ТЕПЛОВОЙ КОМПРЕССОР

ТЕПЛОВОЙ КОМПРЕССОР


RU (11) 2183767 (13) C1

(51) 7 F04B19/24, F25B29/00 

(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ 
Статус: по данным на 27.05.2008 - прекратил действие 

--------------------------------------------------------------------------------

(21) Заявка: 2001102167/06 
(22) Дата подачи заявки: 2001.01.23 
(24) Дата начала отсчета срока действия патента: 2001.01.23 
(45) Опубликовано: 2002.06.20 
(56) Список документов, цитированных в отчете о поиске: SU 1605110 A1, 07.11.1990. SU 1670173 A1, 15.08.1991. SU 1359478 A1, 15.12.1987. GB 1206264, 23.09.1970. US 4416587, 22.11.1983. DE 3744487 А1, 13.07.1989. 
(71) Заявитель(и): Военный инженерно-технический университет 
(72) Автор(ы): Савчук А.Д. 
(73) Патентообладатель(и): Военный инженерно-технический университет 
Адрес для переписки: 191185, Санкт-Петербург, ул. Захарьевская, 22, ВИТУ, бюро по изобретательству и патентной работе 

(54) ТЕПЛОВОЙ КОМПРЕССОР 

Изобретение может использоваться в самых различных областях техники для сжатия и перекачки газа и решает задачу повышения эффективности тепловых компрессоров. Компрессор содержит цилиндр, трубчатый вытеснитель со встроенным регенератором и радиально наклоненными отверстиями для соединения регенератора соответственно с холодной и горячей полостями цилиндра. Вытеснитель приводится в действие электроприводом с ротором, расположенным на внешней стороне вытеснителя, и статором, расположенным на цилиндре. Цилиндр содержит теплообменник теплоносителя с теплоизоляцией и теплообменник хладагента, газовую магистраль с впускным и выпускным клапанами, ребристый радиатор. Вытеснитель с регенератором снабжен торцевыми заглушками с кольцеобразными торцами, осевыми выточками и установленными в них пружинами прямоугольного сечения, которыми вытеснитель подпружинен от внутренних торцевых стенок цилиндра. В приторцевых участках вытеснителя, выполненного меньшим радиусом, чем его средняя часть, находятся резьбовые участки, а на внутренней поверхности приторцевых участков цилиндра выполнены резьбовые участки с образованием кольцевых зазоров, расположенных соответственно в холодной и горячей полостях цилиндра. 1 ил. 


ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ



Изобретение относится к компрессоростроению, а именно к теплоиспользующим компрессорам, и может быть использовано в самых различных областях техники для теплового компримирования газов.

Известен теплоиспользующий компрессор [1] - /авторское свидетельство СССР 1359478, кл. F 04 В 19/24, F 25 В 9/00, F 25 В 9/00, 1987 г./, содержащий теплообменник-охладитель и цилиндрическую полость, внутри которой установлен комбинированный вытеснитель со сложной системой гидропривода.

Недостатком известного теплоиспользующего компрессора, являются сложность, а следовательно, и низкая надежность системы привода и самого вытеснителя, а также большой мертвый объем /заключенный в теплообменниках/ рабочей полости теплоиспользующего компрессора.

Известен термокомпрессор [2] - /авторское свидетельство СССР 1670173, кл. F 04 В 19/24, F 25 В 29/00, 1991 г./, содержащий компрессионную камеру, на торцах которой расположены коллекторы /теплообменники/ теплоносителя и хладагента, помещенный в камеру регенератор, снабженный пористыми насадками и штоком осевого перемещения, трубопровод с отсечными (обратными) клапанами, причем насадки размещены на торцах регенератора и его шток соединен с механическим приводом через двухсторонний пружинный компенсатор осевого движения.

Недостатками известного термокомпрессора являются:

- наличие уплотнительного узла штока, что приведет особенно при высоких рабочих давлениях к течкам газа и затратам энергии на преодоление сил трения в уплотнительном узле;

- удары насадок при работе термокомпрессора, которые снижают надежность устройства в целом;

- недостаточная поверхность теплообмена торцевых стенок корпуса для передачи необходимого количества тепла, что приводит к увеличению температурного перепада между соответственно теплоносителем и рабочим телом в горячей полости, и хладагентом (средой для отвода тепла) и рабочим телом в холодной полости, а это в свою очередь ведет к большей необратимости процессов теплообмена и снижению кпд.

Прототипом предлагаемого устройства является компрессор [3] - /авторское свидетельство СССР 1605110, кл. F 25 В 9/00, 1990 г./, содержащий установленный в полости цилиндра с возможностью осевого перемещения вытеснитель с расположенным в нем регенератором и наклонными каналами, разделяющий полость цилиндра на теплую и холодную полости, теплообменники теплоносителя и хладагента, расположенные на торцах цилиндра электропривод, статор которого расположен на внешней стороне цилиндрического корпуса, а ротор - на корпусе вытеснителя, а также впускные и выпускные клапаны.

Недостатками прототипа являются:

- недостаточная поверхность теплообмена торцевых и боковых стенок цилиндрического корпуса для передачи необходимого количества тепла, что приводит к увеличению температурного перепада между соответственно теплоносителем и рабочим телом в горячей полости, хладагентом (средой для отвода тепла) и рабочим телом в холодной полости, а это в свою очередь ведет к большей необратимости процессов теплообмена и снижению кпд;

- наличие большого мертвого объема из-за необходимости недопущения ударов вытеснителя о торцевые стенки цилиндрического корпуса, которые могут привести к поломке компрессора;

- большая масса вытеснителя с встроенными регенератором и ротором электрического двигателя приведет к большим инерционным силам (на средних и больших частотах), для компенсации которых придется значительно увеличить мощность, а следовательно, и массу линейного двигателя, что приведет к сравнительно большим затратам электрической энергии для привода вытеснителя, а это совсем нежелательно для любых устройств;

- низкая надежность и ресурс теплового компрессора из-за размещения клапанов в его рабочей полости, особенно в теплой зоне;

- холодный газ, поступающий в теплую зону необходимо предварительно охлаждать, а это дополнительные затраты энергии;

- для нормальной работы регенератора требуется обеспечение поддержания заданных значений температур на его торцах, а это условие в результате разных путей движения газа (по зазору и по центральному каналу, и организации входа и выхода компримируемого газа с разных торцов цилиндра) обеспечивается плохо, что снижает эффективность регенератора и теплового компрессора в целом.

Указанные недостатки ставят задачу повышения эффективности теплоиспользующего компрессора.

Указанная задача достигается тем, что в тепловом компрессоре, содержащем установленный в полости цилиндра с возможностью осевого перемещения вытеснитель с расположенным в нем регенератором и наклонными каналами, разделяющий полость цилиндра на теплую и холодную полости, теплообменники теплоносителя и хладагента, расположенные на торцах цилиндра, электропривод, статор которого расположен на внешней стороне цилиндра, а ротор - на корпусе вытеснителя, а также впускные и выпускные клапаны.

Вытеснитель выполнен трубчатым с торцевыми профильными заглушками, в кольцеобразных торцевых осевых выточках которых установлены пружины сжатия прямоугольного сечения, которыми вытеснитель подпружинен от торцевых внутренних стенок цилиндра, вытеснитель между торцевых профильных заглушек содержит регенератор с наклонными отверстиями в холодную и теплую зоны цилиндра через зазоры, образованные резьбовыми проточками на внешних торцах трубчатого вытеснителя, а цилиндрические приторцевые участки внутренней поверхности корпуса содержат внутреннюю резьбу длиной, равной сумме длины хода вытеснителя и длины резьбовой проточки вытеснителя, впускной и выпускной клапаны расположены на внешней магистрали, подсоединенной через теплообменник хладагента к холодной полости цилиндра в его торце, статор и ротор электропривода смещены в сторону холодной зоны, и между статором и теплообменником теплоносителя на внешней стороне цилиндра расположен ребристый теплообменник, теплообменник теплоносителя покрыт слоем теплоизоляции по всей наружной поверхности.

Выполнение вытеснителя трубчатым необходимо для удобного размещения в нем всех узлов и деталей теплового компрессора и их взаимного спряжения. Внешняя поверхность вытеснителя между радиально наклоненными отверстиями образует пару скольжения с внутренней средней частью цилиндрического корпуса, торцевые участки внешней поверхности вытеснителя выполнены меньшим радиусом, чем его центральная часть, и содержат внешнюю резьбу (канавки) для интенсификации теплообмена, цилиндрические торцевые участки внутренней поверхности цилиндра содержат также для интенсификации теплообмена внутреннюю резьбу (канавки).

Установка в вытеснителе торцевых профильных заглушек, в кольцеобразных торцевых осевых выточках которых установлены пружины сжатия прямоугольного сечения, которыми вытеснитель подпружинен от торцевых внутренних стенок цилиндра, необходима для уменьшения инерционных сил и уменьшения мощности электропривода. Кроме того, пружины, которыми подпружинен вытеснитель, помогают увеличить поверхности теплообмена и интенсифицировать теплообмен в холодной и теплой областях цилиндра, так как по пружинам будет происходить соответственно отвод и подвод тепла к рабочему телу (перекачиваемому газу).

Выполнение пружин прямоугольного сечения необходимо для уменьшения мертвого объема соответственно холодной и теплой полостей при полном сжатии в них пружин.

Выполнение вытеснителя со встроенным регенератором (между торцевых профильных заглушек) с наклонными отверстиями в холодную и теплую зоны цилиндра через зазоры, образованные резьбовыми проточками на внешних торцах вытеснителя и цилиндрическими приторцевыми резьбовыми участками внутренней поверхности корпуса, необходимо для интенсификации теплообмена подвода и отвода тепла и повышения эффективности теплового компрессора в целом.

Выполнение цилиндрических приторцевых резьбовых участков внутренней поверхности корпуса длиной, равной сумме длины хода вытеснителя и длины резьбовой проточки вытеснителя, необходимо для создания кольцеобразных каналов интенсивного отвода и подвода тепла от компримируемого газа.

Выполнение впускного и выпускного клапанов, расположенными на внешней магистрали, подсоединенной через теплообменник хладагента к торцу холодной полости цилиндра, необходимо для облегчения условий работы клапанов, создания возможности их оперативного технологического обслуживания и ремонта.

Выполнение статора и ротора электропривода, смещенными в сторону холодной зоны, и размещение между статором и теплообменником теплоносителя на внешней стороне цилиндра ребристого теплообменника необходимо для исключения перегрева статора электропривода и обеспечение для него нормального рабочего режима. Ребристый теплообменник служит также для отвода тепла, поступающего по корпусу от теплообменника теплоносителя к статору электропривода.

Покрытие теплообменника теплоносителя слоем теплоизоляции по всей наружной поверхности необходимо для уменьшения потерь тепла от теплообменника теплоносителя в окружающую среду.

Выполнение теплового компрессора в совокупности с вышеизложенными признаками (отличительными признаками формулы изобретения) является новым для тепловых компрессоров и, следовательно, соответствует критерию "новизна".

Вышеприведенная совокупность отличительных признаков не известна на данном уровне развития техники и не следует из общеизвестных правил конструирования тепловых компрессоров и их вспомогательного оборудования, что доказывает соответствие критерию "изобретательский уровень".

Конструктивная реализация теплового компрессора с указанной совокупностью существенных признаков не представляет никаких конструктивно-технических и технологических трудностей, откуда следует соответствие критерию "промышленная применимость".

На чертеже схематично представлена конструкция предложенного теплового компрессора.

Тепловой компрессор содержит цилиндр 1, трубчатый вытеснитель 2 с регенератором 3 и радиально наклоненными отверстиями 4 и 5, соответственно направленные в стороны холодной полости 6 и горячей полости 7 для рабочего тела, которым служит перекачиваемый газ. Трубчатый вытеснитель 2 с внешней своей стороны имеет установленный в него ротор 8 электропривода, статор 9 которого расположен на внешней поверхности цилиндра 1. Цилиндр 1 снабжен соответственно со стороны горячей полости 7 теплообменником теплоносителя 11, который теплоизолирован от окружающей среды слоем теплоизоляции 12 и со стороны холодной полости 6 теплообменник хладагента 10, через который подходит газовая магистраль 13, с установленными на ней впускным 14 и выпускным 15 клапанами для перекачиваемого газа. Вытеснитель 2 со стороны холодной 6 и теплой 7 полостей цилиндра 1 имеет соответственно торцевые профильные заглушки 16 и 17. В заглушках 16 и 17 выполнены кольцеобразные торцевые осевые выточки 18 и 19 с установленными в них соответственно пружинами сжатия 20 и 21 прямоугольного сечения, которыми вытеснитель 2 подпружинен от торцевых внутренних стенок цилиндра 1. Причем пружина 21, находящаяся в горячей полости, должна быть выполнена из жаропрочной стали, а жесткости пружин 20 и 21 должны быть одинаковыми. На внешних приторцевых участках вытеснителя 2, выполненных меньшим радиусом, чем его средняя часть, находятся резьбовые участки 22, 23, а на внутренней поверхности приторцевых участков цилиндра 1 резьбовые участки 24 и 25 с образованием кольцевых зазоров 26 и 27, расположенных соответственно в холодной 6 и горячей 7 полостях цилиндра 1. На внешней стороне цилиндра 1 между теплоизоляцией 12 теплообменника-теплоносителя 11 и статором 9 электропривода расположен ребристый радиатор 28.

Работает предложенный тепловой компрессор следующим образом.

В установившемся режиме вытеснитель 2 движется возвратно - поступательно по цилиндру 1 под действием усилий пружин 20 и 21, установленных в выточках 18 и 19, и совершает автоколебательные движения, поддерживаемые электроприводом, состоящим из статора 9 и ротора 8. При этом мощность линейного электродвигателя расходуется только на поддержание автоколебательного возвратно-поступательного движения вытеснителя, то есть на преодоление сил трения и гидравлического сопротивления. При движении вытеснителя 2 в сторону теплой полости 7 горячий газ проходит по зазору 27, отверстия 5, регенератор 3, сообщая ему недостающее тепло недорекуперации, охлаждается и, проходя через отверстия 4 и зазор 26, дополнительно подохлаждаясь, попадает в полость 6. По мере охлаждения газа давление во всем объеме корпуса 1 падает и становится меньше, чем на входе в компрессор, в результате чего открывается впускной клапан 14, и в компрессор поступает очередная порция газа на сжатие. При движении вытеснителя 2 в сторону холодной полости 6 холодный газ проходит по зазору 26, отверстия 4, регенератор 3, нагревается в нем и, проходя через отверстия 5 и зазор 27 дополнительно подогреваясь, попадает в полость 7. По мере нагрева газа давление во всем объеме корпуса 1 растет и становится больше, чем на входе в компрессор, в результате чего открывается выпускной клапан 15, и из теплового компрессора поступает очередная порция сжатого газа потребителю. После начала движения вытеснителя 2 в сторону холодной полости 6 весь цикл повторяется. Ребристый теплообменник 28 предотвращает чрезмерный нагрев стартера 9 теплом теплоносителя, поступающего теплопроводностью от теплообменника вдоль стенки корпуса 1.

Интенсивный теплообмен в кольцевых зазорах с резьбовой частью позволит понизить температурный напор между теплообменниками и соответствующими рабочими полостями, а также позволит регенератору работать в более легком режиме, а это приведет к более обратимым процессам теплообмена и, следовательно, к более высокому кпд компрессора. Кроме того, применение в компрессоре подпружинного вытеснителя позволит последнему выполнять движения в автоколебательном режиме, что приведет к значительному уменьшению габаритов и потребляемой мощности привода вытеснителя. В целом предложенный тепловой компрессор обладает гораздо большей надежностью и эффективностью в работе, чем его прототип, и позволяет выдавать сжатый газ потребителю при температуре, равной температуре хладагента.

Источники информации

1. Авторское свидетельство СССР 1359478, кл. F 04 В 19/24, F 25 В 9/00, F 25 В 9/00, 1987 г.

2. Авторское свидетельство СССР 1670173, кл. F 04 В 19/24, F 25 В 29/00, 1991 г.

3. Авторское свидетельство СССР 1605110, кл. F 25 В 9/00, 1990 г. 


ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ



Тепловой компрессор, содержащий установленный в полости цилиндра с возможностью осевого перемещения вытеснитель с расположенным в нем регенератором и наклонными каналами, разделяющий полость цилиндра на теплую и холодную полости, теплообменники теплоносителя и хладагента, расположенные на торцах цилиндра, электропривод, статор которого расположен на внешней стороне цилиндра, а ротор на корпусе вытеснителя, а также впускные и выпускные клапаны, отличающийся тем, что вытеснитель выполнен трубчатым с торцевыми профильными заглушками, в кольцеобразных торцевых осевых выточках которых установлены пружины сжатия прямоугольного сечения, которыми вытеснитель подпружинен от торцевых внутренних стенок цилиндра, вытеснитель между торцевых профильных заглушек содержит регенератор с наклонными отверстиями в холодную и теплую зоны цилиндра через зазоры, образованные резьбовыми проточками на внешних торцах трубчатого вытеснителя, а цилиндрические приторцевые участки внутренней поверхности корпуса содержат внутреннюю резьбу длиной, равной сумме длины хода вытеснителя и длины резьбовой проточки вытеснителя, впускной и выпускной клапаны расположены на внешней магистрали, подсоединенной через теплообменник хладагента к холодной полости цилиндра в его торце, статор и ротор электропривода смещены в сторону холодной зоны, и между статором и теплообменником теплоносителя на внешней стороне цилиндра расположен ребристый теплообменник, теплообменник теплоносителя покрыт слоем теплоизоляции по всей наружной поверхности.




ПРОЧИТАТЬ НУЖНО ВСЕМ !
Судьба пионерских изобретений и научных разработок, которым нет и не будет аналогов на планете еще лет сорок, разве что у инопланетян



Независимый научно технический портал
Насосы и компрессорное оборудование






СОВЕРШЕННО БЕСПЛАТНО!
Вам нужна ПОЛНАЯ ВЕРСИЯ данного патента? Сообщите об этом администрации портала. В сообщении обязательно укажите ссылку на данную страницу.


ПОИСК ИНФОРМАЦИИ В БАЗЕ ДАННЫХ


Режим поиска:"и" "или"

Инструкция. Ключевые слова в поле ввода разделяются пробелом или запятой. Регистр не имеет значения.

Режим поиска "И" означает, что будут найдены только те страници, где встречается каждое из ключевых слов. При использовании режима "или" результатом поиска будут все страници, где встречается хотя бы одно ключевое слово.

В любом режиме знак "+" перед ключевым словом означает, что данное ключевое слово должно присутствовать в найденных файлах. Если вы хотите исключить какое-либо слово из поиска, поставьте перед ним знак "-". Например: "+центробежный -насос".

Поиск выдает все данные, где встречается введенное Вами слово. Например, при запросе "насос" будут найдены слова "насосы", "насосом" и другие. Восклицательный знак после ключевого слова означает, что будут найдены только слова точно соответствующие запросу ("насос!").



Рейтинг@Mail.ru