Тепловой компрессор

 

Компрессор предназначен для использования в различных областях техники для сжатия и перекачки газа. Компрессор содержит цилиндр, вытеснитель со встроенным генератором и радиально наклоненными отверстиями для соединения регенератора, соответственно, с холодной и горячей полостями цилиндра. Вытеснитель приводится в действие электроприводом с ротором, расположенным на внешней стороне вытеснителя, и статором, расположенным на цилиндре. Цилиндр содержит ребристый теплообменник, теплообменник теплоносителя с теплоизоляцией и теплообменник хладагента, газовую магистраль с впускным и выпускным клапанами. Вытеснитель имеет торцевые заглушки. Со стороны холодной полости в заглушке выполнена кольцеобразная торцевая осевая выточка с установленной в ней пружиной прямоугольного сечения. Пружина с одной стороны закреплена на торце цилиндра в его холодной полости, а с другой стороны на дне кольцеобразной торцевой осевой выточки так, что пружина может работать в режиме сжатия - растяжения. Повышается надежность теплового компрессора, упрощается конструкция. 1 ил.

Изобретение относится к компрессоростроению, а именно к теплоиспользующим компрессорам, и может быть использовано в самых различных областях техники для компримирования (сжатия) и нагнетания газов.

Известен компрессор [1] - /Авторское свидетельство СССР №1605110, кл. F 25 В 9/00, 1990 г./, содержащий установленный в полости цилиндра с возможностью осевого перемещения вытеснитель, с расположенным в нем регенератором и наклонными каналами, разделяющий полость цилиндра на теплую и холодную полости, теплообменники теплоносителя и хладагента, расположенные на торцах цилиндра, электропривод, статор которого расположенный на внешней стороне цилиндрического корпуса, а ротор - на корпусе вытеснителя, а также впускные и выпускные клапаны.

Недостатками известного аналога являются:

- недостаточная поверхность теплообмена торцевых и боковых стенок цилиндрического корпуса для передачи необходимого количества тепла, что приводит к увеличению температурного перепада между, соответственно, теплоносителем и рабочим телом в горячей полости и хладагентом (средой для отвода тепла) и рабочим телом в холодной полости, а это, в свою очередь, ведет к большей необратимости процессов теплообмена и снижению КПД;

- наличие большого мертвого объема из-за необходимости недопущения ударов вытеснителя о торцевые стенки цилиндрического корпуса, которые могут привести к поломке компрессора;

- большая масса вытеснителя с встроенными регенератором и ротором электрического двигателя приведет к большим инерционным силам (на средних и больших частотах), для компенсации которых придется значительно увеличить мощность, а следовательно, и массу линейного двигателя, что приведет к сравнительно большим затратам электрической энергии для привода вытеснителя, а это совсем нежелательно для любых устройств;

- низкая надежность и ресурс теплового компрессора из-за размещения клапанов в его рабочей полости, особенно в теплой зоне;

- холодный газ, поступающий в теплую зону, необходимо предварительно охлаждать, а это дополнительные затраты энергии;

- для нормальной работы регенератора требуется обеспечить поддержание заданных значений температур на его торцах, а это условие в результате разных путей движения газа (по зазору и по центральному каналу и организации входа и выхода компримируемого газа с разных торцов цилиндра) обеспечивается плохо, что снижает эффективность регенератора и теплового компрессора в целом.

Прототипом предлагаемого устройства является тепловой компрессор [2] - /Патент России №2183767, кл. F 04 В 19/24, F 25 В 9/00, опубл. 20.06.2002 г., Бюл. №17/, содержащий установленный в полости цилиндра с возможностью осевого перемещения вытеснитель, с каналами и регенератором, разделяющим полость цилиндра на холодную и горячую полости, теплоизолированный теплообменник теплоносителя и теплообменник хладагента, расположенные на торцах цилиндра, впускной и выпускной клапаны, расположенные на внешней магистрали, подсоединенной через теплообменник хладагента к холодной полости цилиндра в его торце, электропривод, смещенный в сторону холодной полости, статор которого расположен на внешней стороне цилиндра, а ротор - на корпусе вытеснителя, ребристый теплообменник, расположенный на внешней стороне цилиндра между статором и теплообменником теплоносителя, вытеснитель закрыт торцевыми профильными заглушками, в кольцеобразных торцевых осевых выточках которых установлены пружины прямоугольного сечения, которыми вытеснитель подпружинен от торцевых внутренних стенок цилиндра, внутренние приторцевые участки которого и приторцевые внешние участки вытеснителя содержат резьбу (оребрения) с образованием зазоров (резьба в зазорах выполнена для повышения коэффициента теплопередачи).

Недостатком прототипа является то, что находящая в горячей полости пружина сжатия работает в экстремальных (предельных) условиях и обладает низкой надежностью, в результате чего снижается надежность всего теплового компрессора.

Указанный недостаток ставит задачу повышения надежности теплоиспользующего компрессора и упрощения его конструкции.

Эта задача достигается тем, что в тепловом компрессоре, содержащем установленный в полости цилиндра с возможностью осевого перемещения подпружиненный вытеснитель, с каналами и регенератором, разделяющим полость цилиндра на холодную и горячую полости, теплоизолированный теплообменник теплоносителя и теплообменник хладагента, расположенные на торцах цилиндра, впускной и выпускной клапаны, расположенные на внешней магистрали, подсоединенной через теплообменник хладагента к холодной полости цилиндра в его торце, электропривод, смещенный в сторону холодной полости, статор которого расположен на внешней стороне цилиндра, а ротор - на корпусе вытеснителя, ребристый теплообменник, расположенный на внешней стороне цилиндра между статором и теплообменником теплоносителя, вытеснитель закрыт торцевыми профильными заглушками, в кольцеобразных торцевых осевых выточках которых установлены пружины прямоугольного сечения, внутренние приторцевые участки цилиндра и приторцевые внешние участки вытеснителя содержат резьбу (оребрения), с образованием зазоров, в горячей полости торцевая заглушка выполнена плоской (и без установленной пружины), а в холодной полости пружина закреплена возможностью работы в режиме сжатия - растяжения.

Закрепление в холодной полости пружины с возможностью работы в режиме сжатия - растяжения необходимо для исключения пружины из горячей полости и для обеспечения вытеснителю автоколебательного движения. При этом пружина должна быть по сравнению с пружиной прототипа в два раза большей жесткости для восприятия двойной нагрузки при тех же параметрах движения вытеснителя.

Выполнение в горячей полости торцевой заглушки плоской необходимо из-за ненадобностью профильной осевой кольцеобразной выточки.

Выполнение теплового компрессора в совокупности с вышеизложенными признаками (признаками формулы изобретения) является новым для тепловых компрессоров и, следовательно, соответствует критерию “новизна”.

Вышеприведенная совокупность отличительных признаков не известна на данном уровне развития техники и не следует из общеизвестных правил конструирования тепловых компрессоров и их вспомогательного оборудования, что доказывает соответствие критерию “изобретательский уровень”.

Конструктивная реализация теплового компрессора с указанной совокупностью существенных признаков не представляет никаких конструктивно-технических и технологических трудностей, откуда следует соответствие критерию “промышленная применимость”.

На чертеже схематично представлена конструкция теплового компрессора.

Тепловой компрессор содержит цилиндр 1, вытеснитель 2 с регенератором 3 и радиально наклоненными отверстиями 4 и 5, соответственно направленными в стороны холодной полости 6 и горячей полости 7, для рабочего тела, которым служит перекачиваемый газ. Вытеснитель 2 с внешней своей стороны имеет установленный в него ротор 8 электропривода, статор 9 которого расположен на внешней поверхности цилиндра 1. Цилиндр 1 снабжен соответственно со стороны горячей полости 7 теплообменником теплоносителя 11, который теплоизолирован от окружающей среды слоем теплоизоляции 12, и со стороны холодной полости 6 теплообменником хладагента 10, через который подходит газовая магистраль 13, с установленными на ней впускным 14 и выпускным 15 клапанами для перекачиваемого газа. Вытеснитель 2 со стороны холодной 6 и теплой 7 полостей цилиндра 1 имеет соответственно торцевые заглушки. Со стороны холодной полости в заглушке выполнена кольцеобразная торцевая осевая выточка 16 с установленной в ней пружиной 17 прямоугольного сечения. Пружина 17 с одной стороны закреплена на торце цилиндра 1 в его холодной полости, а с другой стороны - на дне кольцеобразной торцевой осевой выточки 16, так что пружина 17 может работать в режиме сжатия - растяжения. На внешних приторцевых участках вытеснителя 2, выполненных меньшим радиусом, чем его средняя часть, находятся резьбовые участки 18, а на внутренней поверхности приторцевых участках цилиндра 1 - резьбовые участки 19 с образованием кольцевых зазоров 20, расположенных в холодной 6 и горячей 7 полостях цилиндра 1. На внешней стороне цилиндра 1 между теплоизоляцией 12 теплообменника-теплоносителя 11 и статором 9 электропривода расположен ребристый радиатор (теплообменник) 21.

Работает предложенный тепловой компрессор следующим образом.

В установившемся режиме вытеснитель 2 движется возвратно-поступательно по цилиндру 1 под действием усилий пружины 17, установленной в выточке 16, и совершает автоколебательное движение, поддерживаемое электроприводом, состоящим из статора 9 и ротора 8. При этом мощность линейного электродвигателя расходуется только на поддержание автоколебательного возвратно-поступательного движения вытеснителя, то есть на преодоление сил трения и гидравлического сопротивления. При движении вытеснителя 2 в сторону теплой полости 7 горячий газ проходит по зазору 20 (горячей полости), отверстия 5, регенератор 3, сообщая ему недостающее тепло недорекуперации, охлаждается и, проходя через отверстия 4 и зазор 20 (холодной полости), дополнительно подохлаждаясь, попадает в полость 6. По мере охлаждения газа давление во всем объеме корпуса 1 падает и становится меньше, чем на входе в компрессор, в результате чего открывается впускной клапан 14, и в компрессор поступает очередная порция газа на сжатие. При движении вытеснителя 2 в сторону холодной полости 6 холодный газ проходит по зазору 20 (холодной полости), отверстия 4, регенератор 3, нагревается в нем, и, проходя через отверстия 5 и зазор 20 (горячей полости), дополнительно подогреваясь, попадает в горячую полость 7. По мере нагрева газа давление во всем объеме цилиндра 1 растет и становится больше, чем на входе в компрессор, в результате чего открывается выпускной клапан 15, и из теплового компрессора поступает очередная порция сжатого газа потребителю. После начала движения вытеснителя 2 в сторону холодной полости 6 весь цикл повторяется. Ребристый теплообменник 21 предотвращает чрезмерный нагрев стартера 9 теплом теплоносителя, поступающего теплопроводностью от теплообменника по стенке корпуса 1.

Предлагаемое изобретение решает задачу повышения надежности теплового компрессора, так как из его конструкции убрана первоначально находящаяся в горячей полости пружина сжатия, работающая в экстремальных (предельных) условиях и обладающая низкой надежностью. Закрепленная с возможностью работы в режиме сжатия - растяжения в холодной полости пружина обеспечивает вытеснителю автоколебательное движение. Пружина должна быть по сравнению с пружиной прототипа в два раза большей жесткости для восприятия двойной нагрузки при тех же параметрах движения вытеснителя.

Источники информации

1. Авторское свидетельство СССР №1605110, кл. F 25 В 9/00, 1990 г.

2. Патент России №2183767, кл. F 04 В 19/24, F 25 В 9/00, опубл. 20.06.2002г., Бюл. №17 - прототип.

Формула изобретения

Тепловой компрессор, содержащий установленный в полости цилиндра с возможностью осевого перемещения подпружиненный вытеснитель с каналами и регенератором, разделяющим полость цилиндра на холодную и горячую полости, теплоизолированный теплообменник теплоносителя и теплообменник хладагента, расположенные на торцах цилиндра, впускной и выпускной клапаны, расположенные на внешней магистрали, подсоединенной через теплообменник хладагента к холодной полости цилиндра в его торце, электропривод, смещенный в сторону холодной полости, статор которого расположен на внешней стороне цилиндра, а ротор - на корпусе вытеснителя, ребристый теплообменник, расположенный на внешней стороне цилиндра между статором и теплообменником теплоносителя, вытеснитель закрыт торцевыми заглушками, в кольцеобразных торцевых осевых выточках которых установлены пружины прямоугольного сечения, внутренние приторцевые участки цилиндра и приторцевые внешние участки вытеснителя содержат резьбу (оребрения) с образованием зазоров, отличающийся тем, что в горячей полости торцевая заглушка выполнена плоской (и без установленной пружины), а в холодной полости пружина закреплена с возможностью работы в режиме сжатия - растяжения.

РИСУНКИ

Рисунок 1