ПОРШНЕВАЯ МАШИНА С ИНДИВИДУАЛЬНЫМ ЖИДКОСТНЫМ ОХЛАЖДЕНИЕМ

Изобретение относится к области компрессоростроения и может быть использовано при создании экономичных поршневых машин для сжатия газа с индивидуальным жидкостным охлаждением цилиндропоршневой группы.

Известна поршневая машина, содержащая цилиндр и размещенный в нем поршень, полость сжатия, всасывающий и нагнетательный клапаны, установленные соответственно в полости всасывания и нагнетания и соединенные соответственно с всасывающей и нагнетательной линиями (см., например, книгу Б.С. Фотин, И.Б. Пирумов, И.К. Прилуцкий, П.И. Пластинин. «Поршневые компрессоры». - Л.: Машиностроение, 1987, стр. 5, рис. В1).

Известна также поршневая машина, содержащая цилиндр и размещенный в нем поршень, полость сжатия, всасывающий и нагнетательный клапаны, установленные соответственно в полости всасывания и нагнетания и соединенные соответственно с всасывающей и нагнетательной линиями, причем цилиндр имеет жидкостную рубашку, соединенную через теплообменник с устройством для прокачки жидкости (см., например, книгу Б.С. Фотин, И.Б. Пирумов, И.К. Прилуцкий, П.И. Пластинин. «Поршневые компрессоры». - Л.: Машиностроение, 1987, стр. 184-185, рис. 6.32). Данное устройство является наиболее близким к заявляемому по конструкции и принципу работы.

В нем рабочая полость омывается охлаждающей жидкостью и имеется возможность получения сравнительно высокой степени повышения давления. Однако конструкция компрессора весьма громоздка из-за необходимости иметь дополнительно приводной механизм подачи охлаждающей жидкости, что увеличивает массу машины, усложняет ее конструкцию, увеличивает стоимость и общие затраты мощности на сжатие газа. Все это вместе взятое увеличивает приведенную стоимость сжатого газа и снижает общую эффективность поршневой машины.

Техническим результатом изобретения является снижение приведенной стоимости сжатого газа и увеличение общей эффективности поршневой машины.

Указанный технический результат достигается тем, что в поршневой машине, содержащей цилиндр и размещенный в нем поршень, полость сжатия, всасывающий и нагнетательный клапаны, установленные соответственно в полости всасывания и нагнетания и соединенные соответственно с всасывающей и нагнетательной линиями, а цилиндр имеет жидкостную рубашку, соединенную через теплообменник с устройством для прокачки жидкости, согласно заявляемому изобретению устройство для прокачки жидкости выполнено в виде зауженного участка линии всасывания.

Зауженный участок линии всасывания может содержать ограничитель движения жидкости, представляющий собой пластину, установленную плоскостью над каналом, соединяющим теплообменник с зауженным участком, и протяженную в сторону жидкостной рубашки, причем эта рубашка соединена каналом с линией всасывания перед ее входом в полость всасывания.

Ограничитель движения жидкости может быть выполнен в виде каплевидной вставки в линию всасывания, наиболее широкая часть поперечного сечения вставки находится над каналом, соединяющим линию всасывания с теплообменником, причем вставка вытянута в сторону жидкостной рубашки.

Зауженный участок линии всасывания может быть соединен каналом с надмембранной полостью мембранного насоса, имеющего гибкую подпружиненную мембрану, а подмембранная полость соединена с теплообменником и рубашкой через обратные самодействующие клапаны.

Зауженный участок линии всасывания может быть соединен каналом с надмембранной полостью привода плунжерного или поршневого насоса, плунжер или поршень которого закреплен на защемленной подпружиненной мембране, цилиндр соединен через обратные самодействующие клапаны с теплообменником и рубашкой цилиндра, а подмембранная полость соединена с окружающей средой.

Сущность изобретения поясняется чертежами.

На фиг. 1 схематично изображено продольное сечение цилиндропоршневой группы поршневой машины в конце процесса нагнетания газа с устройством для прокачки жидкости в виде зауженного участка линии всасывания, в котором установлен ограничитель движения жидкости, представляющий собой пластину, установленную плоскостью над каналом, соединяющим теплообменник с зауженным участком.

На фиг. 2 показана эта же конструкция во время проведения процесса всасывания газа.

На фиг. 3 показана конструкция поршневой машины в процессе всасывания газа, в которой ограничитель движения жидкости выполнен в виде каплевидной вставки в линию всасывания.

На фиг. 4 показана конструкция поршневой машины в конце процесса нагнетания газа, в которой зауженный участок линии всасывания соединен каналом с надмембранной полостью мембранного насоса, имеющего гибкую подпружиненную мембрану, а подмембранная полость соединена с теплообменником и рубашкой через обратные самодействующие клапаны.

На фиг. 5 показана конструкция этой же поршневой машины в процессе всасывания газа.

На фиг. 6 показана конструкция поршневой машины, в которой зауженный участок линии всасывания соединен каналом с надмембранной полостью привода плунжерного или поршневого насоса.

Поршневая машина (фиг. 1 и 2) содержит цилиндр 1 и размещенный в нем поршень 2, полость сжатия 3, всасывающий 4 и нагнетательный 5 клапаны, установленные соответственно в полости всасывания 6 и нагнетания 7 и соединенные соответственно с всасывающей 8 и нагнетательной 9 линиями, причем цилиндр 1 имеет жидкостную рубашку 10, соединенную через теплообменник 11 с устройством для прокачки жидкости, которое выполнено в виде зауженного участка 12 линии всасывания 8, в котором установлен ограничитель жидкости 13, представляющий собой, в данном варианте, пластину, установленную плоскостью над каналом 14, соединяющим теплообменник 11 с зауженным участком 12, и протяженную в сторону жидкостной рубашки 10, причем рубашка 10 соединена каналом 15 с линией всасывания 8 перед ее входом в полость всасывания 6. В рубашке 10 имеется винтовая поверхность в виде выступа 16 на цилиндре 1, служащая для лучшего переноса теплоты от цилиндра 1 к жидкости в рубашке 10.

В конструкции, изображенной на фиг. 3, зауженный участок 12 образован внутренними стенками канала линии всасывания 8 и каплевидной вставкой 17. Наиболее широкая часть поперечного сечения вставки 17 находится над каналом 14, соединяющим линию всасывания 8 с теплообменником 11, причем вставка вытянута в сторону жидкостной рубашки 10.

В поршневой машине, изображенной на фиг. 4 и 5, зауженный участок 12 линии всасывания 8 соединен с мембранным насосом 18 с гибкой подпружиненной мембраной 19, надмембранная полость 20 которого соединена с зауженным участком 12 линии всасывания 8 через канал 14, а подмембранная полость 21 соединена с теплообменником 11 и рубашкой 10 через обратные самодействующие клапаны - всасывающий 22 и нагнетательный 23. Рубашка 10 в своей верхней части соединена с окружающей средой через отверстие 24.

В поршневой машине, изображенной на фиг. 6, зауженный участок 12 всасывающей линии 8 соединен с приводом 25 плунжерного или поршневого насоса, цилиндр 26 которого соединен с теплообменником 11 и рубашкой 10 через обратные самодействующие клапаны 22 и 23, а плунжер или поршень 27 закреплен на гибкой подпружиненной мембране 19, которая защемлена в приводе 25, имеющем надмембраннную полость 20, соединенную с зауженным участком 12 линии всасывания 8 каналом 14, и подмембранную полость 21, соединенную с окружающей средой через отверстие 28.

Поршневая машина (фиг. 1 и 2) работает следующим образом.

Поршень 2 совершает возвратно-поступательное движение. При ходе поршня 2 вниз газ всасывается из линии всасывания 8, проходит полость всасывания 6, открытый клапан 4 и попадает в полость сжатия 3. При ходе поршня 2 вверх он сжимает газ в полости 3 и нагнетает его через клапан 5 в полость 7 и далее через линию нагнетания 9 потребителю.

При ходе поршня 2 вверх (фиг. 1) всасывающий клапан 4 закрыт, движения газа через линию всасывания 8 нет, в связи с чем давление в ней, а также в зауженном участке 12, в каналах 14 и 15 равно давлению всасывания, и жидкость в рубашке 10 неподвижна, поскольку на нее не действует перепад давления.

При ходе поршня 2 вниз (фиг. 2) в полости 3 создается разрежение, клапан 4 открывается, и газ начинает движение по линии всасывания 8 по направлению к клапану 4 и далее через его проходное сечение в полость 3. В связи с тем, что газ имеет определенную скорость, в соответствии с уравнением Бернулли, давление в суженном участке 12 становится меньше, чем в линии всасывания 8 и соответственно в каналах 14 и 15. В связи с этим на жидкости в рубашке 10 появляется перепад давления между давлением всасывания (атмосферным давлением, действующим на поверхность жидкости) и давлением в канале 14 (ниже атмосферного давления). Под этим перепадом давления жидкость движется по каналу 14 вверх, упирается в ограничитель 13 и потоком всасываемого газа сносится вправо. При этом жидкость, движущаяся по участку 12 и далее по линии всасывания 8, прижата к нижней поверхности суженной части 12 ограничителем 13, в связи с чем формируется поток жидкости, текущей в нижней части всасывающей лини 8, которая, двигаясь дальше, под действием гравитационных сил стекает в верхнюю часть рубашки 10 и двигается по винтовой линии выступов 16 вниз по рубашке 10. После окончания процесса всасывания (поршень 2 приходит в нижнюю мертвую точку) клапан 4 закрывается. Затем цикл работы повторяется.

Таким образом, жидкость совершает прерывистое движение по контуру: верхняя часть рубашки - винтовая поверхность 16 (происходит передача теплоты от цилиндра 1, которую он получил при сжатии газа в полости 3, к жидкости через стенку цилиндра 1) - нижняя часть рубашки 10 - теплообменник 11 (теплота от нагретой жидкости переходит в окружающую среду) - канал 14 - суженный участок 12 - линия всасывания 8 в непосредственной близости к рубашке 10 - верхняя часть рубашки 10.

Конструкция, изображенная на фиг. 3, работает аналогично, в ней сужение потока всасываемого газа на участке 12 и его формирование в нижней части линии всасывания 8 производится за счет формы ограничителя 17.

Поршневая машина, изображенная на фиг. 4 и 5, в процессе сжатия и нагнетания газа (фиг. 4) работает аналогично вышеописанной конструкции, поскольку в этом процессе клапан 4 закрыт, и движения газа в линии всасывания 8 нет. В течение этого процесса мембрана 19 под действием пружины прогибается вниз и вытесняет находящуюся под ней в полости 21 жидкость через клапан 23 в рубашку 10, пополняя в ней уровень жидкости.

При движении поршня 2 вниз (процесс всасывания, фиг. 5) в суженном участке 12 давление падает ниже атмосферного, давление газа в полости 20, соединенной каналом 14 с областью пониженного давления, также падает. В то же время, в связи с наличием отверстия 24, давление жидкости в рубашке 10 и соответственно в теплообменнике 11 и полости 24 равно атмосферному, и под действием перепада давления между атмосферой и давлением в полости 20 мембрана 19, сжимая пружину, движется вверх, всасывая жидкость через клапан 22 и теплообменник 11 в полость 21. При этом уровень жидкости в рубашке 10 понижается. При окончании процесса всасывания (поршень 2 приходит в нижнюю мертвую точку) клапан 4 закрывается, движение газа в линии нагнетания 8 прекращается и давление в ней становится равным атмосферному.

Далее цикл работы повторяется, в связи с чем жидкость совершает движение по контуру аналогично вышеописанной конструкции, отнимая теплоту от цилиндра 1 и отдавая ее в окружающую среду через теплообменник 11.

Конструкция, изображенная на фиг. 6, работает аналогично. Однако в ней есть существенное отличие - при достаточно большой площади мембраны 19 можно получить на плунжере 27 относительно большие усилия при его возвратно-поступательном перемещении, в связи с чем при снижении объема перекачиваемой жидкости за один цикл (площадь плунжера 27 меньше площади мембраны 19) можно получить большое давление жидкости при ходе плунжера 27 вниз и использовать теплообменник 11 с большой суммарной поверхностью при увеличении его гидравлического сопротивления.

Описанные конструкции поршневой машины позволяют создать ее эффективное индивидуальное охлаждения без применения дополнительных приводных механизмов и устройств для подачи охлаждающей жидкости, что позволяет существенно упростить конструкцию машины и снизить ее общую материалоемкость при сохранении положительного эффекта от интенсивного жидкостного охлаждения цилиндра. Все это вместе взятое позволяет снизить удельные затраты на производство сжатого газа и повысить общую эффективность машины.