SK500492021A3 - Rekuperačný systém pre vibračný kompresor - Google Patents

Abstract

Je opísaný rekuperačný systém pre vibračný kompresor, kde vibračný kompresor pozostáva z vibračného motora (1) obsahujúceho excentrické závažie (2), sústavy kyvných ramien s výstupným vertikálnym ramenom (3) pohyblivo spojeným s ojnicami (4) piestov (5) vo valcoch (6) kompresora umiestnených proti sebe s komorami (7), zo stacionárnej rámovej konštrukcie (8), pričom do sústavy kyvných ramien je pohyblivo usporiadaný aspoň jeden odporový prvok (20), pričom na jednej strane je odporový prvok (20) cez pohyblivé ťahadlo (23) pohyblivo spojený s výstupným vertikálnym ramenom (3) a na druhej strane je pevne alebo pohyblivo spojený s rámovou konštrukciou (8).

Description

Oblasť techniky

Vynález sa týka konštrukcie zariadenia na zvýšenie účinnosti vibračných kompresorov. Vynález patrí do oblasti strojových zariadení na čerpanie kvapalín a do oblasti strojových zariadení na stláčanie a dopravu plynov.

Doterajší stav techniky

Zo stavu techniky je známa konštrukcia vibračného kompresora. V dokumente SK 50075-2015 je opísaný vibračný kompresor, ktorý obsahuje vibračný motor s excentrickým závažím, piesty kompresora s ojnicami, valce kompresora s komorami a stacionárne uloženú rámovú konštrukciu. V známom zariadení vibračného kompresora je vibračný motor pevne spojený so sústavou kyvných ramien s výstupným vertikálnym ramenom, kývne pripojenou k rámovej konštrukcii, pričom vertikálne rameno na prenos odstredivej sily generovanej excentrickým závažím cez vibračný motor na piesty kompresora je na svojom konci otočným spojením pripojené k ojniciam piestov kompresora, kde piesty na vykonávanie vratného pohybu vyvolaného zmenou smeru generovanej odstredivej sily sú pohyblivo uložené v protichodných valcoch kompresora. Piesty vo valcoch kompresora sú pohyblivo uložené v komorách protichodných valcov kompresora na striedavé nasávanie a výtlak média.

Pri prevádzke známeho vibračného kompresora dochádza pri tlakoch vyšších ako 3 Bar k nežiadúcemu skoršiemu vytláčaniu piestov z valcov kompresora v dôsledku zostatkového tlaku vždy po prekonaní maximálneho zdvihu piestov vo valcoch vo vzťahu k rotačnému pohybu vibračného motora, čo spôsobuje narušenie plynulého rotačného pohybu excentrického závažia vibračného motora. Narušenie plynulej rotácie rotujúceho excentrického závažia vibračného motora má za následok zvýšenú spotrebu elektrickej energie vibračného motora a má negatívny vplyv na optimálny chod vibračného motora.

Podstata vynálezu

Uvedený nedostatok spočívajúci v zníženej účinnosti vibračného kompresora poskytol možnosť riešiť tento problém vhodnými technickými prostriedkami. Výsledkom tohto úsilia je ďalej opisované zariadenie na zvýšenie účinnosti vibračného kompresora podľa predkladaného vynálezu.

Riešenie podľa predkladaného vynálezu bude ďalej vysvetlené na základe opisu jedného cyklu (360° otáčka) motora s excentrickým závažím vibračného kompresora. Obr. 1A znázorňuje stav zariadenia, keď sa rotujúce excentrické závažie, rotačný pohyb ktorého vytvára odstredivú silu, nachádza na ľavej strane (1. fáza otáčky). Pôsobenie odstredivej sily spôsobuje pohyb vertikálneho ramena, ktorý sa prenáša pomocou ojníc na piesty valcov kompresora. Valec na ľavej strane sa nachádza v pozícii hornej úvrati a jeho piest vytláča médium (vzduch, kvapalina) von z komory valca, v ktorom sa pohybuje. Piest vo valci na pravej strane sa v tejto polohe nachádza v pozícii dolnej úvrate a dokončuje nasávanie média do komory valca, v ktorom sa pohybuje. Obr. 1B znázorňuje stav zariadenia, keď sa rotujúce excentrické závažie nachádza v hornej polohe (2. fáza otáčky). V dôsledku voľného zavesenia vertikálneho ramena prenášajúceho pohyby vyvolané účinkami odstredivej sily na konštrukcii, dochádza pri vyšších tlakoch (nad 3 Bar) k vytláčaniu piestu z ľavého valca a to tým rýchlejšie, čím je zostatkový tlak média vo valci vyšší. V prípade rotácie excentrického závažia v smere pohybu hodinových ručičiek tak dochádza pri hornej polohe závažia k vytláčaniu piestu v ľavom valci vibračného kompresora. Uvedené vytláčanie piestu z ľavého valca sa prenáša na cez ojnicu na vertikálne rameno a taktiež na samotný vibračný motor, čo spôsobuje, že vibračný motor sa pohybuje spolu s rotujúcim závažím rovnakým smerom, teda v tomto prípade z ľavej strany do pravej strany. Uvedený pohyb vyvolaný vytláčaním piestu z valca je prenášaný na vibračný motor a má za následok, že rotácia excentrického závažia nie je plynulá, čo narušuje optimálny chod vibračného motora. Obr. 1C znázorňuje stav zariadenia, keď sa rotujúce excentrické závažie, ktorého rotačný pohyb vytvára odstredivú silu, nachádza na pravej strane (3. fáza otáčky). Účinky odstredivej sily spôsobujú pohyb vertikálneho ramena, ktorý sa prenáša pomocou ojníc na piesty valcov kompresora. Valec na pravej strane sa v tejto polohe nachádza v pozícii hornej úvrate a jeho piest vytláča médium von z komory valca, v ktorom sa pohybuje. Piest vo valci na pravej strane sa v tejto polohe nachádza v pozícii dolnej úvrate a dokončuje nasávanie média do komory valca, v ktorom sa pohybuje. Obr. 1D znázorňuje stav zariadenia, keď sa rotujúce excentrické závažie nachádza v dolnej polohe (4. fáza otáčky). V dôsledku voľného zavesenia vertikálneho ramena na konštrukcii, ktoré prenáša pohyby vyvolané účinkami odstredivej sily, dochádza pri vyšších tlakoch (nad 3 Bar) k vytláčaniu piestu v tomto prípade z

SK 50049-2021 A3 pravého valca a to tým rýchlejšie, čím je tlak zostatkového média vo valci vyšší. V prípade rotácie excentrického závažia v smere pohybu hodinových ručičiek tak dochádza pri dolnej polohe závažia k vytláčaniu piestu v pravom valci vibračného kompresora. Uvedené vytláčanie piestu z valca sa prenáša na rameno a samotný vibračný motor a spôsobuje, že vibračný motor sa pohybuje spolu s rotujúcim závažím rovnakým smerom, teda v tomto prípade z pravej strany do ľavej strany. Uvedený pohyb vyvolaný vytláčaním piestu z valca je prenášaný na vibračný motor a má za následok, že rotácia excentrického závažia nie je plynulá, čo narušuje optimálny chod vibračného motora.

Na obr. 1E je znázornený stav vo valci vibračného kompresora, keď zostatkové médium (vzduch, kvapalina) tlačí na piest a vytláča tento piest v smere von z valca, čím sa prenáša pohyb prostredníctvom ojnice a vertikálneho ramena na vibračný motor. Z hodnôt zostatkového tlaku vo valci v pomere na plochu piestu valca vyplýva, že čím je zostatkový tlak vyšší, tým je vyššia aj sila, ktorá spôsobuje vytláčanie piestu von z valca, čo má vplyv aj na rýchlosť vytláčania piestu. Čím vyšší je zostatkový tlak vo valci, tým je aj rýchlosť vytláčania piestu von z valcu vyššia. Uvedený nedostatok spôsobuje narušovanie plynulej rotácie rotujúceho excentrického závažia vibračného motora a prerušenie pôsobenia účinkov odstredivej sily. Návrat piestu vo valci predbieha uhlovú rýchlosť rotácie vibračného motora s excentrickým závažím. Je daná potreba synchrónneho pohybu vibračného motora s excentrickým závažím vo vzťahu k vratnému pohybu piestov vo valcoch.

Uvedené nedostatky sú v podstatnej miere odstránené riešením podľa predloženého vynálezu, ktoré spočíva vo vytvorení dodatočného odporu pre piesty v komorách valcoch kompresora tak, aby sa zabránilo predčasnému pohybu piestov pod vplyvom zostatkového tlaku vo valcoch kompresora smerom von z valcov kompresora. Podstata vynálezu spočíva v poskytnutí aspoň jedného odporového prvku pre piesty. Vibračný kompresor je uspôsobený tak, že do sústavy kyvných ramien s výstupným vertikálnym ramenom je pohyblivo usporiadaný aspoň jeden odporový prvok. Odporový prvok podľa vynálezu je pohyblivo spojený s výstupným vertikálnym ramenom a pevno alebo pohyblivo spojený s rámovou konštrukciou vibračného kompresora bežným konštrukčným spôsobom pomocou voľne uložených čapov, čapov v ložiskách alebo otočným spojením.

Vo výhodnom uskutočnení je odporový prvok vyhotovený ako lineárny generátor elektrického prúdu. Lineárny elektrický generátor je tvorený sústavou permanentných magnetov umiestnených na voľnom konci pohyblivého tiahla odporového prvku a sústavou elektromagnetických cievok umiestnených na obvode odporového prvku tak, aby pohybujúce sa magnety vytvárali v elektromagnetických cievkach elektrické napätie. Následne generovaním napätia a odoberaním vytvoreného elektrického prúdu je vytváraný odpor, ktorý bráni nežiadúcemu skoršiemu pohybu piestov v komorách valcov, ktorý je spôsobený zostatkovým tlakom vo valcoch vibračného kompresora. Takto vytvorený odpor zároveň premieňa pohyb vytláčaných piestov z valcov vibračného kompresora na elektrickú energiu (rekuperácia).

Výhody rekuperačného systému na vibračný kompresor a jeho účinok na zabránenie predčasného vytláčania piestov z komôr valcov vibračného kompresora bol preukázaný tak, že ako médium bola použitá kvapalina (voda). V takomto prípade, pri prevádzke vibračného kompresora nedochádzalo k vytláčaniu piestov z komôr valcov kompresora pod vplyvom zostatkového tlaku vo valcoch kompresora, z dôvodu, že použité médium kvapalina (voda) je v podstate nestlačiteľné a nevytvára tlak na piesty kompresora, takže nedochádza k vytláčaniu piestov v komorách valcov pod vplyvom zostatkového tlaku. V takomto prípade je chod vibračného motora plynulý a nie je narušovaný pohybom piestov smerom von z komôr valcov pod vplyvom zostatkového tlaku vo valcoch.

Prehľad obrázkov na výkresoch

Rekuperačný systém na vibračný kompresor podľa vynálezu bude bližšie zobrazený na výkresoch, kde na obr. 1A až 1D je znázornený jeden cyklus (360° otáčka) motora s excentrickým závažím vibračného kompresora. Na obr. 2 je znázornený pozdĺžny rez komory valca. Na obr. 3 je znázornený pohľad na konštrukčné usporiadanie odporového prvku v zariadení vibračného kompresora. Na obr. 4 je znázornený rez konštrukciou zariadenia.

Príklady uskutočnenia vynálezu

Rozumie sa, že jednotlivé uskutočnenia podľa vynálezu sú predstavované na ilustráciu a nie ako obmedzenia vynálezu. Odborníci poznajúci stav techniky nájdu alebo budú schopní zistiť s použitím nie viac

SK 50049-2021 A3 ako rutinného experimentovania mnoho ekvivalentov k špecifickým uskutočneniam vynálezu. Aj takéto ekvivalenty budú patriť do rozsahu nasledujúcich patentových nárokov. Pre odborníkov znalých v stave techniky nemôže robiť problém dimenzovanie zariadenia rekuperačného systému pre vibračné kompresory a vhodná voľba materiálov a konštrukčných usporiadaní lineárneho elektrického generátora, preto tieto znaky neboli detailne riešené.

Príklad 1

Usporiadanie odporového prvku v konštrukcii vibračného kompresora je znázornené na obr. 1 a 2. Zariadenie vibračného kompresora 10, známeho zo stavu techniky, pozostáva z pevne uloženého vibračného motora 1 v sústave kyvných ramien obsahujúceho excentrické závažie 2, zo sústavy kyvných ramien s výstupným vertikálnym ramenom 3 pohyblivo spojeným s ojnicami 4 piestov 5 kompresora, z valcov 6 kompresora s komorami 7, z stacionárne uloženej rámovej konštrukcie 8. Sústava kyvných ramien s výstupným vertikálnym ramenom 3 je pohyblivo pripojená k rámovej stacionárnej konštrukcii 8. Ojnice 4 piestov 5 vibračného kompresora vykonávajú priamočiary pohyb vo valcoch 6 vibračného kompresora, pričom valce 6 sú umiestnené oproti sebe a kývavý pohyb je striedavo do ľavej a pravej strany čím dochádza k tomu, že jeden valec nasáva médium do komory 7 a druhý valec médium z komory 7 vytláča.

Aspoň jeden odporový prvok 20 je na jednej strane pohyblivo spojený cez tiahlo 23 s výstupným vertikálnym ramenom 3 a na druhej strane je pohyblivo spojený k rámovej konštrukcii 8 bežným konštrukčným spôsobom pomocou voľne uložených čapov alebo čapov v ložiskách. Odporový prvok 20 vytvára odpor, a tým brzdí pohyb vytláčaných piestov 5 v komorách 7 valcov 6 vibračného kompresora. Odporový prvok 20 môže byť vyhotovený ako mechanický alebo elektronický prvok.

Príklad 2

V tomto príklade konkrétneho uskutočnenia predmetu vynálezu, na obr. 1 a 2, je opísané usporiadanie a konštrukcia odporového prvku 20 ako lineárneho elektrického generátora. Tiahlo 23 odporového prvku 20 má na voľnom konci uchytenú sústavu permanentných magnetov 21 so striedajúcou sa polaritou. V magnetickom poli týchto magnetov 23 na obvode odporového prvku (20) pripojeného k rámovej konštrukcii 8 vibračného kompresora 10 sú umiestnené statické elektromagnetické cievky 22 tak, aby pohybujúce sa magnety 21 vytvárali v elektromagnetických cievkach 22 napätie a následne odoberaním vytvoreného elektrického prúdu je vytváraný odpor, ktorý bráni pohybu piestov 5 vo valcoch 6, ktorý pohyb je spôsobený zostatkovým tlakom v komorách 7 valcov 6 vibračného kompresora 10.

So zvyšujúcim sa prevádzkovým tlakom vibračného kompresora je vytláčanie piestov 5 z valcov 6 rýchlejšie. Zvyšovaním odberu elektrickej energie z lineárneho elektrického generátora 20 je možné zvyšovať odpor kladený vysúvajúcim sa piestom 5 podľa potreby tak, aby bol chod vibračného kompresora 10 optimálny.

Bol vyrobený a odskúšaný prototyp, kde v zariadení boli použité nasledovné konštrukčné prvky: sériový vibračný motor AO 26; výrobca Vibros s.r.o., Príbram, ČR; s príkonom 0,27 kW; 0,89 A; 910 otáčok za minútu; odstredivá sila 4695 N; sériovo vyrábané piesty; kompresorové valce s priemerom piestu 64 mm; vibračný motor bol nastavený na závažiach na vytváranie 75 % odstredivej sily. Pri prečerpávaní kvapaliny boli dosiahnuté nasledovné hodnoty: prietok 11 litrov/min. pri príkone 140 W. Záver: nedochádzalo k nárastu príkonu tak, ako v prípade prečerpávania iného média - vzduchu, keďže neprichádzalo k vytláčaniu piestov z valcov pod vplyvom zostatkového tlaku v dôsledku skutočnosti, že kvapalina (v tomto prípade voda) je v podstate nestlačiteľná.

Na otestovanie riešenia technického problému s vytláčaním piestov z valcov pri stláčaní vzduchu, t. j. so skorším návratom piestu vo valci oproti uhlovej rýchlosti rotácie vibračného motora s excentrickým závažím, boli vykonané testy s kvapalinou - vodou, pretože kvapalina nedokáže vytvoriť zostatkový tlak vo valcoch, tak ako ho vytvára vzduch, ktorý je ľahko stlačiteľný, čím spôsobuje vznik zostatkového tlaku vo valcoch. Na porovnanie bolo použité ponorné čerpadlo s výkonom 400 W. Pri testoch sa prečerpávalo a meralo množstvo vody bez prekonávania výškového rozdielu s hadicou rovnakej dĺžky a priemeru, tak aby boli podmienky rovnaké pre čerpadlo poháňané elektromotorom s výkonom 400 W ako aj pre čerpadlo poháňané vibračným motorom (zhodnej konštrukcie ako v prípade vibračného kompresora).

SK 50049-2021 A3

V tabuľke č. 1 sa uvádzajú namerané hodnoty:

Výsledok merania prečerpanej kvapaliny - vody	Príkon elektrickej energie	Prečerpaný objem
Sériovo vyrábané čerpadlo (14,6 W na 1 liter)	190 W	13 l/min.
Prototyp čerpadla poháňaného vibračným motorom(10,8 W na 1 liter)	130 W	12 l/min.

Z výsledkov teda vyplýva, že pohon využívajúci účinky odstredivej sily za pomoci vibračného motora je 5 efektívnejší, než pohony využívajúce silu elektromotorov bez využívania účinkov odstredivej sily. Tento efekt je možné dosiahnuť aj usporiadaním odporového prvku - lineárneho elektrického generátora do sústavy kyvných ramien podľa vynálezu. Získanú elektrickú energiu je možné využiť ako energiu na akýkoľvek vhodný účel.

Priemyselná využiteľnosť

Riešenie podľa vynálezu je možné využiť v zariadení na premenu mechanickej energie na energiu tlakovú (energiu stlačeného plynu).

SK 50049-2021 A3

Zoznam vzťahových značiek vibračný kompresor vibračný motor excentrické závažie výstupné vertikálne rameno ojnice piesty valce komory valcov rámová konštrukcia odporový prvok permanentné magnety elektromagnetické cievky tiahlo odporového prvku

Claims (3)

1. Rekuperačný systém pre vibračný kompresor, kde vibračný kompresor pozostáva z vibračného motora (1) obsahujúceho excentrické závažie (2), sústavy kyvných ramien s výstupným vertikálnym ramenom (3) 5 pohyblivo spojeným s ojnicami (4) piestov (5) vo valcov (6) kompresora umiestnených proti sebe s komorami (7), zo stacionárnej rámovej konštrukcie (8), vyznačujúci sa tým, že do sústavy kyvných ramien je pohyblivo usporiadaný aspoň jeden odporový prvok (20).

2. Rekuperačný systém pre vibračný kompresor podľa nároku 1, vyznačujúci sa tým, odporový prvok (20) je na jednej strane cez pohyblivé tiahlo (23) pohyblivo spojený s výstupným vertikálnym 10 ramenom (3) a na druhej strane je pevne alebo pohyblivo spojený s rámovou konštrukciou (8) vibračného kompresora.

3. Rekuperačný systém pre vibračný kompresor podľa nárokov 1 alebo 2, vyznačujúci sa tým, že odporový prvok (20) je vyhotovený ako lineárny generátor elektrického prúdu, pričom lineárny elektrický generátor je tvorený sústavou permanentných magnetov (21) umiestnených na voľnom konci 15 pohyblivého tiahla (23) odporového prvku (20) a sústavou elektromagnetických cievok (22) umiestnených na obvode odporového prvku (20) tak, aby pohybujúce sa magnety (21) vytvárali v elektromagnetických cievkach (22) elektrické napätie.