RU2132488C1

RU2132488C1 - Method and device for raising economic efficiency of compressor with static-gas centered piston

Info

Publication number: RU2132488C1
Application number: RU96124800A
Authority: RU
Inventors: А.П. Болштянский
Original assignee: Омский государственный технический университет
Priority date: 1996-12-31
Filing date: 1996-12-31
Publication date: 1999-06-27

Abstract

FIELD: piston-type compressors. SUBSTANCE: cylinder houses piston with gas-static mount and U- shaped cavity. Bottom part of cavity is partially filled with liquid and communicates with top part through smooth-wall ducts. Compression of working medium makes some portion of the latter pass through check valve of piston and then through cavity and throttles to gap wherein gas layer is formed which prevents piston-to-cylinder contact. For piston cooling, some liquid is supplied from bottom part of U-shaped cavity to top part over labyrinth ducts. Then liquid returns under the action of gravitational forced over smooth-wall ducts to bottom part of U-shaped cavity wherein it is cooled down. It makes it possible to dispense with easily boiling liquids and to specify less stringent requirements for U-shaped cavity sealing. EFFECT: enlarged range of operating temperatures and pressures for compressor. 5 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к компрессоростроению и может быть использовано при создании машин, сжимающих чистые газы и обладающих высоким ресурсом работы. The invention relates to compressor engineering and can be used to create machines that compress clean gases and have a high service life.

Известен способ повышения экономичности компрессора с газостатическим центрированием поршня, заключающийся в подаче охлажденного теплоносителя из нижней части в верхнюю часть поршня [1]. There is a method of increasing the efficiency of a compressor with gas-static centering of a piston, which consists in supplying a cooled coolant from the lower part to the upper part of the piston [1].

Недостатком известного способа является необходимость наличия отдельного источника питания для подачи охлаждающей жидкости. The disadvantage of this method is the need for a separate power source for supplying coolant.

Указанный недостаток устранен в способе повышения экономичности компрессора с газостатическим центрированием поршня, заключающемся в подъеме теплоносителя из нижней части поршня в наиболее нагретую верхнюю часть поршня за счет его возвратно-поступательного движения [2]. This drawback is eliminated in a method of increasing the efficiency of a compressor with gas-static centering of a piston, which consists in raising the coolant from the lower part of the piston to the most heated upper part of the piston due to its reciprocating motion [2].

Недостатком данного способа является необходимость тщательного подбора легкоиспаряющейся жидкости по ее термодинамическим характеристикам и количеству. Причем использование данного способа предполагает наличие полностью высокогерметичной конструкции поршня и работу компрессора в узком диапазоне давления и внешних условий, т.к. их изменение приводит к нарушению термодинамического баланса герметичной камеры поршня, в результате чего, например, вся жидкость может оказаться в испарившемся состоянии (это кроме всего прочего грозит превышением расчетного давления и разгерметизацией камеры) и теплообмен будет происходить без фазового перехода, т.е. чрезвычайно плохо. The disadvantage of this method is the need for careful selection of easily volatile liquid according to its thermodynamic characteristics and quantity. Moreover, the use of this method assumes the presence of a completely high-tight piston design and the operation of the compressor in a narrow range of pressure and external conditions, because their change leads to a violation of the thermodynamic balance of the sealed chamber of the piston, as a result of which, for example, all the liquid may be in an evaporated state (this, among other things, threatens to exceed the calculated pressure and depressurization of the chamber) and heat transfer will occur without a phase transition, i.e. extremely bad.

Задачей данного изобретения является расширение области применения способа повышения экономичности компрессора с газостатическим центрированием поршня и повышение надежности его осуществления. The objective of the invention is to expand the scope of the method of increasing the efficiency of the compressor with gas-static centering of the piston and increasing the reliability of its implementation.

Указанная задача может быть решена за счет того, что после достижения теплоносителем верхней части поршня его опускают в жидком состоянии снова в нижнюю часть поршня, и в качестве теплоносителя используют слабоиспаряющуюся жидкость, причем передачу теплоты от тела поршня в окружающую среду могут производить через промежуточный теплоноситель. This problem can be solved due to the fact that after the coolant reaches the upper part of the piston, it is lowered again in the liquid state to the lower part of the piston, and low-vaporizing liquid is used as the coolant, and heat can be transferred from the piston body to the environment through an intermediate coolant.

В компрессоре, содержащем картер с установленным на нем цилиндром, соединенным с линией нагнетания, поршень с газостатическим подвесом и П-образной полостью, нижняя часть которой частично заполнена жидкостью, а стенки имеют V-образные несимметричные выступы, для осуществления предложенного способа верхняя часть П-образно полости дополнительной соединена с ее нижней частью с помощью гладкостенных каналов, при этом в верхней части картера может быть образована полость, заполненная охлаждающей жидкостью, с наружными стенками, обращенными к окружающей среде, и внутренними стенками, примыкающими к нижней части поршня, и эта полость может быть соединена через обратные клапаны с теплообменником, а линия нагнетания при этом проходит через эту полость и в зоне прохождения имеет упругий элемент. In the compressor containing the crankcase with a cylinder mounted on it, connected to the discharge line, a piston with a gas-static suspension and a U-shaped cavity, the lower part of which is partially filled with liquid, and the walls have V-shaped asymmetrical protrusions, for the implementation of the proposed method, the upper part is P- figuratively, the additional cavity is connected to its lower part with the help of smooth-walled channels, while in the upper part of the crankcase a cavity filled with coolant can be formed, with the outer walls facing to the environment, and the inner walls adjacent to the bottom of the piston, and this cavity can be connected through check valves to the heat exchanger, and the discharge line in this case passes through this cavity and has an elastic element in the passage zone.

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором изображено схематичное сечение компрессора с газостатическим центрированием поршня, имеющем все отличительные признаки. The invention is illustrated in the drawing, which shows a schematic section of a compressor with gas-static centering of the piston, having all the hallmarks.

Компрессор состоит из картера 1, на котором установлен цилиндр 2 с полостью всасывания 3, содержащей клапан 4, и полостью нагнетания 5 с клапаном 6. В цилиндре 1 с зазором 7 установлен поршень 8 с газостатическим центрированием, осуществляемым из полости 9, соединенной с камерой сжатия 10 через клапан 11 и с зазором 7 через дроссельные отверстия 12. Поршень 8 имеет наружную гильзу 13 с лабиринтными канавками 14, которые с ответными лабиринтными канавками 15 образуют несимметричные V-образные выступы. Кроме того, в теле поршня 8 имеются гладкостенные каналы 16, соединяющие верхнюю часть П-образной полости 17 через отверстия 18 с ее нижней частью, заполненной слабоиспаряющейся жидкостью, например, минеральным маслом. Наружная гильза 13 в своей нижней части снаружи имеет многочисленные ребра 19, размещенные с минимальным зазором в ответных впадинах 20 внутренней части верха картера 1, отделенных тонкой стенкой 21 от заполненной жидкостью полости 22, соединенной через клапаны 23 и 24 с теплообменником 25, помещенным в окружающей среде. Линия нагнетания 26 проходит через полость 22 и содержит в пределах этой полости упругий элемент 27, выполненный, например, в виде отрезка шланга. The compressor consists of a crankcase 1, on which a cylinder 2 with a suction cavity 3 containing a valve 4 is installed, and a discharge cavity 5 with a valve 6. A piston 8 with a gas-static centering, which is carried out from a cavity 9 connected to the compression chamber, is installed in the cylinder 1 with a gap 7 10 through the valve 11 and with a gap 7 through the throttle openings 12. The piston 8 has an outer sleeve 13 with labyrinth grooves 14, which, with the counter labyrinth grooves 15, form asymmetric V-shaped protrusions. In addition, in the body of the piston 8 there are smooth-walled channels 16 connecting the upper part of the U-shaped cavity 17 through holes 18 with its lower part filled with a low-volatile liquid, for example, mineral oil. The outer sleeve 13 in its lower part outside has numerous ribs 19 placed with a minimum gap in the counter cavities 20 of the upper part of the crankcase 1, separated by a thin wall 21 from the fluid-filled cavity 22, connected through valves 23 and 24 to a heat exchanger 25 placed in the surrounding environment. The discharge line 26 passes through the cavity 22 and contains within this cavity an elastic element 27, made, for example, in the form of a piece of hose.

Способ работы компрессора осуществляется следующим образом. При возвратно-поступательном движении поршня 8 объем камеры сжатия 10 изменяется, что приводит к попеременному всасыванию рабочего тела через клапан 4, его сжатию и нагнетанию потребителю через клапан 6 по линии нагнетания 26. Кроме того, часть сжатого газа из камеры 10 через клапан 11 попадает в полость 9 и стекает из нее через дроссели 12 в зазор 7, образуя таким образом в зазоре 7 несущий газовый слой, препятствующий контакту поршня 8 и цилиндра 2. Образовавшаяся при сжатии газа теплота воздействует на поршень (преимущественно на верхнюю его часть). При возвратно-поступательном движении поршня жидкость из нижней части П-образной полости 17 с помощью V-образных выступов под действием инерционных сил перекачивается в верхнюю часть полости 17, охлаждает верхнюю часть поршня 3 и по каналам 16 под действием гравитационных сил возвращается в нижнюю часть полости 17, где охлаждается. Затем цикл повторяется. The method of operation of the compressor is as follows. With the reciprocating movement of the piston 8, the volume of the compression chamber 10 changes, which leads to the alternate suction of the working fluid through the valve 4, its compression and forcing the consumer through the valve 6 along the discharge line 26. In addition, part of the compressed gas from the chamber 10 through the valve 11 enters into the cavity 9 and flows out of it through the chokes 12 into the gap 7, thus forming in the gap 7 a carrier gas layer that prevents the piston 8 and cylinder 2 from contacting. The heat generated during gas compression acts on the piston (mainly on its upper part ) During the reciprocating movement of the piston, the liquid from the lower part of the U-shaped cavity 17 is pumped with the help of V-shaped protrusions under the action of inertial forces to the upper part of the cavity 17, cools the upper part of the piston 3 and returns through the channels 16 to the lower part of the cavity by gravitational forces 17, where it cools. Then the cycle repeats.

Теплота от жидкости, заполняющей нижнюю часть полости 17, отводится в окружующую среду через стенки поршня 8 за счет вентиляции картера 1, а также путем теплопередачи через ребра 19, впадины 20, стенку 21 жидкости, заполняющей полость 22, которая охлаждается за счет передачи теплоты в окружающую среду через стенки картера, а также за счет прокачки этой жидкости через теплообменник 25. Прокачка жидкости осуществляется за счет изменения объема упругого элемента 27, которое неизбежно возникает в связи с наличием пульсации давления газа в нагнетательной линии, и за счет работы клапанов 23 и 34. Heat from the liquid filling the lower part of the cavity 17 is removed to the environment through the walls of the piston 8 due to ventilation of the crankcase 1, as well as through heat transfer through the ribs 19, depressions 20, the wall 21 of the liquid filling the cavity 22, which is cooled by heat transfer to the environment through the crankcase walls, as well as by pumping this fluid through the heat exchanger 25. The fluid is pumped by changing the volume of the elastic element 27, which inevitably occurs due to the presence of gas pressure pulsation in the supercharger the first line, and by operating the valves 23 and 34.

Наличие ребер 19, движущихся во впадинах 20, существенно увеличивает мощность отводимого от поршня 8 теплового потока, т.к. наряду с увеличением поверхности теплообмена имеет место интенсивное перемешивание газа в узком зазоре между ребрами 19 и впадинами 20 и сопутствующее этому увеличение коэффициента теплоотдачи. Наличие промежуточного теплоносителя, циркулирующего в полости 22 и теплообменнике 25 за счет естественной конвекции жидкости или путем ее прокачки, позволяет лучше использовать свойства окружающей среды для охлаждения и выравнивания по длине образующей поршня 8. The presence of ribs 19, moving in the depressions 20, significantly increases the power of the heat flux removed from the piston 8, because Along with an increase in the heat exchange surface, intense mixing of the gas takes place in a narrow gap between the ribs 19 and the depressions 20 and the increase in the heat transfer coefficient that accompanies this. The presence of an intermediate coolant circulating in the cavity 22 and the heat exchanger 25 due to the natural convection of the liquid or by pumping it, makes it possible to better use the environmental properties for cooling and alignment along the length of the generatrix of the piston 8.

Таким образом, применение описанного способа и устройства для его осуществления позволяет отказаться от использования для охлаждения поршня легкокипящих жидкостей, что дает возможность существенно снизить требования по герметичности П-образной полости, кратно расширить диапазон давлений и температур, при которых может работать компрессор, т.к. нет опасности образования высокого давления паров в П-образной полости и возникновения состояния, при котором исчезают фазовые переходы и сопутствующий им интенсивный теплообмен. Thus, the application of the described method and device for its implementation eliminates the use of low-boiling liquids for cooling the piston, which makes it possible to significantly reduce the tightness requirements of the U-shaped cavity, to expand the pressure and temperature range at which the compressor can operate, since . there is no danger of the formation of high vapor pressure in the U-shaped cavity and the occurrence of a state in which phase transitions and the intense heat exchange accompanying them disappear.

Источники информации. Sources of information.

1. А. с. 947465, кл. F 04 B 31/00, 39/06, Б.И. N 28, 1982 г. Поршневой холодильный компрессор. 1. A. p. 947465, cl. F 04 B 31/00, 39/06, B.I. N 28, 1982. Piston refrigeration compressor.

2. А. с. 985417, кл. F 04 B 39/06, 31/00, Б.И. N 48, 1982 г. Поршневой холодильный компрессор. 2. A. p. 985417, cl. F 04 B 39/06, 31/00, B.I. N 48, 1982. Piston refrigeration compressor.

Claims

1. A method of increasing the efficiency of a piston compressor with gas-static centering of the piston, which consists in raising the coolant from the bottom of the piston to the most heated upper part of the piston due to its reciprocating movement, characterized in that after the coolant reaches the top of the piston, it is lowered in the liquid state again in the lower part of the piston, and a slightly volatile liquid is used as a heat carrier.

2. The method according to p. 1, characterized in that the heat is transferred from the piston to the environment through an intermediate coolant circulating in the cavity adjacent to the lower part of the piston.

3. A device for implementing a method of increasing the efficiency of a piston compressor with gas-static centering of a piston, comprising a crankcase with a cylinder mounted thereon connected to a discharge line, a piston with a gas-static suspension and a U-shaped cavity, the lower part of which is partially filled with liquid and having vertical walls with V-shaped asymmetrical protrusions, characterized in that the upper part of the U-shaped cavity is additionally connected to its lower part using smooth-walled channels.

4. The device according to claim 3, characterized in that a cavity filled with coolant is formed in the upper part of the crankcase, the outer walls of this cavity facing the environment, and the inner walls adjacent to the lower part of the piston.

5. The device according to claim 4, characterized in that the cavity filled with coolant is connected through check valves to a heat exchanger, the discharge line passing through the cavity and in the zone of its passage contains an elastic element.