Тепловой компрессор

 

Компрессор предназначен для использования в различных областях техники для сжатия и перекачки газа. Содержит цилиндр и подвижный вытеснитель с каналами и регенератором, который расположен между горячей полостью и теплообменником на внешней стороне вытеснителя в зазоре. Теплообменник хладагента и теплоизолированный теплообменник теплоносителя расположены на торцах цилиндра. Впускной и выпускной клапаны расположены на внешней магистрали, подсоединенной через теплообменник хладагента к холодной полости цилиндра в его торце. Электропривод смещен в сторону холодной полости. Статор электропривода расположен на внешней стороне цилиндра, а ротор - на корпусе вытеснителя. Ребристый теплообменник расположен на внешней стороне цилиндра между статором и теплообменником теплоносителя. Вытеснитель закрыт торцевыми профильными заглушками. В кольцеобразных торцевых осевых выточках заглушек установлены пружины сжатия прямоугольного сечения. Пружинами вытеснитель подпружинен от торцевых внутренних стенок цилиндра. Внутренние приторцевые участки и приторцевые внешние участки вытеснителя содержат резьбу (оребрения) с образованием зазоров. Каналы находятся между регенератором и холодной полостью и проходят по внешней стороне вытеснителя. В районе ротора проходят каналы под ним и вытеснителем. Повышается эффективность работы тепловых компрессоров. 4 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 и разделяющий полость цилиндра на теплую и холодную полости теплообменники теплоносителя и хладагента, расположенные на торцах цилиндра, электропривод, статор которого расположен 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 об торцевые стенки цилиндрического корпуса, которые могут привести к поломке компрессора;

- большая масса вытеснителя со встроенными регенератором и ротором электрического двигателя приведет к большим инерционным силам (на средних и больших частотах), для компенсации которых придется значительно увеличить мощность и, следовательно, 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 обеспечение поддержания 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 расположенный 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 виточках которых установлены пружины сжатия 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).

Недостатками прототипа являются:

- невозможность эффективного охлаждения линейного ротора вытеснителя (электромагнитного привода), что может привести к его перегреву и выходу из строя;

- ввиду изменения направления движения газа по наклонным каналам (в разные стороны) в регенератор и из него, периодическое перемещение вытеснителя вызывает повышенное гидравлическое сопротивление, что повышает энергозатраты на перемещение;

- зазор между внутренней стенкой цилиндра и внешней стенкой вытеснителя, по которому движется газ, является своеобразным регенератором, но эффективность такого регенератора невелика, то есть имеет низкий КПД.

Указанные недостатки ставят задачу повышения эффективности теплоиспользующего компрессора, а именно:

- снижения гидравлического сопротивления вытеснителя с каналами и регенератором;

- повышения эффективности регенерации тепла в зазоре движения газа;

- обеспечения эффективного охлаждения линейного ротора электромагнитного привода.

Указанная задача достигается тем, что в тепловом компрессоре, содержащем 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 виточках которых установлены пружины сжатия 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, регенератор теплового компрессора расположен на внешней стороне и в углублении трубчатого вытеснителя в зазоре между внутренней стенкой цилиндра и внешней вытеснителя, и находится между теплой полостью и внешним наружным ребристым теплообменником, между регенератором и холодной полостью по внешней стороне вытеснителя выполнены продольные газовые открытые каналы, которые проходят в районе ротора электропривода между ним и вытеснителем.

Расположение регенератора теплового компрессора на внешней стороне (и в углублении вытеснителя) в зазоре между внутренней стенкой цилиндра и внешней вытеснителя, в месте между теплой полостью и внешним наружным ребристым теплообменником, необходимо для снижения гидравлического сопротивления при движении вытеснителя в потоке газа и тем самым для снижения мощности линейного электродвигателя на перемещение вытеснителя. Кроме того, такое расположение регенератора позволяет упростить изготовление как вытеснителя, так и самого регенератора.

Выполнение между регенератором и холодной полостью по внешней стороне вытеснителя продольных газовых открытых каналов необходимо для снижения гидравлического сопротивления и облегчения технического обслуживания каналов при профилактике и техническом обслуживании теплового компрессора.

Выполнение продольных газовых открытых каналов вытеснителя в районе ротора электропривода, проходящие между внутренней поверхностью ротора электропривода и внешней поверхностью вытеснителя, необходимо для обеспечения эффективного охлаждения ротора линейного электродвигателя, что повышает надежность литейного электропривода и теплового компрессора в целом.

Выполнение теплового компрессора в совокупности с вышеизложенными признаками (отличительными 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 фиг.1 схематично представлен разрез конструкции предложенного теплового компрессора.

На фиг.2, 3 и 4 представлены соответственно разрезы конструкций предложенного теплового компрессора по А-А, Б-Б и В-В.

Тепловой компрессор содержит цилиндр 1, вытеснитель 2 с регенератором 3 и открытыми каналами (для рабочего тела, которым служит перекачиваемый газ) на поверхности вытеснителя 4 и каналами охлаждения 5. Каналы 4 и 5 проходят со стороны холодной полости 6 в сторону горячей полости 7 к регенератору 3. 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 холодной полости 6 теплообменником хладагента 10, а со стороны горячей полости 7 теплообменником теплоносителя 11, который, как и часть цилиндра 1, теплоизолирован от окружающей среды слоем теплоизоляции 12. Через теплообменник хладагента 10 в холодную полость подходит газовая магистраль 13 с установленными на ней впускным 14 и выпускным 15 клапанами для перекачиваемого газа. Вытеснитель 2 со стороны холодной 6 и горячей 7 полостей цилиндра 1 имеет соответственно торцевые профильные заглушки 16 и 17. В заглушках 16 и 17 выполнены кольцеобразные торцевые осевые виточки 18 и 19 с установленными в них соответственно пружинами сжатия 20 и 21 прямоугольного сечения, которыми вытеснитель 2 подпружинен от торцевых внутренних стенок цилиндра 1. Причем пружина 21, находящаяся в горячей полости, должна быть выполнена из жаропрочной стали, а жесткости пружин 20 и 21 должны быть одинаковыми. На внешних приторцевых участках вытеснителя 2, выполненных меньшим радиусом, чем его средняя часть, находятся резьбовые участки 22 и 23, а на внутренней поверхности приторцевых участков цилиндра 1 - резьбовые участки 24 и 25 с образованием кольцевых зазоров 26 и 27, расположенных соответственно 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 28.

Работает предложенный тепловой компрессор следующим образом.

В установившемся режиме вытеснитель 2 движется возвратно-поступательно по цилиндру 1 и под действием усилий пружин 20 и 21, установленных в выточках 18 и 19, совершает автоколебательное движение, поддерживаемое электроприводом, состоящим из ротора 8 и статора 9. 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 горячей полости 7 горячий газ проходит по зазору 27, регенератор 3, сообщая ему недостающее тепло недорекуперации, охлаждается и, проходя через каналы 4, поступает в каналы 5, охлаждая ротор 8, далее по каналам 4 и зазор 26, дополнительно подохлаждаясь, попадает в холодную 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 26, каналы 4, каналы 5 (при этом охлаждая ротор линейного электродвигателя 8) и далее через каналы 4 в регенератор 3, нагревается в нем и, проходя через зазор 27 и дополнительно подогреваясь, попадает в горячую полость 7. По мере нагрева газа давление во всем объеме корпуса 1 растет и становится больше, чем на входе в компрессор, в результате чего открывается выпускной клапан 15 и из теплового компрессора поступает очередная (холодная) порция сжатого газа потребителю. После начала движения вытеснителя 2 в сторону холодной полости 6 весь цикл повторяется. Ребристый теплообменник 28 предотвращает чрезмерный нагрев статора 9 теплом рабочего тела (перекачиваемого газа) и теплом, поступающим теплопроводностью от теплообменника по стенке корпуса 1.

Расположение регенератора теплового компрессора на внешней стороне (в углублении трубчатого вытеснителя), в зазоре между внутренней стенкой цилиндра и внешней стенкой вытеснителя, в месте между теплой полостью и внешним наружным ребристым теплообменником позволит снизить гидравлическое сопротивление при движении вытеснителя в потоке газа и тем самым снизить мощность линейного электродвигателя на перемещение вытеснителя. Кроме того, такое расположение регенерагора позволяет упростить изготовление как вытеснителя, так и самого регенератора. Расположение на внешней стороне вытеснителя каналов снижает гидравлическое сопротивление и облегчает их техническое обслуживание. Интенсивный теплообмен в кольцевых зазорах с резьбовой частью, а также в открытых каналах позволит понизить температурный напор между теплообменниками и соответствующими paбочими полостями, а также позволит регенератору работать в более легком режиме, что приведет к более обратимым процессам теплообмена и, следовательно, к более высокому КПД теплового компрессора. Расположение газовых каналов под ротором вытеснителя позволяет обеспечить эффективное охлаждение последнего, что повышает надежность литейного электропривода и теплового компрессора в целом.

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. 20.06.2002 г., Бюл. №17.

Формула изобретения

Тепловой компрессор, содержащий установленный в полости цилиндра с возможностью осевого перемещения вытеснитель с каналами и регенератором, разделяющий 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 сжатия 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, отличающийся тем, что регенератор теплового компрессора расположен на внешней стороне в углублении вытеснителя и в зазоре между внутренней стенкой цилиндра и внешней стенкой вытеснителя и находится между горячей полостью и внешним наружным ребристым теплообменником, между регенератором и холодной полостью по внешней стороне вытеснителя выполнены продольные газовые открытые каналы, которые проходят в районе ротора электропривода между ним и вытеснителем.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4