Тепловой компрессор

Компрессор предназначен для использования в самых различных областях техники для сжатия и перекачивания 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 расположенным на цилиндре статором. На внешних приторцевых участках вытеснителя находятся резьбовые участки, а на внутренней поверхности приторцевых участков цилиндра - резьбовые участки с образованием кольцевых зазоров. Цилиндр содержит теплообменник теплоносителя с теплоизоляцией, теплообменник хладагента, газовую магистраль с впускным и выпускным клапанами, ребристый теплообменник. Пневматические пружины динамического «подпружинивания» вытеснителя выполнены в виде установленных в торцевых осевых выточках его заглушек плунжерных поршней, ответные плунжерные цилиндры которых установлены внутри холодной и горячей полостей на крышках цилиндра теплового компрессора. Рабочим телом пневматических пружин является перекачиваемый тепловым компрессором газ. Повышается надежность и эффективность работы. 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] -/Патент России № 2230223, кл. F 04 В 19/24, опубл. 10.06.2004 г., Бюл. № 16./, 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 с плоскими торцевыми заглушками, внутренние приторцевые участки которого и приторцевые внешние участки вытеснителя содержат резьбу (оребрения) с образованием зазоров, причем вытеснитель динамически подпружинен поршнем двухстороннего действия вешнего пневмоцилидра, жестко закрепленного на торце холодной полости цилиндра теплового компрессора, при этом вытеснитель с поршнем двухстороннего действия пневмоцилиндра жестко связан цилиндрическим уплотнительным штоком.

Недостатком известного аналога является сложность внешней конструкции динамического подпружинивания вытеснителя теплового компрессора. Наличие внешнего пневмоцилиндра предполагает его жесткую центровку относительно внутреннего вытеснителя, что снижает надежность теплового компрессора. Также наличие дополнительного уплотнения цилиндрического штока, связывающего вытеснитель и поршень двухстороннего действия (кроме повышения сложности конструкции и снижения ее надежности), обладает повышенным сопротивлением трения, что в целом снижает эффективность работы теплового компрессора. При практическом использовании известного аналога внешняя дополнительная конструкция цилиндра с поршнем двухстороннего действия может вызвать конструктивные трудности проектирования и сопряжения в одном узле - агрегате. Наличие поршневых колец на поршне двухстороннего действия предполагает их регулярную диагностику и замену, что снижает срок безрегламентной эксплуатации такого теплового компрессора.

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 расположен 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).

Главным недостатком прототипа является использование в нем механических пружин, обладающих низкой надежностью, и сравнительно низким ресурсом работы, при которой такие пружины постоянно выделяют тепло (нагреваются при работе), что приводит к снижению эффективности теплового компрессора в целом.

Указанные совместные недостатки приведенных аналога и прототипа ставят задачу повышения надежности теплового компрессора путем упрощения его конструкции и исключения уплотнений из пневматических пружин динамического «подпружинивания» вытеснителя. Кроме того, ставят задачу повышения эффективности работы теплового компрессора путем исключения из его конструкции лишних пар трения, на которые расходуется дополнительная энергия и которые снижают ресурс работы устройства в целом.

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 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, внутренние приторцевые участки цилиндра и приторцевые внешние участки вытеснителя содержат резьбу (оребрения) с образованием зазоров, вытеснитель закрыт плоскими торцевыми заглушками с торцевыми осевыми выточками, в которых установлены пружины (пружины (внутренние) выполнены пневматическими с динамическим подпружиниванием вытеснителя, с рабочим телом - перекачиваемым газом), причем пневматические пружины выполнены в виде установленных в торцевых осевых выточках заглушек плунжерных поршней, ответные плунжерные цилиндры которых установлены внутри холодной и горячей полостей на крышках цилиндра теплового компрессора.

Динамическое «подпружинивание» вытеснителя пневматическими пружинами, «выполненными в виде установленных в торцевых осевых выточках его заглушек плунжерных поршней, ответные плунжерные цилиндры которых установлены внутри холодной и горячей полостей на крышках цилиндра теплового компрессора», необходимо для исключения упругих (из твердого вещества) пружин из горячей и холодной полостей теплового компрессора. Исключение таких пружин из полостей теплового компрессора повышает надежность и улучшает условия работы и эффективность процесса амортизации (то есть «пневматических пружин», которые обладают большей надежностью и эффективностью). В случае, когда работают пружины (по прототипу), то они постоянно выделяют тепло. При работе пневматических пружин (при сжатии в ней газа) газ нагревается, а при его расширении (и тем более при совершении газом при этом работы) газ охлаждается. В этом смысле при работе пневматических пружин внутри цилиндра теплового компрессора они минимально мешают его штатной работе.

Выполнение пневматических пружин в виде «плунжерных поршней с ответными плунжерными цилиндрами» необходимо для исключения дополнительного трения и тем самым повышения надежности и долговечности теплового компрессора.

Расположение предложенных пневматических пружин «в торцевых осевых выточках заглушек плунжерных поршней» необходимо для компактного эргономичного исполнения конструкции теплового компрессора и обеспечения его работы при максимальных продольных перемещениях вытеснителя.

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 холодной полости 6 теплообменником хладагента 10 и со стороны горячей полости 7 - теплообменником теплоносителя 11, который теплоизолирован от окружающей среды слоем теплоизоляции 12. Через теплообменник хладагента 10 внутрь цилиндра 1 проходит газовая магистраль 13 с установленными на ней впускным 14 и выпускным 15 клапанами для перекачиваемого газа. На внешних приторцевых участках вытеснителя 2 находятся резьбовые участки 16, а на внутренней поверхности приторцевых участков цилиндра 1 - резьбовые участки 17 с образованием кольцевых зазоров 18. Цилиндр 1 между теплообменником 11 и статором 9 на своей внешней стороне содержит ребристый теплообменник 19. Вытеснитель 2 со стороны холодной 6 и горячей 7 полостей цилиндра 1 имеет соответственно торцевые заглушки, в которых выполнены торцевые осевые выточки 20 с установленными в них плунжерными поршнями 21. А ответные плунжерные цилиндры 22 которых установлены внутри холодной 6 и горячей 7 полостей на крышках цилиндра 1 теплового компрессора. Рабочим телом пневматических пружин является перекачиваемый тепловым компрессором газ.

Работает предложенный тепловой компрессор следующим образом: в установившемся режиме вытеснитель 2 движется возвратно-поступательно по цилиндру 1 под действием усилий плунжерных поршней 21, входящих в ответные плунжерные цилиндры 22. То есть вытеснитель 2 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 горячей полости 7 горячий газ проходит по зазору 18 (горячей полости), отверстия 5, регенератор 3, сообщая ему недостающее тепло недорекуперации, охлаждается и, проходя через отверстия 4 и зазор 18 (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 18 (холодной полости), отверстия 4, регенератор 3, нагревается в нем и, проходя через отверстия 5 и зазор 18 (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 статора 9 теплом теплоносителя, поступающего теплопроводностью от теплообменника вдоль стенки корпуса 1 и от горячего газа, проходящего по зазору 18.

Предлагаемое изобретение решает задачу повышения надежности и эффективности теплового компрессора, так как из его конструкции убраны металлические пружины сжатия, работающие особенно в горячей полости в экстремальных условиях, и заменены на внутренние «пневматические пружины», выполненные в виде двух (в холодной и горячей полостях соответственно) плунжерных поршней и цилиндров. Кроме того, повышена надежность теплового компрессора путем упрощения его конструкции и исключения из пневматических пружин (динамического подпружинивания вытеснителя) уплотнений в виде поршневых колец. Также решена задача повышения эффективности работы теплового компрессора путем исключения из его конструкции лишних пар трения, на которые расходуется дополнительная энергия. Повышен ресурс работы теплового компрессора. Уплотнение плунжерных поршней и цилиндров может быть выполнено частично динамическим и поэтому не потребует высоких требований к подгонке их друг к другу. Ввиду того, что все полости цилиндра теплового компрессора связаны по перекачиваемому газу по зазорам, то это позволяет снизить силы трения и повысить надежность его работы.

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 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, внутренние приторцевые участки цилиндра и приторцевые внешние участки вытеснителя содержат резьбу (оребрения) с образованием зазоров, вытеснитель закрыт плоскими торцевыми заглушками с торцевыми осевыми выточками, в которых установлены пружины, отличающийся тем, что пружины выполнены пневматическими в виде установленных в кольцеобразных торцевых осевых выточках заглушек плунжерных поршней, ответные плунжерные цилиндры которых установлены внутри холодной и горячей полостей на крышках цилиндра теплового компрессора.