RU2271469C1

RU2271469C1 - Heat compressor

Info

Publication number: RU2271469C1
Application number: RU2004133986/06A
Authority: RU
Inventors: Александр Дмитриевич Савчук (RU); Александр Дмитриевич Савчук; Михаил Владимирович Блинов (RU); Михаил Владимирович Блинов; Андрей Владимирович Смирнов (RU); Андрей Владимирович Смирнов
Original assignee: Военный инженерно-технический университет
Priority date: 2004-11-22
Filing date: 2004-11-22
Publication date: 2006-03-10

Abstract

FIELD: mechanical engineering.

SUBSTANCE: compressor is designed for use in different industries for compression and transfer of gas. Proposed compressor contains cylinder, displacer with built-in generator and radially inclined holes for connecting regenerator with cold and hot spaces of cylinder, respectively. Displacer is set into action by electric drive with rotor arranged on outer side of displacer and stator arranged on cylinder. Threaded sections are made on external near-end-face sections of displacer, and threaded sections from inner surface of near-end-face sections of cylinder are provided to form ring clearances. Cylinder has heat exchangers of heat carrier with thermal insulation, coolant heat exchanger, gas main line with inlet and outlet valves and ribbed heat exchanger. Pneumatic springs for dynamic upspringing of displacer are made in form of stoppers of plunger pistons installed in end-face axial grooves whose mating plunger cylinders are installed inside cold and hot spaces of covers of heat compressor cylinder. Working medium in pneumatic springs is gas transferred by heat compressor.

EFFECT: improved reliability and effectiveness of operation.

1 dwg

Description

Изобретение относится к компрессоростроению, а именно к теплоиспользующим компрессорам, и может быть использовано в самых различных областях техники для компримирования (сжатия) и нагнетания газов.The invention relates to compressor engineering, namely to heat-using compressors, and can be used in various fields of technology for compression (compression) and injection of gases.

Известен компрессор [1] -/Патент России № 2230223, кл. F 04 В 19/24, опубл. 10.06.2004 г., Бюл. № 16./, содержащий установленный в полости цилиндра с возможностью осевого перемещения вытеснитель с каналами и регенератором, разделяющим полость цилиндра на холодную и горячую полости, теплоизолированный теплообменник теплоносителя и теплообменник хладагента, расположенные на торцах цилиндра, впускной и выпускной клапаны, расположенные на внешней магистрали, подсоединенной через теплообменник хладагента к холодной полости цилиндра в его торце, электропривод, смещенный в сторону холодной полости, статор которого расположен на внешней стороне цилиндра, а ротор - на корпусе вытеснителя, ребристый теплообменник, расположенный на внешней стороне цилиндра между статором и теплообменником теплоносителя, вытеснитель с плоскими торцевыми заглушками, внутренние приторцевые участки которого и приторцевые внешние участки вытеснителя содержат резьбу (оребрения) с образованием зазоров, причем вытеснитель динамически подпружинен поршнем двухстороннего действия вешнего пневмоцилидра, жестко закрепленного на торце холодной полости цилиндра теплового компрессора, при этом вытеснитель с поршнем двухстороннего действия пневмоцилиндра жестко связан цилиндрическим уплотнительным штоком.Known compressor [1] - / Patent of Russia No. 2230223, class. F 04 B 19/24, publ. 06/10/2004, Bull. No. 16./, containing a displacer installed in the cylinder cavity with axial displacement, with channels and a regenerator separating the cylinder cavity into cold and hot cavities, a thermally insulated heat exchanger and a refrigerant heat exchanger located at the cylinder ends, inlet and outlet valves located on the external line connected through the heat exchanger of the refrigerant to the cold cavity of the cylinder at its end, an electric drive biased towards the cold cavity, the stator of which is located on the external to the cylinder side, and the rotor on the displacer body, a finned heat exchanger located on the outer side of the cylinder between the stator and the heat carrier, a displacer with flat end caps, the inner side sections of which and the front side external sections of the displacer contain threads (fins) with gaps, moreover the displacer is dynamically spring-loaded with a double-acting piston of an external pneumatic cylinder rigidly fixed to the end of the cold cavity of the cylinder of the thermal compressor, while a displacer with a double-acting piston of the pneumatic cylinder is rigidly connected by a cylindrical sealing rod.

Недостатком известного аналога является сложность внешней конструкции динамического подпружинивания вытеснителя теплового компрессора. Наличие внешнего пневмоцилиндра предполагает его жесткую центровку относительно внутреннего вытеснителя, что снижает надежность теплового компрессора. Также наличие дополнительного уплотнения цилиндрического штока, связывающего вытеснитель и поршень двухстороннего действия (кроме повышения сложности конструкции и снижения ее надежности), обладает повышенным сопротивлением трения, что в целом снижает эффективность работы теплового компрессора. При практическом использовании известного аналога внешняя дополнительная конструкция цилиндра с поршнем двухстороннего действия может вызвать конструктивные трудности проектирования и сопряжения в одном узле - агрегате. Наличие поршневых колец на поршне двухстороннего действия предполагает их регулярную диагностику и замену, что снижает срок безрегламентной эксплуатации такого теплового компрессора.A disadvantage of the known analogue is the complexity of the external design of the dynamic springing of the displacer of the thermal compressor. The presence of an external pneumatic cylinder suggests its rigid alignment relative to the internal displacer, which reduces the reliability of the thermal compressor. Also, the presence of an additional sealing of the cylindrical rod connecting the displacer and the double-acting piston (in addition to increasing the complexity of the structure and reducing its reliability) has an increased friction resistance, which generally reduces the efficiency of the thermal compressor. In the practical use of the well-known analogue, the external additional design of the cylinder with a double-acting piston can cause design difficulties in designing and interfacing in one unit - the unit. The presence of piston rings on a double-acting piston implies their regular diagnostics and replacement, which reduces the period of unattended operation of such a thermal compressor.

Прототипом предлагаемого устройства является тепловой компрессор [2] -/Патент России № 2183767, кл. F 04 В 19/24, F 25 В 9/00, опубл. 20.06.2002 г., Бюл. № 17./, содержащий установленный в полости цилиндра с возможностью осевого перемещения вытеснитель с каналами и регенератором, разделяющим полость цилиндра на холодную и горячую полости, теплоизолированный теплообменник теплоносителя и теплообменник хладагента, расположенные на торцах цилиндра, впускной и выпускной клапаны, расположенные на внешней магистрали, подсоединенной через теплообменник хладагента к холодной полости цилиндра в его торце, электропривод, смещенный в сторону холодной полости, статор которого расположен на внешней стороне цилиндра, а ротор - на корпусе вытеснителя, ребристый теплообменник расположен на внешней стороне цилиндра между статором и теплообменником теплоносителя, вытеснитель закрыт торцевыми профильными заглушками, в кольцеобразных торцевых осевых выточках которых установлены пружины прямоугольного сечения, которыми вытеснитель подпружинен от торцевых внутренних стенок цилиндра, внутренние приторцевые участки которого и приторцевые внешние участки вытеснителя содержат резьбу (оребрения) с образованием зазоров (резьба в зазорах выполнена для повышения коэффициента теплопередачи).The prototype of the proposed device is a thermal compressor [2] - / Patent of Russia No. 2183767, cl. F 04 V 19/24, F 25 V 9/00, publ. 06/20/2002, bull. No. 17./, comprising a displacer installed in the cylinder cavity with axial movement and channels and a regenerator separating the cylinder cavity into cold and hot cavities, an insulated coolant heat exchanger and a refrigerant heat exchanger located on the cylinder ends, inlet and outlet valves located on the external line connected through the heat exchanger of the refrigerant to the cold cavity of the cylinder at its end, an electric drive biased towards the cold cavity, the stator of which is located on the external the cylinder side, and the rotor on the displacer body, a finned heat exchanger is located on the outside of the cylinder between the stator and the heat carrier heat exchanger, the displacer is closed by end profile plugs, in which ring-shaped end axial recesses have rectangular springs, by which the displacer is spring-loaded from the end internal walls of the cylinder, the inner side sections of which and the front side external areas of the displacer contain threads (fins) with the formation of gaps (thread in the gap configured to enhance the heat transfer coefficient).

Главным недостатком прототипа является использование в нем механических пружин, обладающих низкой надежностью, и сравнительно низким ресурсом работы, при которой такие пружины постоянно выделяют тепло (нагреваются при работе), что приводит к снижению эффективности теплового компрессора в целом.The main disadvantage of the prototype is the use of mechanical springs with low reliability and a relatively low service life, in which such springs constantly generate heat (heat up during operation), which reduces the efficiency of the thermal compressor as a whole.

Указанные совместные недостатки приведенных аналога и прототипа ставят задачу повышения надежности теплового компрессора путем упрощения его конструкции и исключения уплотнений из пневматических пружин динамического «подпружинивания» вытеснителя. Кроме того, ставят задачу повышения эффективности работы теплового компрессора путем исключения из его конструкции лишних пар трения, на которые расходуется дополнительная энергия и которые снижают ресурс работы устройства в целом.These joint disadvantages of the given analogue and prototype set the task of increasing the reliability of the thermal compressor by simplifying its design and eliminating seals from pneumatic springs of dynamic "springing" of the displacer. In addition, they set the task of increasing the efficiency of the thermal compressor by eliminating from its design extra friction pairs, which spend additional energy and which reduce the life of the device as a whole.

Эта задача достигается тем, что в тепловом компрессоре, содержащем установленный в полости цилиндра с возможностью осевого перемещения подпружиненный вытеснитель с каналами и регенератором, разделяющим полость цилиндра на холодную и горячую полости, теплоизолированный теплообменник теплоносителя и теплообменник хладагента, расположенные на торцах цилиндра, впускной и выпускной клапаны, расположенные на внешней магистрали, подсоединенной к холодной полости цилиндра в его торце, электропривод, смещенный в сторону холодной полости, статор которого расположен на внешней стороне цилиндра, а ротор на корпусе вытеснителя, ребристый теплообменник, расположенный на внешней стороне цилиндра между статором и теплообменником теплоносителя, внутренние приторцевые участки цилиндра и приторцевые внешние участки вытеснителя содержат резьбу (оребрения) с образованием зазоров, вытеснитель закрыт плоскими торцевыми заглушками с торцевыми осевыми выточками, в которых установлены пружины (пружины (внутренние) выполнены пневматическими с динамическим подпружиниванием вытеснителя, с рабочим телом - перекачиваемым газом), причем пневматические пружины выполнены в виде установленных в торцевых осевых выточках заглушек плунжерных поршней, ответные плунжерные цилиндры которых установлены внутри холодной и горячей полостей на крышках цилиндра теплового компрессора.This task is achieved by the fact that in a thermal compressor containing a spring-loaded displacer with channels and a regenerator separating the cylinder cavity into cold and hot cavities, a heat-insulated coolant heat exchanger and a refrigerant heat exchanger located at the cylinder ends, an inlet and outlet mounted in the cylinder cavity with the possibility of axial movement valves located on the external line connected to the cold cavity of the cylinder at its end, an actuator biased towards the cold cavity, st whose rotor is located on the outer side of the cylinder, and the rotor is on the displacer body, a finned heat exchanger located on the outside of the cylinder between the stator and the heat transfer medium, the inner side sections of the cylinder and the side outer sections of the displacer contain threads (fins) with gaps, the displacer is closed by flat end faces plugs with axial end recesses in which springs are installed (springs (internal) are pneumatic with dynamic springing of the displacer I, with a working fluid - pumped gas), and the pneumatic springs are made in the form of plug plugs installed in the end axial recesses of the plugs, the reciprocal plunger cylinders of which are installed inside the cold and hot cavities on the cylinder covers of the thermal compressor.

Динамическое «подпружинивание» вытеснителя пневматическими пружинами, «выполненными в виде установленных в торцевых осевых выточках его заглушек плунжерных поршней, ответные плунжерные цилиндры которых установлены внутри холодной и горячей полостей на крышках цилиндра теплового компрессора», необходимо для исключения упругих (из твердого вещества) пружин из горячей и холодной полостей теплового компрессора. Исключение таких пружин из полостей теплового компрессора повышает надежность и улучшает условия работы и эффективность процесса амортизации (то есть «пневматических пружин», которые обладают большей надежностью и эффективностью). В случае, когда работают пружины (по прототипу), то они постоянно выделяют тепло. При работе пневматических пружин (при сжатии в ней газа) газ нагревается, а при его расширении (и тем более при совершении газом при этом работы) газ охлаждается. В этом смысле при работе пневматических пружин внутри цилиндра теплового компрессора они минимально мешают его штатной работе.The dynamic "springing" of the displacer with pneumatic springs, "made in the form of plunger pistons installed in the end axial recesses of its plugs, the reciprocal plunger cylinders of which are installed inside the cold and hot cavities on the cylinder covers of the thermal compressor", is necessary to exclude elastic (from solid) springs from hot and cold cavities of the thermal compressor. The exclusion of such springs from the cavities of the thermal compressor increases the reliability and improves the working conditions and the efficiency of the depreciation process (that is, "pneumatic springs", which have greater reliability and efficiency). In the case when the springs work (according to the prototype), they constantly generate heat. During the operation of pneumatic springs (when gas is compressed in it), the gas heats up, and when it expands (and even more so when the gas performs work), the gas cools. In this sense, during the operation of pneumatic springs inside the cylinder of a thermal compressor, they minimally interfere with its regular operation.

Выполнение пневматических пружин в виде «плунжерных поршней с ответными плунжерными цилиндрами» необходимо для исключения дополнительного трения и тем самым повышения надежности и долговечности теплового компрессора.The implementation of pneumatic springs in the form of "plunger pistons with reciprocal plunger cylinders" is necessary to eliminate additional friction and thereby increase the reliability and durability of the thermal compressor.

Расположение предложенных пневматических пружин «в торцевых осевых выточках заглушек плунжерных поршней» необходимо для компактного эргономичного исполнения конструкции теплового компрессора и обеспечения его работы при максимальных продольных перемещениях вытеснителя.The location of the proposed pneumatic springs "in the axial end grooves of the plugs of the plunger pistons" is necessary for a compact ergonomic design of the thermal compressor and ensure its operation with maximum longitudinal displacement of the displacer.

На чертеже схематично представлена конструкция теплового компрессора.The drawing schematically shows the design of a thermal compressor.

Тепловой компрессор содержит цилиндр 1, вытеснитель 2 с регенератором 3 и радиально наклоненными отверстиями 4 и 5, соответственно направленными в стороны холодной полости 6 и горячей полости 7, для рабочего тела, которым служит перекачиваемый газ. Вытеснитель 2 с внешней своей стороны имеет установленный в него ротор 8 электропривода, статор 9 которого расположен на внешней поверхности цилиндра 1. Цилиндр 1 снабжен соответственно со стороны холодной полости 6 теплообменником хладагента 10 и со стороны горячей полости 7 - теплообменником теплоносителя 11, который теплоизолирован от окружающей среды слоем теплоизоляции 12. Через теплообменник хладагента 10 внутрь цилиндра 1 проходит газовая магистраль 13 с установленными на ней впускным 14 и выпускным 15 клапанами для перекачиваемого газа. На внешних приторцевых участках вытеснителя 2 находятся резьбовые участки 16, а на внутренней поверхности приторцевых участков цилиндра 1 - резьбовые участки 17 с образованием кольцевых зазоров 18. Цилиндр 1 между теплообменником 11 и статором 9 на своей внешней стороне содержит ребристый теплообменник 19. Вытеснитель 2 со стороны холодной 6 и горячей 7 полостей цилиндра 1 имеет соответственно торцевые заглушки, в которых выполнены торцевые осевые выточки 20 с установленными в них плунжерными поршнями 21. А ответные плунжерные цилиндры 22 которых установлены внутри холодной 6 и горячей 7 полостей на крышках цилиндра 1 теплового компрессора. Рабочим телом пневматических пружин является перекачиваемый тепловым компрессором газ.The thermal compressor comprises a cylinder 1, a displacer 2 with a regenerator 3 and radially inclined holes 4 and 5, respectively directed to the sides of the cold cavity 6 and hot cavity 7, for the working fluid, which is the pumped gas. The displacer 2 on its outer side has an electric rotor 8 installed in it, the stator 9 of which is located on the outer surface of the cylinder 1. The cylinder 1 is equipped with a coolant heat exchanger 10 from the side of the cold cavity 6 and a heat exchanger 11 from the side of the hot cavity 7, which is insulated from environmental layer of insulation 12. Through the heat exchanger of the refrigerant 10 into the cylinder 1 passes the gas line 13 with an inlet 14 and an outlet 15 valves for the pumped gas installed on it. On the external front-end sections of the displacer 2 there are threaded sections 16, and on the inner surface of the front-end sections of the cylinder 1 there are threaded sections 17 with the formation of annular gaps 18. The cylinder 1 between the heat exchanger 11 and the stator 9 on its outer side contains a finned heat exchanger 19. The displacer 2 from the side of cold 6 and hot 7 cavities of cylinder 1 has end caps, respectively, in which end axial recesses 20 are made with plunger pistons 21 installed in them. And reciprocal plunger cylinders 22 of which have 6 tanovleny inside cold and hot cavities 7 in the cylinder cover 1 thermocompressor. The working fluid of the pneumatic springs is the gas pumped by the heat compressor.

Работает предложенный тепловой компрессор следующим образом: в установившемся режиме вытеснитель 2 движется возвратно-поступательно по цилиндру 1 под действием усилий плунжерных поршней 21, входящих в ответные плунжерные цилиндры 22. То есть вытеснитель 2 совершает автоколебательное движение, поддерживаемое электроприводом, состоящим из статора 9 и ротора 8. При этом мощность линейного электродвигателя расходуется только на поддержание автоколебательного возвратно-поступательного движения вытеснителя, то есть на преодоление сил трения и гидравлического сопротивления. При движении вытеснителя 2 в сторону горячей полости 7 горячий газ проходит по зазору 18 (горячей полости), отверстия 5, регенератор 3, сообщая ему недостающее тепло недорекуперации, охлаждается и, проходя через отверстия 4 и зазор 18 (холодной полости) дополнительно подохлаждаясь, попадает в полость 6. По мере охлаждения газа давление во всем объеме корпуса 1 падает и становится меньше, чем на входе в компрессор, в результате чего открывается впускной клапан 14, и в компрессор поступает очередная порция газа на сжатие. При движении вытеснителя 2 в сторону холодной полости 6 холодный газ проходит по зазору 18 (холодной полости), отверстия 4, регенератор 3, нагревается в нем и, проходя через отверстия 5 и зазор 18 (горячей полости), дополнительно подогреваясь, попадает в горячую полость 7. По мере нагрева газа давление во всем объеме цилиндра 1 растет и становится больше, чем на входе в компрессор, в результате чего открывается выпускной клапан 15 и из теплового компрессора поступает очередная порция сжатого газа потребителю. После начала движения вытеснителя 2 в сторону холодной полости 6 весь цикл повторяется. Ребристый теплообменник 21 предотвращает чрезмерный нагрев статора 9 теплом теплоносителя, поступающего теплопроводностью от теплообменника вдоль стенки корпуса 1 и от горячего газа, проходящего по зазору 18.The proposed thermal compressor works as follows: in the steady state, the displacer 2 moves reciprocally along the cylinder 1 under the action of the forces of the plunger pistons 21 included in the reciprocal plunger cylinders 22. That is, the displacer 2 performs a self-oscillating movement supported by an electric drive consisting of a stator 9 and a rotor 8. At the same time, the power of the linear electric motor is spent only on maintaining the self-oscillating reciprocating motion of the displacer, that is, on overcoming friction and hydraulic resistance. When the displacer 2 moves towards the hot cavity 7, the hot gas passes through the gap 18 (hot cavity), the holes 5, the regenerator 3, cooling it and, passing through the holes 4 and the gap 18 (cold cavity), additionally cools, it gets into cavity 6. As the gas cools, the pressure in the entire volume of the housing 1 drops and becomes smaller than at the inlet to the compressor, as a result of which the inlet valve 14 opens, and the next portion of gas for compression enters the compressor. When the displacer 2 moves toward the cold cavity 6, cold gas passes through the gap 18 (cold cavity), the holes 4, the regenerator 3, heats up in it and, passing through the holes 5 and the gap 18 (hot cavity), additionally being heated, enters the hot cavity 7. As the gas heats up, the pressure in the entire volume of cylinder 1 grows and becomes larger than at the inlet to the compressor, as a result of which the exhaust valve 15 opens and the next portion of compressed gas comes from the heat compressor to the consumer. After the start of the movement of the displacer 2 towards the cold cavity 6, the entire cycle is repeated. The finned heat exchanger 21 prevents the stator 9 from being overheated by the heat of the coolant supplied by the heat conduction from the heat exchanger along the wall of the housing 1 and from the hot gas passing through the gap 18.

Предлагаемое изобретение решает задачу повышения надежности и эффективности теплового компрессора, так как из его конструкции убраны металлические пружины сжатия, работающие особенно в горячей полости в экстремальных условиях, и заменены на внутренние «пневматические пружины», выполненные в виде двух (в холодной и горячей полостях соответственно) плунжерных поршней и цилиндров. Кроме того, повышена надежность теплового компрессора путем упрощения его конструкции и исключения из пневматических пружин (динамического подпружинивания вытеснителя) уплотнений в виде поршневых колец. Также решена задача повышения эффективности работы теплового компрессора путем исключения из его конструкции лишних пар трения, на которые расходуется дополнительная энергия. Повышен ресурс работы теплового компрессора. Уплотнение плунжерных поршней и цилиндров может быть выполнено частично динамическим и поэтому не потребует высоких требований к подгонке их друг к другу. Ввиду того, что все полости цилиндра теплового компрессора связаны по перекачиваемому газу по зазорам, то это позволяет снизить силы трения и повысить надежность его работы.The present invention solves the problem of increasing the reliability and efficiency of a thermal compressor, since metal compression springs, working especially in a hot cavity under extreme conditions, have been removed from its design and replaced with internal "pneumatic springs" made in two (in cold and hot cavities, respectively ) plunger pistons and cylinders. In addition, the reliability of the thermal compressor is improved by simplifying its design and eliminating piston ring seals from the pneumatic springs (dynamic springing of the displacer). The problem of increasing the efficiency of the thermal compressor by eliminating unnecessary friction pairs from it, which requires additional energy, has also been solved. Increased service life of the thermal compressor. The sealing of plunger pistons and cylinders can be partially dynamic and therefore does not require high requirements for fitting them to each other. Due to the fact that all the cavities of the cylinder of the thermal compressor are connected through the gaps of the pumped gas, this allows one to reduce the friction forces and increase the reliability of its operation.

Claims

A heat compressor containing a spring-loaded displacer installed in the cylinder cavity with the possibility of axial movement, with channels and a regenerator separating the cylinder cavity into cold and hot cavities, a heat insulated heat exchanger and a refrigerant heat exchanger located at the cylinder ends, inlet and outlet valves located on the external line connected to the cold cavity of the cylinder at its end, an electric drive biased towards the cold cavity, the stator of which is located on the external the cylinder side, and the rotor on the displacer body, a finned heat exchanger located on the outer side of the cylinder between the stator and the heat carrier, the inner side sections of the cylinder and the outside side sections of the displacer contain threads (fins) with the formation of gaps, the displacer is closed by flat end caps with end caps axial recesses in which the springs are installed, characterized in that the springs are made pneumatic in the form of zag mounted in the annular end axial recesses lunches of plunger pistons, reciprocal plunger cylinders of which are installed inside the cold and hot cavities on the cylinder covers of the thermal compressor.