаемая мембранная компрессорная установка состоит из корпуса 16, на котором закреплены ресивер 18 с нагнетательным клапаном 17, корпусов 1 мембранных компрессоров, и стойки 10, на которой установлена опора качания 11 приводной балки качания 9. Ресивер 18 при помощи нагнетательных клапанов 12 соединен с мембранными компрессорами. На корпусах мембранных компрессоров установлены пружины 4, 5 с мембранами 3 и закреплены при помощи прижимных колец 2 с корпусом 1 мембранных компрессоров. К торцам пружин 4, 5 и мембран 3 прикреплен стаканообразный полый цилиндр 6, в котором установлен поршень 7. Внешние поверхности пружин 4, 5 и мембран 3 при помощи пористых эластиков 15, имеющих закрытые поры, закреплены к фланцам стаканообразных полых цилиндров 6. Стаканообразные полые цилиндры 6 при помощи шатунов 8 шарнирно соединены с приводной балкой качания 9. Внутренние поверхности корпуса 1 мембранных компрессоров покрыты слоем пластика 13 и установлены клапаны всасывания 14 мембранных компрессоров.
На фиг. 2 показана схема выполнения предлагаемого изобретения, когда мембраны 3 мембранного компрессора имеют форму гофрированного цилиндра и усилены внутренними и наружными кольцами 4 пружины. Мембрана 3 закреплена на фланце стаканообразного полого цилиндра 6. Фланец стаканообразного полого цилиндра 6 имеет форму усеченного конуса. Идентичную форму имеют и поверхности основания корпуса 1, только угол у вершины конуса превосходит угол вершины фланца на величину равную углу между биссектрисой сечения прокладки корпуса с образующей.
Мембранная компрессорная установка предлагаемой конструкции работает следующим образом. Привод мембранной компрессорной установки сообщает колебательное движение приводной балке качания 9, которая при помощи шатунов 8 движение передает стаканообразным полым цилиндрам 6, а те, в свою очередь, пружинам 4, 5 с мембранами 3 мембранных компрессоров. Мембранные компрессоры работают в противоположных фазах. В одном мембранном компрессоре рабочее тело сжимается и камера сжатия уменьшается, а в другом мембранном компрессоре через клапан всасывания 14 поступает рабочее тело и создает давление на мембрану и стаканообразный полый цилиндр. Минимизируя разность этих двух усилий при помощи сужения их поперечных сечений, можно обеспечить высокий КПД мембранной компрессорной установки.
Настоящее изобретение может быть использовано в устройствах, используемых для эффективного преобразования механического движения в энергию рабочего тела, особенно для сжатия низкопотенциальных паров жидкостей, например, компрессорах, холодильных агрегатах и т.д. Мембранная компрессорная установка с высокой отдачей можно использовать для политропического сжатия паров низкотемпературных геотермальных источников и искусственно созданных вакуумных испарений низкотемпературных водных массивов.