RU2736555C1

RU2736555C1 - Способ работы гидропневматического агрегата и устройство для его осуществления

Info

Publication number: RU2736555C1
Application number: RU2020113139A
Authority: RU
Inventors: Виктор Евгеньевич Щерба; Андрей Владимирович Занин; Александр Павлович Болштянский; Евгений Юрьевич Носов
Priority date: 2020-04-09
Filing date: 2020-04-09
Publication date: 2020-11-18

Abstract

Изобретение относится к области гидропневматической техники и может быть использовано при создании компактных и высокоэкономичных поршневых компрессоров высокого давления. Способ работы агрегата состоит в том, что при подаче жидкости в полость газового цилиндра ее живое сечение сначала увеличивается от минимального до достижения поршнем насоса середины хода, а затем уменьшается до величины, соответствующей проходному сечению нагнетательного газового клапана. Перед сжатием газа в газовой полости его могут предварительно сжимать в дополнительной газовой полости. Гидропневматический агрегат содержит поршневой жидкостный насос 1 с рабочей полостью 2 и кривошипно-шатунным приводом 3 поршня 4. Рабочая полость 2 соединена с теплообменником 6 и далее с газовым цилиндром 7 с всасывающими 8 и нагнетательными 9 клапанами. Рабочая полость 10 газового цилиндра 7 выполнена в виде симметричного относительно его поперечного сечения веретена, нижний конец 11 которого непосредственно через канал 5 соединен с рабочей полостью 2 жидкостного насоса 1, а клапаны 8 и 9 установлены в зоне верхнего конца 12 рабочей полости 10. При изготовлении поршня дифференциальным образуется дополнительная компрессорная полость, сжимающая газ, который потом дожимается в газовой полости жидкостью. Повышается эффективность процесса сжатия, ликвидируются утечки газа. 4 н. и 13 з.п. ф-лы, 16 ил.

Description

Изобретение относится к области гидропневматической техники и может быть использовано при создании компактных и высокоэкономичных поршневых компрессоров высокого давления.

Известен способ работы гидропневматического агрегата, в котором сжатие газа до высокого давления осуществляется столбом жидкости при подаче ее в газовую полость, заполненную газом низкого давления. При этом жидкость сжимает газ и одновременно его охлаждает, что позволяет сжимать газ до высокого давления, благодаря также тому, что утечки газа при таком сжатии через жидкостный столб-поршень практически отсутствуют - см., например, патенты SU № 1513186 «Компрессор с жидкостным поршнем» от 07.10.1989, SU № 1687855 «Компрессор» от 30.06.1989, RU № 2259499 «Компрессор с гидрозатвором для квазиизотермического сжатия и перекачки газожидкостных смесей» от 27.08.2005, RU № 2282749 «Устройство для нагнетания газов и газожидкостных смесей» от 27.08.2006.

В этих же источниках информации описаны устройства для осуществления такого способа, которые содержат поршневой насос цилиндрической рабочей полостью и кривошипно-шатунным приводом поршня, причем рабочая полость соединена каналом непосредственно с газовым цилиндром, имеющим всасывающие и нагнетательные клапаны.

Недостатком известного способа и основанных на нем конструкция является неэффективное охлаждение сжимаемого газа, что практически делает сжатие адиабатным и существенно снижает экономичность способа и устройств, особенно при сжатии газа до высокого давления. Это, например, отмечается в диссертационной работе Мартынова В.Н. «Разработка и исследование насосно-компрессорных установок для сжатия газов и газожидкостных смесей». Автореферат канд. техн. наук, - М.: РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, 2009. На стр. 21 автореферата в выводах по работе автор, в частности, пишет: «Интенсивность теплообмена в компрессионной камере не столь высока, чтобы можно было считать процесс сжатия изотермическим. Значение коэффициента политропы сжатия возрастает с ростом отношения давлений, постепенно приближаясь к показателю адиабаты соответствующего газа».

Технической задачей изобретения является повышение экономичности работы гидропневматического агрегата путем улучшения процесса охлаждения сжимаемого газа.

Данная задача решается следующим образом:

При подаче жидкости в полость газового цилиндра ее живое сечение сначала увеличивается от минимального до достижения поршнем насоса середины хода, а затем уменьшается до величины, соответствующей проходному сечению нагнетательного газового клапана.

Перед сжатием газа в газовом цилиндре, его предварительно сжимают в дополнительной газовой полости, причем сжатие осуществляют с помощью поршня или плунжера, соединенного непосредственно с поршнем или плунжером жидкостного насоса.

Рабочую полость газового цилиндра выполняют в виде симметричного относительно его поперечного сечения веретена, нижний конец которого непосредственно через канал соединен с рабочей полостью жидкостного насоса, а в зоне верхнего конца рабочей полости устанавливают газовые всасывающие и нагнетательные клапаны.

Образующую веретена газового цилиндра выполняют в виде параболы или в виде двух пересекающихся под тупым углом прямых линий, при этом отношение половины длины веретена к его радиусу в его срединной части может составлять величину, находящуюся в пределах от 10-ти до 20-ти..

Газовый цилиндр выполняют из двух жестко стянутых между собой частей с разъемом по максимальному радиусу рабочей полости.

Поршень насоса выполнен дифференциальным и делит цилиндрическую полость на две части, причем подпоршневая полость является рабочей полостью насоса, а надпоршневая полость - дополнительной газовой полостью, в которой установлены всасывающие клапаны, соединенные с источником газовой среды, и нагнетательные клапаны, соединенные со всасывающими клапанами газового цилиндра.

Напротив входа канала, соединяющего рабочую полость насоса с газовой полостью, в этой полости установлена жесткая площадка, закрепленная, например, в плоскости разъема газового цилиндра.

Поршень или плунжер насоса закреплен на поршне, размещенном в дополнительном цилиндре, этот поршень соединен с кривошипно-шатунным механизмом, и в этом цилиндре установлены всасывающие клапаны, соединенные с источником газа, и нагнетательные клапаны, соединенные со всасывающими клапанами газового цилиндра, при этом газовый цилиндр может быть установлен неподвижно на цилиндре жидкостного насоса, а дополнительный цилиндр может быть выполнен в виде замкнутой цилиндрической полости, дополнительный поршень выполнен дифференциальным и соединен с механизмом привода через шток, проходящий через нижнюю часть этого цилиндра, при этом дополнительный поршень делит дополнительный цилиндр на две части - подпоршневую и надпоршневую, причем одна из этих полостей соединена через всасывающий клапан с источником газа, а через нагнетательный - со всасывающим клапаном другой полости, нагнетательный клапан которой соединен через всасывающий клапан с газовой полостью. Кроме того, дополнительный цилиндр может быть выполнен в виде замкнутой цилиндрической полости, дополнительный поршень выполнен дифференциальным и соединен с механизмом привода через шток, проходящий через нижнюю часть этого цилиндра, при этом дополнительный поршень делит дополнительный цилиндр на две части - подпоршневую и надпоршневую, причем одна из этих полостей соединена через всасывающий клапан с источником газа, а через нагнетательный - со всасывающим клапаном газовой полости, нагнетательный клапан которой соединен через всасывающий клапан с дополнительной газовой полостью, нижняя часть которой соединена непосредственно с другой частью дополнительного цилиндра, заполненной жидкостью.

Рабочая полость газового цилиндра, имеющая веретенообразное продольное сечение, заполнена высокопористым материалом, например, в виде слоев металлической сетки.

Рабочая полость газового цилиндра, имеющая веретенообразное продольное сечение, выполнена в виде радиатора, состоящего из ряда соединенных общими каналами веретенообразных трубок.

Рабочая полость газового цилиндра имеет цилиндрическую форму с прямолинейной образующей и заполнена округлыми телами, разделенными поперек продольной оси цилиндра высокопористыми прокладками, выполненными, например, в виде металлических сеток, причем размер округлых тел каждого ряда их укладки уменьшается в направлении от продольного центра к торцам цилиндра.

Рабочая полость газового цилиндра имеет цилиндрическую форму с прямолинейной образующей, а вдоль цилиндра по его оси установлен стержень, выполненный в виде двух направленных к середине цилиндра конусов.

Поршень насоса выполнен дифференциальным с образованием верхней и нижней жидкостной полости, которые соединены между собой через каналы и теплообменник, причем с газовым цилиндром соединена полость, имеющая больший объем, а разность между объемами этих полостей равна рабочему объему газового цилиндра.

Сущность изобретения поясняется чертежами.

На фиг. 1 изображен гидропневматический агрегат с поршневым насосом и веретенообразной газовой полостью, соединенной с этим насосом.

На фиг. 2 показан агрегат с дифференциальным поршнем, который делит цилиндр на газовую и насосную полости, которые соединены с газовым цилиндром веретенообразной формы.

На фиг. 3 показана отдельно газовая полость в виде встречных конусов с прямолинейными образующими и с площадкой напротив входа жидкости.

На фиг. 4 показан агрегат с плунжером насоса, который закреплен на поршне, размещенном в дополнительном газовом цилиндре с газовыми клапанами, и при этом нагнетательные клапаны соединены со всасывающими клапанами газового цилиндра.

На фиг. 5. показан агрегат, аналогичный изображенному на фиг. 4, в котором газовый цилиндр установлен неподвижно на цилиндре жидкостного насоса.

На фиг. 6 изображен агрегат, аналогичный показанному на фиг. 5, в котором дополнительный поршень выполнен дифференциальным и делит дополнительный цилиндр на две части - подпоршневую и надпоршневую, которые являются первой и второй газовыми ступенями агрегата.

На фиг. 7 изображен агрегат, аналогичный показанному на фиг. 6, в котором полость над дополнительным поршнем заполнена жидкостью и соединена с дополнительным газовым цилиндром, являющимся третьей газовой ступенью.

На фиг. 8 показан газовый цилиндр заполнен высокопористым материалом, например, в виде слоев металлической сетки, фрагмент которой показан на фиг. 9.

На фиг 10 и 11 показан агрегат, в котором рабочая полость газового цилиндра выполнена в виде радиатора, состоящего из ряда соединенных общими каналами веретенообразных трубок с индивидуальными газовыми клапанами у каждой трубки, а на фиг. 12 - такой же агрегат, но с общими газовыми клапанами.

На фиг. 13 показан газовый цилиндр, который имеет цилиндрическую форму с прямолинейной образующей и заполнен округлыми телами, разделенными поперек продольной оси цилиндра высокопористыми прокладками.

На фиг. 14 показан газовый цилиндр с цилиндрической формой и с прямолинейной образующей с установленным стержнем, в виде двух направленных к середине цилиндра конусов.

На фиг 15 и 16 показан агрегат с дифференциальным поршнем и двумя жидкостными полостями, соединенными между собой теплообменником.

Гидропневматический агрегат для осуществления способа по п. 1 (фиг. 1), содержит поршневой жидкостный насос 1 с цилиндрической рабочей полостью 2 и кривошипно-шатунным приводом 3 поршня 4. Рабочая полость 2 соединена каналом 5 с теплообменником 6 непосредственно с газовым цилиндром 7, имеющим всасывающие 8 и нагнетательные 9 клапаны. При этом рабочая полость 10 газового цилиндра 7 выполнена в виде симметричного относительно его поперечного сечения веретена, нижний конец 11 которого непосредственно через канал 5 соединен с рабочей полостью 2 жидкостного насоса 1, а газовые всасывающие и нагнетательные клапаны 8 и 9 установлены в зоне верхнего конца 12 рабочей полости 10. В данном примере образующая веретена рабочей полости 10 газового цилиндра 7 выполнена в виде параболы, и газовый цилиндр 7 изготовлен из двух жестко стянутых между собой частей 13 и 14 с разъемом 15 по максимальному радиусу рабочей полости 10. Изготовление цилиндра 7 в виде двух стянутых между собой частей существенно облегчает его изготовление.

Отношение половины длины веретена к его радиусу в его срединной части составляет величину, находящуюся в пределах от 10-ти до 20-ти.

Гидропневматический агрегат для осуществления способа по п. 2 (фиг. 2), содержит поршневой жидкостный насос 1 с цилиндрической рабочей полостью 20 и кривошипно-шатунным приводом (условно показан только шток 21 привода) поршня 22. Поршень 22 насоса выполнен дифференциальным со штоком 21 и делит цилиндрическую полость 20 на две части, причем подпоршневая полость 23 является рабочей полостью насоса, а надпоршневая полость 24 - дополнительной газовой полостью, в которой установлены всасывающие клапаны 25, соединенные с источником газовой среды, и нагнетательные клапаны 26, соединенные со всасывающими клапанами 8 газового цилиндра через канал 27 и теплообменник 28.

На фиг. 3 показан газовый цилиндр 7 с рабочей полостью 10 в виде веретена, поверхность которого образована двумя прямыми линиями, пересекающимися под тупым углом β. В данном примере напротив входа канала 5, соединяющего рабочую полость 23 насоса с газовой полостью 10, в этой полости установлена жесткая площадка 29, закрепленная через стенки вставки 30 с окнами 31 в плоскости разъема 15 газового цилиндра 7.

На фиг. 4 показан агрегат, содержащий плунжерный жидкостный насос с цилиндрической рабочей полостью 40 жидкостного цилиндра 41 и кривошипно-шатунным приводом 42 плунжера 43, размещенного в жидкостном цилиндре 41 с образованием рабочей полости 40. Рабочая полость 40 насоса соединена каналом 5 через теплообменник 6 непосредственно с газовым цилиндром 7, имеющим всасывающие 8 и нагнетательные 9 клапаны. Плунжер 43 насоса закреплен на поршне 44, размещенном в дополнительном цилиндре 45 с образованием рабочей полости 46, и этот поршень 44 соединен с кривошипно-шатунным механизмом 42. В цилиндре 45 установлены всасывающие 47 клапаны, соединенные с источником газа, и нагнетательные 48 клапаны, соединенные со всасывающими клапанами 8 газового цилиндра 7 через канал 49 и теплообменник 50. На входе канала 5 в полость 10 установлена вставка 51 из пористого материала.

Конструкция, изображенная на фиг. 5, отличается от изображенной на фиг. 4 тем, что газовый цилиндр 7 установлен неподвижно на цилиндре 41 жидкостного насоса. В этом варианте агрегата отсутствует теплообменник 6, а функция канала 5 и пористой вставки 51 совмещена.

Агрегат, изображенный на фиг. 6, отличается от предыдущей конструкции тем, что дополнительный цилиндр 45 выполнен в виде замкнутой цилиндрической полости, а дополнительный поршень 44 выполнен дифференциальным и соединен с механизмом привода через шток 60, проходящий через нижнюю часть цилиндра 45. При этом дополнительный поршень 44 делит дополнительный цилиндр 45 на две части - подпоршневую 61 и надпоршневую 62, причем одна из этих полостей (в данном примере - полость 61) соединена через всасывающий клапан 63 с источником газа, а через нагнетательный 64 - через канал 65 и теплообменник 66 - со всасывающим клапаном 67 другой полости (в данном примере - с полостью 62), нагнетательный клапан которой 68 соединен через канал 69, теплообменник 70 и клапан 8 с газовой полостью 10.

Конструкция агрегата, изображенного на фиг. 7, отличается от изображенной на фиг. 6 тем, что надпоршневая полость 62 дополнительного цилиндра 45 заполнена жидкостью и соединена через канал 80 с теплообменником 81 и через пористую вставку 82 с нижней частью полости 83 дополнительного газового цилиндра 84. Всасывающий клапан 85 дополнительного газового цилиндра соединен через канал 86 с теплообменником 87 с нагнетательным клапаном 9 газового цилиндра 7, всасывающий клапан 8 которого соединен через канал 90 и теплообменник 91 с нагнетательным клапаном 64 подпоршневой полости 61, всасывающий клапан которой 63 соединен с источником газа.

На фиг 8 изображен газовый цилиндр 7 гидропневматического агрегата, в котором рабочая полость 10, имеющая веретенообразное продольное сечение, заполнена высокопористым материалом виде слоев металлической сетки 92, фрагмент которой показан на фиг. 9.

На фиг 10-11 изображен газовый цилиндр гидропневматического агрегата, в котором рабочая полость газового цилиндра, имеющая веретенообразное продольное сечение, выполнена в виде радиатора, состоящего из ряда соединенных общими каналами 100, 101 и 102 веретенообразных трубок 103. Законцовки трубок 103 снабжены пористыми вставками 104 и 105. Радиатор собран из верхнего 106 и нижнего 107 бачков и боковин 108. В данной конструкции всасывающие 8 и нагнетательные 9 клапаны являются индивидуальными для каждой трубки 103.

На фиг. 12 показан аналогичный радиатор, но с общими для всех трубок 103 всасывающим 8 и нагнетательным 9 клапанами, что обеспечено наличием дополнительной планки 109 для монтажа трубок 103 и пазом 110 в верхнем бачке 106, заполненном пористой массой.

На фиг. 13 показан газовый цилиндр 7 с цилиндрической формой рабочей полости с прямолинейной образующей, которая заполнена округлыми телами - шариками 120, разделенными поперек продольной оси цилиндра высокопористыми прокладками 121, выполненными, например, в виде металлических сеток, причем размер шариков каждого ряда их укладки уменьшается в направлении от продольного центра 122 к торцам цилиндра 7.

На фиг. 13 показан газовый цилиндр 7 с цилиндрической формой рабочей полости с прямолинейной образующей, а вдоль цилиндра по его оси установлен стержень 123, выполненный в виде двух направленных к середине цилиндра конусов 124 и 125, причем основания конусов отстоят от верхнего и нижнего торцов цилиндра 7 на расстояние, достаточное для прохода жидкости и газа.

На фиг. 15 показан гидропневматический агрегат, в котором дисковый поршень 130 насоса выполнен дифференциальным со штоком 131 и с образованием верхней 132 и нижней 133 жидкостных полостей. Эти полости соединены между собой через каналы 134 и 135, теплообменник 136, а с газовым цилиндром 7 через высокопористую вставку 137 соединена полость 132, имеющая больший объем, а разность между объемами полостей 132 и 133 равна рабочему объему 10 газового цилиндра 7. Поршень 130 установлен в цилиндре 138.

На фиг 16 показан агрегат, аналогичный изображенному на фиг. 15. Разница состоит в том, что дифференциальный поршень 139 этого агрегата выполнен тронковым с шатуном 140, а цилиндр 138 выполнен ступенчатым с образованием жидкостных полостей 132 и 133.

Реализация способа по п. 1 происходит следующим образом (фиг. 1).

При возвратно-поступательном движении поршня 4 объем полости 2 последовательно наполняется и опорожняется от жидкости. При движении поршня 4 из нижней мертвой точки (НМТ) вверх он вытесняет жидкость из полости 2, и она через канал 5 и теплообменник 6 попадает в полость 10 газового цилиндра 7. Объем этого цилиндра равен рабочему объему полости 2 (определяется произведением площади поршня 4 на величину его хода), и когда поршень 4 находится в положении НМТ, полость 10 свободна от жидкости и заполнена газом. В этот же момент времени канал 5 и теплообменник 6 полностью заполнены жидкостью. Поэтому в самом начале движения поршня 4 вверх жидкость начинает заполнять полость 10.

В связи с тем, что поршень 4 приводится в движение кривошипно-шатунным механизмом, в начале хода его скорость очень мала, и количество жидкости, поступающее в полость 10, тоже мало. Однако, в связи с тем, что полость 10 выполнена в виде веретена, ее сечение в нижней части 14 также мало, и поэтому уровень жидкости поднимается достаточно быстро, скорость ее течения вдоль стенок полости 10 и скорость движения поверхности ее уровня также велико, что предопределяет весьма интенсивный теплообмен между жидкостью и сжимаемым газом и между газом и стенками полости 10.

При дальнейшем ходе поршня 4 вверх, до середины его хода, его скорость растет, однако растет и сечение полости 10, в связи с чем относительное движение поверхностей жидкости и газа и газа и стенок полсти 10 остается примерно таким же высоким, как в начале хода поршня.

Такое явление продолжается до середины хода поршня 4, а затем начинается обратное явление - при снижении скорости поршня 4 растет скорость движения уровня жидкости, и интенсивность теплообмена остается высокой.

При достижении давления в полости 10 до давления нагнетания потребителя открывается нагнетательный клапан 9, и сжатый в полости 10 газ направляется потребителю.

При достижении поршнем 4 положения верхней мертвой точки (ВМТ) жидкость полностью заполняет полость 10, и процесс сжатия-нагнетания газа заканчивается.

При последующем движении поршня 4 из ВМТ вниз жидкость, следуя за поршнем, начинает движение назад в полость 2, давление в полости 10 падает ниже давления источника газа, клапан 9 закрывается, открывается клапан 8, начинается процесс всасывания газа, который продолжается до прихода поршня 4 в положение НМТ, рабочий цикл заканчивается.

В процессе каждого рабочего цикла жидкость охлаждается в теплообменнике 6.

В связи с тем, что в такой конструкции газового цилиндра 7 утечки газа практически отсутствуют, и происходит интенсивный отвод теплоты сжатия от газа к жидкости и к стенкам полости 10, возможно сжатие газа до высокого давления в одной ступени.

Данное утверждение, построенное на логике, подтверждается математическим исследованием, в котором используется метод контрольных объемов, широко применяемый при расчете рабочих процессов, происходящих в полостях машин объемного действия.

В данном случае контрольным объемом является полость 10, для которой записывается система уравнений, включающая в себя уравнение первого закона термодинамики для тела с переменной массой, уравнение сохранения массы, уравнение состояния, уравнение динамики запорного элемента клапана и уравнение расхода через клапан:

Уравнение расхода через клапан:

для докритического режима истечения через клапан - (рс/р0) < 0,528, и для критического и надкритического истечения через клапан (рс/р0) ≥ 0,528:

, где рС - давление после клапана, р0 - давление перед клапаном, k - показатель адиабаты, μ - коэффициент расхода, fщ - площадь проходного сечения клапана, определяется из уравнения динамики запорного элемента (текущее значение величины h) и его геометрических размеров, а также приведенной массы подвижных элементов клапана (величина mпр) с учетом суммы всех действующих на запорный элемент клапана сил FК.

-

- элементарное изменение внутренней энергии газа;

-

- элементарный тепловой поток между газом и стенками рабочей полости 10;

, где

- площадь поверхности теплообмена;

- коэффициент теплоотдачи;

- средняя температура поверхности теплообмена;

- текущая температура газа в полости 10;

- элементарный промежуток времени; коэффициент теплоотдачи

; текущее значение числа Нуссельта

, А, В и х - постоянные коэффициенты (для объемных машин простого действия А = 0,2…0,235, Х = 0,8…0,86 и В = 500…800), Re - число Рейнольдса -

, где VP - скорость движения газа (рана скорости движения поверхности уровня жидкости), ν - кинематическая вязкость газа; λ(Т) - коэффициент теплопроводности газа; dп - эквивалентный размер полости 10, определяется как текущий по времени диаметр свободной от жидкости части полости 10;

-

- элементарная контурная работа, учитывающая геометрическое изменение газового объема Vk рабочей полости 10 за счет натекания в него и вытекания из него жидкости;

-

и

- удельная энтальпия и масса газа, присоединяемая (в процессе всасывания газа) и отделяемая (в процессе нагнетания газа) в результате массообмена;

При расчете объема и площади поверхности теплообмена конической и параболической части веретенообразной полости 10 использовались следующие уравнения:

- площадь параболоида вращения

,

;

- объем параболоида вращения

;

- площадь конуса

,

;

- объем конуса

,

Значение текущего радиуса Ri получается путем приравнивания значения мгновенного объемного расхода жидкости из полости (или в полость) 2 и объема заполнения (или опорожнения) полости 10. Так, например, для конической формы веретена

, где Vi - объем жидкости, вытесненной в i-тый момент времени τ из полости 2, или «втянутой» поршнем 4 в эту полость.

Интегрирование вышеприведенной системы уравнений происходит по углу поворота коленчатого вала кривошипно-шатунного привода 3 поршня 4, за каждый шаг интегрирования в полости 10 происходит изменение уровня жидкости на величину ΔS и радиуса поверхности уровня жидкости на величину ΔR (фиг. 1 и 3). Элементарный объем вытесненной или «втянутой» в полость 2 жидкости определяется по уравнению

, где λ - отношение радиуса кривошипа к длине шатуна кривошипно-шатунного привода 3, ϕ - угол поворота коленчатого вала, FП - площадь днища поршня 4, ω - угловая скорость вращения коленчатого вала.

Вариантные и оптимизационные расчеты показали, что наиболее рациональной формой веретена параболической или конусообразной формы, образованной двумя пересекающимися под тупым углом β (фиг. 3) прямыми линиями является такая, в которой отношение половины длины веретена h к его радиусу R0 в его срединной части составляет величину, находящуюся в пределах от 10-ти до 20-ти.

Осуществление работы агрегата по п. 2 формулы происходит в агрегате, показанном на фиг. 2. Здесь перед сжатием газа в полости 10 газового цилиндр 7, его предварительно сжимают в дополнительной надпоршневой газовой полости 24, причем сжатие осуществляют с помощью поршня 22, который в данном примере является одновременно и поршнем жидкостного насоса с рабочей подпоршневой полостью 23. Таким образом, надпоршневая полость 24 является первой газовой ступенью агрегата (обозначена индексом I), а полость 10 газового цилиндра 7 является второй ступенью (обозначена индексом II). Это позволяет в целом повысить давление источника газа, учитывая хорошее охлаждение полости 10 и отсутствие в ней утечек, еще минимум в 10-15 раз, и, например, при давлении источника газа в 1 бар получить на выходе из агрегата давление 150 бар и более.

Для того чтобы при высокой скорости возвратно-поступательного движения жидкости в агрегате, в начале заполнения полости 10 цилиндра 7 жидкость из канала 5 не била струей вверх, что может привести к ее попаданию под запорный элемент еще не закрывшегося полностью всасывающего клапана 8, и не нарушила его работу, над входом канала 5 в полость 10 установлена площадка 29 (фиг. 3), закрепленная через стенки вставки 30 с окнами 31 для свободного прохода жидкости в плоскости разъема 15 газового цилиндра 7.

Агрегат, изображенный на фиг. 4. работает аналогично двухступенчатой машине, изображенной на фиг. 2 и пояснения не требует. Основное его отличие состоит в использовании тронкового поршня 44 вместо дискового поршня 22, что упрощает конструкцию, но влечет за собой появление на поршне 44 боковых нагрузок. Здесь же показана пористая вставке 51 в конце канала 5 на входе в полость 10, которая способствует более равномерному распределению жидкости в начале заполнения полости 10.

Двухступенчатый по газу агрегат, изображенный на фиг. 5, отличается от агрегата, изображенного на фиг. 4, компоновкой цилиндра 7 непосредственно на жидкостном цилиндре 41. Это позволяет сделать конструкцию агрегата технологичной и компактной,

На фиг. 6 изображен трехступенчатый (по газу) вариант агрегата. Он является комбинацией машин, изображенных на фиг. 2-4. Газ от источника сначала сжимается в полости 61 (1-я ступень), охлаждается в теплообменнике 66, сжимается в полости 62 (2-я ступень), охлаждается в теплообменнике 70, и затем сжимается жидкостью в полости 10 газового цилиндра 7 (3-я ступень). В такой конструкции при давлении всасывания 1 бар можно получить ориентировочно газ под давление 500 бар и выше.

На фиг. 7 показан также трехступенчатый агрегат, однако во второй и третьей ступени газ сжимается жидкостью, подаваемой при возвратно-поступательном движении поршня 44 и плунжера 43 в полость 10 (вторая ступень) и полость 83 цилиндра 84.

Газ сначала сжимается в первой ступени (полость 61), охлаждается в теплообменнике 91, сжимается во второй ступени (полость 10), охлаждается в теплообменнике 87 и затем сжимается в полости 83. в такой конструкции можно сжать газ от 1 бар до 700 бар и выше.

На фиг. 8 показан газовый веретенообразный цилиндр, который заполнен слоями крупной сетки 92 (см. также фиг. 9). Это позволяет полностью исключить неравномерность заполнения полости 10, и, что очень важно - использовать большую поверхность сеток для охлаждения сжимаемого газа.

В вышеописанных конструкциях жидкость, сжимающая газ в полости газового цилиндра, охлаждает газ за счет теплообмена поверхности уровня жидкости с газом, а также за счет теплообмена газа со стенками газовой полости, которые также охлаждаются этой же жидкостью.

В данном примере жидкость помимо стенок полости 10 охлаждает и огромную (по сравнению с поверхностью стенок полости 10) поверхность сеток 92, в связи с чем поверхность контакта газа с охлаждающими поверхностями кратно возрастает. Это позволяет существенно увеличить теплопередачу от газа к охлаждающей жидкости и реально существенно приблизить процесс сжатия газа к изотермическому.

На фиг. 10 и 11 показана конструкция газового цилиндра в виде радиатора, состоящего из нескольких веретенообразных трубок. Каждая трубка имеет собственные всасывающие и нагнетательные клапаны, пористые вставки 100, 104 и 105 служат для равномерного распределения жидкости в зоне ее подачи в трубки и в зоне всасывания и нагнетания, чтобы жидкость не плескалась и не попадала под запорные элементы клапанов. Такое исполнение газового цилиндра дополнительно в несколько раз повышает поверхности теплообмена и эффективность процесса сжатия газа. А на фиг. 12 показан вариант такой же конструкции, но с общими для трубок всасывающими и нагнетательными клапанами, что организовано пазом 110, тянущимся вдоль трубок 103 и заполненном высокопористым материалом.

На фиг. 13 показан газовый цилиндр 7. у которого рабочая полость 10 имеет цилиндрическую форму, а сам цилиндр заполнен округлыми телами (шариками) 120, ряды которых разделены сетками 121. Размер шариков каждого ряда их укладки уменьшается в направлении от продольного центра 122 к торцам цилиндра 7. Шарики изготовлены из материала с высоким удельным весом и высокой теплоемкостью и теплопроводностью. Это, например, свинец и его сплавы, чугун, медь и ее сплавы. Таким образом в цилиндрической полости 10 между шариками образуется свободный веретенообразный объем. Кроме того, что такая форма объема полости 10 способствует повышению эффективности процесса сжатия, шарики 10 создают, как и в конструкции, изображенной на фиг. 8, значительный эффект регенеративного теплообмена, дополнительно приближая процесс сжатия газа к изотермическому.

На фиг. 14 также изображен цилиндр 7 с прямолинейной образующей полости 10. Установленный вдоль цилиндра по его оси стержень 123, выполненный в виде двух направленных к середине цилиндра конусов 124 и 125, позволяет создать полость 10 веретенообразной формы. Преимущество такой конструкции, как и предыдущей (см. фиг. 13) состоит в простоте изготовления цилиндра 7, т.к. стержень 123 обрабатывается по наружной поверхности, что не представляет технологической сложности, в отличие от изготовления внутренних конических поверхностей и необходимости делать конструкцию цилиндра сборной, или применять для его изготовления такие специфические технологии, как центробежное литье, гидроштамповка, литье по выплавляемым моделям и т.д.

На фиг. 15 и 16 изображен поршень насоса выполненный дифференциальным с образованием верхней 132 и нижней 133 жидкостных полостей, которые соединены между собой через каналы и теплообменник 136, причем с газовым цилиндром соединена полость 132, имеющая больший объем.

Работа конструкций, изображенных на фиг. 15 и 16 отличается от предыдущих тем, что в ней нет теплообменника между газовой полостью 10 и полостью насоса - в данных примерах верхней полостью 132. Теплообменник 136 установлен между верхней 132 и нижней 133 полостями, а разность между их объемами равна объему полости 10.

При ходе поршня 130 (фиг. 15) или 139 (фиг. 16) вверх часть жидкости через пористую вставку 137 поступает в полость 10, сжимая газ, а избыточная часть - через теплообменник 136 - в нижнюю полость 133.

При ходе поршней 130 или 139 вниз жидкость отсасывается из полости 10 в полость 132, и туда же поступает жидкость из уменьшающейся полости 133, происходит интенсивное перемешивание жидкости, побывавшей в полости 10 и воспринявшей теплоту от ее стенок и сжимаемого газа, и жидкости, охладившейся в теплообменнике 136.

В данной конструкции по сравнению с вышеописанными, существенно увеличен объем рабочей жидкости, что позволяет дополнительно снизить температуру газа в процессе его сжатия.

Таким образом, техническая задача повышения экономичности работы гидропневматического агрегата выполнена за счет улучшения процесса охлаждения сжимаемого газа путем оптимального проведения процесса сжатия и увеличения поверхности контакта сжимаемого газа с поверхностью теплообмена.

Claims

1. Способ работы гидропневматического агрегата, заключающийся в поочередном всасывании и сжатии поршнем жидкостного насоса, приводящимся в движение от кривошипно-шатунного механизма, жидкости и, соответственно, поочередной подаче и откачке этой жидкости из газового цилиндра, снабженного всасывающими и нагнетательными клапанами, соединенными с источником и потребителем сжатого газа, отличающийся тем, что при подаче жидкости в полость газового цилиндра ее живое сечение сначала увеличивается от минимального до достижения поршнем насоса середины хода, а затем уменьшается до величины, соответствующей проходному сечению нагнетательного газового клапана.

2. Способ работы гидропневматического агрегата по п. 1, отличающийся тем, что перед сжатием газа в газовом цилиндре его предварительно сжимают в дополнительной газовой полости, причем сжатие осуществляют с помощью поршня или плунжера, соединенного непосредственно с поршнем или плунжером жидкостного насоса.

3. Гидропневматический агрегат для осуществления способа по п. 1, содержащий поршневой жидкостный насос с цилиндрической рабочей полостью и кривошипно-шатунным приводом поршня, причем рабочая полость соединена каналом непосредственно с газовым цилиндром, имеющим всасывающие и нагнетательные клапаны, отличающийся тем, что рабочая полость газового цилиндра выполнена в виде симметричного относительно его поперечного сечения веретена, нижний конец которого непосредственно через канал соединен с рабочей полостью жидкостного насоса, а в зоне верхнего конца рабочей полости установлены газовые всасывающие и нагнетательные клапаны.

4. Гидропневматический агрегат по п. 3, отличающийся тем, что образующая веретена газового цилиндра выполнена в виде параболы или в виде двух пересекающихся под тупым углом прямых линий.

5. Гидропневматический агрегат по п. 3, отличающийся тем, что отношение половины длины веретена к его радиусу в его срединной части составляет величину, находящуюся в пределах от 10 до 20.

6. Гидропневматический агрегат по п. 3, отличающийся тем, что газовый цилиндр выполнен из двух жестко стянутых между собой частей с разъемом по максимальному радиусу рабочей полости.

7. Гидропневматический агрегат для осуществления способа по п. 2, содержащий поршневой жидкостный насос с цилиндрической рабочей полостью и кривошипно-шатунным приводом поршня, причем рабочая полость соединена каналом непосредственно с газовым цилиндром, имеющим всасывающие и нагнетательные клапаны, отличающийся тем, что поршень насоса выполнен дифференциальным и делит цилиндрическую полость на две части, причем подпоршневая полость является рабочей полостью насоса, а надпоршневая полость – дополнительной газовой полостью, в которой установлены всасывающие клапаны, соединенные с источником газовой среды, и нагнетательные клапаны, соединенные с всасывающими клапанами газового цилиндра.

8. Гидропневматический агрегат по п. 3 или 7, отличающийся тем, что напротив входа канала, соединяющего рабочую полость насоса с газовой полостью, в этой полости установлена жесткая площадка, закрепленная, например, в плоскости разъема газового цилиндра.

9. Гидропневматический агрегат для осуществления способа по п. 2, содержащий поршневой или плунжерный жидкостный насос с цилиндрической рабочей полостью жидкостного цилиндра и кривошипно-шатунным приводом поршня или плунжера, размещенного в жидкостном цилиндре с образованием рабочей полости, причем рабочая полость насоса соединена каналом непосредственно с газовым цилиндром, имеющим всасывающие и нагнетательные клапаны, отличающийся тем, что поршень или плунжер насоса закреплен на поршне, размещенном в дополнительном цилиндре, этот поршень соединен с кривошипно-шатунным механизмом и в этом цилиндре установлены всасывающие клапаны, соединенные с источником газа, и нагнетательные клапаны, соединенные с всасывающими клапанами газового цилиндра.

10. Гидропневматический агрегат по п. 9, отличающийся тем, что газовый цилиндр установлен неподвижно на цилиндре жидкостного насоса.

11. Гидропневматический агрегат по п. 9, отличающийся тем, что дополнительный цилиндр выполнен в виде замкнутой цилиндрической полости, дополнительный поршень выполнен дифференциальным и соединен с механизмом привода через шток, проходящий через нижнюю часть этого цилиндра, при этом дополнительный поршень делит дополнительный цилиндр на две части - подпоршневую и надпоршневую, причем одна из этих полостей соединена через всасывающий клапан с источником газа, а через нагнетательный - с всасывающим клапаном другой полости, нагнетательный клапан которой соединен через всасывающий клапан с газовой полостью.

12. Гидропневматический агрегат по п. 9, отличающийся тем, что дополнительный цилиндр выполнен в виде замкнутой цилиндрической полости, дополнительный поршень выполнен дифференциальным и соединен с механизмом привода через шток, проходящий через нижнюю часть этого цилиндра, при этом дополнительный поршень делит дополнительный цилиндр на две части - подпоршневую и надпоршневую, причем одна из этих полостей соединена через всасывающий клапан с источником газа, а через нагнетательный – с всасывающим клапаном газовой полости, нагнетательный клапан которой соединен через всасывающий клапан с дополнительной газовой полостью, нижняя часть которой соединена непосредственно с другой частью дополнительного цилиндра, заполненной жидкостью.

13. Гидропневматический агрегат по п. 3, отличающийся тем, что рабочая полость газового цилиндра, имеющая веретенообразное продольное сечение, заполнена высокопористым материалом, например, в виде слоев металлической сетки.

14. Гидропневматический агрегат по п. 3, отличающийся тем, что рабочая полость газового цилиндра, имеющая веретенообразное продольное сечение, выполнена в виде радиатора, состоящего из ряда соединенных общими каналами веретенообразных трубок.

15. Гидропневматический агрегат по п. 9, отличающийся тем, что рабочая полость газового цилиндра имеет цилиндрическую форму с прямолинейной образующей и заполнена округлыми телами, разделенными поперек продольной оси цилиндра высокопористыми прокладками, выполненными, например, в виде металлических сеток, причем размер округлых тел каждого ряда их укладки уменьшается в направлении от продольного центра к торцам цилиндра.

16. Гидропневматический агрегат по п. 9, отличающийся тем, что рабочая полость газового цилиндра имеет цилиндрическую форму с прямолинейной образующей, а вдоль цилиндра по его оси установлен стержень, выполненный в виде двух направленных к середине цилиндра конусов.

17. Гидропневматический агрегат по п. 3, отличающийся тем, что поршень насоса выполнен дифференциальным с образованием верхней и нижней жидкостных полостей, которые соединены между собой через каналы и теплообменник, причем с газовым цилиндром соединена полость, имеющая больший объем, а разность между объемами этих полостей равна рабочему объему газового цилиндра.