ПОРШНЕВОЙ КОМПРЕССОР

Изобретение относится к поршневым компрессорам с охлаждением, работающим без смазки рабочей полости и предназначенным для сжатия и перемещения газов.

Известен поршневой компрессор с воздушным охлаждением преимущественно для накачки автотракторных шин, содержащий оребренный цилиндр, несущий головку со всасывающим и нагнетательным клапанами, и включенную в линию нагнетания камеру для охлаждения сжатого воздуха [АС №31579 от 01.10.1971], в котором камера охлаждения выполнена в виде параллельного оси цилиндра кольцевого отсека, образованного оребренной стенкой цилиндра и выступом головки.

Основным недостаткам аналога является наличие только внешних ребер, что позволяет охлаждать только детали, формирующие рабочую камеру (цилиндр, крышку цилиндра), сжимаемый газ охлаждается слабо, т.к. внутренняя поверхность гладкая, а, следовательно, мала и площадь теплообмена между газом и стенками рабочей камеры.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению является поршневой компрессор с охлаждением, работающий без смазки рабочей полости и предназначенный для сжатия и перемещения газов [патент №2307953 от 10.10.2007].

Поршневой компрессор содержит цилиндр с всасывающими и нагнетательным клапанами. Крышка цилиндра служит для размещения клапанов, поршень размещен в цилиндре с возможностью возвратно-поступательного движения. Причем перед нагнетательным клапаном в крышке выполнены ребра. Для интенсификации охлаждения в крышке выполнены полости, в которых проходит охлаждающая жидкость.

Недостатками прототипа являются:

- наличие внутреннего оребрения по всей поверхности цилиндрической части рабочей камеры, что приводит к подогреву газа в процессе всасывания за счет развитой внутренней поверхности, что уменьшает производительность компрессора;

- утечка газа из рабочей камеры через лабиринтное уплотнение (фактически зазор) между поршнем и цилиндром.

Задачей изобретения является создание конструкции поршневого компрессора, которая позволит увеличить его производительность, уменьшить подогрев газа в процессе всасывания, увеличить теплоотдачу от газа к стенкам рабочей камеры в процессе нагнетания, уменьшить утечки газа и уменьшить мертвый объем в камере компрессора.

Данный технический результат достигается тем, что в поршневом компрессоре содержащем цилиндр, крышку с всасывающими и нагнетательным клапанами, в цилиндре расположен поршень с поршневыми кольцами, выполненными из самосмазывающихся материалов, предназначенными для герметизации рабочей камеры, в крышке цилиндра перед нагнетательным клапаном в паз радиусом R₁ установлены ребра, расположенные перпендикулярно к торцу крышки, обращенному в сторону рабочей камеры поршневого компрессора, имеющие полусферическую форму и выполненные радиусом R из металлических пластин, причем

R₁=R+δ, где

R₁ - радиус паза;

R - радиус ребер;

δ - толщина ребер.

На чертеже изображен поршневой компрессор с внутренними ребрами, расположенными перед нагнетательным клапаном.

Поршневой компрессор содержит цилиндр 1, крышку 4. В крышке 4 располагаются всасывающий 2 и нагнетательный 3 клапаны для впуска и выпуска газа. В цилиндре 1 расположен поршень 5 с возможностью возвратно-поступательного движения. Крышка 4, цилиндр 1, поршень 5 образуют рабочую камеру 8. В поршне 5 установлены поршневые кольца 6 из самосмазывающихся материалов, например "Фтороплат 4" (ГОСТ 10007-80), и предназначенные для герметизации рабочей камеры.

В крышке 4 цилиндра 1 перед нагнетательным клапаном 3 выполнен сферический паз 9 радиусом R₁. В паз 9 (А-А) установлены ребра 7, расположенные перпендикулярно к торцу крышки 4, обращенному в стороны рабочей камеры 8. Ребра 7, имеющие полусферическую форму, выполнены радиусом R толщиной δ из металлических пластин.

Учитывая данные [Гавра Г.Г., Михайлов П.М., Рис. В.В. Тепловой и гидравлический расчет теплообменных аппаратов компрессорных установок. Учебное пособие. - Л., ЛПИ, 1982, 72 с. - стр. 28] шаг ребер L и их толщина δ могут быть приняты одинаковыми: δ=L.

Количество ребер и их длина зависит от диаметра паза для размещения ребер 7D_p.

На практике ребра 7 можно выполнить из пластин толщиной 0,1…0,2 мм.

Известно [Идельчик И.Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям / Под ред. М.О. Штейнберга. - з-е изд., перераб и доп. - М.: Машиностроение, 1992. - 672 с., Стр. 146], что для исключения дополнительных гидравлических потерь при нагнетании газа необходимо обеспечить следующие условие: площадь проходного сечения каналов, между ребрами 7 Sp должна быть не менее проходного сечения клапана Sк:

Sp≥Sк, где

Sк=πd_кл²/4, где d_кл - диаметр клапана, м.

Sp=πDp²/4-ΣS_P', где D_p- диаметр паза для размещения ребер 7, м;

ΣS_Ρ' - суммарная площадь сечения ребер на торце крышки 4 со стороны рабочей камеры 8.

Согласно [Пластинин, П.И. Поршневые компрессоры. В 2 т. Т. 1. Теория и расчет / П.И. Пластинин - 3-е изд., перераб. и доп.- М.: КолосС, 2006. - 456 с., стр. 46] мертвый объем (объем каналов между ребрами 7) должен быть не более 5%, то есть должно выполняться условие:

где Vм - мертвый объем, м³;

Vм=πD_p³/6-ΣV_p',

где ΣV_P' - суммарный объем ребер, м³.

Vрк - объем рабочей камеры, м³,

Vрк = S*πd_ц²/4,

где S - ход поршня, м;

d_ц - диаметр цилиндра, м.

Формула 2 позволяет однозначно определить диаметр паза Dp.

Поршневой компрессор работает следующим образом:

Поршень 5 совершает возвратно-поступательные движения, изменяя объем газовой полости цилиндра 1. При увеличении объема рабочий газ поступает через всасывающий клапан 2 с температурой всасывания Твс и давлением всасывания Рвс в газовую полость цилиндра 1. Причем за счет гладких стенок цилиндра 1 идет незначительный подогрев газа. При достижении максимального объема газовой полости всасывание прекращается, всасывающий клапан 2 закрывается, поршень 5 меняет свое направление движения и начинается процесс сжатия в газовой полости, давление и температура в цилиндре 1 повышаются. При достижении давления газа величины Рн - давление нагнетания, нагнетательный клапан 3 открывается, и дальнейшее уменьшение объема газовой полости цилиндра 1 сопровождается выталкиванием рабочего газа, которое прекращается при минимальном объеме газовой полости. В процессе нагнетания газ омывает ребра 7, расположенные перед нагнетательным клапаном 3 в крышке 4.

Количество тепла, отводимое от газа в процессе нагнетания, пропорционально площади оребренной поверхности и коэффициенту теплоотдачи, который возрастает с ростом давления и имеет максимальное значение в процессе нагнетания. Таким образом, наличие оребрения 7 позволяет существенно увеличить теплоотвод от нагнетаемого газа за счет развитой поверхности. Тепловой поток от ребер отводится охлаждающей.

Поверхность цилиндра поз. 1 выполнена гладкой, оребрение внутри рабочей камеры расположено только перед нагнетательным клапаном. Отсутствие внутреннего оребрения на цилиндре поз. 1 позволяет меньше подогреваться газу от гладких стенок в процессе всасывания также наличие поршневых колец поз. 6 уменьшаются утечки газа. Интенсивная теплоотдача тепла в процессе нагнетания при прохождении газа через ребра перед нагнетательным клапаном. Уменьшение площади оребренной поверхности позволяет уменьшить мертвый объем в рабочей камере.

Таким образом, предложенная конструкция за счет расположения внутреннего оребрения перед клапаном нагнетания перпендикулярно к торцу крышки, обращенному в стороны рабочей камеры, увеличивает теплоотдачу от газа к стенкам рабочей камеры в процессе нагнетания, исключения оребрения по всей внутренней поверхности цилиндра, уменьшения площади оребрения, наличия поршневых колец позволяет уменьшить утечки газа, увеличить теплоотдачу от газа к стенкам рабочей камеры в процессе нагнетания, уменьшить мертвый объем в камере компрессора.