Устройство изменения давления газа в камере пневмопривода
Устройство предназначено для использования в компрессорах объемного вытеснения с теплоиспользующим приводом. Содержит корпус, разделенный упругой диафрагмой на рабочую емкость, частично заполненную легкоиспаряющейся жидкостью, и полусферическую компрессионную камеру, содержащую впускной и выпускной клапаны. Емкость снизу соединена с входом гидравлического насоса. Газовая полость емкости соединена с приводной правой полостью золотникового распределителя, с подпружиненным слева золотником и фиксатором его крайних положений. Золотник содержит два одинаковых кольцеобразных распределительных канала, основной и дополнительный, каждый из которых имеет правые и левые, а по ходу жидкости входные и выходные магистрали в корпусе распределителя. Выход гидравлического насоса соединен с правой и левой входными магистралями основного канала, а правая и левая выходные магистрали дополнительного канала подсоединены к коллектору с форсунками. Нагреватель и охладитель своими входами соединены между собой через регенератор теплоты. Выход нагревателя соединен с выходной левой магистралью основного канала и со входной правой магистралью дополнительного канала. Выход охладителя соединен с выходной правой магистралью основного канала и со входной левой магистралью дополнительного канала. Повышается эффективность из-за упрощения конструкции. Повышается производительность, улучшаются условия регенерации теплоты. 1 ил.
Изобретение относится к пневмоприводам, преимущественно к компрессорам или насосам объемного вытеснения, в которых для сжатия и нагнетания газа используется энергия в виде теплоты.
Известен способ изменения давления газа в камере пневмопривода (SU 1368483, 23.01.1988).
Недостатками устройства для реализации данного способа являются низкая надежность из-за неизбежного смешения перекачиваемого газа с легкоиспаряющейся жидкостью, а также из-за неопределенности положения поршня золотника в режиме переключения; сложность конструкции и наличие множества элементов, требующих постоянного переключения; необходимость фиксации золотникового распределителя от поворота вокруг своей оси; большие напряжения упругой диафрагмы компрессионной камеры из-за прямоугольных контуров камеры.
Известно устройство изменения давления газа в камере пневмопривода (SU 1767215, 07.10.1992).
Это устройство содержит корпус, который разделен диафрагмой на рабочую емкость, частично заполненную легкоиспаряющейся жидкостью, и компрессионную камеру для перекачивания газа с впускным и выпускным клапанами. Трубопровод соединяет нижнюю точку емкости с входом в насос. Выход насоса соединен двумя входными трубопроводами с цилиндрическим полым корпусом золотникового распределителя, с установленным внутри подпружиненным поршнем с каналом и приводной полостью. Корпус распределителя подсоединен к двум выходным трубопроводам, подсоединенным соответственно через нагреватель и охладитель к форсункам (коллектора) рабочей емкости. Приводная полость распределителя соединена магистралью с газовой полостью рабочей емкости. Корпус распределителя снабжен фиксатором крайних положений поршня, выполненным в виде подпружиненного шарика.
Недостатком известного устройства являются большие потери теплоты на периодический нагрев и охлаждение корпуса рабочей камеры и коллектора с форсунками для легкоиспаряющейся жидкости.
Задача повышения эффективности устройства изменения давления газа в камере пневмопривода, в частности снижения непроизводительных затрат теплоты, решается в известном устройстве изменения давления газа в камере пневмопривода (RU 2276745, 20.05.2006 г.).
Это устройство содержит корпус, разделенный упругой диафрагмой на рабочую емкость, частично заполненную легкоиспаряющейся жидкостью, и компрессионную полусферическую камеру для перекачивания газа с впускным и выпускным клапанами, трубопровод, соединяющий нижнюю точку емкости с входом в насос, выход которого соединен трубопроводом с цилиндрическим полым корпусом золотникового распределителя с приводной полостью, соединенной магистралью с газовой полостью рабочей емкости, и с установленным внутри подпружиненным золотником, снабженным фиксатором крайних положений поршня, выполненным в виде подпружиненного шарика и двух ответных кольцевых проточек на золотнике, который содержит кольцеобразный распределительный канал, при этом выход корпуса золотникового распределителя подсоединен двумя выходными трубопроводами соответственно через нагреватель и охладитель к коллектору с форсунками рабочей емкости. При этом рабочая емкость изнутри покрыта слоем теплоизоляции, коллекторы с форсунками для нагретой и охлажденной легкоиспаряющейся жидкости выполнены раздельными, а полусферическая наружная поверхность компрессионной камеры снабжена конвективным воздушным охладителем.
Недостатком известного устройства является его низкая эффективность, которая вызвана отсутствием регенерации тепла при организации термического (теплового) сжатия и расширения.
Задача повышения эффективности «Устройства изменения давления газа в камере пневмопривода», в целом и в частности, обеспечена путем регенерации тепла при организации термического (теплового) сжатия и расширения и реализована в устройстве RU 2276746, 20.05.2006 г. Это устройство принято за прототип.
Прототип содержит корпус, разделенный упругой диафрагмой на рабочую емкость, частично заполненную легкоиспаряющейся жидкостью, и компрессионную полусферическую камеру для перекачивания газа с впускным и выпускным клапанами, трубопровод, соединяющий нижнюю точку емкости с верхней частью аккумулирующей емкости, расположенной выше уровня рабочей емкости, верхняя часть аккумулирующей емкости также соединена трубопроводом с газовой полостью рабочей емкости через термоклапан, расположенный в газовой полости рабочей емкости. Газовая полость рабочей емкости трубопроводом соединена с приводной - правой полостью золотникового распределителя, с установленным в нем подпружиненным слева золотником, снабженным фиксатором крайних положений поршня, выполненным в виде подпружиненного шарика и двух ответных кольцевых проточек на золотнике, золотник также содержит два аналогичных кольцеобразных распределительных канала: основной и дополнительный, каждый из которых имеет правые и левые, а по ходу легкоиспаряющейся жидкости - входные и выходные магистрали в корпусе золотникового распределителя. Нижняя часть аккумулирующей емкости трубопроводом через запорный вентиль и обратный клапан соединена трубопроводами с правой и левой входными магистралями основного канала, правая и левая выходные магистрали дополнительного канала подсоединены трубопроводами к коллектору с форсунками рабочей емкости, нагреватель и охладитель своими входами соединены между собой через регенератор теплоты для легкоиспаряющейся жидкости, причем выход золотникового распределителя на нагрев - выход правой магистрали основного канала трубопроводом подсоединен к трубопроводу между охладителем и регенератором, выход золотникового распределителя на охлаждение - выход левой магистрали основного канала трубопроводом подсоединен к трубопроводу между нагревателем и регенератором, выход нагревателя подсоединен трубопроводом ко входной правой магистрали дополнительного канала, а выход охладителя подсоединен трубопроводом ко входной магистрали дополнительного канала.
Недостатками устройства-прототипа являются, во-первых, сложность и низкая надежность его конструкции и, во-вторых, низкая частота переключения его режимов нагрева-охлаждения, другими словами, низкая цикличность работы, в результате которой будет низкая производительность всего устройства. Кроме этого, его регенератор теплоты работает в узком диапазоне рабочих температур, что существенно снижает его эффективность.
Указанный недостаток ставит задачи упрощения конструкции устройства-прототипа и повышения его эффективности за счет повышения цикличности его работы, то есть работы устройства с повышенной частотой, а также за счет обеспечения работы регенератора теплоты в максимально широком диапазоне рабочих температур.
Указанные выше задачи достигаются тем, что упрощение конструкции устройства-прототипа достигается упрощением схемы движения легкоиспаряющейся жидкости по трубопроводам, а также заменой дополнительной емкости с термоклапаном на гидравлический насос. Движение легкоиспаряющейся жидкости по магистралям в предложенном устройстве организуется при помощи гидравлического насоса. При этом также достигается повышение эффективности функционирования теплообменных аппаратов устройства за счет повышения скорости протекания через них легкоиспаряющейся жидкости (и организации конвективного теплообмена в нагревателе, охладителе и регенераторе теплоты). Ввиду вышеизложенного появляется возможность снижения массогабаритных характеристик теплообменных аппаратов.
Таким образом, указанная задача решается тем, что в устройстве изменения давления газа в камере пневмопривода, содержащем корпус, разделенный упругой диафрагмой на рабочую емкость, частично заполненную легкоиспаряющейся жидкостью, и компрессионную полусферическую камеру для перекачивания газа с впускным и выпускным клапанами, трубопровод, соединяющий нижнюю точку емкости с входом в гидравлический насос, газовая полость рабочей емкости трубопроводом соединена с приводной - правой полостью золотникового распределителя, с установленным в нем подпружиненным слева золотником, снабженным фиксатором крайних положений поршня, выполненным в виде подпружиненного шарика и двух ответных кольцевых проточек на золотнике, золотник также содержит два аналогичных кольцеобразных распределительных канала: основной и дополнительный, каждый из которых имеет правые и левые, а по ходу легкоиспаряющейся жидкости входные и выходные магистрали в корпусе золотникового распределителя, выход гидравлического насоса соединен трубопроводами с правой и левой входными магистралями основного канала, правая и левая выходные магистрали дополнительного канала подсоединены трубопроводами к коллектору с форсунками рабочей емкости, нагреватель и охладитель своими входами соединены между собой через регенератор теплоты для легкоиспаряющейся жидкости, причем выход нагревателя трубопроводами соединен с выходной левой магистралью основного канала и со входной правой магистралью дополнительного канала, а выход охладителя трубопроводами соединен с выходной правой магистралью основного канала и со входной левой магистралью дополнительного канала.
Введение соединений: выход нагревателя трубопроводами соединен с выходной левой магистралью основного канала и со входной правой магистралью дополнительного канала, а выход охладителя трубопроводами соединен с выходной правой магистралью основного канала и со входной левой магистралью дополнительного канала, необходимо для организации такого движения потоков легкоиспаряющейся жидкости, при котором возможна регенерация тепла с работой регенератора теплоты в диапазоне рабочих температур нагревателя и охладителя, что повышает эффективность его работы. Кроме того, это существенно упрощает конструкцию всего устройства (сокращается длина используемых трубопроводов и количество соединений) и повышает его надежность.
На чертеже изображена схема устройства изменения давления газа в камере пневмопривода.
Устройство содержит корпус 1, разделенный упругой диафрагмой 2 на рабочую емкость 3, частично заполненную легкоиспаряющейся жидкостью 4, и полусферическую компрессионную камеру 5, содержащую впускной 6 и выпускной 7 клапаны. Нижняя точка рабочей емкости 3 соединена трубопроводом 8 с входом в гидравлический насос 9. Газовая полость рабочей емкости 3 трубопроводом 10 соединена с приводной - правой (надпоршневой) полостью золотникового распределителя 11, в котором с минимальным зазором установлен подпружиненный слева пружиной 12 золотник (поршень) 13, снабженный фиксатором крайних положений золотника (поршня) 13, выполненным в виде подпружиненного шарика 14 и двух ответных кольцевых проточек 15 на золотнике 13. Другой конец пружины 12 упирается в винт 16, регулирующий степень сжатия пружины 12. Золотник 13 также содержит два аналогичных друг другу кольцеобразных распределительных канала: основной 17 и дополнительный 18, каждый из которых имеет (свои ответные) правые и левые, а по ходу легкоиспаряющейся жидкости входные и выходные магистрали в корпусе золотникового распределителя. Выход гидравлического насоса 9 соединен трубопроводами 19 с правой и левой входными магистралями основного канала 17, а правая и левая выходные магистрали дополнительного канала 18 подсоединены трубопроводами 20 к коллектору с форсунками 21 рабочей емкости 3. Нагреватель 22 и охладитель 23 своими входами соединены между собой через регенератор теплоты 24 для легкоиспаряющейся жидкости 4. Выход нагревателя 22 трубопроводами 25, 26 и 27 соединен с выходной левой магистралью основного канала 17 и со входной правой магистралью дополнительного канала 18. Выход охладителя 23 трубопроводами 28, 29 и 30 соединен с выходной правой магистралью основного канала 17 и со входной левой магистралью дополнительного канала 18.
Работает устройство следующим образом.
Сначала включается насос 9, который всасывает легкоиспаряющуюся жидкость 4 через трубопровод 8 из рабочей емкости 3 и нагнетает ее через трубопровод 19 во входную правую магистраль основного распределительного канала 17 золотника 13 распределителя 11. Проходя через канал 17, жидкость 4 через правую выходную магистраль по трубопроводам 30 и 28 поступает через охладитель 23, регенератор теплоты 24 (в котором она подогревается) и нагреватель 22 (где жидкость 4 окончательно нагревается и частично испаряется), а затем по трубопроводам 25 и 26 поступает во входную правую магистраль дополнительного канала 18 золотника 13 распределителя 11, из которого по трубопроводам 20 поступает в коллектор 21 с форсунками.
Температура парожидкостной фазы в рабочей полости емкости 3 растет, и повышается давление, при действии которого деформируется упругая диафрагма 2, которая сжимает газ в компрессионной камере 5, образованной корпусом 1, и нагнетает сжатый газ потребителю через выпускной клапан 7. При максимальном повышении давления в емкости 3 (когда диафрагма будет в своем крайнем правом положении - прижата к полусферической стенке компрессионной камеры 5) давление пара легкоиспаряющейся жидкости 4 будет расти и, действуя через трубопровод 10 на золотник 13, освобождает его от фиксатора 14, и золотник 13, резко (быстро) сжимая пружину 12, перемещается влево (по чертежу). При этом фиксатор 14 переходит с левой кольцеобразной проточки 15 в правую проточку 15 и фиксирует в этом положении золотник 13. Золотник 13 своим основным кольцеобразным каналом 17 закрывает магистраль трубопровода 30 и открывает магистраль трубопровода 27, а также дополнительным своим кольцеобразным каналом 18 закрывает магистраль трубопровода 26 и открывает магистраль трубопровода 29.
В результате этого легкоиспаряющаяся жидкость 4 прогоняется насосом 9 после золотникового распределителя 11 по трубопроводам 27 и 25, далее через нагреватель 22, регенератор 24 (в котором жидкость 4 подохлаждается, нагревая его насадку) и далее в холодильник 21 (где она окончательно охлаждается) и поступает по трубопроводам 28 и 29 на второе (левое по чертежу) положение дополнительного кольцеобразного канала 19, после которого жидкость 4 по трубопроводам 20 попадает в коллектор 21 с форсунками в полость емкости 3.
Температура и давление в емкости 3 падают, и упругая диафрагма 2 втягивается внутрь емкости 3 - происходит процесс понижения давления и всасывания перекачиваемого газа в компрессионную камеру 5 через впускной клапан 6. По окончании процесса всасывания, когда давление в емкости 3 понизилось до определенного значения, под действием перепада давлений на золотнике 13 и усилия сжатой пружины 12 золотник 13 освобождается от фиксатора 14 и переходит в течение малого промежутка времени вправо (по чертежу в исходное положение). При этом фиксируется правая кольцеобразная проточка 15 золотника 13 - магистрали трубопроводов 30 и 26 снова открыты, а магистрали трубопроводов 27 и 29 закрыты. Жидкость 4 снова поступает на нагрев через охладитель 23 регенератор 24 и нагреватель 22, и весь процесс повторяется.
При организации движения потока легкоиспаряющейся жидкости 4 на нагрев через охладитель-регенератор-нагреватель, и на ее охлаждение через нагреватель-регенератор-охладитель в регенераторе 24 осуществляется регенерация теплоты с работой регенератора в диапазоне рабочих температур нагревателя и охладителя (то есть с максимально возможным диапазоном температур), что существенно повышает эффективность работы регенератора 24.
В представленном устройстве для сжатия и нагнетания газа используется энергия в виде теплоты, а для интенсификации процесса сжатия - увеличения цикличности теплового компримирования - вспомогательная электрическая энергия для принудительной прокачки гидравлическим насосом жидкого теплоносителя через теплообменные аппараты.
По сравнению с прототипом в представленной разработке значительно упрощена конструкция устройства и повышена надежность его работы, также сокращена длина используемых трубопроводов и количество их соединений и, следовательно, уменьшено гидравлическое сопротивление перекачки легкоиспаряющейся жидкости.
Применение в качестве легкоиспаряющейся жидкости вещества с температурой конденсации, близкой к температуре окружающей среды, и с температурой кипения, на несколько десятков градусов выше нуля по Цельсию (например, некоторые фреоны), позволяет использовать устройство как вторичный источник энергии (сжатого газа) при использовании бросового тепла, солнечного излучения, энергии термальных вод и других экологически чистых источников энергии.
Устройство изменения давления газа в камере пневмопривода, содержащее корпус, разделенный упругой диафрагмой на рабочую емкость, частично заполненную легкоиспаряющейся жидкостью, и компрессионную полусферическую камеру для перекачивания газа с впускным и выпускным клапанами, трубопровод, соединяющий нижнюю точку емкости с входом в гидравлический насос, газовая полость рабочей емкости трубопроводом соединена с приводной - правой полостью золотникового распределителя, с установленным в нем подпружиненным слева золотником, снабженным фиксатором крайних положений поршня, выполненным в виде подпружиненного шарика и двух ответных кольцевых проточек на золотнике, золотник также содержит два аналогичных кольцеобразных распределительных канала - основной и дополнительный, каждый из которых имеет правые и левые, а по ходу легкоиспаряющейся жидкости входные и выходные магистрали в корпусе золотникового распределителя, выход гидравлического насоса соединен трубопроводами с правой и левой входными магистралями основного канала, правая и левая выходные магистрали дополнительного канала подсоединены трубопроводами к коллектору с форсунками рабочей емкости, нагреватель и охладитель своими входами соединены между собой через регенератор теплоты для легкоиспаряющейся жидкости, отличающееся тем, что выход нагревателя трубопроводами соединен с выходной левой магистралью основного канала и со входной правой магистралью дополнительного канала, а выход охладителя трубопроводами соединен с выходной правой магистралью основного канала и со входной левой магистралью дополнительного канала.
