RU2276745C1

RU2276745C1 - Device to change gas pressure in pneumatic drive chamber

Info

Publication number: RU2276745C1
Application number: RU2005101523/06A
Authority: RU
Inventors: Александр Дмитриевич Савчук (RU); Александр Дмитриевич Савчук; Вера Александровна Савчук (RU); Вера Александровна Савчук; Николай Александрович Савчук (RU); Николай Александрович Савчук
Original assignee: Военный инженерно-технический университет
Priority date: 2005-01-24
Filing date: 2005-01-24
Publication date: 2006-05-20

Abstract

FIELD: pneumatics; pneumatic drives; positive displacement compressors.

SUBSTANCE: invention relates to pneumatic drives, mainly, to positive displacement compressors with heat drive. Proposed device contains housing divided by flexible diaphragm into working reservoir and compression semispherical chamber, pipeline connecting lower point of reservoir with inlet to pump whose outlet is connected by pipeline with cylindrical hollow housing of spool distributor with drive space connected by main line with gas space of working reservoir and with spring-loaded spool installed inside and furnished with piston extreme positions stop. Outlet of distributor housing is connected by two outlet pipelines, respectively, through heater and cooler, to manifold with nozzles of working reservoir coated by layer of heat insulation. Manifolds with nozzles for heated and cooled volatile liquid are made separate. Semispherical outer surface of compression chamber is furnished with convective air cooler.

EFFECT: improved efficiency and reliability of device owing to reduction of nonproductive expenses of heat for improving isothermality of compression and delivery of gas.

1 dwg

Description

Изобретение относится к пневмоприводам, преимущественно компрессорам или насосам объемного вытеснения. При этом для сжатия и нагнетания газа используется энергия в виде тепла.The invention relates to pneumatic actuators, mainly compressors or volume displacement pumps. At the same time, energy in the form of heat is used to compress and inject the gas.

Известен способ изменения давления газа в камере пневмопривода (SU 1368483 А, 23.01.1988, F 04 В 19/24).A known method of changing the gas pressure in the chamber of the pneumatic actuator (SU 1368483 A, 01/23/1988, F 04 B 19/24).

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; энергозатраты для привода насоса.The disadvantages of the device for implementing this method are low reliability due to the inevitable mixing of the pumped gas with a volatile liquid, as well as due to the uncertainty of the position of the piston of the spool in the switching mode; design complexity and the presence of many elements that require constant switching; the need to fix the spool valve from rotation around its axis; high stresses of the elastic diaphragm of the compression chamber due to the rectangular contours of the chamber; energy consumption for pump drive.

Прототипом заявляемого изобретения является устройство изменения давления газа в камере пневмопривода (SU 1767215 А1, 07.10.1992, F 04 В 19/24).The prototype of the claimed invention is a device for changing the gas pressure in the pneumatic drive chamber (SU 1767215 A1, 10/07/1992, F 04 B 19/24).

В известном устройстве изменения давления газа в камере пневмопривода корпус 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.In the known device for changing the gas pressure in the pneumatic drive chamber, the casing is divided by a diaphragm into a working container partially filled with volatile liquid and a compression chamber for pumping gas with inlet and outlet valves. A pipeline connects the bottom of the tank to the pump inlet. The pump outlet is connected by two inlet pipelines with a cylindrical hollow housing of the spool valve, with a spring-loaded piston installed inside the channel and the drive cavity. The distributor housing is connected to two outlet pipelines connected respectively through a heater and a cooler to the nozzles (collector) of the working tank. The drive cavity of the distributor is connected by a highway to the gas cavity of the working tank. The distributor housing is equipped with a piston extreme position lock made in the form of a spring ball.

Недостатком известного устройства являются:A disadvantage of the known device are:

1 - большие потери тепла на периодический нагрев и охлаждения корпуса рабочей камеры и коллектора с форсунками для легкоиспаряющейся жидкости;1 - large heat loss due to periodic heating and cooling of the housing of the working chamber and the manifold with nozzles for volatile liquid;

2 - низкая изотермичность (почти адиабатный процесс) сжатия газа в компрессионной камере устройства, что снижает эффективность процесса сжатия и нагнетания газа.2 - low isothermal (almost adiabatic process) compression of gas in the compression chamber of the device, which reduces the efficiency of the process of compression and injection of gas.

Указанные недостатки ставят задачу повышения эффективности устройства изменения давления газа в камере пневмопривода в целом и, в частности, снижения непроизводительных затрат тепла, также повышения изотермичности сжатия и нагнетания газа.These shortcomings pose the problem of increasing the efficiency of the device for changing the gas pressure in the pneumatic drive chamber as a whole and, in particular, reducing the overhead of heat, as well as increasing the isothermality of gas compression and injection.

Указанная задача решается тем, что 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 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, 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.This problem is solved by the fact that the device for changing the gas pressure in the pneumatic drive chamber, comprising a housing divided by an elastic diaphragm into a working tank partially filled with a volatile liquid, and a compression hemispherical chamber for pumping gas with inlet and outlet valves, a pipeline connecting the lower point of the tank with the inlet into the pump, the outlet of which is connected by a pipeline to the cylindrical hollow body of the spool valve with a drive cavity connected by a gas line to the main a working capacity, and with a spring-loaded spool installed inside, equipped with a piston extreme position lock, made in the form of a spring-loaded ball and two reciprocal annular grooves on the spool, which contains an annular distribution channel, while the outlet of the spool valve housing is connected by two output pipelines, respectively, through the heater and cooler to the collector with nozzles of the working capacity, the working capacity inside is covered with a layer of thermal insulation, collectors with nozzles for heated and cooled volatile liquids are made separate, and the hemispherical outer surface of the compression chamber is equipped with a convective air cooler.

Введение внутреннего покрытия слоем теплоизоляции рабочей емкости необходимо для снижения больших затрат тепла на периодический нагрев (и охлаждение) корпуса рабочей емкости. Данные непроизводительные затраты тепла могут быть на одном уровне или превышать производительные затраты тепла, которые идут на нагрев легкоиспаряющейся жидкости и в дальнейшем на сжатие газа в компрессионной камере.The introduction of an internal coating with a layer of thermal insulation of the working capacity is necessary to reduce the large heat consumption for periodic heating (and cooling) of the working capacity housing. These unproductive heat costs can be at the same level or exceed the productive heat costs that go to heating a volatile liquid and then to compressing the gas in the compression chamber.

Введение раздельных коллекторов с форсунками для нагретой и охлажденной легкоиспаряющейся жидкости необходимо для снижения больших затрат тепла на периодический нагрев (и охлаждение) самого (одного) коллектора с форсунками, который как правило бывает выполненным из металла с большой теплоемкостью. Данный второй отличительный признак снижает непроизводительные затраты тепла так же, как и первый отличительный признак формулы изобретения.The introduction of separate collectors with nozzles for heated and cooled volatile liquids is necessary to reduce the high heat consumption for periodic heating (and cooling) of the (one) collector with nozzles itself, which is usually made of metal with high heat capacity. This second feature reduces the overhead of heat as well as the first feature of the claims.

Введение конвективного воздушного охладителя на полусферической наружной поверхности компрессионной камеры необходимо для обеспечения лучшего охлаждения компрессионной камеры и придания процессу сжатия газа в ней политропного характера, близкого к изотермическому. В целом это повышает эффективность сжатия газа, увеличивает степень сжатия и производительность. Кроме этого, исключается чрезмерный нагрев упругой диафрагмы и выпускного клапана компрессионной камеры, что значительно повышает надежность устройства.The introduction of a convective air cooler on the hemispherical outer surface of the compression chamber is necessary to ensure better cooling of the compression chamber and to give the gas compression process in it a polytropic character that is close to isothermal. In general, this increases the efficiency of gas compression, increases the degree of compression and productivity. In addition, excessive heating of the elastic diaphragm and the exhaust valve of the compression chamber is eliminated, which significantly increases the reliability of the device.

На чертеже изображена схема устройства изменения давления газа в камере пневмопривода.The drawing shows a diagram of a device for changing the gas pressure in the pneumatic drive chamber.

Устройство (см. чертеж) 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, содержащим корпус 11, 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 имеет фиксатор 17 золотника 12 в виде подпружиненного шарика. Надпоршневая полость золотникового распределителя соединена с газовой полостью рабочей емкости 3 магистралью 18. Выходы золотникового распределителя соединены трубопроводами 19 и 20 соответственно с нагревателем 21 и охладителем 22, выходы которых подсоединены соответственно к своим (раздельным) коллекторам с форсунками 23 и 24, расположенным внутри газовой полости емкости 3, в ее верхней части. Внутренняя поверхность полости рабочей емкости 3 покрыта теплоизоляционным слоем 25. На полусферической наружной поверхности компрессионной камеры 5 выполнен конвективный воздушный охладитель, например, в виде оребрения 26.The device (see drawing) contains a housing 1, divided by an elastic diaphragm 2 into a working container 3, partially filled with an easily evaporating liquid 4, and a hemispherical compression chamber 5, containing inlet 6 and outlet 7 valves. The lower point of the working tank 3 is connected by a pipe 8 to a pump 9, the outlet of which is connected by a pipe 10 to a spool distributor containing a housing 11, in which a spool 12 with a channel 13 in the form of an annular groove and two additional fixing ring-shaped grooves 14 are installed with a small gap the spool 12 is spring-loaded with a spring 15, the other end of which abuts against the screw 16, which controls the compression ratio of the spring 15, the spool valve housing having a retainer 17 of the spool 12 in the form of a spring ball. The over-piston cavity of the spool valve is connected to the gas cavity of the working tank 3 by a line 18. The outputs of the spool valve are connected by pipelines 19 and 20, respectively, to a heater 21 and a cooler 22, the outputs of which are connected respectively to their (separate) manifolds with nozzles 23 and 24 located inside the gas cavity capacity 3, in its upper part. The inner surface of the cavity of the working vessel 3 is covered with a heat-insulating layer 25. A convective air cooler is made on the hemispherical outer surface of the compression chamber 5, for example, in the form of fins 26.

Работает устройство следующим образом.The device operates as follows.

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 по трубопроводу 19 поступает в нагреватель 21, в котором она нагревается, частично испаряясь, и поступает через форсунки коллектора 23 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 20, в результате чего жидкость 4 прогоняется насосом 9 через охладитель 22, в котором она охлаждается до температуры, близкой температуре охладителя, и далее поступает через форсунки коллектора 24 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 17 (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 в нагреватель 21 и весь процесс повторяется.First, a pump 9 is turned on, which sucks the liquid evaporating liquid 4 through the pipe 8 from the working tank 3 and pumps it through the pipe 10 into the spool valve 11, from which the liquid 4 through the pipe 19 enters the heater 21, in which it heats up, partially evaporating, and enters through the nozzles of the collector 23 into the cavity of the vessel 3. The temperature of the vapor-liquid phase in the working cavity of the vessel 3 increases and the pressure increases, under the action of which the elastic diaphragm 2, which compresses the gas in the compression chamber, is deformed re 5, formed by the housing 1, and pumps the compressed gas to the consumer through the exhaust valve 7. With a maximum pressure increase in the tank 3, the pressure acting through the pipe 18 to the spool 12 releases it from the latch 17, and the spool sharply (quickly) compresses the spring 15 , moves to the left (according to the drawing), while the latch 17 passes from the left annular groove 14 to the right groove 14 and fixes the spool 12 in this position, which closes the pipeline 19 with its ring-shaped channel 13 and opens the pipeline 20, as a result of which the liquid 4 chased by a pump 9 through a cooler 22, in which it is cooled to a temperature close to the temperature of the cooler, and then passes through the nozzles of the collector 24 into the gas cavity of the tank 3. In this case, the temperature and pressure in the tank 3 fall, and the elastic diaphragm 2 is pulled inside the tank 3 - there is a process of suction of the pumped gas into the compression chamber 5 through the inlet valve 6. At the end of the suction process, when the pressure in the tank 3 has dropped to a certain value, under the action of the compressed spring 17 (due to a decrease in pressure on the spool 12 of the distributor 11) the piston 12 is released from the latch 17, and the spool 12 moves to the right within a short period of time (according to the drawing to its original position). In this case, the right annular groove 14 of the spool 12 is fixed - the pipe 19 is again open, and the pipe 20 is closed. The liquid 4 again enters the heater 21 and the whole process is repeated.

При периодическом нагреве и охлаждении легкоиспаряющейся жидкости 4 в рабочей емкости 3 ее корпус 1 не успевает значительно изменить свою температуру из-за теплоизоляционного покрытия 25 и происходит экономия тепла. Также при работе устройства не происходит значительного изменения температуры коллекторов 23 и 24. Все это позволяет уменьшить количество подводимой в нагревателе теплоты и повысить эффективность работы всего устройства. Процесс сжатия газа происходит при лучшем охлаждении полусферической компрессионной камеры 5 за счет находящегося на ней конвективного воздушного охладителя в виде оребрения 26.During periodic heating and cooling of a volatile liquid 4 in a working vessel 3, its body 1 does not have time to significantly change its temperature due to the heat-insulating coating 25 and heat is saved. Also, when the device is in operation, there is no significant change in the temperature of the collectors 23 and 24. All this allows to reduce the amount of heat supplied to the heater and increase the efficiency of the entire device. The gas compression process occurs with better cooling of the hemispherical compression chamber 5 due to the convective air cooler located in it in the form of fins 26.

Предложенное изобретение решает задачу повышения эффективности и надежности устройства изменения давления газа в камере пневмопривода в целом и, в частности, снижения непроизводительных затрат тепла, а также повышения изотермичности сжатия и нагнетания газа.The proposed invention solves the problem of increasing the efficiency and reliability of the device for changing the gas pressure in the pneumatic drive chamber as a whole and, in particular, reducing the overhead costs of heat, as well as increasing the isothermality of gas compression and injection.

Так, в предложенном устройстве исключены большие потери тепла на периодический нагрев и охлаждение корпуса рабочей камеры и коллектора с форсунками для легкоиспаряющейся жидкости. Кроме того, обеспечен близкий к изотермическому процесс сжатия газа в компрессионной камере устройства, что повышает эффективность процесса сжатия и нагнетания газа, а также повышает надежность устройства.So, in the proposed device eliminated large heat losses due to periodic heating and cooling of the housing of the working chamber and the manifold with nozzles for volatile liquid. In addition, a gas compression process close to the isothermal is provided in the compression chamber of the device, which increases the efficiency of the gas compression and injection process, and also increases the reliability of the device.

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.The use of a substance with an easily evaporating liquid with a condensation temperature close to the ambient temperature and with a boiling point several tens of degrees above zero Celsius (for example, some freons) allows you to use the device as a secondary source of energy (compressed gas) when using waste heat, solar radiation, thermal water energy and other environmentally friendly energy sources.

Claims

A device for changing the gas pressure in the pneumatic drive chamber, comprising a housing divided by an elastic diaphragm into a working tank partially filled with an easily evaporating liquid, and a hemispherical compression chamber for pumping gas with inlet and outlet valves, a pipeline connecting the lower point of the tank to the pump inlet, the outlet of which is connected a pipeline with a cylindrical hollow body of the spool valve with a drive cavity connected by a highway to the gas cavity of the working capacity and installed inside the spring-loaded spool, equipped with a piston of the extreme positions of the piston, made in the form of a spring-loaded ball and two reciprocal ring grooves on the spool, which contains an annular distribution channel, while the outlet of the spool valve housing is connected by two output pipelines, respectively, through a heater and cooler to the manifold with nozzles of the working containers, characterized in that the working capacity is internally covered with a layer of thermal insulation, collectors with nozzles for heated and cooled Each easily evaporated liquid is made separate, and the hemispherical outer surface of the compression chamber is equipped with a convective air cooler.