CZ309107B6 - Způsob provádění kompresního cyklu a zubový nebo šroubový kompresor k provádění tohoto způsobu - Google Patents

Abstract

Při kompresním cyklu zubového nebo šroubového kompresoru se stlačování plynu v pracovním prostoru provádí polytropicky s kompresním poměrem, který se v celém provozním rozsahu kompresoru mění podle tlaku plynu ve výtlačném prostoru, nebo je v první části provozního rozsahu kompresoru stálý nebo nastavitelný a v následné části provozního rozsahu kompresoru se mění podle tlaku plynu ve výtlačném prostoru. Zubový nebo šroubový kompresor obsahuje cestu pro vytlačování stlačeného plynu z pracovního prostoru, která je od pracovního prostoru oddělena nejméně jedním výtlačným ventilem.

Description

Způsob provádění kompresního cyklu a zubový nebo šroubový kompresor k provádění tohoto způsobu

Oblast techniky

Vynález se týká způsobu provádění kompresního cyklu v zubovém nebo šroubovém kompresoru, který obsahuje nasávání plynu do pracovního prostoru, operaci polytropického stlačování plynu v pracovním prostoru a operaci vytlačování stlačeného plynu z pracovního prostoru do výtlačného prostoru. Vynález se dále týká kompresoru k provádění tohoto způsobu.

Dosavadní stav techniky

Zubové kompresory nebo šroubové kompresory mají dva nesymetrické rotory se dvěma nebo více nesymetrickými zuby a mají jednotlivé pracovní prostory vymezeny vnitřním obrysem tělesa kompresoru a mezerami mezi přilehlými zuby vzájemně zabírajících rotorů. Vzájemným záběrem rotorů se z každé propojené dvojice pracovních prostorů od jednoho a druhého rotoru vytváří jeden společný pracovní prostor. V místě napojení sacího a výtlačného hrdla je vnitřní obrys tělesa kompresoru přerušen a pracovní prostory rotorů jsou otevřeny pro nasávání, resp. vytlačování plynu.

Výtlačný otvor je u zubového kompresoru umístěn axiálně, u šroubového kompresoru bývá umístěn radiálně, axiálně nebo kombinovaně.

Tyto zubové nebo šroubové kompresory jsou vytvořeny se stálým pevným neboli vestavěným kompresním poměrem, tzn. že plyn je po nasátí polytropicky stlačován v pracovním prostoru vzájemně zabírajících otáčejících se rotorů, dokud nenastane spojení pracovního prostoru kompresoru s prostorem výtlačného hrdla, přičemž nastavení vzájemné polohy těchto prostorů je v daném kompresoru neměnné.

V ideálním případě by v okamžiku spojení těchto prostorů měl být tlak v pracovním prostoru kompresoru stejný jako tlak ve výtlačném prostoru, tj. ve výtlačném hrdle a výtlačném potrubí, a teoreticky by měl plynule pokračovat výtlak plynu do výtlačného potrubí.

V praxi však bývá tlak ve výtlačném prostoru odlišný než v pracovním prostoru a nastává nejprve směšování plynů v těchto prostorech.

Jestliže je tlak plynu ve výtlačném prostoru nutno udržovat i nepatrně vyšší, než je tlak plynu v pracovním prostoru kompresoru, dochází k rázové vnější kompresi, tj. ke stlačení plynu v pracovním prostoru plynem z výtlačného prostoru. Je-li naopak tlak plynu ve výtlačném prostoru nižší než tlak plynu v pracovním prostoru kompresoru, dochází ke škrcení, tj. k rázové expanzi plynu z pracovního prostoru kompresoru na hodnotu tlaku ve výtlačném prostoru. Tyto jevy snižují efektivnost kompresního cyklu.

Až teprve po tomto směšování nastává výtlak stlačeného plynu do výtlačného potrubí.

V zubových i šroubových kompresorech je efektivnost kompresního cyklu narušována také tím, že část stlačeného plynuje na konci výtlaku v důsledku nedokonalého tvaru zubů přepouštěna mezi rotory z výtlačné strany na sací stranu pracovních prostorů kompresoru.

Další nevýhodou tohoto způsobu stlačování plynu je hlučnost pulzací při prudkém, rázovém střídání směru proudění.

Rázová vnější komprese při výtlaku i přepouštění stlačeného plynu do sání jsou příčinou poměrně

- 1 CZ 309107 B6 značných energetických ztrát a příčinou vyšší teploty vytlačovaného plynu, než jaká odpovídá teoretické kompresi.

U šroubových kompresorů je vyřešeno, že pevný kompresní poměr lze ve značném rozsahu mechanicky nastavit pomocí posuvného regulačního šoupátka na výtlačné straně, čímž se při proměnlivých hodnotách tlaku v síti minimalizuje stupeň vnější komprese.

Cenou za relativní jednoduchost způsobu komprese, tj. dosahování výsledného tlaku vnější kompresí nebo vestavěným kompresním poměrem, je snížená hospodárnost komprese v těchto kompresorech nebo omezená možnost změny úrovně tlaku v síti spotřebičů.

Ve výtlačném potrubí bývá běžně umístěn výtlačný ventil ve funkci zpětného ventilu, který má zabránit zpětnému pohybu stlačeného plynu do kompresoru při jeho odstavení z provozu. Bývá umístěn až za výtlačným hrdlem kompresoru, takže objem plynu v prostoru od hranice pracovního prostoru až po výtlačný ventil může být mnohonásobně větší, než je objem vytlačovaného plynu v samotném pracovním prostoru, proto nemá na účinnost kompresního cyklu v kompresoru prakticky žádný vliv.

Základním úkolem vynálezu je snížit energetickou náročnost kompresního cyklu v zubových a šroubových kompresorech.

Podstata vynálezu

Vynález řeší uvedený úkol způsobem provádění kompresního cyklu v zubovém nebo šroubovém kompresoru, který obsahuje operaci nasávání plynu do pracovního prostoru, přičemž je plyn při této operaci veden cestou pro nasávání plynu do pracovního prostoru obsahující sací hrdlo, operaci polytropického stlačování plynu v pracovním prostoru a operaci vytlačování stlačeného plynu z pracovního prostoru do výtlačného prostoru, přičemž je plyn při této operaci veden cestou pro vytlačování stlačeného plynu z pracovního prostoru obsahující výtlačné hrdlo a výtlačné potrubí, jehož podstatou je, že stlačování plynu v pracovním prostoru se provádí polytropicky s kompresním poměrem, který se v celém provozním rozsahu kompresoru mění podle tlaku plynu ve výtlačném prostoru, nebo je v první části provozního rozsahu kompresoru stálý nebo nastavitelný a v další části provozního rozsahu kompresoru se mění podle tlaku plynu ve výtlačném prostoru.

Podle podstaty se komprese ve šroubovém nebo v zubovém kompresoru uskutečňuje tak, že se nasátý plyn stlačuje zmenšováním uzavřeného pracovního prostoru, tj. obecně polytropicky, a to s kompresním poměrem, který se mění podle tlaku plynu ve výtlačném prostoru. V závislosti na provedení kompresoru se tak děje plynule a téměř okamžitě.

Provozní rozsah kompresoru je rozsah tlaků, pro které je kompresor postaven.

Přitom se toto polytropické stlačování plynu v první variantě uskutečňuje tak, že celé polytropické stlačování probíhá podle tlaku plynu ve výtlačném prostoru, což je výhodná možnost pro podmínky, kdy je tlak ve výtlačném prostoru proměnlivý a nelze zaručit, že neklesne pod určitou hodnotu.

V následující variantě se část polytropického stlačování uskutečňuje tak, že první část stlačování probíhá se stálým nebo nastavitelným pevným kompresním poměrem a zbytek polytropického stlačování probíhá podle tlaku plynu ve výtlačném prostoru, což je výhodná možnost pro podmínky, kdy tlak ve výtlačném prostoru je proměnlivý a je vyšší, než odpovídá stálému nebo nastavitelnému pevnému kompresnímu poměru.

-2CZ 309107 B6

V žádném případě zde nedochází k vnější kompresi plynem z výtlačného prostoru - během komprese je bráněno zpětnému proudění stlačeného plynu z výtlačného prostoru do pracovního prostoru výtlačným potrubím a výtlačným hrdlem.

S výhodou v průběhu a/nebo po skončení polytropické komprese se část stlačování plynu v pracovním prostoru může provádět přiváděním stlačeného plynu přímo do pracovního prostoru, a to odlišnou cestou, než je cesta pro vytlačování stlačeného plynu z pracovního prostoru do výtlačného prostoru.

Cesta pro vytlačování stlačeného plynu z pracovního prostoru do výtlačného prostoru obsahuje nejen výtlačné potrubí, ale i výtlačné hrdlo.

Přivádění stlačeného plyn přímo do pracovního prostoru odlišnou cestou, než je cesta pro vytlačování stlačeného plynu z pracovního prostoru do výtlačného prostoru, je dále též nazýváno jako dotlačování.

Jestliže se stlačený plyn přivádí přímo do pracovního prostoru odlišnou cestou, než je cesta pro vytlačování stlačeného plynu z pracovního prostoru do výtlačného prostoru, znamená to, že se stlačený plyn přivádí do pracovního prostoru jakoukoliv cestou, jen ne zpětně z výtlačného prostoru, tedy nejen z výtlačného potrubí, nýbrž ani z výtlačného hrdla.

Tlak stlačeného plynu přiváděného přímo do pracovního prostoru odlišnou cestou musí být vyšší, než je tlak plynu v pracovním prostoru.

Z podstaty vynálezu vyplývá, že stlačený plyn (tj. dotlačovací plyn) používaný k přivádění přímo do pracovního prostoru ke stlačování plynu, který se v tomto prostoru již nachází, může být odebírán z vlastního výtlačného prostoru daného kompresoru nebo 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 může být stlačován na úroveň atmosférického tlaku a výtlačným prostorem může být okolní atmosféra.

S výhodou může být stlačený plyn před přivedením do pracovního prostoru chlazen. 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.

Výhodně může být průtok stlačeného plynu přiváděného do pracovního prostoru regulován. 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.

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

Rozlišení cest pro přivádění stlačeného plynu přímo do pracovního prostoru a pro vytlačování stlačeného plynu z pracovního prostoru lze u zubových a šroubových kompresorů výhodně realizovat tak, že stlačený plyn je do pracovního prostoru prvního rotoru přiváděn jednak

-3 CZ 309107 B6 samostatnou vnější cestou a/nebo z přilehlého pracovního prostoru druhého rotoru.

Ve šroubovém kompresoru se v oblasti výtlačného hrdla přivádí do pracovního prostoru daného rotoru stlačený plyn z pracovního prostoru druhého rotoru po předchozím kompresním cyklu.

V případě že se k dotlačování používá stlačený plyn z výtlačného prostoru, výtlačné a dotlačovací potrubí včetně případných vzdušníků a tepelných výměníků má podstatně větší objem, než je objem jednoho pracovního prostoru kompresoru. Dotlačováním pak lze dosáhnout stlačení nasátého plynu prakticky na hodnotu tlaku ve výtlačném potrubí.

Vynález se vztahuje také na zubový a šroubový kompresor obsahující cestu pro nasávání plynu do pracovního prostoru a cestu pro vytlačování stlačeného plynu z pracovního prostoru, jehož podstatou je, že cesta pro vytlačování stlačeného plynu z pracovního prostoru je od pracovního prostoru oddělena nejméně jedním výtlačným ventilem.

U zubového kompresoru může být cesta pro vytlačování stlačeného plynu z pracovního prostoru oddělena od pracovního prostoru nejméně jedním nucené ovládaným regulačním výtlačným šoupátkem k nastavení kompresního poměru. S výhodou bude šoupátko umístěno axiálně, z boku tělesa kompresoru, kde rovinná plocha umožňuje jednodušší řešení posouvání uzavírací desky a omezení škodného prostoru.

Polytropickou kompresí je nutno překonat nejen tlak plynu ve výtlačném prostoru, ale i odpor výtlačného ventilu nebo šoupátka, a pak teprve může nastat vytlačování plynu z pracovního prostoru do výtlačného prostoru, tj. do výtlačného hrdla a dále do výtlačného potrubí.

Odstraněním vnější komprese se sníží nerovnoměrnost proudění plynu, rázové jevy a energetická spotřeba kompresoru.

Pro potřeby minimalizování vnější komprese a tím zajištění ekonomického provozu kompresoru i při proměnlivých hodnotách tlaku v síti lze pevný, vestavěný kompresní poměr ve značném rozsahu nastavovat, regulovat, s výhodou mechanicky, s výhodou elektronicky, pomocí nucené ovládaného výtlačného ventilu nebo výtlačného šoupátka, s výhodou regulačního, s výhodou posuvného.

S výhodou může být výtlačný ventil kompresoru podle vynálezu samočinný.

Oddělením pracovního prostoru od výtlačného prostoru pomocí samočinného výtlačného ventilu je velmi účinně zabráněno zpětnému proudění stlačeného plynu z výtlačného prostoru do pracovního prostoru, tj. vnější kompresi plynu v pracovním prostoru kompresoru.

V zubovém i šroubovém kompresoru může být cesta pro nasávání plynu do pracovního prostoru, tj. sací potrubí a sací hrdlo, s výhodou oddělena od pracovního prostoru nejméně jedním sacím ventilem. Výhodně je sací ventil samočinný.

V kompresním cyklu tak může být využita tlaková energie části stlačeného plynu, která je na konci výtlaku v důsledku nedokonalého tvaru rotorových zubů kompresoru přepouštěna mezi rotory z výtlačné strany na sací stranu pracovních prostorů kompresoru.

V případě použití samočinného sacího ventilu může nasávání plynu do zubového kompresoru probíhat takto:

- sací hrdlo je propojeno s pracovním prostorem kompresoru, pootáčením rotorů se zvětšuje objem pracovního prostoru, sací ventil je působením podtlaku v pracovním prostoru otevřen a probíhá nasávání plynu do pracovního prostoru,

-4CZ 309107 B6

- k sacímu hrdlu se pootočením rotorů přibližuje následující uzavřený pracovní prostor vytvořený mezi zuby rotorů a obsahující zbylou část stlačeného plynu, která nebyla vytlačena do výtlačného prostoru,

- pootočením rotorů se tento následující uzavřený pracovní prostor otevírá, zbylá část stlačeného plynu se rázově směšuje s nasávaným plynem ve spojeném pracovním prostoru pod sacím ventilem,

- při smíšení stlačeného plynu s nasávaným plynem se tlak ve spojeném pracovním prostoru zvýší a v důsledku zvýšeného tlaku proti plynu v sacím hrdlu se sací ventil samočinně uzavře,

- pootočením rotorů se zvětší objem pracovního prostoru a plyn v tomto prostoru polytropicky expanduje,

- dalším pootočením rotorů se zvětší objem pracovního prostoru a vzniklým podtlakem se sací ventil samočinně otevře a nasávání plynu do pracovního prostoru pokračuje.

Ventil je nucené ovládaný, jestliže je pohyb ventilové desky mechanicky nebo elektronicky odvozen od pohybu rotorů, přičemž je řízen tak, že v celém provozním rozsahu kompresoru nedochází k přivádění stlačeného plynu tímto ventilem do pracovního prostoru zpětně z výtlačného prostoru.

Ventil je samočinný, jestliže je pohyb ventilové desky způsoben přímo rozdílem tlaků plynu, s výhodou proti síle pružiny.

V rámci tohoto základního nastavení lze jemnější optimalizaci otevírání a zavírání ventilu provádět druhotnou regulací, s výhodou podle okamžitých tlakových poměrů v plynové síti.

Analogicky tyto zásady platí i pro šoupátko.

Sací ventil je umístěn v sacím otvoru, výtlačný ventil je umístěn ve výtlačném otvoru.

S výhodou je sací otvor se sacím ventilem posunut do oblasti pracovního prostoru, kde se tlak v pracovním prostoru po expanzi přepuštěného stlačeného plynu vyrovnává s tlakem v sacím prostoru. Tím se snižuje riziko expanze stlačeného vzduchu do sacího prostoru.

Z podstaty vynálezu vyplývá, že ventil nebo regulační šoupátko jsou umístěny v otvoru přímo na hranici pracovního prostoru kompresoru.

Umístěním ventilu v otvoru co nejblíže pracovnímu prostoru se zmenšuje škodný prostor, který snižuje efektivnost kompresního cyklu.

Jestliže je výtlačný nebo sací ventil orientován radiálně, takže výtlak nebo sání jsou směrovány kolmo k ose rotace rotorů, tj. ventil přiléhá k obvodové rotační ploše rotorů, je výhodou, když obrysová plocha ventilu na straně pracovního prostoru rotorů tvoří ekvidistantu k obvodové rotační ploše rotorů, ventil lze nazývat jako ekvidistantní.

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

Výhodně může být ve výtlačném nebo sacím hrdle kompresoru umístěno vedle sebe více výtlačných ventilů, s výhodou na sobě funkčně závislých, vzájemně funkčně spojených.

Zvýšením počtu ventilů spolu se zmenšením jejich rozměrů se zmenší nerovnoměrnost vytlačování nebo nasávání plynu a jsou minimalizovány ztráty pronikáním plynu mezerami mezi ventily a zuby

-5 CZ 309107 B6 rotorů.

S výhodou lze umístění výtlačných ventilů ve výtlačném hrdle vytvarovat do oblouku podél kompresní dráhy pracovního prostoru.

Tím se omezí pevná část kompresního poměru na minimum a kompresor se může při zachování polytropické komprese plynule přizpůsobit téměř libovolné změně tlakových poměrů v síti.

Obdobně je možno také umístění sacích ventilů v sacím hrdle vytvarovat do oblouku podél nasávací dráhy pracovního prostoru, aby se zajistila co nej lepší plynulost nasávání.

Výtlačné nebo sací otvory jsou s výhodou umístěny axiálně, z boku tělesa kompresoru, takže výtlak nebo sání jsou směrovány rovnoběžně s osou rotace rotorů.

Jestliže je ventil při otáčení rotoru částečně nebo zcela překryt zubem rotoru, změní se rovnováha sil působících na desku ventilu a samočinný ventil se částečně nebo zcela zavře. Stabilní ventil se tedy otevírá a zavírá při každém zakrytí zubem rotoru.

Tuto nevýhodu řeší výhodné uspořádání kompresoru, kde výtlačné a/nebo sací ventily jsou spojeny s rotorem, takže rotují společně s ním, tzn. že pro každý mezizubový pracovní prostor je trvale k dispozici nejméně jeden samostatný výtlačný a/nebo sací ventil. Ventily nejsou překrývány rotorovými zuby a při každé otáčce rotoru každý ventil vykoná jeden cyklus otevření a zavření.

Z konstrukčních důvodů může být bočnice na výtlačné i na sací straně kompresoru vybavena rotačními ventily vždy pouze u jednoho z rotorů. To ovšem není překážkou funkčnosti, jelikož propojené pracovní prostory obou rotorů vytvářejí společný pracovní prostor, a proto může být bočnice u druhého rotoru vybavena pouze stabilními ventily. Další varianty provedení vyplývají z možností, že bočnice na sací straně nemusí být vybavena žádnými sacími ventily, pouze sacími otvory, a že bočnice na výtlačné straně nemusí být u druhého rotoru vybavena žádnými výtlačnými ventily, pouze výtlačnými otvory.

Rotační ventily jsou s výhodou umístěny v samostatném disku, který rotuje v bočnici kompresoru a přiléhá k boční straně rotorů. Mezi rotačním diskem a bočnici musí být udržována minimální vůle tak, aby dovolila otáčení disku a současně bránila nežádoucímu pronikání stlačeného nebo nasávaného plynu.

Podle konkrétního výhodného provedení kompresoru mohou být v bočnici nebo v rotačním disku vytvořeny otvory, ve kterých nemusí být nutně umístěny ventily.

S výhodou jsou rotační ventily provedeny jako lamelové. S výhodou jsou pružící lamely upevněny k rotoru na vnitřním poloměru rotace a ventilová deska na vnějším poloměru rotace, aby se využil stabilizující účinek odstředivé síly. S výhodou jsou všechny lamely u daného rotoru zhotoveny z jednoho kusu materiálu.

Zubový nebo šroubový kompresor může být s výhodou v prostoru výtlačného hrdla vybaven stabilními deflektory k usměrnění proudu plynu vystupujícího z rotujících pracovních prostorů a rotujících výtlačných ventilů do výtlačného hrdla.

Výhodně mají tyto deflektory rotační provedení, výhodně jsou spojeny s rotorem kompresoru, výhodně jsou spojeny s rotačním diskem, který nese výtlačné ventily. Usměrňují plyn, aby proudil v opačném směru, než je směr otáčení rotoru. Rychlost proudění plynu v deflektorech se odečítá od obvodové rychlosti deflektorů a výsledkem je, že deflektory zpomalují rotování vystupujícího plynu ve výtlačném hrdle a působí tedy jako lopatky plynové axiální turbíny. Rotační disk s výtlačnými ventily a s reflektory tak tvoří plynovou turbínu. Tím se část pohybové energie vystupujícího rotujícího plynu využije k přeměně na mechanickou energii, s výhodou k pohonu

-6CZ 309107 B6 kompresoru, například k pokrytí ztrát z proudění plynu ve výtlačných ventilech.

Zubový nebo šroubový kompresor může být s výhodou také v prostoru sacího hrdla vybaven deflektory k usměrnění proudu nasávaného plynu z prostoru sacího hrdla do směru otáčení rotujících pracovních prostorů a rotujících sacích otvorů, ve kterých mohou být umístěny sací ventily.

Výhodně mají tyto deflektory rotační provedení, výhodně jsou spojeny s rotorem kompresoru, výhodně jsou spojeny s rotačním diskem s vytvořenými sacími otvory. Deflektory zde mají opačný účel než u turbíny na výtlačné straně kompresoru - nabírají plyn přiváděný sacím hrdlem, urychlují jej a přivádějí, vtlačují jej do rotujících sacích otvorů. Působí tedy jako lopatky turbokompresoru. K usměrnění a urychlení pohybu plynu je potřebná energie, ale přetlak plynu na výstupu z turbokompresoru může sloužit k rychlejšímu, intenzivnějšímu plnění, přeplňování rotujících pracovních prostorů kompresoru nasávaným plynem a k pokiytí ztrát z proudění plynu v sacích otvorech, případně v sacích ventilech.

Deflektory obecně mohou být s výhodou naklápěcí k zajištění optimálního průtoku v případě změny proudění při změně otáček, dopravovaného množství nebo tlakových poměrů. Deflektory mají s výhodou aerodynamický profil.

V kompresorových ventilech je nutno počítat s aerodynamickými a dalšími ztrátami, které např. samočinné ventily způsobují v závislosti na jeho tvarovém provedení, na síle závěrných pružin a v důsledku setrvačnosti pohyblivých součástí i na otáčkách kompresoru. Nucené ovládaný ventil nebo regulační šoupátko obvykle způsobují z tohoto pohledu menší ztráty, avšak za cenu složitého a drahého mechanismu k zajištění jejich fungování.

Provedení ventilu může vycházet z dosavadních konstrukcí známých u rychloběžných kompresorů, avšak u kompresoru podle vynálezu je pro umístění výtlačného ventilu k dispozici podstatně stísněnější prostor.

Vynález se vztahuje také na zubový nebo šroubový kompresor obsahující cestu pro nasávání plynu do pracovního prostoru a cestu pro vytlačování stlačeného plynu z pracovního prostoru, k provádění způsobu podle vynálezu, jehož podstatou je, že obsahuje cestu pro přivádění stlačeného plynu, která vede přímo do pracovního prostoru a je odlišná od cesty pro vytlačování stlačeného plynu z pracovního prostoru.

Zubový nebo šroubový kompresor podle vynálezu s výhodou obsahuje vnější samostatné dotlačovací potrubí, kterým se přímo do pracovního prostoru daného rotoru přivádí stlačený plyn.

Cesta pro přivádění stlačeného plynu přímo do pracovního prostoru, s výhodou tvořená dotlačovacím hrdlem a dotlačovacím potrubím, s výhodou obsahuje chladič a/nebo regulátor.

Kompresory mohou být vybaveny jedním dotlačovacím potrubím, společným pro oba rotory. Nicméně může být výhodné, za účelem přesnějšího plnění pracovních prostorů, používat pro každý rotor samostatné dotlačovací potrubí.

V zubovém nebo šroubovém kompresoru s rotory se dvěma nebo třemi zuby podle vynálezu se sníží nerovnoměrnost proudění plynu, rázové jevy a teplota vytlačovaného plynu, ale jen částečně, jelikož zde nelze snadno a důsledně uplatnit důležitý znak vynálezu, tj. oddělení cest pro přivádění a vytlačování stlačeného plynu.

Jestliže jsou cesty pro vytlačování a dotlačování plynu zaústěny do tělesa kompresoru příliš blízko sebe, jejich oddělení tedy není provedeno důsledně, pak se v tomto kompresoru sníží nerovnoměrnost proudění plynu, rázové jevy a teplota vytlačovaného plynu jen částečně. V konečné fázi stlačování by plyn mohl mít tendenci proudit i opačným směrem, tj. ven

-7 CZ 309107 B6 z pracovního prostoru do dotlačovacího potrubí.

Relativně velká rozteč pracovních prostorů kvůli malému počtu zubů rotorů totiž způsobuje, že v konečné fázi stlačování by plyn mohl mít tendenci proudit i opačným směrem, tj. ven z pracovního prostoru do dotlačovacího potrubí.

Poměrně malá úhlová vzdálenost mezi výtlačným hrdlem a zaústěním cesty pro přivádění stlačeného plynu do pracovního prostoru u rotorů se dvěma nebo třemi zuby neumožňuje vůbec nebo ne dostatečně kvalitně regulovat toto přivádění stlačeného plynu.

S výhodou lze v takovém případě alespoň zabránit zpětnému proudění plynu 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 je v této cestě reverzován, ovšem za cenu ztrát odporem při proudění plynu.

Výhodným provedením vynálezu proto může být takový zubový nebo šroubový kompresor, u nějž otvor hrdla pro přivádění stlačeného plynu přímo do pracovního prostoru je od otvoru sacího hrdla i od otvoru výtlačného hrdla obvodově nebo úhlově vzdálen nejméně o jednu zubovou rozteč rotoru.

Otvor potrubí pro přivádění stlačeného plynu přímo do pracovního prostoru je zde situován tak, že nemůže docházet k jeho propojení prostorem mezi zuby rotoru nejenom se sacím, ale ani s výtlačným otvorem, a tím k nežádoucímu ztrátovému proudění plynu.

V tomto kompresoru může být pro přivádění stlačeného plynu do pracovního prostoru vytvořena vnější samostatná cesta, odlišná od cesty pro vytlačování stlačeného plynu z pracovního prostoru.

I kompresor, který má správně vyřešeno umístění dotlačovacího hrdla, s výhodou obsahuje také zpětný ventil nebo zpětnou klapku, umístěné v dotlačovacím potrubí co nejblíže pracovnímu prostoru, aby se zabránilo zpětným pulzacím plynu od pracovního prostoru do potrubí, pokud tyto pulzace nejsou dostatečně omezeny již samotným regulátorem průtoku.

Výhodným provedením vynálezu je tudíž šroubový kompresor, jehož rotory mají nejméně čtyři zuby.

Vynález se vztahuje také na kombinaci předchozích dvou provedení, tj. na zubový nebo šroubový kompresor obsahující cestu pro nasávání plynu do pracovního prostoru a cestu pro vytlačování stlačeného plynu z pracovního prostoru, jehož podstatou je, že obsahuje cestu pro přivádění stlačeného plynu, která vede přímo do pracovního prostoru aje odlišná od cesty pro vytlačování stlačeného plynu z pracovního prostoru, která je od pracovního prostoru oddělena nejméně jedním výtlačným ventilem.

Dotlačování stlačeného plynu v kompresoru je tak možno jednak provádět ochlazeným stlačeným plynem z výtlačného potrubí, a tím zvýšit hodnotu provozního omezení přetlaku kompresoru daného maximální přípustnou teplotou, a současně pomocí výtlačných ventilů ve výtlačných otvorech kompresoru bude zabráněno jakékoliv vnější kompresi zpětným pohybem plynu z výtlačného potrubí.

Kompresní cyklus zde sestává ze dvou souběžných parciálních procesů:

a) otevřený proces nasátého (= expedovaného) plynu:

- nasávání při sacím tlaku,

- polytropická komprese vestavěným kompresním poměrem,

- stlačení (dotlačení) smíšením se stlačeným plynem s nárůstem tlaku na výslednou, směšovací hodnotu,

-8CZ 309107 B6

- polytropická komprese pod výtlačným ventilem na výtlačnou hodnotu tlaku,

- vytlačování při výtlačné hodnotě tlaku;

b) uzavřený proces cirkulujícího plynu:

- chlazení stlačeného plynu,

- škrcení smíšením s částečně stlačeným plynem na výslednou, směšovací hodnotu,

- polytropická komprese pod výtlačným ventilem na výtlačnou hodnotu tlaku, - vytlačování při výtlačné hodnotě tlaku.

Výhody vynálezu:

- v kompresorech lze omezit nežádoucí vnější kompresi plynu a její negativní důsledky, tj. nerovnoměrnost proudění plynu, teplotu vytlačovaného plynu a hlučnost,

- v kompresorech lze omezit vestavěnou část kompresního poměru,

- kompresory se mohou při zachování polytropické komprese plynule přizpůsobit téměř libovolné změně tlakových poměrů v síti,

- může se snížit energetická náročnost kompresorů i při změnách tlakových poměrů v síti,

- jednotlivé kompresory mohou být použitelné pro větší rozsah provozních tlaků plynu a tím lze omezit jejich výrobní sortiment.

Objasnění výkresů

Vynález bude blíže objasněn na příkladech provedení dle přiložených výkresů:

obr. 1 znázorňuje schéma zubového kompresoru se stabilními sacími a výtlačnými ventily, obr. 2 znázorňuje schéma zubového kompresoru se stabilními sacími ventily a rotačními výtlačnými ventily, obr. 3 znázorňuje schéma bočnice šroubového kompresoru se stabilními výtlačnými ventily, obr. 4 znázorňuje schéma šroubového kompresoru se stabilními a rotujícími ventily, obr. 5 znázorňuje schéma šroubového kompresoru s dotlačováním, a obr. 6 znázorňuje schéma sestavy šroubového kompresoru s dotlačováním.

Příklady uskutečnění vynálezu

Na obr. 1 je znázorněno schéma zubového kompresoru se stabilními sacími a výtlačnými ventily. V kompresoru jsou pracovní prostory 3 vymezeny zuby rotorů 2a, 2b a tělesem 1 kompresoru. Na straně levého rotoru 2a jsou v sacím hrdle 4 axiálně umístěny tři stabilní sací ventily 12a s nuceným ovládáním, na straně pravého rotoru 2b jsou ve výtlačném hrdle 6 umístěny čtyři stabilní výtlačné ventily 12b také s nuceným ovládáním. Během jedné otáčky rotorů 2a, 2b se uskutečňují dva kompresní cykly. Na obrázku je znázorněna situace, kdy se k sacím ventilům 12a, kde probíhá nasávání plynu, pootočením rotorů 2a, 2b přibližuje uzavřený pracovní prostor 3 mezi zuby rotorů 2a, 2b, obsahující částečně stlačený plyn z počáteční fáze stlačování, kdy ještě nezačal výtlak do výtlačných ventilů 12b.

Z toho je patrné, že během kompresního cyklu se u zubového kompresoru poměrně značné množství stlačeného plynu přepouští z výtlačné strany pracovních prostorů na sací stranu pracovních prostorů a že pomocí sacích ventilů 12a podle vynálezu je možno zvýšit účinnost kompresního cyklu využitím tlakové energie přepouštěného stlačeného plynu. Výtlačné

-9CZ 309107 B6 ventily 12b jsou nucené ovládány s druhotnou regulací v závislosti na tlaku ve výtlačném prostoru tak, že v celém provozním rozsahu kompresoru se stlačování provádí bez přivádění stlačeného plynu z výtlačného prostoru zpět do pracovního prostoru 3.

Na obr. 2 je znázorněno schéma zubového kompresoru se stabilními sacími ventily a rotačními výtlačnými ventily. Dva samočinné rotační výtlačné ventily 14b jsou spojeny s pravým rotorem 2b tak, že rotují společně s ním, oba mezizubové pracovní prostory 3 tak mají trvale přiřazen samostatný rotační výtlačný ventil 14b. Levý rotor 2a je vybaven třemi samočinnými stabilními sacími ventily 13a. Na obrázku je znázorněna situace, kdy v dolní části kompresoru právě probíhá komprese, případně výtlak plynu výtlačným ventilem 14b u pravého rotoru 2b (podle úrovně tlaku ve výtlačném prostoru), zatímco v horní části kompresoru probíhá sání plynu sacími ventily 13a u levého rotoru 2a.

Na obr. 3 je znázorněno schéma bočnice šroubového kompresoru se stabilními samočinnými výtlačnými ventily. Bočnice 15 na výtlačné straně kompresoru je vybavena 15 stabilními výtlačnými ventily 13b kruhového tvaru o dvou velikostech a 2 výtlačnými ventily 13b obdélníkového tvaru jednotné velikosti. Postupným otevíráním a zavíráním ventilů 13b během rotace rotorů 2a, 2b je minimalizováno kolísání tlaku v mezizubových pracovních prostorech. Bočnice 15 je v dolní polovině vybavena výtlačnými ventily 13b jen částečně, proto je základní část kompresního poměru v kompresoru pevná a teprve další komprese probíhá s kompresním poměrem, kteiý závisí na okamžitém tlaku plynu ve výtlačném prostoru.

Na obr. 4 je znázorněno schéma šroubového kompresoru se stabilními a rotačními ventily. V bočnicích 15a, 15b u dolního rotoru 2b jsou na sací i na výtlačné straně umístěny rotační disky 16a, 16b, přičemž v rotačním disku 16b na výtlačné straně jsou usazeny samočinné výtlačné ventily 14b. Na výtlačné straně kompresoru je s rotačním diskem 16b spojena turbína 17, která využívá pohybovou energii stlačeného plynu vystupujícího z rotujících výtlačných ventilů 14b a zpomaluje rotování, víření plynu ve výtlačném hrdle 6b. Na sací straně kompresoru je s rotačním diskem 16a spojen turbokompresor 18, který usměrňuje plyn nasávaný ze sacího hrdla 4a a vtlačuje jej do sacích otvorů 5a v rotačním disku 16a a dále do pracovních prostorů. V bočnici 15a na sací straně horního rotoru 2a jsou umístěny samočinné sací ventily 13a. Při podtlaku v pracovních prostorech během sací fáze umožňují nasávání vzduchu ze sacího hrdla 4. Pokud by nasávací turbokompresor 18 způsoboval v pracovních prostorech během nasávání přetlak, samočinné sací ventily 13a zabrání nežádoucímu unikání stačeného vzduchu z pracovních prostorů horním rotorem 2a do sacího hrdla 4.

V bočnici 15b u horního rotoru 2a na výtlačné straně je umístěn stabilní samočinný ventil 13b, který je vyústěn do společného výtlačného hrdla 6b. Optimalizací velikosti a počtu výtlačných ventilů 13b, 14b u obou rotorů 2a, 2b je možno dále snížit nežádoucí unikání stlačeného vzduchu z výtlačné strany pracovních prostorů na sací stranu pracovních prostorů. Kompresor může prakticky v celém pracovním rozsahu přetlaku provádět kompresi s kompresním poměrem, který se samočinně přizpůsobuje okamžitému tlaku plynu ve výtlačném prostoru.

Na obr. 5 je znázorněno schéma šroubového kompresoru s dotlačováním. Otvor kteréhokoliv dotlačovacího hrdla 7a, 7b je od výtlačného otvoru 5b výtlačného hrdla 6 vzdálen více než o jednu zubovou rozteč 19. 20 rotoru 2a, 2b. Ve výtlačných otvorech 5b nejsou umístěny výtlačné ventily. Kompresor provádí základní stlačování s vestavěným kompresním poměrem a další zvýšení tlaku na hodnotu prakticky stejnou jako ve výtlačném hrdle 6 a ve výtlačném potrubí lze provádět dotlačením pomocí stlačeného plynu přivedeného dotlačovacím hrdlem 7a, 7b z výtlačného potrubí po případném ochlazení v chladiči.

Na obr. 6 je znázorněno schéma sestavy vzduchového šroubového kompresoru s dotlačováním. Otáčením rotorů 2a, 2b je vzduch nasáván přes sací hrdlo 4 do pracovních prostorů 3, dalším otáčením rotorů 2a, 2b je polytropicky stlačován na základní tlak odpovídající vestavěnému kompresnímu poměru a dopravován k dotlačovacím hrdlům 7a, 7b, kde je takto vzduch dále stlačen

- 10CZ 309107 B6 ochlazeným dotlačovacím vzduchem z dotlačovacího potrubí 9a, 9b, kde je tlak vzduchu vyšší než základní tlak v kompresoru. Výsledné množství vzduchu je v pracovních prostorech 3 dalším otáčením rotorů 2a, 2b dopravováno přes samočinné výtlačné ventily 13b k výtlačnému hrdlu 6 a odtud do výtlačného potrubí 8. Stlačený vzduch se v množství, které odpovídá nasátému 5 množství, dopravuje ke spotřebě. Z výtlačného potrubí 8 odbočuje dotlačovací potrubí 9a, 9b, kteiým se převádí cirkulující část stlačeného vzduchu do chladičů 10a, 10b a dále přes regulační armatury 11a, 11b k dotlačovacím hrdlům 7a, 7b a pracovním prostorům 3 ke stlačování nasátého vzduchu v dalších kompresních cyklech. Jelikož jsou výtlačné ventily 13b samočinné, bude u obou rotorů 2a, 2b zabráněno propojení dotlačovacího hrdla 7a, 7b a výtlačného hrdla 6, i když je jejich ίο obvodová nebo úhlová vzdálenost menší než zubová rozteč rotorů 2a, 2b.

Claims (20)

1. PATENTOVÉ NÁROKY

   1. Způsob provádění kompresního cyklu v zubovém nebo šroubovém kompresoru, který obsahuje operaci nasávání plynu do pracovního prostoru, přičemž je plyn při této operaci veden cestou pro nasávání plynu do pracovního prostoru (3) obsahující sací hrdlo (4), operaci polytropického stlačování plynu v pracovním prostoru a operaci vytlačování stlačeného plynu z pracovního prostoru do výtlačného prostoru, přičemž je plyn při této operaci veden cestou pro vytlačování stlačeného plynu z pracovního prostoru (3) obsahující výtlačné hrdlo (6) a výtlačné potrubí (8), vyznačený tím, že stlačování plynu v pracovním prostoru se provádí polytropicky s kompresním poměrem, který se v celém provozním rozsahu kompresoru mění podle tlaku plynu ve výtlačném prostoru, neboje v první části provozního rozsahu kompresoru stálý nebo nastavitelný a v následné části provozního rozsahu kompresoru se mění podle tlaku plynu ve výtlačném prostoru.
2. 2. Způsob provádění kompresního cyklu podle nároku 1, vyznačený tím, že v průběhu a/nebo po skončení polytropické komprese se část stlačování plynu v pracovním prostoru provádí přiváděním stlačeného plynu přímo do pracovního prostoru odlišnou cestou, než je cesta pro vytlačování stlačeného plynu z pracovního prostoru do výtlačného prostoru.
3. 3. Způsob provádění kompresního cyklu podle nároku 2, vyznačený tím, že stlačený plyn je před přivedením do pracovního prostoru chlazen a/nebo průtok stlačeného plynu přiváděného do pracovního prostoru je regulován.
4. 4. Způsob provádění kompresního cyklu podle některého z nároků 1 až 3, vyznačený tím, že teplo získané chlazením stlačeného plynu přiváděného do pracovního prostoru je druhotně využíváno.
5. 5. Způsob provádění kompresního cyklu podle některého z nároků 1 až 4, vyznačený tím, že nasávaný plyn se usměrňuje a/nebo stlačuje před vstupem do pracovního prostoru.
6. 6. Způsob provádění kompresního cyklu podle některého z nároků 1 až 5, vyznačený tím, že pohybová energie stlačeného plynu vystupujícího z pracovního prostoru do výtlačného prostoru je alespoň zčásti využita k přeměně na mechanickou energii.
7. 7. Zubový kompresor, který obsahuje cestu pro nasávání plynu do pracovního prostoru (3) a cestu pro vytlačování stlačeného plynu z pracovního prostoru (3), k provádění způsobu podle některého z nároků 1 až 6, vyznačený tím, že obsahuje cestu (8) pro vytlačování stlačeného plynu z pracovního prostoru (3), která je od pracovního prostoru (3) oddělena nejméně jedním výtlačným ventilem (12b, 13b, 14b) a/nebo regulačním šoupátkem.
8. 8. Šroubový kompresor, který obsahuje cestu pro nasávání plynu do pracovního prostoru (3) a cestu pro vytlačování stlačeného plynu z pracovního prostoru (3), k provádění způsobu podle některého z nároků 1 až 6, vyznačený tím, že obsahuje cestu (8) pro vytlačování stlačeného plynu z pracovního prostoru (3), která je od pracovního prostoru (3) oddělena nejméně jedním výtlačným ventilem (12b, 13b, 14b).
9. 9. Kompresor podle nároku 7 nebo 8, vyznačený tím, že obsahuje cestu (9a, 9b) pro přivádění stlačeného plynu, která vede přímo do pracovního prostoru (3) a je odlišná od cesty (8) pro vytlačování stlačeného plynu z pracovního prostoru (3).
10. 10. Kompresor podle některého z nároků 7 až 9, vyznačený tím, že cesta (9a, 9b) pro přivádění stlačeného plynu, která vede přímo do pracovního prostoru (3) a je odlišná od cesty (8) pro

    - 12CZ 309107 B6 vytlačování stlačeného plynu z pracovního prostoru (3), obsahuje chladič (10a, 10b) a/nebo obsahuje regulátor (11a, 11b) průtoku.
11. 11. Kompresor podle některého z nároků 7 až 10, vyznačený tím, že cesta (10) pro přivádění stlačeného plynu přímo do pracovního prostoru (5) obsahuje zpětný ventil nebo zpětnou klapku.
12. 12. Kompresor podle některého z nároků 7 až 11, vyznačený tím, že otvor hrdla (7a, 7b) pro přivádění stlačeného plynu přímo do pracovního prostoru (3) je od otvoru sacího hrdla (4) i od otvoru výtlačného hrdla (6) vzdálen nejméně o jednu zubovou rozteč rotoru (2a, 2b).
13. 13. Kompresor podle některého z nároků 7 až 12, vyznačený tím, že cesta (4) pro nasávání plynu do pracovního prostoru (3) je od pracovního prostoru (3) oddělena nejméně jedním sacím ventilem (12a, 13a).
14. 14. Kompresor podle některého z nároků 7 až 13, vyznačený tím, že obsahuje rotační sací ventily a/nebo rotační výtlačné ventily (14b), které jsou spojeny s rotorem (2a, 2b) tak, že pro každý pracovní prostor (3) je trvale přiřazen nejméně jeden samostatný výtlačný ventil (14b) a/nebo nejméně jeden samostatný rotační sací ventil.
15. 15. Kompresor podle některého z nároků 7 až 14, vyznačený tím, že obsahuje deflektory k usměrnění proudu plynu vytlačeného z rotujících pracovních prostorů (3) do výtlačného hrdla (6b).
16. 16. Kompresor podle některého z nároků 7 až 15, vyznačený tím, že obsahuje plynovou turbínu (17) pro přeměnu alespoň části pohybové energie plynu vytlačeného z rotujících pracovních prostorů (3) na mechanickou energii.
17. 17. Kompresor podle některého z nároků 7 až 16, vyznačený tím, že obsahuje deflektory k usměrnění proudu nasávaného plynu od sacího hrdla (4a) do rotujících pracovních prostorů (3).
18. 18. Kompresor podle některého z nároků 7 až 17, vyznačený tím, že obsahuje turbokompresor (18) pro vtlačování nasávaného plynu do rotujících pracovních prostorů (3).
19. 19. Kompresor podle některého z nároků 7 až 18, vyznačený tím, že ventil kompresoru je samočinný.
20. 20. Kompresor podle některého z nároků 7 až 19, vyznačený tím, že nejméně dva výtlačné ventily (12b, 13b, 14b) a/nebo dva sací ventily (12a, 13a) jsou vzájemně funkčně spojeny.