Тепловой насос-испаритель

 

Изобретение относится к двигателестроению, а именно: к топливной аппаратуре газовых двигателей внутреннего сгорания. Цель изобретения - повышение КПД теплового насоса-испарителя и увеличение максимального давления. Насос-испаритель имеет корпус с горячим и холодным цилиндрами , расположенные в цилиндрах поршни , соединенные между собой штоком с образованием в цилиндрах штоковых и бесштоковых полостей, клапаны и источник пускового давления. Насос-испаритель снабжен гидроаккумулятором и золотником . Последний жестко связан со штоком и установлен в линии, соединяющей штоковые полости холодного и горячего цилиндров , на участке между испарителем и установленным на в ыходе из штоковой полости холодного цилиндра обратным клапаном , который дополнительного соединен с гидроэккумулятором. 1 ил (/ С

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (st)s F 04 В 17/00

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛ6СТВУ V (Л ос (Ь

О

CO (21).4780394/29 (22) 10.01.90 (46) 23.08.92. Бюл. М 31 (71) Специальное конструкторско-технологическое бюро Института проблем машиностроения АН УССР и Институт проблем машиностроения АН УССР (72) В.С.Зеркалий, А.П.Кудряш и А.А.Кайдалов (56) Авторское свидетельство СССР

М 1620670, кл. F 04 В, 1990. (54) ТЕПЛОВОЙ НАСОС-ИСПАРИТЕЛЬ (57) Изобретение относится к двигателестроению, а именно: к топливной аппаратуре газовых двигателей внутреннего сгорания.

Цель изобретения — повышение КПД теплоИзобретение относится к топливной аппаратуре газовых двигателей внутреннего сгорания, использующих сжиженное газо- образное топливо с подачей в цилиндр под высоким давлением, и может быть использовано в топливных системах газовых двигателей.

Известен тепловой насос-испаритель, содержащий корпус с горячим и холодным цилиндрами, первый из которых выполнен большего диаметра, расположенные в цилиндрах поршни, соединенные между собой подпружиненным штоком с образованием в цилиндрах штоковых и бесштоковых полостей, канал с испарителем, сообщенный со штоковой полостью горячего цилиндра, а в поршне последнего установлен перепускной клапан с возможностью перепуска среды из штоковой полости горячего цилиндра в бесштоковую полость.

„SU „„1756608A I вого насоса-испарителя и увеличение максимального давления, Насос-испаритель имеет корпус с горячим и холодным цилиндрами, расположенные в цилиндрах поршни, соединенные между собой штоком с образованием в цилиндрах штоковых и бесштоковых полостей, клапаны и источник пускового давления. Насос-испаритель снабжен гидроаккумулятором и золотником. Последний жестко связан со штоком и установлен в линии, соединяющей штоковйе полости холодного и горячего цилиндров, на участке между испарителем и установленным на выходе из штоковой полости холодного цилиндра обратным клапаном, который дополнительного соединен с гидроаккумулятором. 1 ил.

Недостатком известного насоса является наличие массивных штока, соединяющего поршни, и втулки, соединяющей цилиндры, что обеспечивает большой тепловой поток от теплового к холодному цилиндру и значительное испарение криопродукта как в полостях насоса, так и в криобаке при установке насоса непосредственно в криобак. Кроме того, большое коли чество клапанов и теплообменников усложняет конструкцию насоса, а увеличеннйе мертвые объемы теплообменников, работающих в циклическом режиме. ограничивают степень повйшения давления газообразного продукта.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является тепловой насос-испаритель, содержащий корпус с горячим и холодным цилйндрами, первый иэ которых выполнен большего диаметра. расположенные в цилиндрах поршни, соеди3

1756608

15

25

40

50 ненныю междусобой подпружиненным штоком с образованием в цилиндрах штоковых и бесштоковых полостей, всасывающий клапан, установленный в холодном цилиндре. со стороны его штоковой полости, нагнетательный клапан, установленный в горячем цилиндре со стороны его бесштоковой полости, при этом штоковая полость холодного цилиндра соединена со штоковой полостью горячего цилиндра посредством линии, в которой последовательно установлены обратный клапан на выходе из штоковой полости холодного цилиндра, испаритель и второй обратный клапан на. входе в штоковуЮ полость горячего цилиндра, а в поршне последнего установлен перепускной клапан с переключателем его положения при взаимодействии с корпусом и фиксатором, расположенным со стороны штыковой полости горячего цилиндра, а также источник пускового давления, сообщенный через обратный клапан со штоковой полостью горячего цилиндра.

Недостатком насоса является ограничение максимального давления, обусловленное затяжкой испарения в нагревателе до возврата поршней в нижнее положение, так как подача жидкого продукта в испаритель происходит во время движения поршня вверх и к моменту остановки поршня и возврата его вниз интенсивно испаряющийся криопродукт поступает через открытый клапан поршня теплого цилиндра к потребителю без отдачи энергии на работу холодного цилиндра, Кроме того, насосу характерен длительный выстой поршней в нижней мертвой точке из-за недостаточного количества испаряющего продукта, что снижает цикличность и производительность насоса.

Цель изобретения — повышение КПД и увеличение максимального давления теплового насоса-испарителя, Указанная цель достигается тем, что тепловой насос-испаритель, содержащий корпус с горячим и холодным цилиндрами, первый из которых выполнен большего диаметра; расположенные в цилиндрах поршни, соединенные между собой подпружиненным штоком с образованием в цилиндрах штоковых и бесштоковых полостей, всасывающий клапан, установленный в холодном цилиндре со стороны его штоковой полости, нагнетательный клапан, установленный в горячем цилиндре со стороны его бесштоковой полости, при этом штоковая полость холодного цилиндра связана со штоковой полостью горячего цилиндра посредством линии, которая включает испаритель и два обратных клапана, первый из которых установлен на выходе из штоковой полости холодного цилиндра, а второй срединяет испаритель со штоковой полостью горячего цилиндра, а в поршне последнего установлен перепускной клапан с переключением его положения при взаимодействии с корпусом и фиксатором, расположенным со стороны штоковой полости горячего цилиндра, дополнительно содержит гидроаккумулятор и золотник, который жестко связан со штоком и установлен в линии, с о единя ю щей между собой што ко вые полости холодного и горячего цилиндров, на участке между испарителем и установленным на выходе из штоковой полости холодного цилиндра обратным клапаном, причем последний дополнительно соединен с гидроаккумулятором..

На чертеже представлена принципиальная схема теплового насоса-испарителя, Тепловой насос-испаритель содержит корпус 1 с горячим 2 и холодным 3 цилйндрами, первый из которых выполнен большего диаметра. В цилиндрах 2 и 3 расположены поршни 4 и 5, жестко соединенные между собой штоком S с образованием в цилиндрах 2 и 3 штоковых 7, 8 и бесштоковых 9, 10 полостей соответственно, Бесштоковаsi полость 10 холодного цилиндра 3 сообщена с полостью емкости 11, которая заполнена жидким криопродуктом.

Через обратный клапан 12 со штоковой полостью горячего цилиндра 2 сообщен источник 13 пускового давления, В поршне 4 горячего цилиндра установлен подпружиненный перепускной клапан

14 с возможностью перепуска для среды из штоковой полости 7 горячего цилиндра 2 в бесштоковую полость 9.

Перепускной клапан 14 выполнен с концевыми переключателями 15 и 16 его положения при воздействии с корпусом 1 и фиксатором 17, например, магнитного типа, расположенным со.стороны штоковой полости 7 горячего цилиндра 2.

Всасывающий клапан 18 насоса установлен в холодном цилиндре 3 со стороны его штоковой полости 8, а подпружиненный нагнетательный клапан 19 насоса — в горячем цилиндре 2 со стороны его бесштоковой полости 9, Шток 6 герметизирован кольцевыми уплотнениями 20 и 21 и подпружинен совместно с поршнями 4 и 5 пружиной 22, размещенной в бесштоковой полости 9 горячего цилиндра 2, Штоковая полость 8 холодного цилиндра 3 связана со штоковой полостью 7 горячего цилиндра посредством линии 23, которая включает испаритель 24 и два обратных клапана 25 и 26. Обратный клапан 25

1756608 установлен на выходе штоковой полости 8 ющий торец поршня 4 горячего цилиндра, в холодного цилиндра, а обратный клапан 26 результате чего оба поршня 4 и 5 перемещасоединяет испаритель 24 со штоковой поло- — ются вверх вне зависимости от наличия пустью 7 горячего цилиндра 2, скового давления.

Тепловой насос-испаритель дополни- 5 При перемещении штока 6 с поршнями тельно содержит гидроаккумулятор 27 и зо- вверх нижняя (по чертежу) кромка К золотлотник 28, который жестко связан со ника 28, приближаясь к уплотнительному штоком и установлен в линии 23 на участке пояску 30 выступа 29, отсекает линию 23 от между испарителем 24 и обратным клапа- клапана 25, в результате чего прекращается ном 25, 10 поступление жидкого криопродукта из поОбратный клапан 25 дополнительйо лости 8 в линию 23, а в результате повышесоединен с гидроаккумулятором 27; на- ния давления в полости 8 жидкий пример, выполненными в виде пневмогид- криопродукт из последней через клапан 25 роаккумулятора без разделителя, у которого поступает в аккумулятор 27, сжимая находяверхняя газовая часть размещена в зоне 15 щуюся в его верхней части, расположенной размещения испарителя 24 (горячей зоне), в горячей зоне, газовую подушку, образоГидроаккумулятор27можетбытьтакже пру- ванйую испаренным в аккумуляторе криопжинного типа (не показано).. родуктом. Дальнейшее перемещение

Золотник 28 может быть образован час- поршней вверх происходит за счет давлетью штока 6, содержащей проточку как по- 20 ния испаряющегося криопродукта, ранее казано на чертеже. В этом случае шток 6 накопленного в испарителе. При этом имеустановлен в отверстии корпуса 1 с кольце- -ющийся в полости 9 гаэ поршнем 4 вытеснявым зазором а на участке между уплотнени- ется к потребителю, При подходе к верхней ями 20 и 21, а корпус 1 содержит кольцевой мертвой точке поршней переключатель 16, выступ 29 с уплотнительным цилиндриче- 25 взаимодействуя с верхней крышкой цилинским пояском 30, взаимодействующим с уп- . дра 2, открывая клапан 14, сообщает штоколотнительными поясками золотника 28.. вую полость 7 с бесштоковой полостью 9. являющегося одновременно наружной уп- Перепад давлений между полостями 7 и 9 лотнительной поверхностью штока 6, при при этом исчезает. Перепускной клапан 14 перемещении йоследнего относительно вы- 30 удерживается к открытом состоянии своей ступа 29; . пружиной, сообщая между собой полос и 7

Кольцевой зазор а выполняет роль час- и 9. ти трубопровода линии 23, связывающей Давление газа в полостях цилиндра 2, между собой штоковые полости 8 и 7. взаимодействуя на площадь поперечного

При расположении проточки золотника 35 сечения штока 6, перемещает поршни 4 и 5

28 напротив выступа 29 между поверхностя- со штоком 6 вниз. При.этом происходит всами пояска 30 и проточки золотника имеется сывание жидкого криопродукта через клазазор Ь. пан 18 в полость 8 холодного цилиндра 3.

Тепловой насос-испаритель работает При подходе поршней к нижней мертследующим образом. 40 вой точке нижняя кромка К золотника 28

При запуске насоса в работу от источйи- отходит от пояска 30 выступа 29, открывая в ка 13 пускового давления подает импульс линии 23 проток по зазору b. При этом надавления через обратный клапан 12 в што- копленный в аккумуляторе 27 жидкий криковую полость 7 горячего цилиндра, что при- опродукт под давлением газовой подушки в водит к повышению давления в полости 7 и 45 верхней части аккумулятора вытесняется вызывает совместное перемещение порш- через. зазор b в испаритель 24, проходя ченей 4 и 5 со штоком 6 вверх с одновремен- рез который криопродукт нагревается и, исным сжатием пружины 22. паряясь в газ. повышает давление в линию

При ходе поршней вверх поршень 5вы- 23. а следовательно, и в связанной к ней тесняет жидкий криопродукт из полости 8 50 через клапан 26 полости 7. Одновременно через клапан 26, зазоры а и b и далее через повышается давление и в полости 9. сообиспаритель 24 и клапан 26 в штоковую по- щенной через открытый перепускной клалость 7 горячего цилиндра. пан 14 с полостью 7.

При прохождении криопродукта через Из полости 7 под давлением часть газоиспаритель 24 происходит испарение кри- 55 образного криопродукта через клапан 19 опродукта влинии23. в результатечего по- поступает потребителю. Движение поршвышается давление в линии 23 и штоковой ней 4 и 5 вниз продолжается до момента полости 7 горячего цилиндра 2. взаимодействия переключателя 15 перепуПовышение давления в полости 7 при- скного клапана 14 с нижним торцом цилинводит к увеличению ycL nn на r.îoòååòñòâó- дра 2. В результате этого клапан 14

1756608 закрывается, полость 7 рэзобщается с полостью 9, После закрытия клапана 14 давление газа в полости 7 возрастает в результате дальнейшего испарения жидкого криопродукта, находящегося в испарителе 24, Под действием возросшего перепада давлений между полостями 7 и 9 поршни 4 и 5 перемещаются вверх, и цикл повторяется.

Благодаря тому, что криопродукт из аккумулятора 27 под давлением интенсивно посгупэет в испэритель 24 еще до момента подхода поршня к нижней мертвой точке, испаритель 24 к моменту нэчалэ движения поршней 4 и 5 вверх обеспечивает выдачу большего количества газа в полость 7, что повышает начальную скорость движения поршней из нижней мертвой точки, э следо. вательно, увеличивает цикличность и производительность.

Прекращение подачи криопродукта за счет перекрытия зэзорэ Ь телом золотника

28 в конце первой половины хода поршней

4 и 5 вверх обесйечйвает повышение КПД теплового насоса-испарителя благодаря более полному использованию давления испэ. ренного криопродуктэ. Этот эффект .аналогичен эффекту, проявляемому при отсечке пара в поршневых паровых машинах, однэко достигается иными средствами.

Формула изобретения

Тепловой насос-испаритель, содержащий корпус с горячим и холодным цилиндрами, первый из которых выполнен большего диаметра, расположенные в цилиндрах поршни, соединенные между собой штоком с образованием а цилиндрах штоковых и бесштоковых полостей, всасывающий

5 клапан, установленный в холодном цилиндре со стороны его штоковой полости, нагнетэтельный клапан, установленный в горячем цилиндре со стороны его бесштоковой полости, при этом штоковая полость холодного

10 цилиндра связана со штоковой полостью горячего цилиндра посредством линии, которая включает испаритель и двэ обратных клапана, первый из которых установлен нэ выходе из штоковой полости холодного ци15 линдра, э второй соединяет испаритель со штоковой полостью горячего цилиндра, в поршне последнего установлен перепускной клапэн с переключателем его положения при взаимодействии с корпусом и

20 фиксатором, расположенным со стороны штоковой полости горячего цилиндра, э также источник пускового давления, сообщенный через обратный клапэн со штоковой полостью горячего цилиндра. о т л и ч а ю25 шийся тем, что, с целью повышения КПД теплового насоса-испарителя и увеличения максимального давления, насос снэбжен гидроаккумулятором и золотником, последний жестко связан со штоком и установлен

30 в линии, соединяющей штоковые полости холодного и горячего цилиндров на участке между испарителем и установленным на выходе из штоковой полости холодного цилиндра обратным клапаном, который

35 дополнительно соединен с гидроаккумулятором.

1756608

Составитель В.Зеркалий

Техред М.Моргентал Корректор С,Лисина

Редактор А.Коэориэ

Производственно-издательский коиоинат "Патент", г. Ужгород, уо.Гагарина, 10т

Заказ 3075 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж 35, Раушская наб., 4/5