RU2818615C1 - Способ работы поршневого компрессора и устройство для его осуществления (варианты) - Google Patents

Abstract

Группа изобретений относится к области машин объемного действия поршневого типа и может быть использована при создании компрессоров, способных работать в экстремальных условиях. Способ работы поршневого компрессора заключается в попеременном всасывании и нагнетании газа и жидкости, проходящих через всасывающие и нагнетательные клапаны 28 и 29, имеющие проходное сечение в виде щелей между седлами 41 и 44 соответственно и запорными органами 42 и 43 соответственно, и соединяющие рабочую камеру 2 цилиндра 1 с газовой и жидкостной магистралями. Нагнетание жидкости производят через щель, имеющую большее проходное сечение за счет увеличения высоты подъема запорного элемента 43 или увеличения диаметра щели, чем при нагнетании газа. Изобретение направлено на повышение надежности и экономичности компрессора. 4 н.п. ф-лы, 16 ил.

Description

Изобретение относится к области машин объемного действия поршневого типа и может быть использовано при создании компрессоров, способных работать в экстремальных условиях.

Известен способ работы поршневого компрессора, в котором для охлаждения цилиндропоршневой группы периодически подают в цилиндр охлаждающую жидкость (см., например, авторское свидетельство СССР № 1079882 «Газораспределительное устройство поршневого компрессора», опубл. 15.03.84. Бюл. № 10).

Известен также способ работы поршневого компрессора, заключающийся в попеременной подаче охлаждающей жидкости и рабочего тела в цилиндр машины, см., например, авторское свидетельство СССР № 1019104 «Поршневая машина», опубл. 23.05.1983. Бюл. № 19, или патенты РФ № 2658715 «Способ работы гибридной энергетической машины и устройство для его осуществления», опубл. 22.06.2018. Бюл. № 18.

Наиболее близким по совокупности существенных признаков изобретения является патент РФ № 2 763.099 «Способ работы системы жидкостного охлаждения машины объемного действия и устройство для его осуществления», опубл. 27.12.2021, бюл. № 36.

Недостатком известного способа являются большие затраты энергии и склонность к возникновению гидроудара при работе в режиме охлаждения жидкостью, что приводит к снижению экономичности и надежности работы компрессора.

Это объясняется тем, что для работы в основном режиме (режиме компрессора) требуется использование обратных самодействующих клапанов с минимальным ходом запорных элементов, поджатых пружиной с минимальной жесткостью, что обеспечивает их высокое быстродействие (своевременное открытие и закрытие) и минимальные потери работы в процессе нагнетания.

В то же время использование этих же клапанов в жидкостном режиме работы в связи с высокой вязкостью и плотностью жидкости приводит из-за непомерно большого гидравлического сопротивления таких клапанов, работающих в жидкостном режиме, к большой потере работы в процессе нагнетания и опасности возникновения гидроудара.

Технической задачей изобретения является повышение экономичности и надежности работы компрессора.

Указанная задача решается тем, что в способе работы поршневого компрессора, заключающегося в попеременном всасывании и нагнетании газа и жидкости, проходящих через всасывающие и нагнетательные клапаны, имеющие проходное сечение в виде щелей между седлами и запорными органами, и соединяющие рабочую камеру цилиндра с газовой и жидкостной магистралями, согласно изобретению нагнетание жидкости производят через щель, имеющую большее проходное сечение за счет увеличения высоты подъема запорного элемента или увеличения диаметра щели, чем при нагнетании газа.

Реализация способа производится в трех вариантах конструкции компрессора.

В первом варианте указанная задача решается тем, что в поршневом компрессоре, содержащем цилиндр с рабочей камерой, поршень, соединенный с механизмом привода, а также устройство для попеременного соединения рабочей камеры с источником и потребителем газа и жидкостной системой охлаждения через всасывающие и нагнетательные клапаны, содержащие поджатый упругим устройством в сторону седла запорный орган, согласно изобретению, упругое устройство нагнетательного клапана состоит из двух пружин сжатия разной длины и жесткости, причем в закрытом состоянии клапана короткая пружина, имеющая большую жесткость, не упирается в запорный орган, что при нагнетании газа обеспечивает сжатия пружины меньшей жесткости, а при нагнетании жидкости - обеих пружин, открывая при этом большее проходное сечении щели.

Во втором варианте указанная задача решается тем, что в поршневом компрессоре, содержащем с рабочей камерой, поршень, соединенный с механизмом привода, а также устройство для попеременного соединения рабочей камеры с источником и потребителем газа и жидкостной системой охлаждения через всасывающие и нагнетательные клапаны, содержащие поджатый упругим устройством в сторону седла запорный орган, согласно изобретению, упругое устройство нагнетательного клапана выполнено в виде дифференциальной пружины, имеющей по длине две части с разной жесткостью, причем в закрытом состоянии клапана в запорный орган уперта часть с меньшей жесткостью, что при нагнетании газа обеспечивает сжатия части пружины с меньшей жесткостью, а при нагнетании жидкости - обеих частей пружины, открывая при этом большее проходное сечении щели.

В третьем варианте указанная задача решается тем, что в поршневом компрессоре, содержащем с рабочей камерой, поршень, соединенный с механизмом привода, а также устройство для попеременного соединения рабочей камеры с источником и потребителем газа и жидкостной системой охлаждения через всасывающие и нагнетательные клапаны, содержащие поджатый упругим устройством в сторону седла запорный орган, согласно изобретению, запорный орган нагнетательного клапана содержит два подвижных элемента, поджатых пружинами разной жесткости, причем один подвижный элемент, поджатый пружиной большей жесткости, имеет проходное сечение в виде щели для второго элемента, поджатого пружиной меньшей жесткости, что при нагнетании газа обеспечивает работу второго элемента с пружиной меньшей жесткости, а при нагнетании жидкости - работу обоих элементов, открывая при этом большее проходное сечении щели.

Сущность изобретения поясняется чертежами.

На фиг. 1 показана схема цилиндропоршневой группы в стационарном состоянии, на фиг. 2 - она же в режиме работы с жидкостью (процесс охлаждения), а на фиг. 3 - в процессе работы в основном компрессорном режиме.

На фиг. 4 показана общая схема жидкостного тракта системы охлаждения.

На фиг. 5 показана схема самодействующих обратных клапанов, в частности - нагнетательного клапана с одним запорным элементом и двумя пружинами разной жесткости и длины, на фиг. 6 этот же клапан в процессе работы с газом, а на фиг. 7 - с жидкостью.

На фиг 6 и 7 обозначены: H_Г - высота подъема запорного элемента над седлом в газовом режиме работы, H_Ж - в жидкостном режиме работы, при этом H_Ж > H_Г.

На фиг. 8 показана схема нагнетательного клапана с одним запорным органом и дифференциальной пружиной, концы которой имеют разную жесткость.

На фиг. 9 показана работа нагнетательного клапана с дифференциальной пружиной в процессе нагнетания газа, когда в работу вступают только более «слабые» витки пружины, имеющие больший диаметр d и меньший шаг t и поэтому обладающие низкой жесткостью.

На фиг. 10 показана работа этого же клапана при нагнетании жидкости, когда «слабые» витки большего диаметра уже сомкнуты до конца, и в работу вступают более жесткие витки меньшего диаметра D с большим шагом Т навивки.

Разная по длине жесткость пружин, изготовленных из проволоки одинакового диаметра (фиг. 11 и 12), может достигаться разными способами. В частности, (фиг. 11), изменением на части длины пружины ее диаметра (при уменьшении диаметра пружины жесткость растет) и изменением шага навивки (при увеличении шага жесткость растет). Можно обойтись и только изменением шага на части длины пружины (фиг. 12).

На фиг 11 показан вариант дифференциальной пружины с витками разного диаметра и разным шагом навивки (работа нагнетательного клапана с такой пружиной показана на фиг. 9 и 10).

На фиг. 12 показан вариант дифференциальной пружины с разным шагом по длине пружины. Чем меньше шаг, тем ниже жесткость пружины.

На фиг. 13 показан типичный график нагружения дифференциальных пружин.

На фиг. 11, 12 и 13 введены следующие обозначения:

- t и T - шаг навивки пружины;

- d и D - диаметр навивки пружины;

- L - общая длина пружины;

- L_К - длина пружины после полной деформации;

- F - сила сопротивления пружины при ее деформации величиной l;

- l₀ - длина пружины при предварительной (начальной) деформации, когда пружина установлена в клапан (сила F₀);

- l₁ - длина пружины после деформации ее части, имеющей низкую жесткость (сила F₁);

- l₂ - длина пружины после деформации ее части, имеющей высокую жесткость (сила F₂).

На фиг. 14 показана схема нагнетательного клапана с двумя подвижными элементами и двумя пружинами разной жесткости.

На фиг. 15 показана работа нагнетательного клапана с газом, когда в работе участвует «слабая» пружина меньшего диаметра с существенно меньшим диаметром проволоки, из которой она навита.

На фиг. 16 показана работа этого же клапана при нагнетании жидкости, когда в работу вступает «сильная» пружина, навитая из проволоки существенно большего диаметра.

На фиг. 15 и 16 введены следующие обозначения:

- d - диаметр отверстия для прохода газа;

- D - диаметр отверстия для прохода жидкости

- H_Г - высота щели клапана при нагнетании газа;

- H_Ж - высота щели клапана при нагнетании жидкости.

Поршневой компрессор (фиг. 1-3), предназначенный для реализации предложенного способа работы, содержит цилиндр 1 с рабочей камерой 2, поршень 3, соединенный штоком 4 с механизмом привода возвратно-поступательного движения (условно не показан), а также устройство для попеременного соединения рабочей камеры с источником и потребителем газа и с жидкостной системой охлаждения, выполненное в виде золотника 5.

В качестве источника газа в данном примере используется атмосфера, с которой золотник 5 соединен через всасывающий трубопровод 6. С потребителем сжатого газа золотник 5 соединен через нагнетательный трубопровод 7. С системой охлаждения золотник 5 соединен через всасывающий трубопровод 8 и нагнетательный трубопровод 9.

Золотник 5 имеет стержень 10, являющийся якорем электромагнита 11, содержащего обмотку 12. На стержне 10 имеются выточки 13 и 14, а корпус золотника имеет отверстия 15 и 16, соединенные соответственно с трубопроводами 8 и 9, и отверстия 17 и 18, соединенные соответственно с трубопроводами 6 и 7. Стержень 10 поджат пружиной 19 вправо (по чертежу) и зафиксирован в указанном положении подпружиненным шариковым фиксатором 20 с помощью выточки 21. Вторая выточка 22 служит для фиксации стержня 10 при сжатой пружине 19.

Отверстия 23 и 24 соединяют золотник 5 с клапанной плитой 25, биметаллический температурный датчик 26 установлен в верхней части цилиндра 1, а его электрические выводы соединены через источник питания 27 с катушкой 12.

В клапанной плите 25 установлены самодействующие всасывающий 28 и нагнетательный 29 клапаны, которые соединяют рабочую камеру 2 цилиндра 1 с источником и потребителем сжатого газа и с системой жидкостного охлаждения (см. фиг. 4) через золотник 5 и через трубопроводы 8 и 9.

На фиг 4 показана схема системы охлаждения, которая помимо всасывающего 8 и нагнетательного 9 трубопроводов содержит бак 30, частично заполненный охлаждающей жидкостью, и теплообменник 31, установленный на нагнетательном трубопроводе 9. Здесь же показан картер 32 компрессора, в котором находится механизм привода движения поршня 3 и его приводной вал 33.

Всасывание газа или жидкости в камеру 2 (фиг. 5) происходит через всасывающий 28 клапан, содержащий поджатый упругим устройством (пружиной 40) в сторону седла 41 запорный орган 42.

Упругое устройство нагнетательного клапана 29 (см. также фиг. 6 и 7) с запорным органом 43 и седлом 44 состоит из двух пружин сжатия 45 и 46 разной длины и жесткости, причем в закрытом состоянии клапана короткая пружина 45, имеющая большую жесткость, не упирается в запорный орган 43. Ограничитель подъема 47 служит для ограничения хода открытия клапана и одновременно - для крепления пружины 45. Втулка 48 служит для центрирования и разделения пружин 45 и 46.

На фиг. 8-10 показан фрагмент нагнетательной линии варианта компрессора, в котором упругое устройство нагнетательного клапана выполнено в виде дифференциальной пружины 50, имеющей по длине две части 51 и 52 с разной жесткостью, причем в закрытом состоянии клапана, которое изображено на фиг. 8, в запорный орган 43 уперта часть 51 с меньшей жесткостью.

На фиг 9 и 10 также имеются обозначения H_Г - высота подъема запорного элемента 43 над седлом 44 в газовом режиме работы, H_Ж - в жидкостном режиме работы, при этом также H_Ж > H_Г.

На фиг. 13 показан график изменения силы сопротивления такой пружины при ее деформации. По мере увеличения перепада давления на нагнетательном клапане сначала деформируется в основном часть пружины, имеющей низкую жесткость (или той пружины, у которой низкая жесткость при использовании двух пружин) - линия 0→1. Затем, когда витки пружины, имеющей низкую жесткость, придут в соприкосновение, вступает в действие часть пружины, имеющей высокую жесткость (или пружина, имеющая высокую жесткость - при использовании двух пружин) - линия 1→2.

На фиг. 14-16 показан фрагмент нагнетательной линии компрессора, в котором запорный орган нагнетательного клапана содержит два подвижных элемента - газовый запорный элемент 60 и жидкостный запорный элемент 61, поджатые пружинами разной жесткости. Причем один (жидкостный) запорный элемент 61 поджат пружиной 62 большей жесткости и имеет отверстие 63 с диаметром d, являющееся проходным сечением для второго (газового) запорного элемента 60, поджатого пружиной 64 меньшей жесткости. Запорные элементы имеют седла 65 и 66.

На фиг. 15 и 16 также обозначены H_Г - высота подъема запорного элемента 60 при работе компрессора с газом и d - диаметр седла 66 прохода газа; H_Ж - высота подъема запорного органа 61 вместе с запорным органом 60 и D - диаметр седла 65 запорного органа для прохода жидкости.

Работа компрессора осуществляется следующим образом (фиг. 1-4).

При ходе поршня 3 вниз (фиг. 1 и 3) объем камеры 2 увеличивается, и газ из атмосферы через трубопровод 6 и отверстие 17 проходит по выточке 13 к отверстию 23 и через открывшийся всасывающий самодействующий клапан 28 поступает в камеру 2. В это время нагнетательный клапан 29 закрыт.

После прохода нижней мертвой точки поршень 3 движется вверх, объем камеры 2 уменьшается, давление газа в ней увеличивается, что приводит к закрытию клапана 28. При дальнейшем движении поршня 3 вверх давление газа достигает давления нагнетания, в связи с чем самодействующий нагнетательный клапан 29 открывается, и сжатый газ через отверстие 25, выточку 14, отверстие 18 и трубопровод 7 поступает потребителю.

Все это время стержень 10 золотника 5 под действием пружины 19 находится в зафиксированном фиксатором 20 крайнем правом положении, т.к. электромагнит 11 выключен в связи с тем, что контакты биметаллического реле разомкнуты, и обмотка 12 обесточена.

Такая работа компрессора продолжается до тех пор, пока стенки цилиндра 1 не нагреются от теплоты, передаваемой им газом при его сжатии до критической температуры, при которой дальнейшая работа компрессора становится неэкономичной из-за большого подогрева газа в процессе всасывания и опасной в связи с возможностью вспышки паров масла, которым смазывается цилиндропоршневая группа.

При нагреве стенок цилиндра до критической температуры контакты биметаллического реле 26 замыкаются (фиг. 2), обмотка 12 электромагнита 11 запитывается током от источника питания 27, и якорь электромагнита (стержень 10), сжимая пружину 19 и преодолевая усилие фиксатора 20, сдвигается влево и фиксируется в новом положении. При этом золотником перекрываются газовые трубопроводы 6 и 7 и открываются трубопроводы 8 и 9, соединенные с системой жидкостного охлаждения (см. также фиг. 4).

Теперь при возвратно-поступательном движении поршня 3 в рабочую камеру 2 на ходе поршня 3 вниз через трубопровод 8, отверстие 15, выточку 13, отверстие 23 и всасывающий клапан 28 попадает жидкость, которая на ходе поршня 3 вверх сжимается и нагнетается через нагнетательный клапан 26, отверстие 24, выточку 14, отверстие 16 и трубопровод 9 вытесняется снова в систему охлаждения.

Протекая по трубопроводу 9, жидкость проходит через теплообменник 31, где теплота, отобранная у стенок цилиндра 1 во время движения через камеру 2, отводится в окружающую среду. Затем жидкость попадает в бак 30, откуда она забирается по трубопроводу 8 во время хода всасывания.

Процесс охлаждения цилиндра происходит до того момента, когда его температура опустится до значения, определяемого срабатыванием биметаллической пластины, тогда ее контакты разомкнутся и электромагнит 11 выключится, а пружина 19 вернет стержень 10 в исходное положение, при котором компрессор снова начнет сжимать и нагнетать газ потребителю.

Таким образом, компрессор работает в двух режимах - газовом и жидкостном.

При работе в газовом режиме для достижения минимальных потерь работы на нагнетании требуется быстрое открытие и быстрое закрытие запорным элементом седла нагнетательного клапана. Помимо применения пружины с оптимальной жесткостью и минимально возможной массы запорного элемента, своевременное открытие и закрытие клапана обеспечивается оптимальной величиной хода запорного элемента, который стараются сделать как можно меньше, чтобы повысить скорость реакции клапана на изменение на нем перепада давления и этим самым максимально снизить время его открытия и закрытия. При этом достигается максимальная экономичность компрессора.

В то же время, такой минимальный ход запорного элемента клапана приведет к большим потерям работы в жидкостном режиме из-за высокой плотности жидкости и сравнительно высокой скорости движения поршня, характерной для компрессоров, сжимающих газы, что при большом гидравлическом сопротивлении клапана при течении через него жидкости будет сопровождаться неоправданно высоким давлением в камере 2 и соответственно, большой работой процесса сжатия-нагнетания, приводящей к снижению экономичности, а также опасностью возникновения гидроудара, что снижает надежность работы.

Именно для преодоления этих недостатков служат конструкции нагнетательных клапанов, показанных на фиг. 5, 8 и 14.

При работе с газом в клапане с двойной пружиной (фиг. 6) запорный элемент работает с пружиной 46, имеющей низкую жесткость, а пружина 45, обладающая высокой жесткостью, служит в качестве ограничителя его подъема. Ход запорного элемента 43 H_Г (высота открытой щели клапана) при этом минимален, и скорость его реакции на повышение давления в камере 2 выше давления нагнетания максимальна. То есть при минимальном перепаде давления на запорном элементе между камерой 2 и давлением потребителя в трубопроводе 7, благодаря низкой жесткости пружины 46, клапан быстро открывается, что приводит к минимальным потерям работы в процессе нагнетания газа. В начале хода всасывания клапан также быстро закрывается, не давая сжатому газу протекать назад в камеру 2, что позволяет добиться максимальной экономичности работы компрессора.

В процессе нагнетания жидкости (фиг. 7) усилие, действующее на запорный элемент 43, при той же скорости изменения объема камеры 2, гораздо больше в связи с высокой плотностью и вязкостью жидкости. В этом случае запорный элемент 43 сжимает и пружину 46 и жесткую пружину 45, открывая большое проходное сечение щели H_Ж между ним и седлом 44, что снижает гидравлические потери в процессе сжатия-нагнетания жидкости и повышает экономичность работы компрессора в насосном режиме охлаждения. То есть при работе в режиме охлаждения, тратится минимальная энергия, что позволяет минимизировать потери работы и добиться максимальной работы компрессора в целом. Кроме того, малое сопротивление нагнетательного клапана обеспечивает отсутствие возможности возникновения гидроудара, что повышает надежность работы компрессора.

Аналогично работает и конструкция нагнетательного клапана с дифференциальной пружиной 50, представленная на фиг. 8.

При нагнетании в газовом режиме (фиг. 9) сжимается нежесткая часть 51 пружины, и ход H_Г запорного элемента 43 соответствует оптимальному для процесса нагнетания газа.

При нагнетании в жидкостном режиме охлаждения (фиг. 10) сжимаются обе части 52 и 51, обеспечивая максимальное проходное сечение щели клапана между запорным элементом и его седлом 44 с высотой H_Ж > H_Г. Эта конструкция проще и компактней предыдущей, но изготовление дифференциальной пружины сложнее.

Принцип работы конструкции, изображенной на фиг. 14, также практически не отличается от работы вышеописанных.

В процессе нагнетания газа (фиг. 15) работает только запорный элемент 60 со своей нежесткой пружиной 64, и площадь проходного сечения клапана определяется произведением π*d*H_Г. А при работе с жидкостью (фиг. 16) работают оба запорных элемента - 60 и 64 и площадь проходного сечения щели определяется произведением π*D*H_Ж. В этом варианте H_Г ≈ H_Ж, но величина D намного больше, чем d, в связи с чем проходное сечение щели клапана при работе с жидкостью существенно превышает его проходное сечение при работе с газом. Такая конструкция позволяет максимально оптимизировать параметры обоих запорных элементов с их пружинами и максимальным ходом, поскольку параметры одного не зависят от параметров другого. По существу в данном случае имеет место два совмещенных вдоль оси клапана.

В предложенных конструкциях поршневых компрессоров процесс нагнетания жидкости в режиме охлаждения цилиндра происходит через щель клапана, имеющую существенно бóльшее проходное сечение, чем при работе в основном режиме сжатия и нагнетании газа. Это позволяет при максимально возможной экономичности проведения рабочего процесса с газом существенно снизить затраты энергии на осуществление процесса сжатия-нагнетания жидкости, что в целом позволяет повысить экономичность работы компрессора, а также кардинально исключить возможность возникновения гидроудара при переходе из газового режима в жидкостный, когда физические параметры рабочего тела (плотность и вязкость) резко изменяются по величине в бóльшую сторону, и тем самым - повысить надежность работы компрессора.

Claims (4)

1. Способ работы поршневого компрессора, заключающийся в попеременном всасывании и нагнетании газа и жидкости, проходящих через всасывающие и нагнетательные клапаны, имеющие проходное сечение в виде щелей между седлами и запорными органами, и соединяющие рабочую камеру цилиндра с газовой и жидкостной магистралями, отличающийся тем, что нагнетание жидкости производят через щель, имеющую большее проходное сечение за счет увеличения высоты подъема запорного элемента или увеличения диаметра щели, чем при нагнетании газа.

2. Поршневой компрессор, предназначенный для реализации способа по п. 1, содержащий цилиндр с рабочей камерой, поршень, соединенный с механизмом привода, а также устройство для попеременного соединения рабочей камеры с источником и потребителем газа и жидкостной системой охлаждения через всасывающие и нагнетательные клапаны, содержащие поджатый упругим устройством в сторону седла запорный орган, отличающийся тем, что упругое устройство нагнетательного клапана состоит из двух пружин сжатия разной длины и жесткости, причем в закрытом состоянии клапана короткая пружина, имеющая большую жесткость, не упирается в запорный орган, что при нагнетании газа обеспечивает сжатия пружины меньшей жесткости, а при нагнетании жидкости - обеих пружин, открывая при этом большее проходное сечении щели.

3. Поршневой компрессор, предназначенный для реализации способа по п. 1, содержащий цилиндр с рабочей камерой, поршень, соединенный с механизмом привода, а также устройство для попеременного соединения рабочей камеры с источником и потребителем газа и жидкостной системой охлаждения через всасывающие и нагнетательные клапаны, содержащие поджатый упругим устройством в сторону седла запорный орган, отличающийся тем, что упругое устройство нагнетательного клапана выполнено в виде дифференциальной пружины, имеющей по длине две части с разной жесткостью, причем в закрытом состоянии клапана в запорный орган уперта часть с меньшей жесткостью, что при нагнетании газа обеспечивает сжатия части пружины с меньшей жесткостью, а при нагнетании жидкости - обеих частей пружины, открывая при этом большее проходное сечение щели.

4. Поршневой компрессор, предназначенный для реализации способа по п. 1, содержащий цилиндр с рабочей камерой, поршень, соединенный с механизмом привода, а также устройство для попеременного соединения рабочей камеры с источником и потребителем газа и жидкостной системой охлаждения через всасывающие и нагнетательные клапаны, содержащие поджатый упругим устройством в сторону седла запорный орган, отличающийся тем, что запорный орган нагнетательного клапана содержит два подвижных элемента, поджатых пружинами разной жесткости, причем один подвижный элемент, поджатый пружиной большей жесткости, имеет проходное сечение в виде щели для второго элемента, поджатого пружиной меньшей жесткости, что при нагнетании газа обеспечивает работу второго элемента с пружиной меньшей жесткости, а при нагнетании жидкости - работу обоих элементов, открывая при этом большее проходное сечение щели.