Способ работы компрессора объемного действия

Изобретение относится к области компрессоров объемного действия и может быть использовано для повышения их экономичности и быстроходности. Способ заключается в циклическом попеременном уменьшении и увеличении объема рабочей камеры за счет движения в ней рабочего органа. При увеличении объема рабочая камера соединяется с источником, а при уменьшении - с потребителем рабочей газообразной среды с помощью самодействующих всасывающих и нагнетательных клапанов, имеющих подвижные запорные элементы. В течение произвольно выбранного цикла производят измерение отрезка времени от момента прохождения рабочим органом выбранной контрольной точки до момента начала открытия и(или) закрытия клапана t_OP. После чего в течение произвольно выбранного числа рабочих циклов производят принудительное открытие и(или) закрытие клапана через промежуток времени t_0t от момента прохождения рабочим органом выбранной контрольной точки, определяемый формулой: t_0t=t_OP-t_IN-t_EL, где t_OP - промежуток времени от момента прохода рабочего органа контрольной точки до момента начала открытия и(или) закрытия клапана под действием перепада давления на запорном элементе, измеряется в произвольно взятом цикле; t_EL - время срабатывания механизма принудительного открытия и(или) закрытия клапана; t_IN - время запаздывания открытия и(или) закрытия клапана, определяемое силами инерции, действующими на запорный элемент. Описанный способ позволяет организовать близкое к идеальному открытие и закрытие клапанов, практически избавиться от колебаний их запорных элементов, что снижает потери механической работы цикла в процессах всасывания и нагнетания. 2 ил.

 

Изобретение относится к области компрессоров объемного действия и может быть использовано для повышения их экономичности и быстроходности.

Известен способ работы компрессора объемного действия, заключающийся в циклическом попеременном уменьшении и увеличении объема рабочей камеры за счет движения в ней рабочего органа (см., например, кн.: Б.С. Фотин, И.Б. Пирумов, И.К. Прилуцкий, П.И. Пластинин. Поршневые компрессоры. - Л.: Машиностроение, 1987. - 372 с., стр.5, рис.B.1).

Известен также способ работы компрессора объемного действия, заключающийся в циклическом попеременном уменьшении и увеличении объема рабочей камеры за счет движения в ней рабочего органа, причем при увеличении объема рабочая камера соединяется с источником, а при уменьшении - с потребителем рабочей газообразной среды с помощью самодействующих всасывающих и нагнетательных клапанов, имеющих подвижные запорные элементы (см., например, кН.: П.И. Пластинин. Поршневые компрессоры. М.: Колос, 2000. - 456 с., стр.12-13, рис.1.2 и 1.3).

Недостатком известных способов являются значительные потери механической работы, подведенной к рабочему органу, в процессах нагнетания и всасывания, что связано с неизбежным запаздыванием открытия и закрытия самодействующих клапанов из-за сил инерции, действующих на подвижные запорные элементы, и вынужденно большой силы пружин. Даже в сравнительно тихоходных компрессорах объемного действия потери работы в процессах нагнетания и всасывания могут достигать 10 и более процентов, а в быстроходных компрессорах - до 30%.

Задачей изобретения является снижение потерь механической работы (увеличение КПД) и повышение быстроходности компрессоров объемного действия.

Указанная задача решается тем, что в течение произвольно выбранного цикла производят измерение отрезка времени от момента прохождения рабочим органом выбранной контрольной точки до момента начала открытия и(или) закрытия клапана t_OP, после чего в течение произвольно выбранного числа рабочих циклов производят принудительное открытие и(или) закрытие клапана через промежуток времени t_0t от момента прохождения рабочим органом выбранной контрольной точки, определяемый формулой

t_0t=t_OP-t_IN-t_EL,

где t_OP - промежуток времени от момента прохода рабочего органа контрольной точки до момента начала открытия и(или) закрытия клапана под действием перепада давления на запорном элементе, измеряется в произвольно взятом цикле; t_EL - время срабатывания механизма принудительного открытия и(или) закрытия клапана; t_IN - время запаздывания открытия и(или) закрытия клапана, определяемое силами инерции, действующими на запорный элемент.

Реализация предложенного способа работы компрессора объемного действия показана ниже на примере одноступенчатого поршневого компрессора с тронковым поршнем и поясняется чертежами.

На фиг.1 схематично показана ступень поршневого компрессора при произвольном положении поршня и шатуна (штриховыми линиями показано положение поршня и шатуна в нижней мертвой точке - НМТ), а на фиг.2 - структура управления самодействующими клапанами.

Компрессор состоит из цилиндра 1, в котором размещен рабочий орган - поршень 2, приводимый в возвратно-поступательное движение шатуном 3, установленном на кривошипе 4, который является частью приводного вала 5. Поршень 2 и цилиндр 1 образуют рабочую камеру 6, которая при возвратно-поступательном движении поршня 2 циклически попеременно увеличивается и уменьшается в объеме. В верхней части цилиндра 1 имеется клапанная коробка 7 с полостями всасывания 8 (соединена с источником рабочей газообразной среды) и нагнетания 9 (соединена с потребителем рабочей газообразной среды). В полости всасывания 8 установлен самодействующий всасывающий клапан, состоящий из подпружиненного пружиной 10 стального подвижного запорного элемента 11 и седла 12. В полости нагнетания 9 установлен самодействующий нагнетательный клапан, состоящий из подпружиненного пружиной 13 стального подвижного запорного элемента 14 и седла 15. В обеих полостях (8 и 9) установлены электромагниты соответственно с обмотками 16, 17 и 18, 19, надетыми на стальные сердечники, с возможностью воздействия этих электромагнитов на запорные элементы 11 и 14. На нижней головке шатуна 3 закреплен постоянный магнит 20, а по оси цилиндра 2 в его нижней части установлен датчик положения 21 (например, индукционного типа).

Структура управления (фиг.2) движением запорных элементов 11 и 14 состоит из счетчика количества оборотов 22, прерывателя 23, преобразователя сигнала 24, таймера 25, коммутатора 26, сравнивающего устройства 27, оперативного запоминающего устройства 28 с входами А, Б, В, Г, счетчика 29, прерывателя 30, вычислителя 31 и ключа 32.

Способ работы машины объемного действия реализуется следующим образом.

В общем случае (фиг.1) при вращении приводного вала 5 кривошип 4 и шатун 3 преобразуют это вращательное движение в возвратно-поступательное движение поршня 2, в результате чего происходит попеременное изменение (уменьшение и увеличение) объема рабочей камеры 6. При увеличении ее объема происходит всасывание газа через всасывающий самодействующий клапан (поз.10-12), а при уменьшении объема - сжатие газа с последующим его нагнетанием через самодействующий нагнетательный клапан (поз.13-15).

При пуске компрессора приводной вал 5 начинает движение из любого положения, а в счетчик количества оборотов 22 (фиг.2) записывается ноль, который передается прерывателю 23, разрывающему связь преобразователя сигнала 24 с дальнейшей схемой управления, и всасывающий и нагнетательный клапаны работают в режиме самодействующих. После первого срабатывания датчика 21 в счетчике 22 записывается единица, которая передается прерывателю 23, и он подключает преобразователь сигнала 24 к таймеру 25 и одновременно подает сигнал на коммутатор 26, который подает на катушки 16 и 18 контрольное измерительное (небольшое) переменное напряжение. При этом в катушках 17 и 19 индуцируется некоторое опорное напряжение, соответствующее зазору между поверхностями запорных элементов 11 и 14 и сердечниками обмоток 16, 17 и 18, 19. Эти напряжения подаются на сравнивающее устройство 27.

Приводной вал 5 вращаясь, перемещает поршень 2 в направлении от НМТ (в ней сработал датчик 21) к верхней мертвой точке (ВМТ), сжимая газ до тех пор, пока давление в рабочей камере 6 не достигнет давления в полости нагнетания 9, после чего с некоторым запозданием запорный элемент 14 нагнетательного клапана начинает движение вверх, отрываясь от седла 15. При этом в самом начале движения зазор между поверхностью запорного элемента 14 и сердечниками обмоток 18 и 19 уменьшается, что вызывает увеличение коэффициента трансформации между обмотками 18 и 19, и напряжение в обмотке 19 начинает увеличиваться, что фиксируется в сравнивающем устройстве 27, которое выдает сигнал на таймер 25, в котором определяется тем самым время t_OP, прошедшее от момента прохождения контрольной точки (НМТ) до открытия нагнетательного клапана, работающего в самодействующем режиме. Эта величина подается на вход А оперативного запоминающего устройства (ОЗУ) 28 и хранится в нем отдельно для каждого действия (открытие - закрытие) каждого клапана.

Аналогичная процедура производится при закрытии нагнетательного клапана (соответствующее время t_OP подается на вход Б ОЗУ), открытия и закрытия всасывающего клапана (сигнал подается на входы В и Г). Одновременно сигналы с таймера 25 направляются на счетчик 29, при переполнении которого (количество сигналов больше четырех) он посылает сигнал на отключение прерывателя 23 и включение прерывателя 30, соединяющего преобразователь сигнала 24 с вычислителем 31 через ключ 32. В постоянном запоминающем устройстве (ПЗУ) вычислителя 31 хранятся данные о запаздывании движения запорных элементов 11 и 14 (t_IN и t_EL).

При следующем срабатывании датчика 21 (второй полный рабочий цикл работы компрессора) сигнал с датчика 21 через преобразователь 24, прерыватель 30 попадает на ключ 32, который последовательно соединяет выходы ОЗУ 28 с вычислителем 31. Вычислитель 31 формирует выходные управляющие сигналы для каждого действия каждого клапана и своевременно подает их на коммутатор 26, который также своевременно включает и выключает питание постоянным током обмоток 16, 17 и 18, 19, соединяя каждую пару обмоток последовательно для обеспечения ее работы в качестве обычного электромагнита.

При этом в конце процесса сжатия (поршень 2 движется вверх) запорный элемент 14 притягивается своим электромагнитом (обмотки 18, 19 при этом подключаются параллельно) вверх, своевременно открывая седло 15 для прохода сжатого газа в процессе нагнетания, после чего, в конце процесса нагнетания электромагнит своевременно отключается, и запорный элемент 14 своевременно перекрывает седло 15, двигаясь под действием пружины 13. В начале процесса всасывания (поршень 2 движется вниз) запорный элемент 11 своевременно отжимается своим электромагнитом (параллельно подключенные обмотки 16 и 17) вниз, открывая седло 12 для осуществления процесса всасывания, а в конце этого процесса электромагнит своевременно отключается, давая возможность запорному элементу 11 своевременно перекрыть седло 12.

По прошествии наперед заданного числа циклов с управляемым движением клапанов (например, числа 100) происходит переполнение счетчика 22, который посылает сигнал на отключение прерывателя 30, обнуляет свое значение, что приводит процесс управления в первоначальное состояние. Снова в течение одного полного цикла производится определение моментов открытия и закрытия клапанов, работающих в самодействующем режиме, после чего снова компрессор отрабатывает заданное число циклов с принудительным оптимальным управлением работой клапанов. Это необходимо для того, чтобы постоянно учитывать изменение давления нагнетания (соответственно - время прохождения поршня 3 от НМТ до положения, в котором в рабочей полости 6 создалось давление нагнетания - давление потребителя), что характерно для всех компрессорных машин, работающих на потребителя с переменным расходом, а это подавляющее большинство реальных потребителей сжатого газа.

Время запаздывания открытия и закрытия запорных элементов 11 и 14 клапанов t_IN, зависящее от сил инерции, определяется экспериментально или путем интегрирования известного уравнения динамики запорного элемента самодействующего клапана:

где m_z0 - масса запорного органа, m_PR - масса пружины, h - высота подъема запорного элемента, τ - текущее время

∑F=F_P+F_PR+F_TR+G,

где G - вес приведенной массы запорного элемента - G=m_Z·g, где g - ускорение свободного падения, сила упругости пружины F_PR:

F_PR=C_PR(h+h₀),

где C_PR - жесткость пружины, h₀ предварительный натяг пружины при положении запорного органа на седле (h=0), сила F_P от действия перепада давления на запорном элементе

F_P=f_Z·Δp·ρ_P,

где f_Z - поверхность запорного органа перпендикулярная потоку газа, Δp - перепад давления, действующий на запорный орган, ρ_P - коэффициент давления потока, который определяется опытным путем, сила трения F_TP:

где k_D - коэффициент демпфирования, определяется экспериментально.

Время срабатывания t_EL механизма принудительного открытия электромагнитного привода запорных элементов 11 и 14 (время «страгивания») может быть определено по формуле:

где l_y=(U/R), U - напряжение, подаваемое на обмотку электромагнита, R - активное сопротивление этой обмотки, L - индуктивность обмотки, i_TP - ток «страгивания», определяется экспериментально.

Время срабатывания t_EL механизма принудительного закрытия электромагнитного привода запорных элементов 11 и 14 (время «отпускания») зависит от силы пружины (поз.10 и 13) и явлений статочного магнетизма, определяется экспериментально.

Описанный способ работы компрессора объемного действия позволяет организовать своевременное, близкое и идеальному, открытие и закрытие клапанов, увеличить их эффективное проходное сечение, практически избавиться от колебаний запорных элементов, что дает возможность снизить потери механической работы цикла в процессах всасывания и нагнетания (повысить КПД), а также увеличить быстроходность машины, что влечет за собой снижение ее материалоемкости и, соответственно, стоимости. Все это вместе взятое позволяет снизить удельные затраты на производство сжатого газа.

Способ работы компрессора объемного действия, заключающийся в циклическом попеременном уменьшении и увеличении объема рабочей камеры за счет движения в ней рабочего органа, причем при увеличении объема рабочая камера соединяется с источником, а при уменьшении - с потребителем рабочей газообразной среды с помощью самодействующих всасывающих и нагнетательных клапанов, имеющих подвижные запорные элементы, отличающийся тем, что в течение произвольно выбранного цикла производят измерение отрезка времени от момента прохождения рабочим органом выбранной контрольной точки до момента начала открытия и(или) закрытия клапана t_OP, после чего в течение произвольно выбранного числа рабочих циклов производят принудительное открытие и(или) закрытие клапана через промежуток времени t_0t от момента прохождения рабочим органом выбранной контрольной точки, определяемый формулой
t_0t=t_OP-t_IN-t_EL,
где t_OP - промежуток времени от момента прохода рабочего органа контрольной точки до момента начала открытия и(или) закрытия клапана под действием перепада давления на запорном элементе, измеряется в произвольно взятом цикле; t_EL - время срабатывания механизма принудительного открытия и(или) закрытия клапана; t_IN - время запаздывания открытия и(или) закрытия клапана, определяемое силами инерции, действующими на запорный элемент.