Устройство изменения давления газа в камере пневмопривода

Изобретение относится к компрессорам 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. Нижняя точка рабочей емкости соединена трубопроводом с насосом, выход которого соединен трубопроводом с золотниковым распределителем. Последний содержит корпус, в котором установлен подпружиненный золотник с каналом в виде кольцеобразной проточки и две дополнительные фиксирующие кольцеобразные проточки с фиксатором крайних положений в виде подпружиненного шарика. Надпоршневая полость распределителя соединена с емкостью. Выходы распределителя соединены: правый «на нагрев» трубопроводом первоначально подведен к нижней точке полости теплоиспользующей рубашки компрессионной камеры, верхняя точка полости рубашки подсоединена трубопроводом ко входу нагревателя. Левый «на охлаждение» трубопроводом подсоединен к охладителю. Выход нагревателя соединен с форсунками коллектора, а выход охладителя соединен трубопроводом с форсунками коллектора. Достигается полезное использование отводимой от сжимаемого газа теплоты для теплового сжатия и нагнетания газа. 1 ил.

 

Изобретение относится к пневмоприводам, преимущественно 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 (SU1368483, 23.01. 1986)

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, содержащее 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. (SU № 1767215, 07.10.1992).

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, в частности обеспечение регенерации тепла при организации термического (теплового) сжатия и расширения, реализована в устройстве, которое представлено патентом RU № 2276746, 20.05.2006.

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 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 к входной правой магистрали дополнительного канала, а выход охладителя подсоединен трубопроводом ко входной магистрали дополнительного канала.

Недостатками этого устройства 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 того, в-третьих, большие потери тепла 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 тепла, решается в известном 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 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 (RU2276745 С1, 20.05.2006).

Недостатком известного устройства-прототипа является то, что с одной стороны подводят тепло для сжатия и нагнетания газа, а с другой отводят тепло от сжимаемого газа. То есть существуют значительные непроизводительные затраты тепла. Ввиду указанного недостатка устройство обладает заниженным коэффициентом полезного действия.

Указанные недостатки ставят задачу повышения эффективности устройства изменения давления газа в камере пневмопривода в целом, в частности использование отводимого от сжимаемого газа для предварительного подогрева легкоиспаряющейся жидкости. Решение поставленной задачи позволит избежать непроизводительных потерь (по крайней мере, их значительно снизить). То есть большей частью теплоты, выделяющейся от сжимаемого газа в компрессионной камере, можно предварительно подогреть идущий на нагрев теплоноситель - легкоиспаряющуюся жидкость - и тем самим не только сэкономить энергию, затрачиваемую на нагрев теплоносителя, но и существенно снизить низкотемпературные потери (безвозвратные) теплоты в окружающую среду. При этом сокращаются энергетические затраты и конструкционные решения на отвод низкотемпературной теплоты в окружающую среду.

Указанная задача решается тем, что устройство изменения давления газа в камере пневмопривода, содержащее корпус, разделенный упругой диафрагмой на рабочую емкость, изнутри покрытую слоем теплоизоляции и 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 коллекторам с форсунками рабочей емкости соответственно нагревателя и охладителя, причем полусферическая наружная поверхность компрессионной камеры снабжена теплоиспользующей рубашкой, внешняя поверхность которой покрыта слоем теплоизоляции, причем выходной трубопровод золотникового распределителя «на нагрев» первоначально подведен к нижней точке полости теплоиспользующей рубашки компрессионной камеры, верхняя точка полости теплоиспользующей рубашки подсоединена трубопроводом ко входу нагревателя.

Введение теплоиспользующей рубашки на полусферической наружной поверхности компрессионной камеры необходимо для использования теплоты, которая выделяется при сжатии газа в компрессионной камере. Количество выделяемого при сжатии газа равно подведенной к газу работе (на сжатие), то есть фактически равно всей полезной работе, которую получают и используют в рабочей камере устройства. В результате применения этого признака эффективность работы устройства в целом значительно повысится.

Введение на теплоиспользующей рубашке полусферической наружной поверхности компрессионной камеры слоя теплоизоляции необходимо для исключения потерь тепла от подогретой, легкоиспаряющейся жидкости. Данные потери тепла без использования слоя теплоизоляции могут достигать четверти-трети тепла, подведенного от сжимаемого газа к легкоиспаряющейся жидкости.

Введение соединений «выходной трубопровод золотникового распределителя на нагрев первоначально подведен к нижней точке полости теплоиспользующей рубашки компрессионной камеры, верхняя точка полости теплоиспользующей рубашки подсоединена трубопроводом к входу нагревателя» необходимо для самого эффективного отбора тепла в теплоиспользующей рубашке компрессионной камере предложенного устройства.

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 насосом 9, выход которого соединен трубопроводом 10 с золотниковым распределителем 11. Золотниковый распределитель 11 содержит корпус, в котором с малым зазором установлен золотник 12 с каналом 13 в виде кольцеобразной проточки и две дополнительные фиксирующие кольцеобразные проточки 14, а сам золотник 12 подпружинен пружиной 15, другой конец которой упирается в винт 16, регулирующий степень сжатия пружины 15. Причем корпус золотникового распределителя 11 имеет фиксатор 17 золотника 12 в виде подпружиненного шарика. Надпоршневая полость золотникового распределителя 11 соединена с газовой полостью рабочей емкости 3 трубопроводом 18. Выходы золотникового распределителя соединены: правый «на нагрев» трубопроводом 19 первоначально подведен к нижней точке полости теплоиспользующей рубашки 20 компрессионной камеры 5, верхняя точка полости рубашки 20 подсоединена трубопроводом ко входу нагревателя 21; левый «на охлаждение» трубопроводом 22 подсоединен к охладителю 23. Выходы нагревателя 21 подсоединен к коллектору 24 (нагревателя 21) с форсунками, а выход охладителя 23 соединен трубопроводом к коллектору 25 (охладителя 23) с форсунками. Коллекторы 24 и 25 размещены в верхней части внутри газовой полости емкости 3. Теплоиспользующая рубашка 20 компрессионной камеры 5 снаружи имеет слой теплоизоляции 25. Слоем теплоизоляции 27 также покрыта внутренняя поверхность рабочей полости 3.

Работает устройство следующим образом.

Сначала включается насос 9, который всасывает лекоиспаряющуюся жидкость 4 через трубопровод 8 из рабочей емкости 3 и нагнетает ее через трубопровод 10 в золотниковый распределитель 11, из которого жидкость 4 «на нагрев» по трубопроводу 19 первоначально поступает к нижней точке полости теплоиспользующей рубашки 20 компрессионной камеры 5, где жидкость 4 первоначально подогревается и далее из верхней точки полости рубашки 20 трубопроводом подводится к входу нагревателя 21. В нагревателе 21 легкоиспаряющаяся жидкость 4 окончательно нагревается, частично испаряясь, и поступает через форсунки (горячего) коллектора 24 в полость емкости 3. 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 давление, действуя через трубопровод 18 на золотник 12, освобождает его от фиксатора 17, и золотник, резко (быстро) сжимая пружину 15, перемещается влево (по чертежу), при этом фиксатор 17 переходит с левой кольцеобразной проточки 14 в правую проточку 14 и фиксирует в этом положении золотник 12, который своим кольцеобразным каналом 13 закрывает трубопровод 19 и открывает трубопровод 22, в результате чего жидкость 4 прогоняется насосом 9 через охладитель 23, в котором она охлаждается до температуры, близкой температуре охладителя, и далее поступает через форсунки (холодного) коллектора 25 в газовую полость емкости 3. При этом температура и давление в емкости 3 падают, и упругая диафрагма 2 вытягивается внутрь емкости 3 - происходит процесс 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 сжатой пружины 15 (благодаря понижению давления на золотник 12 распределителя 11) поршень 12 освобождается от фиксатора 17 и золотник 12 переходит в течение малого промежутка времени вправо (по чертежу в исходное положение). При этом фиксируется правая кольцеобразная проточка 14 золотника 12 - трубопровод 19 снова открыт, а трубопровод 20 закрыт. Жидкость 4 снова поступает первоначально в полость теплоиспользующей рубашки 20 компрессионной камеры 5 и далее в нагреватель 21, и весь процесс повторяется. Теплоизоляционное покрытие 26 препятствует потерям теплоты от компримируемого газа в окружающую среду, а теплоизоляционное покрытие 27 препятствует периодическому нагреву-охлаждению корпуса 1, чем существенно снижаются потери теплоты при эксплуатации устройства.

При периодическом сжатии и нагнетании газа выделяющаяся при этом теплота поглощается легкоиспаряющейся жидкостью 4 в полости теплоиспользующей рубашки 20, и процесс сжатия газа происходит почти изотермически, и в то же время отобранная от сжимаемого газа теплота используется полезно для предварительного подогрева легкоиспаряющейся жидкости перед ее поступлением в нагреватель. Все это существенно повышает эффективность эксплуатации устройства, то есть его коэффициент полезного действия.

Таким образом, описанное техническое решение решает задачу повышения эффективности устройства изменения давления газа в камере пневмопривода в целом, в частности использование отводимого от сжимаемого газа для предварительного подогрева легкоиспаряющейся жидкости. Решение поставленной задачи позволит избежать непроизводительных потерь (по крайней мере, их значительно снизить). Так количество выделяемого при сжатии газа тепла равно подведенной к газу работе, то есть фактически равно всей полезной работе, которую получают и используют в рабочей камере устройства. В результате этого при интенсивном теплоподводе от сжимаемого газа к легкоиспаряющейся жидкости процесс сжатия газа в компрессионной камере будет близким к изотермическому. Это, в свою очередь, повышает эффективность процесса сжатия и нагнетания газа и также повышает надежность устройства, так как будет исключен перегрев упругой диафрагмы компрессионной камеры и выпускного клапана.

В описываемом устройстве решено основное противоречие (в компрессорной технике), при котором с одной стороны подводят тепло для сжатия и нагнетания газа, а с другой отводят тепло от сжимаемого газа.

То есть использование предложенного устройства позволит повысить эффективность и надежность устройства в целом: 1 - за счет использования бросового тепла от сжатия газа; 2 - за счет снижения непроизводительных затрат тепла; 3 - за счет повышения изотермичности сжатия и нагнетания газа.

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, изнутри покрытую слоем теплоизоляции и 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 коллекторам с форсунками рабочей емкости соответственно нагревателя и охладителя, отличающееся тем, что полусферическая наружная поверхность компрессионной камеры снабжена теплоиспользующей рубашкой, внешняя поверхность которой покрыта слоем теплоизоляции, причем выходной трубопровод золотникового распределителя «на нагрев» первоначально подведен к нижней точке полости теплоиспользующей рубашки компрессионной камеры, верхняя точка полости теплоиспользующей рубашки подсоединена трубопроводом к входу нагревателя.