Термокомпрессор

Изобретение относится к компрессоростроению и может быть использовано в самых различных областях техники для сжатия и перекачки газа. Термокомпрессор содержит сборный цилиндр, вытеснитель (в виде термоэлектрической батареи), делящий цилиндр на горячую камеру с внешней теплоизоляцией и холодную камеру с внешним теплообменником-охладителем, теплоизоляционный мост, газовую магистраль с всасывающим и нагнетающими клапанами, регенератор. Внешний механический привод в виде уплотненного штока содержит две электрические шины для подвода к термоэлектрической батарее электрического тока. Шток выполнен в виде трубы, внутри которой находятся изолированные и герметизированные электрические шины, выходы которых установлены сбоку штока и подсоединены к источнику тока при помощи гибких электрических проводов или гибкой перекатывающейся ленты, содержащей гибкие электрические вставки. Для обеспечения режима перекатывания ленты применены диэлектирические подвижная (закрепленная на штоке) и неподвижная (закрепленная на холодном торце цилиндра) направляющие. Повышается эффективность и экономичность. 2 з.п. ф-лы, 7 ил.

 

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

Известен термокомпрессор [1, авторское свидетельство СССР №244544, кл. F04В 29/00, 1967 г.], содержащий цилиндр с всасывающим и нагнетающими клапанами, размещенный в цилиндре с образованием двух рабочих камер, поршень-регенератор, соединенный с вспомогательным механическим приводом и снабженный отверстиями для перепуска газа, и устройство для нагрева газа в одной камере и охлаждения в другой.

Недостатком известного термокомпрессора является его сравнительно низкая экономичность.

Известен термокомпрессор [2, авторское свидетельство СССР №1534210, кл. F 04 19/24, 1990 г.], содержащий цилиндр с всасывающим и нагнетающими клапанами, размещенный в цилиндре с образованием двух (холодной и горячей) рабочих камер, поршень-регенератор в виде термоэлектрической батареи (одновременно служащей устройством для нагрева и частичного охлаждения газа), холодные спаи которой обращены к холодной камере, а горячие спаи - к горячей камере, и установленный со стороны холодных спаев внешний механический привод поршень-регенератор в виде уплотненного штока, который содержит электрические шины для подвода к термоэлектрической батарее электрического тока.

Недостатки прототипа:

- Материал термоэлектрической батареи в качестве материала регенератора работает плохо и поэтому применение самой термоэлектрической батареи в качестве регенератора неэффективно. Кроме того, через отверстия термоэлектрической батареи будет переноситься тепло не только теплопроводностью, но при помощи проходящего сквозь нее газа, что сильно снизит КПД термоэлектрической батареи. В то же время создание отверстий в термоэлектрической батареи, пригодных для регенератора, технологически проблематично.

- Нагнетание горячего газа из горячей полости снижает эффективность термокомпрессора, так как с нагнетаемым газом уносится часть высокотемпературного тепла, которое, в конечном итоге, необходимо будет отвести от газа и которое могло бы быть использовано в регенераторе для повышения эффективности термокомпрессора.

- Эффективность (КПД) термоэлектрической батареи из существующих в настоящее время материалов не превышает 10%, а это обозначает, что около 90% поступаемой в термоэлектрическую батарею электрической энергии будет выделяться в виде низкотемпературного тепла, которое необходимо отводить от устройства. Термоэлектрическая батарея в цилиндре, фактически, будет работать с повышением температурного уровня горячих спаев и отвода тепла от холодных спаев на уровне температуры окружающей среды.

- Существование сплошного цилиндра, служащего одновременно полостью холодной и горячей рабочих камер, способствует передаче тепла от горячей полости цилиндра к холодной по его стенкам, что снижает экономичность термокомпрессора и его эффективность.

- От нетеплоизолированной горячей камеры термокомпрессора возможны большие утечки тепла, что снижает экономичность и эффективность термокомпрессора.

Прототипом предлагаемого устройства является термокомпрессор [3, положительное решение на выдачу патента по заявке №2002103785/06 (003636), МПК⁷ F04В 19/24 от 11.12.2002 г.], содержащий сборный цилиндр, внутри которого расположен, с возможностью перемещения, вытеснитель, делящий цилиндр на горячую камеру с внешней теплоизоляцией и холодную камеру с внешним теплообменником-охладителем, между которыми расположен теплоизоляционный мост, к холодной камере подсоединена газовая магистраль с всасывающим и нагнетающими клапанами, вытеснитель выполнен в виде термоэлектрической батареи, холодные спаи которой обращены к холодной камере, а горячие спаи к - горячей камере, вытеснитель оборудован сквозным регенератором и установленным в холодной камере внешним механическим приводом в виде уплотненного штока, который содержит две электрические шины для подвода к термоэлектрической батарее электрического тока.

Недостатком прототипа является то, что внешняя поверхность штока одновременно выполняет функцию и уплотнителя (где необходима идеально гладкая поверхность), и двух токопроводящих шин, которые постоянно подгорают под действием проходящего на них со щеток электрического тока. Любые неровности поверхности штока приводят к повреждению (как правило, мягкого уплотнителя), что влечет большие потери газа и потерю работоспособности термокомпрессора. Кроме того, выполнить шток, содержащий две токопроводящие шины и электроизоляцию между ними, с идеальной внешней поверхностью сложно и требует применения высоких технологий и неоправданно больших затрат средств.

Указанные недостатки ставят задачи: упрощение штока; организация надежного подвода электрического тока к термоэлектрической батареи; снижение стоимости термокомпрессора; повышение надежности и долговечности термокомпрессора.

Указанная задача достигается тем, что в термокомпрессоре-прототипе шток выполнен в виде трубы, внутри которой находятся изолированные и герметизированные электрические шины, выходы которых установлены сбоку штока и подсоединены к источнику тока при помощи гибких электрических проводов. Выходы электрических шин могут быть также подсоединены к источнику тока при помощи гибкой перекатывающейся ленты, содержащей гибкие электрические вставки. Шток может быть выполнен в виде трубы из электропроводящего материала и выполнять роль одной из электрической шин, а внутри содержать одну изолированную герметизированную электрическую шину.

Введение штока, выполненного в виде трубы, необходимо, во-первых, для обеспечения идеальной обработки его внешней поверхности, что требуется по условиям уплотнения привода вытеснителя (для герметичности термокомпрессора), и, во-вторых, для возможности размещения в нем (трубчатом штоке) изолированных электрических шин для подвода тока к термоэлектрической батареи.

Введение герметизации электроизолированных электрических шин внутри трубчатого штока внешнего привода необходимо для обеспечения герметичности подвода электрического тока и исключения утечек газа из термокомпрессора.

Необходимость нахождения выходов электрических шин сбоку штока обусловлена самим простым решением подключения к ним гибких электрических проводов от источника тока.

Подвод тока к боковым выходам электрических шин штока гибкой перекатывающейся лентой, содержащей гибкие электрические вставки, обусловлен обеспечением максимальной надежности и долговечности термокомпрессора.

Изготовление штока в виде трубы из электропроводящего материала, выполняющей роль одной из электрической шин и внутри содержащей одну изолированную герметизированную электрическую шину, необходимо для максимального упрощения конструкции и повышения ее надежности.

На фиг.1 схематично представлена конструкция термокомпрессора с подводом тока при помощи гибких проводов.

На фиг.2 - выноска 1 (по фиг.1): узел подсоединения электрических шин к термоэлектрической батареи.

На фиг.3 - выноска 2 (по фиг.1): узел подсоединения электрических шин к гибким проводам.

На фиг.4 схематично представлена конструкция термокомпрессора с подводом тока при помощи перекатывающейся ленты, содержащей гибкие электрические вставки.

На фиг.5 - выноска 3 (по фиг.4): узел подсоединения электрических шин к перекатывающейся ленте с гибкими электрическими вставками.

На фиг.6 - вид А (по фиг.5): часть перекатывающейся ленты, содержащей гибкие электрические вставки.

На фиг.7 - использование трубчатого штока из электропроводного материала в качестве одной из электрических шин.

Термокомпрессор содержит сборный цилиндр 1, внутри которого расположен с возможностью перемещения вытеснитель (в виде термоэлектрической батареи) 2, делящий цилиндр на горячую камеру 3 с внешней теплоизоляцией 4 и холодную камеру 5 с внешним теплообменником-охладителем 6, между которыми расположен теплоизоляционный мост 7. К холодной камере 5 подсоединена газовая магистраль 8 с всасывающим 9 и нагнетающими 10 клапанами. Вытеснитель 2 выполнен в виде термоэлектрической батареи, холодные спаи 11 которой обращены к холодной камере 5, а горячие спаи 12 - к горячей камере 3. Вытеснитель 2 оборудован сквозным регенератором 13 и установленным в холодной камере внешним механическим приводом в виде уплотненного штока 14, который содержит две электрические шины 15 для подвода к термоэлектрической батарее 2 электрического тока. Шток 14 выполнен в виде трубы, внутри которой находятся изолированные и герметизированные, например герметиком или эпоксидной композицией 16, электрические шины 15, выходы которых 17 установлены сбоку штока 14 и подсоединены к источнику тока при помощи гибких электрических проводов 18.

Выходы электрических шин 17 термокомпрессора могут быть подсоединены к источнику тока при помощи гибкой перекатывающейся ленты 19, содержащей гибкие электрические вставки 20. Для обеспечения режима перекатывания ленты 19 применены диэлектирические подвижная 21 (закрепленная на штоке 14) и неподвижная 22 (закрепленная на холодном торце цилиндра 1) направляющие.

Если шток 14 выполнен в виде трубы из электропроводящего материала, то он содержит одну изолированную герметизированную электрическую шину 15 (фиг.7).

Работает термокомпрессор следующим образом.

В установившемся режиме в цилиндре 1 при помощи штока 14 вытеснитель (в виде термоэлектрической батареи) 2 совершает возвратно-поступательные движения (в сторону горячей 3 и в сторону холодной 5 рабочих камер). По подвижным электрическим шинам 15 к термоэлектрической батарее 2 вытеснителя подается электрический ток. В термоэлектрической батарее 2 на горячих спаях 12 идет выделение высокотемпературной теплоты, а на холодных спаях 11 - частичное поглощение низкотемпературной теплоты. Фактически термоэлектрическая батарея 2 будет работать в режиме теплового насоса, переводя низкотемпературную теплоту холодной 5 рабочей камеры в высокотемпературную теплоту горячей 3 рабочей камеры. При этом излишки низкотемпературной теплоты из цилиндра 1 термокомпрессора отводятся сквозь стенки холодной 5 рабочей камеры в теплообменник-охладитель 6. В то же время теплоизоляция 4 позволяет сохранять максимальную температуру в горячей 3 рабочей камере, то есть свести к минимуму утечки из нее высокотемпературной теплоты. Паразитный тепловой поток теплопроводностью из горячей 5 рабочей камеры в холодную 4 по стенкам сборного цилиндра 1 будет сведен к минимуму при помощи теплоизоляционного моста 7. В горячей 3 рабочей камере к рабочему телу (перекачиваемому газу) от горячих спаев 12 термоэлектрической батареи 2 будет постоянно подводиться высокотемпературная теплота, а в холодной 5 рабочей камере низкотемпературная теплота от рабочего тела (перекачиваемого газа) будет частично отводиться холодными спаями 11 термоэлектрической батареи 2 и окончательно отводиться через стенки холодной рабочей камеры 5 в теплообменник-охладитель 6. Регенератор 13 в установившемся режиме по своей высоте имеет распределенную температуру элементов своей насадки. Температура насадки регенератора 13 вверху (по фиг.1 и 4) будет близка и температуре горячих спаев 12 термоэлектрической батареи 2, а внизу - близка к температуре холодных спаев 11.

При движении вытеснителя 2 вверх в сторону горячей 3 рабочей камеры горячий газ из горячей 3 рабочей камеры, проходя через регенератор 13 (одновременно отдавая теплоту регенератору 13 и сам охлаждаясь в нем), поступает охлажденным в холодную 5 рабочую камеру, где отдает излишки низкотемпературного своего тепла частично холодным спаям 11 термоэлектрической батарее 2 и окончательно в теплообменник-охладитель 6. Одновременно со снижением температуры рабочего тела - перекачиваемого газа (так как процесс понижения температуры происходит в замкнутом цилиндре 1) падает и давление во всем составном цилиндре 1 термокомпрессора. При снижении давления ниже, чем давление во входной магистрали, открывается впускной самодействующий клапан 9 и в цилиндр 1 по магистрали 8 поступает новая порция перекачиваемого газа до тех пор, пока давления во входной магистрали и в цилиндре 1 не выровняются, после чего впускной клапан 9 закрывается.

При движении вытеснителя 2 обратно (сверху вниз по рисунку фиг.1 и 4) охлажденный (холодный), перекачиваемый газ из холодной 5 рабочей камеры проходит через регенератор 13 в горячую 3 рабочую камеру. Проходя через регенератор 13, газ нагревается, забирая теплоту от насадки регенератора и частично охлаждая последний, поступает нагретым в горячую 3 рабочую камеру, где забирает недостающую часть высокотемпературной теплоты от горячих спаев 12 термоэлектрической батареи 2. Одновременно с повышением температуры рабочего тела (перекачиваемого газа) растет и давление во всем цилиндре 1 термокомпрессора. При повышении давления выше, чем давление в магистрали нагнетания, открывается выпускной самодействующий клапан 10. При этом из цилиндра 1 по магистрали 8 поступает (из холодной 5 рабочей камеры) порция холодного перекачиваемого газа потребителю до тех пор, пока давления в цилиндре 1 и в магистрали нагнетания не выровняются, после чего выпускной клапан 10 закрывается.

Далее вытеснитель начинает двигаться вверх, и все процессы повторяются.

При движении штока 14 (по фиг.1-3) за ним следуют прикрепленные к выходам 17 электрических шин 15 гибкие электрические (изолированные) провода (другие концы которых неподвижны) и, тем самим, обеспечивается непрерывная работа термоэлектрической батареи 2. В случае применения гибкой перекатывающейся ленты 19, содержащей гибкие электрические вставки 20, обеспечиваются максимальная надежность и долговечность термокомпрессора. Лента 19 перекатывается по оптимальному для нее радиусу между диэлектрическими направляющими: подвижной 21 - закрепленная на штоке 14, и неподвижная 22 - закрепленная на холодном торце цилиндра 1.

При применении штока 14, выполненного в виде трубы из электропроводящего материала и содержащего одну изолированную герметизированную электрическую шину 15, подвод электрического тока к термоэлектрической батарее может осуществляться как с помощью гибких проводов 19, так и с помощью гибкой перекатывающейся ленты 19, содержащей гибкие электрические вставки 20.

Использование предложенного изобретения позволяет создать высокоэффективное уплотнение подвижного штока 14 благодаря однородности его внешней поверхности, допускающей обработку с любой степенью чистоты, и, вместе с тем, обеспечить надежный гарантированный подвод тока к подвижному вытеснителю - термоэлектрической батарее 2, что необходимо для работы термокомпрессора.

То есть, по сравнению с прототипом, предложенное техническое решение позволяет повысить эффективность термокомпрессора. Таким образом, предложенный термокомпрессор в целом как самостоятельное устройство устраняет недостатки своего прототипа и является новым техническим решением, обладающим критериями изобретения. В предложенном виде термокомпрессор может найти реальное применение в самых различных системах для сжатия и перекачивания газов.

1. Термокомпрессор, содержащий сборный цилиндр, внутри которого расположен с возможностью перемещения вытеснитель, делящий цилиндр на горячую камеру с внешней теплоизоляцией и холодную камеру с внешним теплообменником-охладителем, между которыми расположен теплоизоляционный мост, к холодной камере подсоединена газовая магистраль с всасывающим и нагнетающими клапанами, вытеснитель выполнен в виде термоэлектрической батареи, холодные спаи которой обращены к холодной камере, а горячие спаи - к горячей камере, вытеснитель оборудован сквозным регенератором и установленным в холодной камере внешним механическим приводом в виде уплотненного штока, который содержит две электрические шины для подвода к термоэлектрической батарее электрического тока, отличающийся тем, что шток выполнен в виде трубы, внутри которой находятся изолированные и герметизированные электрические шины, выходы которых установлены сбоку штока и подсоединены к источнику тока при помощи гибких электрических проводов.

2. Термокомпрессор по п.1, отличающийся тем, что выходы электрических шин подсоединены к источнику тока при помощи гибкой перекатывающейся ленты, содержащей гибкие электрические вставки.

3. Термокомпрессор по п.1, отличающийся тем, что шток выполнен в виде трубы из электропроводящего материала и внутри содержит одну изолированную герметизированную электрическую шину.