ПОРШНЕВОЙ КОМПРЕССОР

Полезная модель относится к области компрессоростроения и может быть использовано при создании поршневых компрессоров преимущественно средней и высокой производительности, к которым предъявляются высокие требования по экономичности и надежности работы клапанной группы.
Известен поршневой компрессор, содержащий, по крайней мере, один цилиндр с размещенным в нем поршнем с образованием рабочей камеры и механизм привода возвратно-поступательного движения поршня (см. Пат. №2098662 «Бесконтактный компрессор» по заявке 95114243; Заявлено 08.08.95; опубл. 10.12.97; Бюл. №34).
Известен также поршневой компрессор, содержащий, по крайней мере, один цилиндр с размещенным в нем поршнем с образованием рабочей камеры и механизм привода возвратно-поступательного движения поршня в виде кулисы с пазом, в котором установлен кривошип приводного вала (см. Пат. №2296241 «Поршневой компрессор», по заявке 2005129839. Заявлено 26.09.2005. Опубл. 27.03.2007. - Бюл. №9).
К недостатку известных компрессоров следует отнести их низкую экономичность и надежность работы клапанной группы. Первое связано с неоптимальным законом перемещения поршня, второе - с большой скоростью посадки запорных органов самодействующих клапанов на седло и ограничитель подъема.
Задачей полезной модели является повышение экономичности работы компрессора и надежности работы клапанной группы.
Данный технический результат достигается тем, что в известном компрессоре продольная ось паза кулисы в плоскости вращения кривошипа приводного вала выполнена в виде дуги, радиус которой больше радиуса кривошипа приводного вала.
Сущность предложенного технического решения поясняется чертежами.
На фиг.1 схематично изображено продольное сечение поршневого компрессора в плоскости вращения кривошипа приводного вала.
На фиг.2-15 схематично и последовательно изображены положения привода и поршня в цилиндре компрессора при разных углах Ф поворота кривошипа, причем на рисунках а) показано движение поршня в заявленной конструкции, а на рисунках б) показано движение поршня известной конструкции. На этих рисунках стрелкой показано направление вращения кривошипа, а тонкие горизонтальные линии позволяют производить сравнение положения поршней при каждом показанном угле поворота приводного вала. На фиг.2-8 показано движение поршня вниз (расширение из мертвого пространства и всасывание - от верхней мертвой точки - ВМТ, до нижней мертвой точки - НМТ), а на фиг.9-15 показано движение поршня вверх (сжатие и нагнетание - от НМТ до ВМТ). Рядом с рисунками 2-15 написано значение угла поворота Ф кривошипа (в градусах).
Компрессор состоит (фиг.1) из картера 1, частично заполненным жидкой смазкой 2. На картере 1 установлен цилиндр 3, в котором размещен поршень 4 с уплотнительными кольцам 5 и направляющим башмаком 6. Цилиндр 1 и поршень 4 образуют рабочую камеру 7. Обратные самодействующие клапаны 8 и 9 служат соответственно для всасывания и нагнетания газа. Механизм привода возвратно-поступательного движения поршня 4 состоит из кулисы 10 с пазом 11, выполненном в виде дуги с радиусом R, кривошипа 12, являющегося частью приводного вала 13 и описывающего окружность с радиусом r, с ползуном 14, который свободно скользит в пазу 11. Кулиса 10 соединена с поршнем 4 посредством штока 15. Радиус R паза 11 кулисы 10 больше радиуса r окружности вращения кривошипа 12 с ползуном 14 (R>r).
Компрессор работает следующим образом.
При вращении приводного вала 13 вместе с кривошипом 12 ползун 14 кривошипа 12, давит на стенку паза 11 и перемещает кулису 10, скользя в ее пазу 11. В процессе полного оборота приводного вала 13, таким образом, осуществляется полный ход поршня 4 вверх до верхней мертвой точки (ВМТ) и вниз, до нижней мертвой точки (НМТ), как в обычном поршневом компрессоре. При этом газ всасывается через клапан 8 в полость 7 (ход поршня 6 из ВМТ к НМТ), а затем сжимается до давления в линии нагнетания и нагнетается в эту линию через клапан 9 (при ходе поршня 6 от НМТ к ВМТ).
Отличие в осуществлении рабочих процессов, происходящих в рабочей камере 7, от процессов, происходящих в известных конструкциях, состоит в том, что, согласно приведенным схемам на фиг.2-15, изменение рабочего объема камеры 7 при положении поршня 4 вблизи мертвых точек (ВМТ и НМТ), когда в работу вступают клапаны 8 и 9, происходит более плавно (практически без ударов), что дает возможность запорным органам клапанов 8 и 9 гораздо мягче садится на седло и ограничитель подъема, что, очевидно, способствует повышению их надежности.
Кроме того, хотя средняя скорость поршня 4 в течение полного цикла (НМТ - ВМТ - НМТ) у заявленной и известных конструкций равны по определению, но в течение цикла между мгновенными скоростями имеется существенная разница.
При ходе поршня 4 от ВМТ (фиг.2) вниз (фиг.3 - фиг 8) скорость поршня 4 предложенного устройства ниже, чем известного, в связи с чем расширение из мертвого пространства идет медленнее и горячий после сжатия-нагнетания газ успевает отдать стенкам камеры сжатия значительное количество теплоты, т.к. его температура выше, чем температура окружающих его деталей (фиг.3). Это же способствует плавному закрытию нагнетательного клапана 9. В процессе всасывания сначала (фиг.4-5) процесс увеличения объема рабочей камеры 7 идет медленнее, что обеспечивает плавное открытие всасывающего клапана, отсутствие колебаний его запорного органа и полноценному наполнению камеры 7 всасываемым рабочим телом. В дальнейшем (фиг.6-8) скорость движения поршня 4 увеличивается, и в положении кривошипа 12 в НМТ (Ф=180°, фиг.8) поршень 4 заявленного устройства «догоняет» поршень известной конструкции.
Выше описанная работа компрессора в процессе расширения из мертвого пространства и всасывания газа приводит к следующим термодинамическим последствиям:
1. При смешивании поступившего во время всасывания газа с остатками газа, находившегося в мертвом пространстве, образовавшаяся смесь имеет более низкую температуру, чем в известном компрессоре в связи с более низкой температурой газа, расширяющегося из мертвого пространства, что снижает впоследствии температуру начала процесса сжатия и увеличивает КПД.
2. Более постоянная скорость поршня 4 в процессе всасывания на сравнительно большом участке пути снижает потери работы во всасывающем клапане, т.к. он происходит при постоянном перепаде давления, что также повышает КПД.
Процесс сжатия-нагнетания (фиг.9 - фиг.15) происходит при более высокой начальной скорости поршня 4 (фиг.9-12), в связи с чем рабочее тело не успевает существенно подогреваться о стенки цилиндра, и к концу процесса сжатия имеет температуру, более низкую, чем при работе известной конструкции. Далее, в процессе нагнетания (фиг.13-15) скорость поршня снижается, и открывшийся нагнетательный клапан не оказывает большого сопротивления потоку рабочего тела, а более низкая скорость поршня способствует увеличению времени и количеству теплоты, отдаваемой от рабочего тела стенкам рабочей камеры 7.
Выше описанная работа компрессора в процессе и нагнетания газа приводит к следующим термодинамическим последствиям:
1. более высокая (в среднем) скорость поршня 4 в предлагаемой конструкции в процессе сжатия приводит к снижению количество теплоты, которое подводится от горячих стенок рабочей камеры 7 к рабочему телу, в связи с тем, что стенки рабочей камеры 7, окружающие газ, нагреты до температуры, которая выше температуры сжимаемого газа. Это приближает процесс сжатия к изотермическому и повышает КПД процесса сжатия.
2. более низкая по сравнению с известной конструкции средняя скорость поршня 4 в процессе конца сжатия и в процессе нагнетания позволяет продлить этот процесс по времени, в результате чего газ, нагретый при сжатии (в конце процесса) до температуры, более высокой, чем температура стенок камеры 7, успевает больше теплоты отдать стенкам камеры 7, что снижает температуру газа в процессе нагнетания и повышает КПД компрессора.
Таким образом, предложенная конструкция поршневого компрессора позволяет повысить надежность работы клапанов за счет снижения скорости их посадки на седло и ограничитель подъема, а также повысить экономичность работы компрессора за счет совершенствования термодинамики цикла путем изменения закона перемещения поршня.