CZ308233B6

CZ308233B6 - Způsob provádění kompresního cyklu a kompresor k provádění tohoto způsobu

Info

Publication number: CZ308233B6
Application number: CZ2019-165A
Authority: CZ
Inventors: Otakar Černý; Stanislav Honus
Original assignee: Vysoká Škola Báňská-Technická Univerzita Ostrava; Otakar Černý
Priority date: 2019-03-20
Filing date: 2019-03-20
Publication date: 2020-03-11
Also published as: CZ2019165A3

Abstract

V kompresním cyklu se první část stlačování nasátého plynu v pracovním prostoru (5) provádí přiváděním stlačeného plynu přímo do pracovního prostoru (5) odlišnou cestou (10), než je cesta (9) pro vytlačování stlačeného plynu z pracovního prostoru (5) do výtlačného prostoru, a následné stlačování plynu v pracovním prostoru (5) před výtlakem se provádí výhradně polytropicky s kompresním poměrem, který se mění podle tlaku plynu ve výtlačném prostoru, a to v celém provozním rozsahu kompresoru. V kompresoru je cesta (9) pro vytlačování stlačeného plynu z pracovního prostoru (5) pro tento účel oddělena od pracovního prostoru (5) nejméně jedním výtlačným ventilem (16, 16e).

Description

Způsob provádění kompresního cyklu a kompresor k provádění tohoto způsobu

Oblast techniky

Vynález se týká způsobu provádění kompresního cyklu obsahujícího stlačování nasátého plynu v pracovním prostoru pomocí stlačeného plynu, tj. vnější kompresi. Vynález se dále týká kompresoru k provádění tohoto způsobu.

Dosavadní stav techniky

Kompresní cyklus obsahující stlačování nasátého plynu v pracovním prostoru pomocí stlačeného plynu, tj. vnější kompresi, a využívaný ve dvourotorových kompresorech probíhá takto:

- pootočením rotorů se zvětšuje pracovní prostor prvního rotoru vytvořený mezi zuby rotoru a skříní kompresoru a tím se sacím potrubím do tohoto pracovního prostoru za stálého tlaku nasaje plyn,

- pootočením rotorů se přeruší spojení pracovního prostoru prvního rotoru se sacím potrubím,

- nasátý plyn je dopravován k výtlačnému hrdlu beze změny objemu,

- pootočením rotorů do oblasti výtlačného hrdla se pracovní prostor prvního rotoru, v němž se nachází nasátý plyn, spojí s výtlačným potrubím a s pracovním prostorem druhého rotoru, kde se nachází stlačený plyn vytlačovaný do výtlačného potrubí, a začíná zmenšování spojeného pracovního prostoru,

- tlaky plynu ve spojeném pracovním prostoru se vyrovnají, tj. nasátý plyn se stlačuje na výslednou hodnotu tlaku směsi, zatímco původní stlačený plyn se škrtí na tuto hodnotu tlaku směsi; toto míšení nasátého plynu se stlačeným plynem z výtlaku probíhá při obvyklých otáčkách rotorů téměř rychlostí zvuku, rázově, prakticky za stálého objemu spojeného pracovního prostoru.

- v důsledku mírného poklesu tlaku plynu ve spojeném pracovním prostoru se předchozí výtlak plynu z pracovního prostoru druhého rotoru do výtlačného potrubí zastaví,

- pootočením rotorů nastává ve spojeném pracovním prostoru, v důsledku zmenšování pracovního prostoru druhého rotoru, polytropická komprese na původní hodnotu tlaku ve výtlačném potrubí a tím se vytlačuje plyn v množství, který sloužilo ke stlačení nasátého plynu,

- pootočením rotorů se dále zmenšuje pracovní prostor druhého rotoru a do výtlačného potrubí se vytlačuje stlačený plyn odpovídající nasátému množství,

- pootočením rotorů se ukončí spojení pracovního prostoru druhého rotoru s výtlačným hrdlem a ukončí se výtlak plynu z pracovního prostoru druhého rotoru do výtlačného potrubí,

- pootočením rotorů se pracovní prostor druhého rotoru spojí se sacím potrubím.

S posunem o zubovou rozteč souběžně probíhá v kompresoru analogický kompresní cyklus s plynem nasátým do pracovního prostoru druhého rotoru.

Spojený pracovní prostor má díky výtlačnému potrubí relativně velký objem ve srovnání s jednotlivými pracovními prostory mezi zuby rotorů, proto jsou tlaky před a po polytropické kompresi téměř stejné a výsledný teoretický tlakový diagram v každém pracovním prostoru má

- 1 CZ 308233 B6 tudíž téměř obdélníkový tvar.

V obvyklých dvourotorových kompresorech cesta pro vytlačování stlačeného plynu z pracovního prostoru do výtlačného prostoru slouží současně jako cesta pro přivádění stlačeného plynu z výtlačného prostoru do pracovního prostoru ke stlačování nasátého plynu, přičemž se obě operace prolínají, uskutečňují se současně během fáze výtlačného zdvihu, tj. během zmenšování spojeného pracovního prostoru.

Nevýhodou tohoto způsobu stlačování plynu a tohoto provedení kompresoru je, že nasátý plyn se stlačuje horkým plynem z výtlačného prostoru, tj. z výtlačného hrdla a výtlačného potrubí, což má za následek zvýšenou teplotu vytlačovaného plynu.

Další nevýhodou tohoto způsobu stlačování plynu a tohoto provedení kompresoru je, že nejen v pracovním prostoru, ale i ve výtlačném potrubí, zejména ve výtlačném hrdle, dochází k hlučným pulzacím - k prudkému, rázovému střídání směru proudění a tím k silnému víření plynu, což je spojeno se značnými energetickými ztrátami, které jsou rovněž důvodem zvýšené teploty vytlačovaného plynu.

Některé druhy těchto kompresorů, viz dokumenty GB 2157370, US 4215977, jsou, za účelem částečného snížení pulzací, hluku a teploty, vybaveny vnitřními drážkami ve válci kompresoru nebo vnějšími kanálky přivádějícími plyn z výtlačného hrdla zpět do pracovního prostoru kompresoru k předběžnému částečnému nebo úplnému stlačení nasátého plynu předtím, než dojde k přímému spojení pracovního prostoru s výtlačným hrdlem a plnému stlačení nasátého plynu.

Zaústění těchto drážek nebo kanálků je však do pracovního prostoru otevřeno i ve fázi, kdy je pracovní prostor spojen s výtlačným hrdlem. Uvedené drážky a kanálky slouží tedy střídavě jak pro stlačování nasátého plynu, tak pro výtlak plynu, tudíž v nich a ve výtlačném prostoru je plyn stále nucen proudit střídavě do a z kompresoru, což tedy stále ještě vyžaduje také zvýšenou spotřebu energie. Neřešeným problémem i zde zůstává stlačování nasátého plynu horkým stlačeným plynem z prostoru výtlačného hrdla.

Rada známých řešení dvourotorových kompresorů, viz dokumenty GB 1350636, US 5090879, US 6312240, GB 625490, WO 2015066479, je vybavena dvojicí potrubí, kterým je stlačený vzduch z výtlačného potrubí přiváděn z boku tělesa do pracovního prostoru k předběžnému stlačení nasátého vzduchu, tj. k bočnímu dotlačování.

Řešení podle patentu US 1746885 obsahuje dvourotorový, Rootsův kompresor s výtlačným ventilem, který je ovládán nucené podle polohy zubů rotoru, maximální kompresní poměr je zde tedy pevný. Navíc je výtlačný ventil umístěn až za výtlačným hrdlem kompresoru. Rozlišení cest pro přivádění stlačeného plynu do pracovního prostoru a pro vytlačování stlačeného plynu z pracovního prostoru do výtlačného prostoru je realizováno jen nedůsledně a to tak, že stlačený plyn je do pracovního prostoru prvního rotoru přiváděn nejen z pracovního prostoru druhého rotoru ale i z části výtlačného prostoru, tj. z výtlačného hrdla, a je tedy do značné míry přiváděn toutéž cestou, jako je i vytlačován. Podíl polytropické komprese je zde proto malý.

Patent US 3058652 obsahuje řešení dvourotorového, Rootsova kompresoru s výtlačným ventilem u každého rotoru, přičemž tyto ventily výrazně zasahují do pracovního prostoru kompresoru a jsou ovládány nucené od hřídelů rotorů. V kompresoru sice probíhá polytropická komprese, ale ne v celém provozním rozsahu kompresoru, nýbrž jen v rozsahu pevného kompresního poměru s možností automatického (a tedy rovněž nucené ovládaného) otevření ventilů při nižším tlaku v síti, než odpovídá pevnému kompresnímu poměru. Když nastane situace, že tlak plynu ve výtlačném potrubí je nutno udržovat vyšší, než je tlak plynu v pracovním prostoru kompresoru, dochází po spojení pracovního prostoru a výtlačného potrubí nezbytně k rázové vnější kompresi plynu v pracovním prostoru stlačeným plynem z výtlačného prostoru.

-2 CZ 308233 B6

Vnější komprese obecně je z hlediska energetické účinnosti kompresního cyklu méně výhodná než vnitřní polytropická komprese např. v pístových kompresorech.

Přesto pro určité účely při zvážení všech okolností vychází použití dvourotorových kompresorů jako ekonomicky nejvhodnější řešení.

Základním úkolem vynálezu je snížit energetickou náročnost kompresního cyklu ve dvourotorových kompresorech.

Podstata vynálezu

Vynález řeší uvedený úkol způsobem provádění kompresního cyklu, který obsahuje operaci nasávání plynu do pracovního prostoru, operaci vytlačování stlačeného plynu z pracovního prostoru, operaci přivádění stlačeného plynu přímo do pracovního prostoru odlišnou cestou než je cesta pro vytlačování stlačeného plynu z pracovního prostoru do výtlačného prostoru a operaci polytropického stlačování plynu v pracovním prostoru, přičemž je plyn při těchto operacích veden určitými cestami, jehož podstatou je, že

- první část stlačování nasátého plynu v pracovním prostoru se provádí přiváděním stlačeného plynu přímo do pracovního prostoru odlišnou cestou, než je cesta pro vytlačování stlačeného plynu z pracovního prostoru do výtlačného prostoru, přičemž

- následné stlačování plynu v pracovním prostoru před výtlakem se provádí výhradně polytropicky s kompresním poměrem, který se mění podle tlaku plynu ve výtlačném prostoru, a to v celém provozním rozsahu kompresoru.

S výhodou může být stlačený plyn před přivedením do pracovního prostoru chlazen. Výhodně může být průtok stlačeného plynu přiváděného do pracovního prostoru regulován.

Tento způsob stlačování nasátého plynu pomocí stlačeného plynuje zde stručně nazýván též jako dotlačování k odlišení od obvyklé vnější komprese.

Alespoň ta část vytlačeného plynu, která se používá pro stlačování nasátého plynu, se podle vynálezu ochlazuje a teprve pak se přivádí do pracovního prostoru. Tím se snižuje teplota vytlačovaného plynu a teplota kompresoru. Chlazením se zvýší hustota plynu používaného ke stlačování (dotlačování) nasátého plynu, což poněkud zvyšuje energetickou náročnost kompresního cyklu. Teplo získané chlazením stlačeného plynu přiváděného do pracovního prostoru kompresoru se však s výhodou může využívat k praktickým účelům, s výhodou k vytápění a/nebo k přeměně na elektrickou energii, čímž se snižuje celková energetická spotřeba kompresoru.

Při změně nasátého množství a přetlaku plynu lze regulací průtoku stlačeného plynu přiváděného do pracovního prostoru podle vynálezu přizpůsobit doplňování (dotlačování) pracovního prostoru stlačeným plynem tak, aby se rozložilo na co nejdelší dobu, a omezit tím rázové jevy.

Úpravami kompresního cyklu dle vynálezu, tj.:

- důsledným oddělením operace přivádění stlačeného plynu ke stlačování (dotlačování) nasátého plynu a operace vytlačování plynu do samostatných cest,

- chlazením a regulací průtoku stlačeného plynu používaného ke stlačování (dotlačování) nasátého plynu,

-3 CZ 308233 B6 se v kompresoru omezí rázové jevy a jejich negativní důsledky - nerovnoměrnost proudění plynu, teplota vytlačovaného plynu a hlučnost.

Přesto pro další snížení nerovnoměrností tlaku a průtoku může být výhodou akumulování vytlačeného plynu.

Z podstaty vynálezu vyplývá, že stlačený plyn používaný ke stlačování nasátého plynu (tj. dotlačovací plyn) může být dodáván z externího zdroje a získání směsi plynů může být například technologickým účelem.

Z podstaty vynálezu rovněž vyplývá, že kompresní cyklus lze s výhodou použít i v podtlakovém provozu. Je-li přitom pracovním plynem vzduch, pak stlačeným plynem může být atmosférický vzduch a výtlačným prostorem může být okolní atmosféra.

Vynález se vztahuje také na dvourotorový kompresor, obsahující cestu pro nasávání plynu do pracovního prostoru, cestu pro vytlačování stlačeného plynu z pracovního prostoru a cestu pro přivádění stlačeného plynu, která vede přímo do pracovního prostoru a je odlišná od cesty pro vytlačování stlačeného plynu z pracovního prostoru, k provádění způsobu podle vynálezu, jehož podstatou je, že cesta pro vytlačování stlačeného plynu z pracovního prostoru je od pracovního prostoru oddělena nejméně jedním výtlačným ventilem.

Cesta pro přivádění stlačeného plynu, která vede přímo do pracovního prostoru, s výhodou obsahuje chladič a/nebo regulátor průtoku.

S výhodou lze zabránit zpětnému proudění v cestě pro přivádění stlačeného plynu do pracovního prostoru umístěním zpětného ventilu nebo zpětné klapky do této cesty, výhodně co nejblíže pracovnímu prostoru, aby se minimalizovalo množství plynu, jehož pohyb by mohl být v této cestě reverzován.

Výtlačný ventil je samočinný, když je ventilová deska uváděna do pohybu např. rozdílem tlaků a/nebo pružinou.

U tohoto provedení dvourotorového kompresoru jsou rotory s menším počtem zubů výhodou, nejvýhodněji tedy rotory se dvěma zuby, jelikož se tím relativně zmenší velikost škodného prostoru pod výtlačným ventilem ve vztahu k velikosti spojeného pracovního prostoru rotorů.

Umístěním výtlačného ventilu ve výtlačném hrdle co nejblíže pracovnímu prostoru se škodný prostor zmenšuje i absolutně.

Těmito úpravami se sníží hodnota výsledného (směšovacího) tlaku po spojení pracovních prostorů s nasátým a stlačeným plynem, čímž se zvýší podíl polytropické komprese na celkové kompresi a tím se zlepší i energetická účinnost kompresního cyklu.

Kompresní cyklus u dvourotorového kompresoru s rozlišením cest pro přivádění stlačeného plynu do pracovního prostoru a pro vytlačování stlačeného plynu z pracovního prostoru podle vynálezu lze výhodně realizovat tak, že stlačený plyn je do pracovního prostoru prvního rotoru přiváděn pouze z pracovního prostoru druhého rotoru. Prostor výtlačného hrdla je totiž samočinným výtlačným ventilem oddělen od pracovního prostoru kompresoru.

V oblasti výtlačného hrdla dochází pouze ke spojení pracovního prostoru prvního rotoru, kde se nachází nasátý plyn s výchozím tlakem, a pracovního prostoru druhého rotoru, kde se nachází stlačený plyn s výstupním tlakem. Výsledný tlak a teplota po smíšení obou množství plynu ve spojeném pracovním prostoru jsou vyšší než tlak a teplota nasátého plynu, ale nižší než tlak a teplota plynu ve výtlačném potrubí.

-4 CZ 308233 B6

V důsledku snížení tlaku plynu ve spojeném pracovním prostoru se totiž zablokuje cesta pro vytlačování plynu ze spojeného pracovního prostoru do výtlačného potrubí, aby se v ní zabránilo zpětnému proudění stlačeného plynu z výtlačného potrubí do spojeného pracovního prostoru.

Proto musí ve spojeném pracovním prostoru proběhnout polytropická komprese této směsi plynu až na úroveň tlaku ve výtlačném potrubí a pak teprve může pokračovat vytlačování plynu z pracovního prostoru do výtlačného potrubí.

Pro stlačení nasátého plynu v pracovním prostoru prvního rotoru se používá stlačený plyn, který škrcením přechází z přilehlého pracovního prostoru druhého rotoru a který tudíž nelze externě chladit, což má vliv na výslednou teplotu vytlačovaného plynu.

Jelikož přibližně polovina stlačování plynu probíhá polytropicky, je kompresní práce v tomto kompresním cyklu menší než v původním cyklu.

Tímto kompresním cyklem dle vynálezu se v kompresoru sníží nerovnoměrnost proudění plynu, rázové jevy a energetická spotřeba kompresoru.

Uvedeným použitím samočinného výtlačného ventilu v kompresoru podle vynálezu se dosáhne toho, že se polytropická část stlačování plynu v pracovním prostoru provádí s kompresním poměrem, který se samočinně a plynule mění podle potřebné hodnoty tlaku plynu ve výtlačném prostoru, a v celém provozním rozsahu kompresoru se stlačování provádí bez nutnosti dalšího přivádění stlačeného plynu do pracovního prostoru z výtlačného prostoru.

Uvedená verze kompresního cyklu v kompresoru dle vynálezu probíhá principiálně takto:

- pootočením rotorů se zvětšuje pracovní prostor prvního rotoru a tím se sacím potrubím do tohoto pracovního prostoru nasaje plyn,

- pootočením rotorů se v oblasti výtlačného hrdla spojí pracovní prostor prvního rotoru, v němž se nachází nasátý plyn, s pracovním prostorem druhého rotoru, kde se nachází stlačený plyn vytlačovaný do výtlačného potrubí,

- tlaky plynu ve spojeném pracovním prostoru se vyrovnají, tj. nasátý plyn se stlačuje (dotlačuje) na výslednou hodnotu tlaku směsi, zatímco původní stlačený plyn se škrtí na tuto výslednou hodnotu tlaku směsi,

- v důsledku poklesu tlaku ve spojeném pracovním prostoru se samočinně uzavře výtlačný ventil a předchozí výtlak plynu do výtlačného potrubí se zastaví,

- pootočením rotorů nastává ve spojeném pracovním prostoru v důsledku jeho zmenšování polytropická komprese plynu na hodnotu tlaku ve výtlačném potrubí, výtlačný ventil zůstává zavřený,

- pootočením rotorů se působením přetlaku otevře výtlačný ventil a pokračujícím zmenšováním spojeného pracovního prostoru se do výtlačného potrubí vytlačuje stlačený plyn v množství, které odpovídá plynu nasátému do pracovního prostoru prvního rotoru,

- pootočením rotorů se následující pracovní prostor druhého rotoru spojí s výtlačným hrdlem, výtlačný ventil se v důsledku poklesu tlaku ve spojeném pracovním prostoru zavře a tím se výtlak ukončí,

- pootočením rotorů se ukončí spojení pracovního prostoru prvního rotoru s výtlačným hrdlem,

-5 CZ 308233 B6

- pootočením rotorů se pracovní prostor prvního rotoru spojí se sacím potrubím.

Obdobně jako v pístových kompresorech je nutno počítat s aerodynamickými a dalšími ztrátami, které např. samočinný výtlačný ventil způsobuje v závislosti na jeho tvarovém provedení a síle závěrných pružin, ale i na otáčkách kompresoru.

Výtlačný ventil s výhodou obsahuje nejméně dvě na sobě fůnkčně nezávislé části, které s výhodou obsahují ventilové desky, s výhodou jsou ventilové desky výkyvné.

Ventilové desky mohou být pro zvýšení tvarové tuhosti vyztuženy podélným zvlněním a po obvodu zvýšeným lemem.

S výhodou je cesta pro vytlačování stlačeného plynu z pracovního prostoru oddělena od pracovního prostoru nejméně dvěma výtlačnými ventily, s výhodou na sobě fůnkčně nezávislými.

Výhodně může být ve výtlačném hrdle dvourotorového kompresoru umístěno vedle sebe více výtlačných ventilů.

S výhodou jsou výtlačné ventily rozmístěny vedle sebe tak, že v každé polovině příčného průřezu výtlačného hrdla je nad každým rotorem nejméně jeden výtlačný ventil, s výhodou je v každé polovině průřezu umístěn stejný počet výtlačných ventilů, v obdélníkovém průřezu výtlačného hrdla kompresoru může být výhodou, když jsou ventily vůči sobě posunuty ve směru podélné osy kompresoru.

Vynález se vztahuje také na výtlačný ventil dvourotorového kompresoru, jehož obrysová plocha na straně pracovního prostoru rotorů tvoří ekvidistantu k obvodové rotační ploše rotorů, dále též ekvidistantní výtlačný ventil.

Provedení výtlačného ventilu v kompresoru může být s výhodou takové, že vůle mezi výtlačným ventilem a rotory je řádově stejná jako vůle mezi tělesem kompresoru a rotory.

V prostoru výtlačného ventilu jsou pak minimalizovány ztráty pronikáním stlačeného plynu vůlí kolem zubů rotorů a jsou řádově stejné čili srovnatelné se ztrátami v ostatním prostoru mezi tělesem kompresoru a rotory, což má výhodný důsledek nejen ve zmenšení škodného prostoru pod ventilem, nýbrž i v dalším efektu umožňujícím snížení energetické náročnosti kompresního cyklu.

Kompresní cyklus tak probíhá v kompresoru poněkud odlišně, při použití takto upravené dvojice samočinných ekvidistantních výtlačných ventilů probíhá principiálně takto:

- pootočením rotorů se zvětšuje pracovní prostor prvního rotoru a v oblasti sacího hrdla se tím ze sacího potrubí do tohoto pracovního prostoru nasaje plyn,

- pootočením rotorů se přeruší spojení pracovního prostoru prvního rotoru se sacím hrdlem,

- pootočením rotorů se pracovní prostor prvního rotoru spojí v oblasti výtlačného hrdla s prostorem prvního výtlačného ventilu,

- pootočením rotorů v důsledku nízkého tlaku (v podstatě na úrovni sacího tlaku) v pracovním prostoru prvního rotoru pod prvním výtlačným ventilem zůstává první výtlačný ventil uzavřen po předchozím poklesu tlaku se spojeném pracovním prostoru,

-6 CZ 308233 B6

- pootočením rotorů se pracovní prostor prvního rotoru pootočí ke středové rovině mezi ventily,

- pootočením rotorů se propojí pracovní prostor prvního rotoru s nasátým plynem a přilehlý pracovní prostor druhého rotoru se stlačeným plynem, výsledný, směšovací tlak ve spojeném pracovním prostoru klesne pod hodnotu výstupního tlaku a samočinně se zavře také výtlačný ventil u druhého rotoru, výtlak plynu do výtlačného potrubí se zastaví,

- pootočením rotorů nastává ve spojeném pracovním prostoru v důsledku jeho zmenšování polytropická komprese plynu na hodnotu tlaku ve výtlačném potrubí, oba výtlačné ventily zůstávají zavřeny,

- pootočením rotorů se působením přetlaku otevře první výtlačný ventil a pokračujícím zmenšováním spojeného pracovního prostoru se do výtlačného potrubí vytlačuje stlačený plyn v množství, které odpovídá plynu nasátému do pracovního prostoru prvního rotoru,

- pootočením rotorů se pracovní prostor druhého rotoru pootočí ke středové rovině mezi ventily,

- pootočením rotorů se pracovní prostor druhého rotoru spojí s pracovním prostorem prvního rotoru, první výtlačný ventil se v důsledku poklesu tlaku ve spojeném pracovním prostoru zavře a tím se výtlak ukončí,

- pootočením rotorů se pracovní prostor prvního rotoru opět spojí s oblastí sacího hrdla.

U tohoto kompresoru dochází během operace č. 6 ke spojení pracovních prostorů obou rotorů, přičemž pracovní prostor prvního rotoru s nasátým plynem má plný objem, kdežto pracovní prostor druhého rotoru se stlačeným plynem je již značně zmenšen po předchozím výtlaku. Výsledný směšovací tlak je tedy u tohoto kompresoru nižší než u kompresoru s jedním společným výtlačným ventilem. Kompresní poměr při polytropické kompresi plynu na výstupní tlak je tudíž vyšší a také energetická účinnost tohoto kompresního cyklu je vyšší. Uvedený účinek závisí také na konstrukci a kvalitě provedení rotorů kompresoru, příznivější je zřejmě při menším počtu zubů rotorů.

Dalším výhodným provedením kompresoru podle vynálezu je pístový kompresor, který obsahuje cestu pro přivádění stlačeného plynu, která vede přímo do pracovního prostoru a je odlišná od cesty pro vytlačování stlačeného plynu z pracovního prostoru, která je od pracovního prostoru oddělena nejméně jedním samočinným výtlačným ventilem.

Cesta pro přivádění stlačeného plynu přímo do pracovního prostoru, tj. do válce kompresoru, a je přitom odlišná od cesty pro vytlačování stlačeného plynu z pracovního prostoru, je do válce s výhodou zaústěna v dolní úvrati pístu. Válec je zde opatřen nejméně jedním dotlačovacím (doplňovacím) otvorem, jenž je pístem odkrýván a skrýván, tj. otevírán a uzavírán.

Pístový kompresor podle vynálezu sice nemůže provádět kompresi efektivněji než obvyklý pístový kompresor, ale jeho použití je výhodné pro jiné účely - s jeho pomocí lze např. změnou polohy zaústění potrubí pro přivádění stlačeného plynu ve vztahu k úvratím kompresoru nebo regulací průtoku a chlazením přiváděného stlačeného plynu simulovat a zkoumat různé varianty kompresního cyklu dle vynálezu vzhledem k principiální podobnosti tohoto kompresoru s

-7 CZ 308233 B6 dvourotorovými kompresory podle vynálezu. Výtlačný ventil zde může být libovolného provedení.

Tento kompresor je vhodný k simulaci a zkoumání kompresního cyklu dle vynálezu zejména z těchto důvodů:

- termodynamické změny dílčích, parciálních semiparalelních oběhů plynu, které jsou u dvourotorového kompresoru nakumulovány v malém prostoru mezizubových prostor a probíhají současně během velmi krátké doby jak z konstrukčních důvodů, tak z důvodu vysokých otáček, mohou v předmětném kompresoru probíhat podstatně pomaleji, takže je lze mnohem přesněji zkoumat (definovat, nastavit, sledovat a hodnotit), zejména je-li kompresor pomaloběžný,

- propojení jednotlivých částí kompresoru lze snadno měnit za účelem simulace navržených variant kompresorů a jim odpovídajících kompresních cyklů,

- úroveň opotřebení, zejména netěsnosti kompresoru, lze rovněž snadno simulovat, což umožňuje reálně se přiblížit provozním podmínkám dvourotorových kompresorů z hlediska objemové a mechanické účinnosti.

Objasnění výkresů

Vynález bude blíže objasněn na příkladech provedení dle přiložených výkresů:

obr. 1 znázorňuje schéma sestavy dosavadního dvourotorového kompresoru s bočním dotlačováním, obr. 2 znázorňuje schéma dosavadního dvourotorového kompresoru s bočním dotlačováním, obr. 3 znázorňuje schéma sestavy pístového kompresoru s bočním dotlačováním, obr. 4 znázorňuje schéma válce s dotlačovacími otvory, obr. 5 znázorňuje schéma dvourotorového kompresoru s výtlačným ventilem, obr. 6 znázorňuje pV diagram teoretického kompresního cyklu dvourotorového kompresoru s výtlačným ventilem, obr. 7 znázorňuje dvě schémata dvourotorového kompresoru s ekvidistantním výtlačným ventilem, obr. 8 znázorňuje pV diagram teoretického kompresního cyklu dvourotorového kompresoru s ekvidistantním výtlačným ventilem.

Příklady uskutečnění vynálezu

Na obr. 1 je znázorněno schéma sestavy dosavadního dvourotorového rotačního vzduchového kompresoru s bočním dotlačováním. Otáčením rotorů 4a, 4b je vzduch nasáván přes sací hrdlo 6 do pracovních prostorů 5, dalším otáčením rotorů 4a, 4b je dopravován k dotlačovacím hrdlům 8, kde je nasátý vzduch stlačen ochlazeným dotlačovacím vzduchem z dotlačovacího potrubí 10. Výsledné množství vzduchu je v pracovních prostorech 5 dalším otáčením rotorů 4a, 4b dopravováno k výtlačnému hrdlu 7 a odtud do výtlačného potrubí 9. Stlačený vzduch se v množství, které odpovídá nasátému množství, dopravuje ke spotřebě. Z výtlačného potrubí 9 odbočuje dotlačovací potrubí 10. kterým se převádí cirkulující část stlačeného vzduchu do

-8 CZ 308233 B6 chladičů 11 a dále přes regulační armatury 12 k dotlačovacím hrdlům 8 a pracovním prostorům 5 ke stlačování nasátého vzduchu v dalších kompresních cyklech.

Na obr. 2 je znázorněno schéma dosavadního dvourotorového rotačního vzduchového kompresoru s bočním dotlačováním. Mezi zuby dvojice čtyřzubových rotorů 4a, 4b a skříní J. kompresoru je vytvořeno 8 pracovních prostorů 5_. Prostor mezi otvorem výtlačného hrdla 7 a otvorem dotlačovacího hrdla 8 je vymezen úhlem a, který zde činí asi 92°, což je více než úhel 90°, který svírají zuby rotorů 4a, 4b. Stejné poměry platí i pro prostor mezi otvorem sacího hrdla 6 a otvorem dotlačovacího hrdla 8. Otvor dotlačovacího hrdla 8 pro přivádění stlačeného vzduchu do pracovního prostoru 5 je tedy od otvoru sacího hrdla 6 i od otvoru výtlačného hrdla 7 vzdálen více než o jednu zubovou rozteč rotoru 4a, 4b. Tím je zajištěno, že stlačený vzduch nemůže pracovním prostorem 5 mezi zuby rotoru 4a, 4b pronikat z dotlačovacího hrdla 8 do sacího hrdla 6 nebo z výtlačného hrdla 7 do dotlačovacího hrdla 8.

Na obr. 3 je znázorněno schéma sestavy pístového kompresoru s bočním dotlačováním. Vzduch je zde pohybem pístu 14 z horní úvratě 18 do dolní úvratě 19 nasáván sacím ventilem 15 do válce 3_. Pracovní prostor 5 je zde vymezen válcem 2 a pístem 14. V úrovni dolní úvratě 19 píst odkryje dotlačovací otvory 17. jimiž do válce 1 regulovaně vniká ochlazený stlačený vzduch. Probíhá přitom jeho škrcení nejprve na hodnotu tlaku nasátého vzduchu a postupně tlak v pracovním prostoru 5 válce 3 roste až na hodnotu tlaku ve výtlačném potrubí 9. Pohybem pístu 14 k horní úvrati 18 se nejprve pístem 14 zakryjí dotlačovací otvory 17, poté následuje polytropická komprese, během níž stoupne ve válci 3 tlak vzduchu na hodnotu nepatrně převyšující tlak ve výtlačném potrubí 9 (k překonání odporu a setrvačnosti výtlačného ventilu 16), čímž se otevře výtlačný ventil 16, a nastává vytlačování celého množství vzduchu z válce 3 do výtlačného potrubí 9. Z výtlačného potrubí 9 odbočuje dotlačovací potrubí 10, kterým se převádí část stlačeného vzduchu do chladiče 11 a dále přes regulační armaturu 12 k válci 3 pro stlačování nasátého vzduchu v dalším kompresním cyklu. Tlak vzduch ve výtlačném potrubí 9 je stabilizován pomocí vzdušníku 13.

Na obr. 4 je znázorněno schéma válce 3 s dotlačovacími otvory 17. V oblasti dolní úvratě 19 pístu 14 je po obvodu válce 3 o průměru 100 mm vyfrézováno 6 dotlačovacích otvorů 17 o rozměrech 12 x 30 mm. Průřez otvorů 17 je zvolen obdélníkový, aby se snížila část výšky zdvihu pístu 14 vyčleněná pro dotlačování ve prospěch výšky zdvihu vyčleněné pro nasávání a pro vytlačování.

Na obr. 5 je znázorněno schéma dvourotorového kompresoru s výtlačným ventilem 16. Ve výtlačném hrdle 7 je umístěn výtlačný ventil 16, který brání pronikání stlačeného vzduchu z výtlačného potrubí do pracovního prostoru 5_. Ventil 16 má dvě tenké výkyvné desky 20, které jsou do zavřené polohy tlačeny silou přetlaku vzduchu z výtlačného potrubí a silou pružiny 21 a odklápějí se přetlakem vzduchu z pracovního prostoru 5 proti síle pružiny 21. V poloze A je výtlačný ventil 16 zobrazen v zavřené poloze, v poloze B je zobrazen v otevřené poloze.

Výkyvné desky 20 ventilu 16 zasahují co nejhlouběji do výtlačného hrdla 7 těsně k rotujícím zubům rotorů 4a, 4b, čímž se zmenšuje škodný prostor pod výtlačným ventilem 16, a jsou umístěny šikmo k proudu vzduchu z pracovního prostoru 5 do výtlačného hrdla 7, čímž se snižuje aerodynamický odpor. Obě výkyvné desky 20 ventilu 16 jsou sice na sobě funkčně nezávislé, ale vzhledem k poměrně velkému škodnému prostoru pod ventilem 16 se během kompresního cyklu otevírají a zavírají současně.

V oblasti výtlačného hrdla 7 dochází ke spojení pracovního prostoru 5 levého rotoru 4a, obsahujícího nasátý vzduch, a navazujícího pracovního prostoru 5 pravého rotoru 4b, obsahujícího stlačený vzduch. V okamžiku poklesu tlaku při smíšení náplní ve spojeném pracovním prostoru 5 se výtlačný ventil 16 zavře přetlakem z výtlačného potrubí a silou pružiny 21. Pootočením rotorů 4a, 4b nastává ve spojeném pracovním prostoru 5 v důsledku zmenšování tohoto spojeného pracovního prostoru 5 polytropická komprese na hodnotu tlaku ve výtlačném

-9 CZ 308233 B6 potrubí, dalším pootočením rotorů 4a, 4b se působením přetlaku ze spojeného pracovního prostoru 5 otevře výtlačný ventil 16 a do výtlačného potrubí se vytlačuje stlačený vzduch odpovídající nasátému množství. Tento děj probíhá analogicky střídavě s pracovními prostory 5 levého rotoru 4a a pravého rotoru 4b.

Na obr. 6 je znázorněn pV diagram teoretického kompresního cyklu vzduchového dvourotorového kompresoru s výtlačným ventilem 16 dle obr. 5. Teoretický kompresní cyklus lze popsat tímto sledem termodynamických změn:

- 2 .... nasávání studeného vzduchu z atmosféry do pracovního prostoru 5 levého rotoru 4a z objemu Vi na objem V? za stálého tlaku pi,

- 3 .... smíšení nasátého vzduchu o tlaku pi se stlačeným vzduchem z pracovního prostoru 5 pravého rotoru 4b a ze škodného prostoru pod výtlačným ventilem 16 o tlaku P4 na výsledný směšovací tlak p? vzduchu za stálého objemu V2·

- 4 .... polytropické stlačování vzduchu z tlaku p? a objemu V2 na tlak P4 a objem V4,

- 5 .... vytlačování stlačeného vzduchu z pracovního prostoru 5 z objemu V4 na objem Vi za stálého tlaku p4,

- 1 .... škrcení stlačeného vzduchu z tlaku p4 na úroveň atmosférického tlaku pi za stálého objemu Vi.

Při velikosti škodného prostoru 10 % jednoho pracovního prostoru 5 dosahuje směšovací tlak p? asi 52 % rozdílu mezi tlakem p4 = 0,24 MPa stlačeného vzduchu a tlakem pi = 0,1 MPa nasátého vzduchu. Úspora práce zde vychází teoreticky 11,4 % proti kompresnímu cyklu obvyklého dvourotorového kompresoru.

Na obr. 7 jsou znázorněna dvě schémata dvourotorového kompresoru s ekvidistantním výtlačným ventilem 16, který brání pronikání stlačeného vzduchu z výtlačného hrdla 7 do pracovního prostoru 5. Ventil 16 obsahuje dvě na sobě funkčně nezávislé části, má dvě tenké výkyvné desky 20e, které jsou do zavřené polohy tlačeny silou přetlaku vzduchu z výtlačného hrdla 7 a silou pružiny 21 a odklápějí se přetlakem vzduchu z pracovního prostoru 5 proti síle pružiny 21 Výkyvné desky 20e se otevírají a zavírají současně nebo střídavě v závislosti na přetlaku v oblasti dané výkyvné desky 20e. protože jsou provedeny tak, že vůle V2 mezi výkyvnými deskami 20e a rotory 4a, 4b je řádově stejná jako vůle VI mezi tělesem 2 dmychadla a rotory 4a, 4b. Škodný prostor pod tímto ventilem 16 je tedy podstatně menší než u provedení dle obr. 5.

Na horním schématu se pravá výkyvná deska 20e nachází v zavřené poloze, levá výkyvná deska 20e se nachází v otevřené poloze, stlačený vzduch je vytlačován do výtlačného hrdla 7. Zub pravého rotoru 4b je orientován ke středové rovině ventilu 16. Pootočením rotorů 4a, 4b dojde ke spojení přilehlých pracovních prostorů 5 obou rotorů 4a a 4b. V okamžiku poklesu tlaku při smíšení náplní ve spojeném pracovním prostoru 5 se také levá výkyvná deska 20e zavře přetlakem z výtlačného potrubí a silou pružiny 21. Pokles tlaku je zde vyšší než při spojení pracovních prostorů 5 kompresoru dle obr. 5, protože pracovní prostor 5 levého rotoru 4a, obsahující stlačený vzduch, je v dané poloze asi o třetinu menší než pracovní prostor 5 pravého rotoru 4b, obsahující nasátý vzduch, a také proto, že škodný prostor pod výtlačným ventilem 16 je relativně malý.

Pootočením rotorů 4a, 4b nastává ve spojeném pracovním prostoru 5 v důsledku zmenšování tohoto spojeného pracovního prostoru 5 polytropická komprese na hodnotu tlaku ve výtlačném hrdle 7, dalším pootočením rotorů 4a, 4b se působením přetlaku ze spojeného pracovního prostoru 5 otevře pravá výkyvná deska 20e a do výtlačného hrdla 7 se vytlačuje stlačený vzduch odpovídající nasátému množství. Dolní schéma znázorňuje situaci po skončení výtlaku. Tento děj

- 10CZ 308233 B6 probíhá analogicky střídavě s pracovními prostory 5 levého rotoru 4a a pravého rotoru 4b.

Na obr. 8 je znázorněn pV diagram teoretického kompresního cyklu vzduchového dvourotorového kompresoru vybaveného ekvidistantním výtlačným ventilem 16 s minimální vůlí V2 dle obr. 7. Teoretický kompresní cyklus lze popsat tímto sledem termodynamických změn:

- 2 .... nasávání studeného vzduchu z atmosféry do pracovního prostoru 5 pravého rotoru 4b z objemu Vina objem V2 za stálého tlaku pi,

- 3 .... smíšení nasátého vzduchu o tlaku pi se stlačeným vzduchem z pracovního prostoru 5 levého rotoru 4a a ze škodného prostoru pod výtlačným ventilem 16 o tlaku p4 na výsledný směšovací tlak p3 vzduchu za stálého objemu V2·

- 4 .... polytropické stlačování vzduchu z tlaku P3 a objemu V2 na tlak P4 a objem V4,

Jestliže velikost škodného prostoru činí 2 % jednoho pracovního prostoru 5 a objem Vi - Vp pracovního prostoru 5 levého rotoru 4a činí asi 65 % objemu V2 - Vi pracovního prostoru 5 pravého rotoru 4b v okamžiku spojení těchto prostorů, směšovací tlak P3 bude dosahovat asi 40 % rozdílu mezi tlakem p4 = 2,4 MPa stlačeného vzduchu a tlakem pi = 0,1 MPa nasátého vzduchu. Úspora práce zde vychází teoreticky 14,8 % proti kompresnímu cyklu obvyklého dvourotorového kompresoru. Tento kompresní cyklus je tedy o 30 % energeticky úspornější oproti kompresnímu cyklu na obr. 6, protože polytropická komprese začíná z nižšího směšovacího tlaku ρ»

Claims

PATENTOVÉ NÁROKY

1. Způsob provádění kompresního cyklu, který obsahuje operaci nasávání plynu do pracovního prostoru, operaci vytlačování stlačeného plynu z pracovního prostoru, operaci přivádění stlačeného plynu přímo do pracovního prostoru odlišnou cestou, než je cesta pro vytlačování stlačeného plynu z pracovního prostoru do výtlačného prostoru a operaci polytropického stlačování plynu v pracovním prostoru, přičemž je plyn při těchto operacích veden určitými cestami, vyznačený tím, že

- první část stlačování nasátého plynu v pracovním prostoru (5) se provádí přiváděním stlačeného plynu přímo do pracovního prostoru (5) odlišnou cestou (10) než je cesta (9) pro vytlačování stlačeného plynu z pracovního prostoru (5) do výtlačného prostoru, a

- následné stlačování plynu v pracovním prostoru (5) před výtlakem se provádí výhradně polytropicky s kompresním poměrem, který se mění podle tlaku plynu ve výtlačném prostoru, a to v celém provozním rozsahu kompresoru.
2. Způsob provádění kompresního cyklu podle nároku 1, vyznačený tím, že stlačený plyn je před přivedením do pracovního prostoru (5) chlazen a/nebo průtok stlačeného plynu přiváděného do pracovního prostoru (5) je regulován.

- 11 CZ 308233 B6
3. Způsob provádění kompresního cyklu podle nároku 1 nebo 2, vyznačený tím, že teplo získané chlazením stlačeného plynu přiváděného do pracovního prostoru je využíváno k praktickým účelům.
4. Kompresor, obsahující cestu pro nasávání plynu do pracovního prostoru, cestu pro vytlačování stlačeného plynu z pracovního prostoru a cestu pro přivádění stlačeného plynu, která vede přímo do pracovního prostoru a je odlišná od cesty pro vytlačování stlačeného plynu z pracovního prostoru, k provádění způsobu podle některého z nároků 1 až 3, vyznačený tím, že cesta (9) pro vytlačování stlačeného plynu z pracovního prostoru (5) je od pracovního prostoru (5) oddělena nejméně jedním výtlačným ventilem (16, 16e).
5. Kompresor podle nároku 4, vyznačený tím, že cesta (10) pro přivádění stlačeného plynu, která vede přímo do pracovního prostoru (5), obsahuje chladič (11) a/nebo obsahuje regulátor (12) průtoku.
6. Kompresor podle nároku 4 nebo 5, vyznačený tím, že cesta (10) pro přivádění stlačeného plynu přímo do pracovního prostoru (5) obsahuje zpětný ventil nebo zpětnou klapku.
7. Kompresor podle některého z nároků 4 až 6, vyznačený tím, že otvor hrdla (8) pro přivádění stlačeného plynu přímo do pracovního prostoru (5) je od otvoru sacího hrdla (6) i od otvoru výtlačného hrdla (7) vzdálen nejméně o jednu zubovou rozteč rotoru (4a, 4b).
8. Kompresor podle některého z nároků 4 až 7, vyznačený tím, že nejméně dva výtlačné ventily (16, 16e) jsou na sobě funkčně nezávislé.
9. Kompresor podle některého z nároků 4 až 8, vyznačený tím, že výtlačný ventil obsahuje nejméně dvě na sobě funkčně nezávislé části.
10. Kompresor podle některého z nároků 4 až 9, vyznačený tím, že obrysová plocha výtlačného ventilu na straně pracovního prostoru (5) rotorů (4a, 4b) tvoří ekvidistantu k obvodové rotační ploše rotorů (4a, 4b).
11. Kompresor podle některého z nároků 4 až 10, vyznačený tím, že vůle (V2) mezi výtlačným ventilem (16, 16e) a rotory (4a, 4b) je řádově stejná jako vůle (VI) mezi tělesem (2) kompresoru a rotory (4a, 4b).