RU2520793C1 - Method of mutual conversion of mechanical energy and potential energy of compressed gas - Google Patents

Method of mutual conversion of mechanical energy and potential energy of compressed gas Download PDF

Info

Publication number
RU2520793C1
RU2520793C1 RU2013126211/06A RU2013126211A RU2520793C1 RU 2520793 C1 RU2520793 C1 RU 2520793C1 RU 2013126211/06 A RU2013126211/06 A RU 2013126211/06A RU 2013126211 A RU2013126211 A RU 2013126211A RU 2520793 C1 RU2520793 C1 RU 2520793C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
piston
cylinder
gas
difference
liquid
Prior art date
Application number
RU2013126211/06A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Леонид Борисович Куликов
Original Assignee
Леонид Борисович Куликов
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Леонид Борисович Куликов filed Critical Леонид Борисович Куликов
Priority to RU2013126211/06A priority Critical patent/RU2520793C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2520793C1 publication Critical patent/RU2520793C1/en

Links

Images

Landscapes

  • Compressor (AREA)
  • Compressors, Vaccum Pumps And Other Relevant Systems (AREA)

Abstract

FIELD: machine building.
SUBSTANCE: method of mutual conversion of mechanical energy and potential energy of compressed gas consists in cyclic change of gas volume in above-piston and/or below-piston cavity at reciprocating motion of a piston inside a cylinder. Gas in the said cavity is periodically renewed through gas supply and withdrawal channels. The cylinder and/or the piston are rotated around the axis parallel to the direction of the piston's reciprocating motion. The piston is installed in the cylinder with a minimum radial gap. The cylinder is partially filled by fluid. The action of centrifugal forces provides for the formation of free surface of the fluid. Difference of static fluid pressures in the above-piston and below-piston cavities, provided by the difference of radiuses of the fluid free surface, compensates the gas pressure difference in these cavities.
EFFECT: higher efficiency factor of the process due to reduced losses by friction and approximation of the compression process to the isothermal process.
3 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к способам преобразования механической энергии в потенциальную энергию сжатого газа и наоборот, и может быть использовано для организации рабочего цикла в компрессорах, детандерах и других поршневых машинах.The invention relates to the field of mechanical engineering, and in particular to methods of converting mechanical energy into potential energy of compressed gas and vice versa, and can be used to organize the working cycle in compressors, expanders and other reciprocating machines.

Из уровня техники известен способ взаимного преобразования механической энергии и потенциальной энергии сжатого газа, заключающийся в циклическом изменении объема газа в надпоршневой полости, заключенной между цилиндром и помещенным внутрь него поршнем, при возвратно-поступательном перемещении поршня внутри цилиндра и периодическом обновлении газа в указанной полости через каналы подвода и отвода газа (см. патент CN 101294561, кл. F04B 53/02, опубл. 29.10.2008). Недостатками известного способа являются низкий коэффициент преобразования энергии из-за высоких механических потерь на трение в паре поршень-цилиндр, необходимость применения смазки и, как следствие, загрязнение сжимаемого газа маслом, а также невозможность получения степени сжатия газа в одной ступени более 10 атм, т.к. при большем сжатии газ нагревается до температуры более 250°С, что приводит к быстрому выгоранию смазочного масла.The prior art method for the mutual conversion of mechanical energy and the potential energy of compressed gas, which consists in cyclically changing the volume of gas in the supra-piston cavity, enclosed between the cylinder and the piston placed inside it, with reciprocating movement of the piston inside the cylinder and periodically updating the gas in the cavity through gas supply and exhaust channels (see patent CN 101294561, class F04B 53/02, published on October 29, 2008). The disadvantages of this method are the low energy conversion coefficient due to high mechanical friction losses in the piston-cylinder pair, the need for lubrication and, as a consequence, the contamination of the compressible gas with oil, and the inability to obtain a gas compression ratio in one stage of more than 10 atm, t .to. with greater compression, the gas is heated to a temperature of more than 250 ° C, which leads to a rapid burnout of the lubricating oil.

Задачей изобретения является устранение указанных недостатков. Технический результат заключается в повышении КПД процесса за счет уменьшения потерь на трение и приближения процесса сжатия к изотермическому процессу. Поставленная задача решается, а технический результат достигается тем, что согласно способу взаимного преобразования механической энергии и потенциальной энергии сжатого газа, заключающемуся в циклическом изменении объема газа в надпоршневой и/или подпоршневой полости, заключенной между цилиндром и помещенным внутрь него поршнем, при возвратно-поступательном перемещении поршня внутри цилиндра и периодическом обновлении газа в указанной полости через каналы подвода и отвода газа, цилиндр и/или поршень вращают вокруг оси, параллельной направлению возвратно-поступательного движения поршня, поршень размещают в цилиндре с гарантированным радиальным зазором, а цилиндр частично заполняют жидкостью так, что разница статических давлений жидкости в надпоршневой и подпоршневой полостях, обусловленная разницей радиусов свободной поверхности жидкости, образующейся под действием центробежных сил, в указанных полостях, компенсирует разницу давления газа в надпоршневой и в подпоршневой полостях. В качестве жидкости целесообразно использовать воду. Жидкость предпочтительно постоянно или периодически добавляют или обновляют.The objective of the invention is to remedy these disadvantages. The technical result consists in increasing the efficiency of the process by reducing friction losses and bringing the compression process closer to the isothermal process. The problem is solved, and the technical result is achieved by the fact that according to the method of mutual conversion of mechanical energy and potential energy of compressed gas, which consists in cyclically changing the volume of gas in the supra-piston and / or sub-piston cavity enclosed between the cylinder and the piston placed inside it, with a reciprocating moving the piston inside the cylinder and periodically updating the gas in the specified cavity through the gas supply and exhaust channels, the cylinder and / or piston are rotated around the axis, in parallel direction of the reciprocating movement of the piston, the piston is placed in the cylinder with a guaranteed radial clearance, and the cylinder is partially filled with liquid so that the difference in the static pressure of the liquid in the above-piston and under-piston cavities, due to the difference in the radii of the free surface of the liquid formed under the action of centrifugal forces, in the indicated cavities, compensates for the difference in gas pressure in the over-piston and under-piston cavities. It is advisable to use water as a liquid. The liquid is preferably continuously or periodically added or updated.

На фиг.1 представлен компрессор, работающий согласно предлагаемому способу (цикл всасывания);Figure 1 shows the compressor operating according to the proposed method (suction cycle);

на фиг.2 - то же, что на фиг.1 (цикл нагнетания).figure 2 - the same as in figure 1 (injection cycle).

Ниже предлагаемый способ рассмотрен на примере компрессора с вращающимся цилиндром, однако возможно также выполнение вращающегося поршня или изменение типа преобразователя энергии без изменения сущности предлагаемого способа.Below, the proposed method is considered as an example of a compressor with a rotating cylinder, however, it is also possible to perform a rotating piston or change the type of energy converter without changing the essence of the proposed method.

Простейший компрессор для сжатия атмосферного воздуха, в котором может быть реализован предлагаемый способ, представлен на фиг.1-2 и состоит из вращающегося в подшипниках 1 цилиндра 2 в виде стакана с буртиком на открытом торце, ограничивающим подпоршневую полость. Цилиндр 2 снабжен уплотнительным устройством 3 для отвода сжатого воздуха и связан с самодействующими выпускными клапанами 4. Внутри цилиндра размещен поршень 5, связанный через ползун 6 и шатун 7 с вращающимся кривошипом 8. Поршень 5 размещен в цилиндре 2 с гарантированным радиальным зазором 9. Цилиндр 2 частично заполнен жидкостью 10 (например, водой). Поршень 5 выполнен с возможностью вращения в подшипниках 11 и снабжен впускными клапанами 12. Поршень 5, дно цилиндра 2 и свободная поверхность жидкости 10, находящейся между ними, образуют замкнутую надпоршневую полость 13 воздуха, объем которой циклически изменяется при возвратно-поступательном движении поршня 5 в цилиндре 2. Подпоршневая полость 14 сообщается с атмосферой. Внутри буртика в нижней части цилиндра 2 образовано центральное отверстие 15 для перелива излишков жидкости 10. Для восполнения объема жидкости 10, неизбежно уменьшающейся за счет испарения и уноса с потоком сжатого воздуха, а также для замещения нагревающейся от сжатия воздуха жидкости 10 предусмотрен насос, постоянно подкачивающий жидкость 10 в цилиндр 2 (не показан).The simplest compressor for compressing atmospheric air, in which the proposed method can be implemented, is shown in FIGS. 1-2 and consists of a cylinder 2 rotating in bearings 1 in the form of a glass with a shoulder on the open end that bounds the piston cavity. The cylinder 2 is equipped with a sealing device 3 for exhausting compressed air and is connected with self-acting exhaust valves 4. A piston 5 is placed inside the cylinder, connected through a slider 6 and a connecting rod 7 with a rotating crank 8. A piston 5 is placed in the cylinder 2 with a guaranteed radial clearance 9. Cylinder 2 partially filled with liquid 10 (for example, water). The piston 5 is rotatable in the bearings 11 and is equipped with inlet valves 12. The piston 5, the bottom of the cylinder 2 and the free surface of the liquid 10 located between them form a closed over-piston cavity 13 of the air, the volume of which cyclically changes when the piston 5 is reciprocating cylinder 2. Piston cavity 14 communicates with the atmosphere. A central hole 15 is formed inside the shoulder in the lower part of the cylinder 2 for overflowing excess liquid 10. To fill the volume of liquid 10, which inevitably decreases due to evaporation and entrainment with a stream of compressed air, and also to replace the liquid 10 heated by compression of air, a pump is constantly pumping fluid 10 into cylinder 2 (not shown).

Компрессор, изображенный на фиг.1-2, работает следующим образом. Перед началом работы цилиндр 2 с находящейся в нем жидкостью 10 раскручивается до высоких оборотов от какого-либо двигателя (не показан). Вращающийся кривошип 8 через шатун 7 и ползун 6 придает возвратно-поступательное движение поршню 5. При начале движения поршня 5 вниз (см. фиг.1) в надпоршневой полости 13 создается некоторое разрежение воздуха, обусловленное разницей давлений атмосферного воздуха и давления воздуха в полости 13. Впускные клапаны 12 открывают, и при дальнейшем ходе поршня 5 вниз увеличивающаяся в объеме полость 13 наполняется атмосферным воздухом из подпоршневого пространства 14. Выпускные клапаны 4 при этом закрыты. Разница давлений атмосферного воздуха и воздуха в полости 13 во время такта всасывания перемещает жидкость 10 через радиальный зазор 9 таким образом, что разница статических давлений жидкости 10, находящейся в поле центробежных сил, обусловленная разницей «Н» радиусов свободной поверхности жидкости 10 в надпоршневой 13 и подпоршневой 14 полостях, компенсирует разницу давлений воздуха в атмосфере и в полости 13.The compressor depicted in Fig.1-2, operates as follows. Before starting work, the cylinder 2 with the liquid 10 contained therein is untwisted to high speeds from any engine (not shown). The rotating crank 8 through the connecting rod 7 and the slider 6 gives a reciprocating motion to the piston 5. When the piston 5 moves downward (see FIG. 1), a certain rarefaction of air is created in the supra-piston cavity 13, due to the difference in atmospheric air pressure and air pressure in the cavity 13 The inlet valves 12 are opened, and with a further stroke of the piston 5 downward, the growing cavity 13 is filled with atmospheric air from the sub-piston space 14. The exhaust valves 4 are thus closed. The difference in pressure of atmospheric air and air in the cavity 13 during the suction stroke moves the fluid 10 through the radial clearance 9 in such a way that the difference in the static pressures of the fluid 10 located in the centrifugal force field is due to the difference “H” of the radii of the free surface of the fluid 10 in the over-piston 13 and piston 14 cavities, compensates for the difference in air pressure in the atmosphere and in the cavity 13.

При начале движения поршня 5 вверх (см. фиг.2) впускные клапаны 12 закрывают, выпускные клапаны 4 тоже пока закрыты, происходит уменьшение объема полости 13 и сжатие в ней воздуха. После сжатия воздуха в полости 13 до требуемого давления открываются выпускные клапаны 4 и при продолжающемся движении поршня 5 вверх сжатый воздух из полости 13 через уплотнительное устройство 3 отводится потребителю. Далее поршень 5 начинает движение вниз и цикл работы компрессора повторяется. Разница давлений атмосферного воздуха и воздуха в полости 13 во время такта сжатия и нагнетания перемещает жидкость 10 через радиальный зазор 9 таким образом, что разница статических давлений жидкости 10, находящейся в поле центробежных сил, обусловленная разницей «H» радиусов свободной поверхности жидкости 10 в надпоршневой 13 и подпоршневой 14 полостях, компенсирует разницу давлений воздуха в атмосфере и в полости 13.At the beginning of the upward movement of the piston 5 (see FIG. 2), the intake valves 12 are closed, the exhaust valves 4 are still closed, the volume of the cavity 13 is reduced and air is compressed in it. After compressing the air in the cavity 13 to the required pressure, the exhaust valves 4 open and with the continued movement of the piston 5 upward, compressed air from the cavity 13 through the sealing device 3 is discharged to the consumer. Next, the piston 5 begins to move down and the compressor cycle is repeated. The difference in pressure of atmospheric air and air in the cavity 13 during the compression and forcing stroke moves the fluid 10 through the radial clearance 9 in such a way that the difference in the static pressures of the fluid 10 located in the centrifugal force field is due to the difference “H” of the radii of the free surface of the fluid 10 in the over-piston 13 and piston 14 cavities, compensates for the difference in air pressure in the atmosphere and in the cavity 13.

Поршень 5 выполнен с возможностью вращения в подшипниках 11 для уменьшения гидравлических потерь при трении вращающейся жидкости 10 о поверхность поршня 5.The piston 5 is made to rotate in the bearings 11 to reduce hydraulic losses during friction of the rotating fluid 10 on the surface of the piston 5.

При сжатии воздуха в полости 13 его температура повышается, что за счет теплоотдачи приводит к нагреванию жидкости 10. Подкачивающий насос (не показан) постоянно добавляет новую холодную жидкость 10 в цилиндр 2. При этом радиус отверстия 15 выбран с таким расчетом, чтобы при каждом цикле сжатия излишки жидкости 10 переливались через кромку отверстия 15, после чего эти излишки нагретой жидкости 10 утилизируются или зацикливаются через охлаждающий радиатор.When the air is compressed in the cavity 13, its temperature rises, which leads to the heating of the liquid 10 due to heat transfer. A booster pump (not shown) constantly adds new cold liquid 10 to the cylinder 2. Moreover, the radius of the hole 15 is chosen so that with each cycle Compression excess fluid 10 poured over the edge of the hole 15, after which these excess heated fluid 10 is disposed of or looped through the cooling radiator.

Максимальная степень сжатия воздуха в данной конструкции компрессора прямо пропорциональна центростремительному ускорению, плотности жидкости 10 и разнице радиусов свободной поверхности жидкости в полостях 13 и 14. Поэтому для повышения степени сжатия воздуха целесообразно раскручивать цилиндр 2 до высоких оборотов. В вышеописанной конструкции компрессора по сравнению с общеизвестными конструкциями поршневого компрессора отсутствует непосредственный контакт боковых поверхностей поршня и цилиндра, что значительно уменьшает потери на трение. Максимальная степень сжатия ограничена температурой испарения применяемой жидкости, но при условии постоянного обновления жидкости температура сжимаемого газа может значительно превышать температуру испарения жидкости. Кроме того, охлаждение сжимаемого газа постоянно обновляющейся холодной жидкостью приближает процесс сжатия газа к изотермическому сжатию, что также повышает КПД работы компрессора. Использование в качестве рабочей жидкости воды позволяет получать абсолютно чистый безмасляный воздух.The maximum degree of air compression in this compressor design is directly proportional to centripetal acceleration, the density of the liquid 10 and the difference in the radii of the free surface of the liquid in the cavities 13 and 14. Therefore, to increase the degree of air compression, it is advisable to untwist cylinder 2 to high revolutions. Compared to well-known reciprocating compressor designs, the compressor design described above does not directly contact the side surfaces of the piston and cylinder, which significantly reduces friction losses. The maximum compression ratio is limited by the evaporation temperature of the liquid used, but under the condition of constant renewal of the liquid, the temperature of the compressible gas can significantly exceed the temperature of liquid evaporation. In addition, the cooling of a compressible gas by a constantly renewing cold liquid brings the gas compression process closer to isothermal compression, which also increases the efficiency of the compressor. The use of water as a working fluid allows you to get absolutely clean oil-free air.

Claims (3)

1. Способ взаимного преобразования механической энергии и потенциальной энергии сжатого газа, заключающийся в циклическом изменении объема газа в надпоршневой и/или подпоршневой полости, заключенной между цилиндром и помещенным внутрь него поршнем, при возвратно-поступательном перемещении поршня внутри цилиндра и периодическом обновлении газа в указанной полости через каналы подвода и отвода газа, отличающийся тем, что цилиндр и/или поршень вращают вокруг оси, параллельной направлению возвратно-поступательного движения поршня, поршень размещают в цилиндре с гарантированным радиальным зазором, а цилиндр частично заполняют жидкостью так, что разница статических давлений жидкости в надпоршневой и подпоршневой полостях, обусловленная разницей радиусов свободной поверхности жидкости, образующейся под действием центробежных сил, в указанных полостях, компенсирует разницу давления газа в надпоршневой и в подпоршневой полостях.1. A method for the mutual conversion of mechanical energy and potential energy of compressed gas, which consists in cyclically changing the volume of gas in the supra-piston and / or sub-piston cavity enclosed between the cylinder and the piston placed inside it, with the reciprocating movement of the piston inside the cylinder and periodic updating of the gas in the specified cavities through gas supply and exhaust channels, characterized in that the cylinder and / or piston rotate about an axis parallel to the direction of reciprocating movement of the piston, Porsche they are placed in a cylinder with a guaranteed radial clearance, and the cylinder is partially filled with liquid so that the difference in the static pressure of the liquid in the supra-piston and under-piston cavities, due to the difference in the radii of the free surface of the liquid formed under the action of centrifugal forces in these cavities, compensates for the difference in gas pressure in the supra-piston and in the piston cavities. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве жидкости используют воду.2. The method according to claim 1, characterized in that water is used as a liquid. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что жидкость постоянно или периодически добавляют или обновляют. 3. The method according to claim 1, characterized in that the liquid is constantly or periodically added or updated.
RU2013126211/06A 2013-06-07 2013-06-07 Method of mutual conversion of mechanical energy and potential energy of compressed gas RU2520793C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2013126211/06A RU2520793C1 (en) 2013-06-07 2013-06-07 Method of mutual conversion of mechanical energy and potential energy of compressed gas

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2013126211/06A RU2520793C1 (en) 2013-06-07 2013-06-07 Method of mutual conversion of mechanical energy and potential energy of compressed gas

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2520793C1 true RU2520793C1 (en) 2014-06-27

Family

ID=51218004

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2013126211/06A RU2520793C1 (en) 2013-06-07 2013-06-07 Method of mutual conversion of mechanical energy and potential energy of compressed gas

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2520793C1 (en)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB525983A (en) * 1938-03-05 1940-09-09 Mawen Motor Corp Improvements in or relating to engines having radially or tangentially arranged cylinders
CN101294561A (en) * 2007-04-26 2008-10-29 阿耐思特岩田株式会社 Piston ring and a fluid sucking/discharge device with the piston ring
RU90144U1 (en) * 2008-11-19 2009-12-27 Открытое Акционерное Общество "Ордена Ленина Научно-Исследовательский И Конструкторский Институт Энерготехники Имени Н.А. Доллежаля" HIGH PRESSURE MULTI-STAGE PISTON COMPRESSOR
CN201496216U (en) * 2009-08-27 2010-06-02 潘建民 Eccentrically pushed and peripherically distributed type plunger pump

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB525983A (en) * 1938-03-05 1940-09-09 Mawen Motor Corp Improvements in or relating to engines having radially or tangentially arranged cylinders
CN101294561A (en) * 2007-04-26 2008-10-29 阿耐思特岩田株式会社 Piston ring and a fluid sucking/discharge device with the piston ring
RU90144U1 (en) * 2008-11-19 2009-12-27 Открытое Акционерное Общество "Ордена Ленина Научно-Исследовательский И Конструкторский Институт Энерготехники Имени Н.А. Доллежаля" HIGH PRESSURE MULTI-STAGE PISTON COMPRESSOR
CN201496216U (en) * 2009-08-27 2010-06-02 潘建民 Eccentrically pushed and peripherically distributed type plunger pump

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU125635U1 (en) PISTON PUMP COMPRESSOR
US2575394A (en) Reciprocating piston and cylinder mechanism
CN201650663U (en) Efficient oil-free piston compression device
RU2578748C1 (en) Piston compressor with independent liquid cooling
RU2520793C1 (en) Method of mutual conversion of mechanical energy and potential energy of compressed gas
CN101782056A (en) Double-cylinder sliding block type air compressor
US4270351A (en) Heat engine and thermodynamic cycle
RU2538371C1 (en) Operation of pump-compressor and device to this end
RU2511810C1 (en) Method for mutual conversion of mechanical energy and potential energy of compressed gas
CN105351197A (en) Rotary piston type compressor
CN201330690Y (en) Multicylinder translational compression device
RU2683051C1 (en) Method of operating piston pump-compressor and device therefor
RU130007U1 (en) ROTATIVE COMPRESSOR
CN201650658U (en) Vacuum pump
CN101782057A (en) Single cylinder slide block type air compressor
RU2513056C1 (en) Rotary compressor
JP2021526192A (en) Horizontal gas compressor with free lift piston
RU125267U1 (en) EQUALIZED COMPRESSOR WITH NONCONTACT SEAL
CN215409165U (en) High-pressure plunger pump with oil groove
RU2722116C1 (en) Method of piston two-stage compressor operation and device for implementation thereof
CN101539132B (en) Linear transmission mechanism of reciprocating dynamic machinery
RU191806U1 (en) High pressure piston compressor
Shcherba et al. The Operation Analysis of a Reciprocating Hybrid Power Machine with a Gas Volume on Suction Using Various Cooling Liquids
RU188232U1 (en) PUMP COMPRESSOR
RU2511906C1 (en) Compressor with combined driving mechanism

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20180608