КОМПРЕССОР
COMPRESSOR

Изобретение относится к компрессостроению и может быть использовано для создания повышенного давления газа большой производительности и снабжения сжатым газом пневматических пластинчатых насосов, пневматических установок с заданным давлением газа для подъема жидкости из скважин.
Известен электромагнитный привод компрессора, содержащий линейный электродвигатель, якорь которого соединен с мембраной нагнетательной камеры, концевой выключатель (Авторское свидетельство СССР №681209, Кл. F04B 35/04, F04B 45/04, 1978).
Недостатком этого компрессора является то, что компрессор выполнен однокамерным, вследствие чего степень сжатия его низкая. Кроме того, мембранный привод, входной и выходной клапаны обладают недостаточной надежностью и эффективностью работы в зоне высоких температур горения подводящего газа, не справляется с отводом всей массы получаемого газа, что может привести к неработоспособности компрессора. Однокамерная установка компрессора снижает надежность и экономичность его, так как не предусматривает максимальную степень сжатия получаемого газа в известном компрессоре, а также защиту клапанов от эрозии при сгорании подводящего газа, что приводит к уменьшению надежности работы клапанов и компрессора.
Наиболее близким к описанному компрессору является компрессор, содержащий электродвигатель, нагнетательную камеру, выключатель, установленный в цепи электродвигателя, пружину, регулирующий винт (Авторское свидетельство СССР №1555526, Кл. F04B 35/04, 1987).
Недостатком этого компрессора является то, что компрессор выполнен однокамерным, вследствие чего степень сжатия его низкая, в случае высоких давлений сжигаемого газа обратные клапаны из-за малого перепада величин давления до и после клапана не обеспечивают резкого перекрытия магистрали между ресиверами при использовании комбинированной их связи между собой. Кроме того, не предусматривается расширение функциональных возможностей и снижается надежность и экономичность его, так как не предусматривается максимальная степень сжатия получаемого газа в камере компрессора. Отсутствует защита от эрозии клапанов при высоких температурах в камере от получаемого газа повышенного давления сжатия, соответственно, соотношение объемов перетечки газа в ресиверы не может учитываться при максимальном перепаде давлений в однокамерном компрессоре. Другим недостатком известного устройства является то, что требуются большие размеры пружин, для того чтобы через шток с перегородкой (мембраной) мог вытеснить газ в ресивер, и наоборот, усилие магнита зависит от мощности применения двигателя, так как упругость (жесткость) таких пружин сжатия достаточно велика на сопротивление при поднятии штока с перегородкой для вытеснения газа в ресивер.
Все это в целом не позволяет регулировать объем массы газа для разных потребителей в разных соотношениях (объемов), т.е. обеспечить надежный ресурс работы деталей компрессора, причем соотношение объемов получаемого сжатого газа не позволяет выдержать равенство работы клапанов и соответственно надежную работу ступеней компрессора.
Задача изобретения - увеличение производительности и снижения пульсаций при высоких давлениях нагнетаемого газа.
Поставленная задача достигается тем, что компрессор, содержащий электродвигатель, нагнетательную камеру, выключатель, установленный в цепи управления электродвигателя, регулировочный винт, дополнительно снабжен отражателем-обтекателем сферической формы со стороны впускных патрубков, подключенных к линиям воздуховода, газа и свечи зажигания, при этом отражатель-обтекатель закреплен регулировочными винтами, подпружиненными со стороны нагнетательного клапана первой ступени сжатия камеры, которая посредством патрубка связана со второй камерой сжатия, объем которой составляет не менее 2-х объемов первой ступени сжатия камеры, причем запорным органом патрубка является впускной клапан, и вторая камера сжатия газа при помощи трубопровода соединена с ресивером, а ресивер пневматически соединен с пластинчатым насосом и через газораспределитель - с потребителем.
Кроме того, дополнительно введены блок автоматического контроля датчика воздуха, газа и свечи зажигания на основе применения электрического блока питания, объединяющего несколько групп датчиков и подключенных линией связи к регулирующему блоку, установленному на корпусе первой ступени сжатия газа камеры.
При этом в первой ступени сжатия газа камеры после отражателя-обтекателя установлен клапан сброса давления с возможностью открытия при сжатии газа больше допустимого рабочего давления на такте нагнетания, а пространство первой ступени камеры под отражателем-обтекателем сообщено с ресивиром посредством нагнетательного клапана с высоким рабочим давлением, выполненного в виде цилиндрического золотника с подвижным поршнем с пружиной.
Устранить указанные недостатки прототипа позволяет блочно-модульная система компрессора, выполненного объемного действия для получения при поступлении воздуха, сжигаемого газа и свечи зажигания на первой ступени сжатия в рабочей полости газа с давлением, несколько большим, чем во второй камере сжатия, при этом полость первой ступени сжатия снабжена отражателем-обтекателем сферической формы, что дополнительно под ним увеличивает производительность компрессора. При этом габариты, обусловленные наличием дополнительной связующей второй камеры, при помощи трубопровода и исполнительного механизма, выполненного в виде газораспределителя с низшей ступени, производит путем перепуска получаемого газа в пластинчатый насос или потребителю, увеличивает потребляемый газ, подверженный многократному сжатию на каждой ступени его прохождения, и возможности подпитки непосредственно ресивера для потребителя из первой ступени сжатия газа камеры. Максимальная степень сжатия газа в первой ступени при заданных рабочих давлениях обеспечивается надежной и эффективной работой в зоне высоких температур нагнетательного клапана и пространством при перемещении отражателя-обтекателя сферической формы. При этом создается зона полезного заполнения объема газа под отражателем-обтекателем, а также от эрозии прямого воздействия сгораемого газа над отражателем-обтекателем. Система с техническими средствами в виде введения блока автоматического контроля датчика воздуха, газа и свечи зажигания на основе применения электрического блока питания, объединяющего несколько групп датчиков, подключенных к корпусу первой ступени сжатия газа камеры, которая в процессе контролирует работу компрессора в течение всего периода его использования, в конечном счете позволит повысить безопасность и надежность компрессора. В связи с тем, что происходит сжатие газа под отражателем-обтекателем сферической формы, подпитка второй ступени камеры и ресивера от первой ступени камеры соответствует давлению регулируемого газа потребителем, отсутствуют потери энергии, связанные с дросселированием (перепуском) газа, и потенциальная энергия газа также используется для привода, например пластинчатого насоса. Дополнительная подкачка газа во вторую камеру сжатия большего объема ведет к повышению КПД всей системы компрессора и улучшает характеристики его.
С помощью предложенного изобретения защитный корпус отражателя-обтекателя своим перемещением регулирует пламя над ним, более равномерно повышается давление под ним, а само пламя не влияет на работу элементов клапанов. При этом порция воздуха и газа поступления в полость первой ступени камеры над отражателем-обтекателем определяется расчетом, исходя из конкретных условий работы компрессора (например, ограниченности подаваемого сжигаемого газа за определенный промежуток времени работы компрессора). Таким образом, компрессор с двумя сжатиями камеры обеспечивает плавный переход от одного режима работы к другому, то есть в начале работы в одноступенчатом цикле повышенного давления получаемого газа перед перепуском во вторую ступень камеры и, непосредственно во времени рабочего давления в ресивер через клапан, обеспечивает в автоматическом постоянном режиме, то есть от потребности потребителей.
На фиг.1 показана принципиальная схема компрессора; на фиг.2 - газораспределитель; на фиг.3 - предохранительный клапан, узел «А»; на фиг.4 - пневмоклапан непрямого действия, узел «Б»; на фиг.5 - схема функционирования комплекта блока автоматического контроля датчиков.
Компрессор содержит первую ступень камеры 1 высокого сжатия и камеру 2 низкого сжатия. На корпусе камеры 1 закреплен комплект устройств в виде воздуховода 3 с обратным клапаном 4, свечи зажигания 5 с обратным клапаном 6 и газопровода 7 с обратным клапаном 8 с размещенными датчиками 9, 10 и 11.
Блок автоматического контроля 12 содержит блок 13 управления, инвертирующий блок 14, промежуточные блоки 15-17, которые связаны слаботочными линиями с датчиками 9, 10 и 11, установленными соответственно на корпусе первой ступени камеры 1. Блок питания 18 связан с блоком автоматического контроля 12 и со свечой зажигания 5 (двигатель подачи воздуха не показан для упрощения чертежа).
Первая ступень сжатия камеры 1 содержит дополнительно отражатель-обтекатель 19 сферической формы, расположенный в полости камеры 1 и установленный с возможностью вертикальной настройки при помощи винтов 20 и 21 с пружинами 22 и 23. На дне первой ступени камеры 1 размещены обратные нагнетательные впускные клапаны 24 и 25 и предохранительный клапан 26, связанные: первый 24 в виде запорного органа со второй камерой 2 патрубком 27, а второй 25 - с ресивером 28. Выходной клапан 29 камеры 2 с трубопроводом 30 соединен с ресивером 31, последний связан с газораспределителем 32. Газораспределитель 32 кинематически связан с рычагом 33, размещенным между электромагнитами 34 и 35 с пультом управления 36 электромагнитов 34 и 35. Газораспределитель 32 имеет корпус 37 с распределительным патрубками 38, 39 и 40, подсоединенными к пневмолиниям 41, 42 и 43, и поворотную пробку 44 с выступающим хвостовиком 45, связанным с рычагом 33. К газораспределителю 32 подключен пластинчатый насос 46 через пневмолинию 42.
Обратные клапаны 24, 25 и предохранительный клапан 26 защищены отражателем-обтекателем 19 сферической формы с возможностью настройки при помощи винтов 20 и 21 с пружинами 22 и 23, и отражатель-обтекатель 19 расположен со стороны впускного блока: воздуховода 3, свечи зажигания 5 и газопровода 7 с датчиками 9, 10 и 11.
Предохранительный клапан 26 выполнен с корпусом 47 шарикового клапана 48 (может быть конусного типа) с пружиной 49, с регулировочным винтом 50. Клапан 25 непрямого действия содержит дроссель 51 (отверстие), соединенный с полостью «А», поршень 52 с пружиной 53, шариковый клапан 54 с пружиной 55 и отверстие 56, соединяющее соответствующие полости.
Компрессор работает следующим образом.
2
т
При включении блока питания 18 напряжения его выходной импульс подается на свечу зажигания 5 и затем включается двигатель для подачи воздуха по воздуховоду 3. К моменту поступления воздуха свеча зажигания 5 нагревается, затем включают подачу газа, происходит воспламенение. При этом необходимо отметить, что на корпусе первой ступени сжатия камеры 1 имеются датчики 9, 10 и 11, закрепленные в блоке узла подвода воздуха, газа и свечи зажигания, которые слаботочными линиями связаны с блоками автоматического контроля 12 принимающими сигнал от блоков датчиков 9, 10 и 11. контролируя процесс горения пламени в блоке на корпусе камеры 1. Поступающий газ в блоке смешивается с воздухом, подаваемым вентилятором от двигателя, поджигается от свечи зажигания (электрогазового запальника) и сгорает. Продукты сгорания поступают через зазоры между боковыми стенками камеры 1 и кромками отражателя-обтекателя 19 по всему периметру и направляются в нижнюю сборную часть камеры 1, с размещенными клапанами 24 и 25 и предохранительным клапаном 26. Таким образом, при поступление воздуха, газа на свечу зажигания, происходит воспламенение, поток пламени разбивается об обтекатель-отражатель 19 сферической формы по всей поверхности его корпуса и через просветы между боковыми стенками камеры 1 и кромками обтекателя-отражателя 19, образовавшийся газ (углекислый) поступает в нижнюю часть камеры 1, при этом предотвращается прямое воздействие воспламеняющего газа над обтекателем-отражателем 19, что способствует быстрому заполнению нижней части первой ступени камеры 1, а также позволяет использовать равномерное нарастание давление газа в этой части камеры 1 до расчетного максимального сжатия газа. 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 мП 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 T°.
В работе первой ступени камеры 1 возможен вариант (на чертеже не показано) следующий. Если выделение тепла в полости камеры 1 при рассеивании над корпусом отражателя-обтекателя 19 превышает естественную теплоотдачу при заданном перепаде температур Δt, то на внутренней выпуклой поверхности отражателя-обтекателя 19 может устанавливаться (закрепятся) охладитель (чаще всего холодной воды), обеспечивающий принудительный отвод тепла.
Если необходимо отрегулировать высотное положение расположения отражателя-обтекателя 19 (расстояние между отражателем-обтекателем 19 и клапанами 24, 25 и 26), то в этом случае с помощью винтов 20 и 21 и уравновешиванием пружин 22 и 23 при определенном положении будет выдержано пространство над клапанами 24, 25 и предохранительным клапаном 26 (сброса давления сжимаемой среды).
Можно отметить, что в устройство введены источник получаемого сжатого газа за счет ввода воздуха при воспламенении поступающего газа на свечу зажигания, до получения, например, углекислого газа, и система управления: отражатель-обтекатель, закрепленный винтами с пружинами; клапана давления, а также в систему введены газораспределитель и пульт управления, сообщенный с датчиками.
Наличие отражателя-обтекателя 19 также позволяет в рабочей ступени камеры 1 защитить от эрозии клапаны 24, 25 и 26 от нагрева пламени и заполнения пространства получаемого газа. По мере заполнения камеры 1 газ сжимается в ней до высокого давления и обратный клапан 24 первой ступени подает газ в рабочую камеру 2 второй ступени, сжимая в ней до низкого давления, и через клапан 25 на дне камеры 2 по трубопроводу 30 поступает в ресивер 31.
По команде с пульта 36 управления подают напряжение на электромагнит 34, который взаимодействует с рычагом 33, т.е. поворачивает его, и от источника сжатый газ поступает в пневмолинию 42 и далее в пластинчатый насос 46. В другом случае по команде с пульта 36 управления подают напряжение на электромагнит 35, который также взаимодействует с рычагом 33, т.е. поворачивают его, и от источника сжатый газ поступает в пневмолинию 43 к другому потребителю. При этом свободный конец рычага 29 зафиксирован электромагнитами 34 или 35.
Следует отметить, что расположение на дне в центральной части обратного клапана 24 в камере 1 и клапана 29 в камере 2 обеспечивает возможность удаления паров жидкости в результате их накапливания вместе со сжатым газом по длине трубопровода через ресивер к потребителю, что в свою очередь позволяет повысить надежность и долговечность камер 1 и 2, так как предохраняет сжатый газ от постоянного насыщения парами воды при сжигании поступающего газа и воздуха на входе в блок камеры 1.
Разная степень сжатия в камере 1 и в камере 2 обеспечивает максимально расчетный рост давления газа в первой ступени камеры 1, после чего газ нагнетается через обратный клапан 24 в камеру 2 второй ступени компрессора и, в ресивер 31 через выходной клапан 29 с трубопроводом 30. При заполнении данной системы сжатым газом обеспечивается временная выдержка, необходимая для заполнения газа низкого давления k, получаемого из камеры 1 высокого давления. В результате этого обратный клапан 24 закрывается и обеспечивает надежное перекрытие камеры 2 второй ступени компрессора. После временной выдержки срабатывает клапан 25 непрямого действия, сжатый газ нагнетается в ресивер 28, происходит заполнение газом высокого давления ресивера 28 и далее поступает потребителю.
При достижении сжимаемого рабочего газа до давления нагнетания в ресивер 28 закрывается клапан 25 непрямого действия. При достижении в камере 1 предельного заданного давления сброс газа из камеры 1 производится посредством предохранительного клапана 26.
Применение клапанов 24, 25 и 26 давлений в камере 1, содержащей отражатель-обтекатель 19 сферической формы с возможностью вертикального его перемещения и настройкой на заданную высоту, и связанный с подачей пламени воспламенения над ним с датчиками узла подсоединения к корпусу камеры 1, позволяет создать надежную конструкцию в работе компрессора и достигнуть высоких значений степени сжатия на первой ступени камеры 1.
Предохранительный клапан 26 прост и надежен, его работа заключается только в случае эпизодического действия снижения мгновенных пиков давления и характерно для предохранительных клапанов. Расчет предварительного пожатия пружины при условии, что давление выпуска газа близко к нулю, проводится по известной формуле
<mrow><msub><mi>P</mi><mi>п</mi></msub><mo>=</mo><msub><mi>p</mi><mn>3</mn></msub><mfrac><mrow><mi>π</mi><msup><mi>d</mi><mn>2</mn></msup></mrow><mn>4</mn></mfrac></mrow>
,
где d - диаметр седла клапана.
к
В обратном клапане 25 для увеличения стабильности его необходимо уменьшить жесткость пружины и увеличивать площадь S. Однако увеличение площади при высоких давлениях приводит к недопустимому увеличению размеров пружины, а следовательно, и размеров клапана. Поэтому в системах с высоким рабочим давлением необходимо применять клапан 25 непрямого действия, в котором поток рабочей среды воздействует на запорно-регулировочный орган не непосредственно, как в предохранительном клапане 26, а через вспомогательное устройство.
1
3
а
1
2
1
3
п
3
1
1
1
к
a
2
п
3
При p<p в полости клапана 25 устанавливается давление P=P, которое действует на поршень 52 (площадь S) совместно с пружиной 53 и прижимает поршень к седлу, закрывая проход рабочей среды газа. При P>P открывается шариковый клапан 54, пружина которого рассчитана на усилие P=PS, где S - площадь отверстия 56. После открытия шарикового клапана давление в полости клапана 25 падает, и под действием усилия pS>pS+P поршень 52 смещается вправо, открывая проход рабочего давления газа на поступление в ресивер 28. Достоинством такого клапана является стабильность P при изменении газа в широком диапазоне. Расход газа через клан определяется его типоразмером.
Система автоматического контроля 12 содержит блок управления 13 сигнализации (на фиг.5 приведена схема по функционированию комплекта системы управления), где G1 - генератор сигналов низкочастотный Г3-109; H1…P19 лампа KM 24-35; R1 - резистор C2-23-1-100'Ω±10%-А-Д-В; R2 - резистор C2-23-1-75'Ω±10% - А-Д-В; R3…R19 резистор ПЭВ-10-6,8 к'Ω±10%; S1…S26 - переключатель ПКнБ1Н2-1-3-10-2-4; VI, V2 - диод КД 522Б; X1…X4 - розетка Pp10-30ЛП; X5 - шнур ШВП1-В2×0,35 (указанные тип приборов и оборудования могут быть заменены по разрешению потребителя на другие с аналогичными характеристиками).
При возникновении аварийной ситуации во время работы компрессора автоматически происходит аварийная остановка, включается соответствующая световая индикация первопричины аварии и звуковой сигнал. Снятие звукового сигнала производится нажатием на кнопку «Отключение сигнализации звуковой». Снятие световой сигнализации производится после выявления и устранения причины аварии нажатием на кнопку «Отключение сигнализации световой», после чего автоматический блок управления 13 вновь готов к работе.
Отражатель-обтекатель 19 сферической формы отличается компактностью и малым весом и изготавливается из жароустойчивого материала сферической формы в виде сферы, при том же объеме меньше, чем у других форм, а напряжение в стенках под действием давления не менее чем в два раза меньше, чем в стенках цилиндра того же диаметра, при этом форма отражателя-обтекателя 19 уменьшает пульсаций давления газа со стороны сжигания за счет упругих деформаций пружин 22 и 23, установленных на винтах 20 и 21. Камеру 1 высокого сжатия, рассчитанную на работу при большом давлении газа, обеспечивают теплоизоляцией и охлаждением по периметру (на чертеже не показано).
Предлагаемый компрессор работает в автоматическом режиме и дополнительно 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 через первую ступень камеры 1 при объеме ее менее двух объемов рабочей камеры 2, увеличить производительность работы компрессора пропорционально потребляемой энергии газа различными потребителями, т.е. удельная производительность компрессора не меняется. Кроме того, обеспечивает дополнительную подкачку газа в ресивер 28 в конце процесса поступления его в камеру 2 второй ступени, что ведет к повышению КПД компрессора. Сглаживание пульсаций при воспламенении газа с воздухом в блоке сжигания и защита клапанов от эрозии производится за счет установки внутри камеры 1 регулируемого отражателя-обтекателя 19 и поступление образовавшегося газа в зазоры между боковыми стенками камеры 1 и кромками отражателя-обтекателя 19, что создает повышенную объемную производительность по сравнению с известным устройством и максимальную степень сжатия.