способ сжатия и перекачки газов (жидкостей)

Формула изобретения

1. Способ сжатия и перекачки газов (жидкостей) путем подачи энергоносителя в проточную камеру, постоянно сообщающуюся со всасывающим и нагнетательным каналами, отличающийся тем, что в качестве энергоносителя используют свободные поршни, разгоняемые ускорителем и направляемые в проточную камеру последовательно один за другим с образованием между поршнями замкнутых полостей, попеременно сообщающихся всасывающим и нагнетательным каналами, причем после выхода из проточной камеры поршни через калиброванный отвод возвращаются в ускоритель для передачи им дополнительной кинетической энергии.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что при сжатии газа в полость между поршнями перед их возвращением в ускоритель подают жидкость, а после прохода через проточную камеру жидкость отделяют от газа, отводимого в нагнетательный канал.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области компрессоростроения, насосостроения и вакуумной техники и является усовершенствованием способов сжатия и перекачки газов (жидкостей).

Известен способ сжатия и перекачки газов (жидкостей) машинами объемного типа, в которых перекачиваемая среда перемещается путем периодического изменения объема занимаемой ею камеры, попеременно сообщающейся со входом и выходом машины (компрессора или насоса) [1, 2] Для реализации данного способа требуются тихоходные машины с клапанными или золотниковыми распределительными узлами, имеющие большую массу, либо роторные машины со сложными геометрическими формами, Большая масса, сложность конструкций подобных машин вызывают удорожание всей технологии сжатия и перекачки газов (жидкостей), что является недостатком и способствует снижению эффективности при эксплуатации техники.

Известен также способ сжатия и перекачки газов (жидкостей) машинами динамического типа, в которых перекачиваемая среда перемещается под силовым воздействием на нее в камере, постоянно сообщающейся со входом и выходом машины (компрессора или насоса) [1, 2] К недостаткам данного способа следует отнести невысокую степень сжатия (невысокое давление), достигаемую в одной ступени машины. Для увеличения степени сжатия (давления) используют многоступенчатые машины, масса которых значительно возрастает.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ сжатия и перекачки газов путем импульсной подачи потока жидкости в проточную камеру, постоянно сообщающуюся со всасывающим и нагнетательным каналами, где поток жидкости выполняет функцию энергоносителя [3] Недостатком известного технического решения является его низкая эффективность, так как при передаче энергии от жидкости к перекачиваемому газу наблюдаются высокие потери энергии, вызванные внезапным расширением потока и перемешиванием образуемой газожидкостной смеси. По этой причине степень сжатия (давление) остаются низкими. Недостатком является и необходимость в специальном насосе для импульсной подачи жидкости-энергоносителя, где теряется еще часть энергии, а масса оборудования увеличивается.

Технической задачей изобретения является устранение указанных недостатков. Повышение эффективности, связанной с ростом степени сжатия (давления), достигается за счет уменьшения гидравлических потерь энергии в проточной камере. Снижение массы и размеров технологического оборудования обеспечивается за счет замены жидкости энергоносителя на энергоноситель из твердого материала с более высокой плотностью. Предлагаемый способ сжатия и перекачки газов (жидкостей) путем подачи энергоносителя в проточную камеру, постоянно сообщающуюся со всасывающим и нагнетательным каналами, отличается от известных технических решений тем, что в качестве энергоносителя используют свободные поршни, разгоняемые ускорителем и направляемые в проточную камеру последовательно один за другим с образованием между поршнями замкнутых полостей, попеременно сообщающихся со всасывающим и нагнетательным каналами. После выхода из проточной камеры поршни через калиброванный отвод возвращают в ускоритель для передачи им дополнительной кинетической энергии. При реализации данного способа отсутствуют потери энергии на перемешивание энергоносителя с перекачиваемой средой, так как поршни выполняют из твердого материала. Плотность твердого материала, например, стали, практически на порядок превышает плотность наиболее распространенных технических жидкостей. Таким образом, с увеличением плотности энергоносителя удается при прочих равных условиях уменьшить габариты и соответственно массу проточной камеры и технологического оборудования в целом. С повышением плотности энергоносителя использованием поршней, образующих замкнутые полости в проточной камере, повышается и степень сжатия (давление) в одной ступени машины, работающей по описанному принципу.

Эффективность предлагаемого способа повышается при сжатии газа за счет исключения его перетока обратно в зону низкого давления. Достигается это тем, что пространство между поршнями перед входом в калиброванный отвод заполняют жидкостью. В зависимости от свойств перекачиваемой среды может быть использовано компрессорное масло, вакуумное масло, нефть или другие жидкости. После прохода через проточную камеру жидкость отделяют от газа, уходящего в нагнетательный канал. Для поддержания заданного температурного режима жидкость охлаждают.

Работа ускорителя в рассматриваемом способе может быть основана на использовании механических систем, волновых (импульсных) процессов или сочетании нескольких различных технических решений. Ускорение поршней может осуществляться и под воздействием электромагнитных сил (например, по аналогии с электромагнитными насосами, линейными электродвигателями, электромагнитными муфтами).

Для подтверждения возможности реализации представленного способа сжатия и перекачки газов (жидкостей) предлагается вариант устройства, исполненного на основе механических систем. Устройство содержит проточную камеру, постоянно сообщающуюся со всасывающим и нагнетательным каналами, и отличается тем, что оснащено центробежным ускорителем с ротором и тангенциальным отводом, направленным в проточную камеру, которая на выходе сообщается с калиброванным отводом и нагнетательным каналом. Радиальные каналы в роторе, каналы в тангенциальном отводе, проточной камере, калиброванном отводе образуют замкнутый контур для движения свободных поршней, размещенных внутри названных каналов, с возможностью образования замкнутых полостей между поршнями при их движении через проточную камеру и калиброванный отвод. Полости, ограниченные поршнями и внутренними стенками проточной камеры, попеременно сообщаются со всасывающими и нагнетательным каналами.

В зависимости от специфики решаемой технической задачи поршни могут иметь шаровую или иную форму.

На фиг. 1 представлена схема, поясняющая способ сжатия и перекачки газов (жидкостей); на фиг. 2 схема устройства, исполненного на основе центробежного механического ускорителя.

Для осуществления способа сжатия и перекачки газов (жидкостей) свободные поршни 1 (см. фиг. 1), являющиеся энергоносителем, разгоняют ускорителем 2 и направляют их в проточную камеру 3 последовательно один за другим. Через всасывающий канал 4 в проточную камеру 3 подводится перекачиваемая среда, которая заполняет полости между поршнями 1. При движении поршней 1 в проточной камере 3 образуются замкнутые полости 5, ограниченные движущимися поршнями 1 и внутренними стенками камеры 3. За счет своей кинетической энергии поршни 1 движутся вдоль проточной камеры 3 в направлении к нагнетательному каналу 6, где давление среды выше, чем во всасывающем канале 4. На выходе из проточной камеры 3 перекачиваемая среда отводится в нагнетательный канал 6. Скорость движения поршней 1 в конце проточной камеры 3 меньше, так как кинетическая энергия поршней расходуется на преодоление перепада давления в каналах 6 и 4 и на сжатие газа в полостях между поршнями 1.

После выхода из проточной камеры 3 поршни 1 через калиброванный отвод 7 возвращают в ускоритель 2 для передачи им дополнительной кинетической энергии. За счет работы ускорителя 2 поддерживается более высокая скорость поршней 1 на входе в проточную камеру. При этом объем замкнутых полостей 5 между поршнями в проточной камере 3 больше, чем объем полостей 8 в калиброванном отводе 7. За счет разности указанных объемов обеспечивается перекачка газа (жидкостей) из всасывающего канала 4 в нагнетательный канал 6.

При сжатии газа с целью исключения его перетока обратно в зону низкого давления пространство между поршнями перед входом в калиброванный отвод 7 заполняют жидкостью, например, маслом, а на выходе 9 из проточной камеры 3 жидкость отделяют от газа, уходящего в нагнетательный канал 6.

Вариант устройства, исполненного на основе механических систем и предназначенного для реализации способа сжатия и перекачки газов (жидкостей), содержит корпус 1 ускорителя (см. фиг. 2) с тангенциальным отводом, направленным в проточную камеру 2, постоянно сообщающуюся со всасывающим 3 и нагнетательным 4 каналами. В корпусе 1 размещен ротор 5 центробежного ускорителя. В роторе 5 выполнены радиальные каналы 6 для прохода свободных поршней 7 от центра ротора 5 в тангенциальный отвод и далее в проточную камеру 2. Калиброванный отвод 8 одним концом сообщается с центром ротора 5, другим - с полостью 9, соединенной с выходом проточной камеры 2 и нагнетательным каналом 4.

Каналы в роторе 5, тангенциальном отводе корпуса 1, проточной камере 2 и калиброванном отводе 8 соответствуют профилю свободных поршней 7 и образуют замкнутый контур для движения поршней с возможностью формирования замкнутых полостей 10 и 11 между поршнями. Причем объем полости 10 в проточной камере 2 превышает объем полости 11 в калиброванном отводе 8.

В представленном варианте устройства поршни 7 имеют форму шара.

Устройство работает следующим образом.

При вращении ротора 5 в направлении, указанном стрелкой, свободному поршню, находящемуся в радиальном канале 6, передается дополнительная кинетическая энергия. Периодически один за другим поршни направляются через тангенциальный отвод корпуса 1 в проточную камеру 2. В полость между поршнями из всасывающего канала 3 поступает перекачиваемая среда. За счет своей кинетической энергии поршни 7 вместе с перекачиваемой средой перемещаются в зону более высокого давления. В камере 9 газ (жидкость) отводится в нагнетательный канал 4. Поршни через калиброванный отвод 8 возвращаются в ускоритель к центру ротора 5. Перекачка среды из всасывающего в нагнетательный канал обеспечивается тем, что объем полости 10 между движущимися в проточной камере 2 поршнями превышает объем полости 11 между поршнями в калиброванном отводе 8.

Поршни возвращаются в ускоритель под действием избыточного давления в камере 9 и сил тяжести. Скорость и периодичность подачи поршней в проточную камеру 2 зависит от конфигурации и скорости вращения ротора 5 ускорителя.

При сжатии газа для исключения его перетока обратно в зону низкого давления и уменьшения объема мертвого пространства полость 11 между поршнями заполняют жидкостью, например, маслом. После прохода через проточную камеру 2 в камере 9 жидкость отделяется от газа, уходящего в нагнетательный канал 4. Для поддержания заданного температурного режима жидкость в камере 9 охлаждают.

В зависимости от свойств перекачиваемой среды устройство выполняет функции компрессора или насоса, либо используется для создания вакуума.