RU2230222C2 - Thermocompressor - Google Patents

Abstract

FIELD: chemical industry. SUBSTANCE: thermocompressor is designed for use in chemical industry, for instance, in space vehicles for changing of liquefied into gaseous state, compression and pumping of gases and their mixtures. Proposed thermocompressor consists of three main units: thermocompressor proper, delivery pump and piston engine. Thermocompressor proper is essentially closed cylinder accommodating movable regenerator and containing inlet and outlet valves. One end of cylinder is hot zone, and opposite end is cold zone. Movable regenerator of thermocompressor is connected by rod with engine piston and is set into motion by piston moving alternately from hot into cold zones. Engine contains cylinder, piston, inlet and outlet valves. Piston of engine is connected through rod with regenerator and it sets regenerator into motion. Inlet valve thermocompressor is connected by pipeline through receiver with outlet valves of engine. Delivery pump contains cylinder, piston, inlet and outlet valves. Pump piston is connected through rod with regenerator and it is set into motion, together with regenerator, from engine. Each inlet valve of pump is connected with corresponding channel of thermocompressor cooling jacket. Cooling jacket of thermocompressor is provided with two channels, each being connected by output with inlet valve of one of engine spaces. Outlet valves of piston engine are connected by main line with receiver connected by pipeline with inlet valve of thermocompressor. Invention makes it possible to provide cooling of thermocompressor and removal of heat of engine cycle owing to cold stored in cryogenic liquid and utilize heat of ambient medium. EFFECT: increased capacity. 1 dwg

Description

Изобретение относится к компрессоро- и насосостроению, а более конкретно к конструкции теплоиспользующих компрессоров.The invention relates to compressor and pump engineering, and more particularly to the design of heat-using compressors.

В качестве аналога принята теплоиспользующая холодильная машина Волюмье - Такониса (Архаров А.М., Марфенина И.В., Микулина Е.И. Криогенные системы: Основы теории и расчета. - М.: Машиностроение, 1988, с.326-328). Теплоиспользующая холодильная машина содержит два цилиндра с размещенньми в них поршнями и регенераторы. Поршни, перемещаясь относительно друг друга со сдвигом фаз, осуществляют сжатие газа в горячей зоне и расширение его в холодной зоне, при этом между горячей полостью и срединной теплой зоной осуществляется прямой цикл, а между теплой и холодной полостями осуществляется обратный холодильный цикл. Работа для холодильного цикла получается за счет реализации цикла прямого, при этом она не отводится наружу на механизм привода, а остается внутри рабочего тела, осуществляя его термокомпримирование и терморасширение. Недостатком аналога в случае реализации термокомпрессора по его конструктивной схеме является невозможность использования компримируемого газа в качестве рабочего тела для получения работы в прямом цикле.As an analogue, the heat-using Volymye – Takonis refrigerating machine was adopted (Arkharov A.M., Marfenina I.V., Mikulina E.I. Cryogenic systems: Fundamentals of theory and calculation. - M.: Mashinostroenie, 1988, pp. 326-328) . The heat-consuming refrigeration machine contains two cylinders with pistons placed in them and regenerators. Pistons moving relative to each other with a phase shift, compress the gas in the hot zone and expand it in the cold zone, while a direct cycle is carried out between the hot cavity and the middle warm zone, and a reverse refrigeration cycle is performed between the warm and cold cavities. Work for the refrigeration cycle is obtained through the implementation of a direct cycle, while it is not diverted outward to the drive mechanism, but remains inside the working fluid, carrying out its thermal compaction and thermal expansion. The disadvantage of the analogue in the case of the implementation of the thermocompressor according to its structural scheme is the impossibility of using compressed gas as a working fluid to get work in a direct cycle.

Прототипом является механический термокомпрессор с вытеснителем (Бродянский В.М. Труды научно-технической конференции МЭИ. - М., 1970, с.115-122). Конструктивно он состоит из цилиндра, внутри которого находиться регенератор, делящий термокомпрессор на холодную и горячую полости и приводимый в движение через шток с помощью специального привода. Рабочий цикл такого термокомпрессора осуществляется за счет периодического нагрева и охлаждения части газа при его переталкивании вытеснителем из горячей полости в холодную.The prototype is a mechanical thermocompressor with a displacer (V. Brodyansky. Proceedings of the scientific and technical conference MEI. - M., 1970, p. 115-122). Structurally, it consists of a cylinder, inside of which there is a regenerator, dividing the thermocompressor into cold and hot cavities and set in motion through the rod using a special drive. The working cycle of such a thermocompressor is carried out by periodically heating and cooling part of the gas when it is pushed by the displacer from the hot cavity to the cold.

Недостатком такого компрессора является наличие специального привода для перемещения регенератора.The disadvantage of this compressor is the presence of a special drive to move the regenerator.

Задачей является создание экономичного термоокомпрессора для газификации криогенных жидкостей с последующим сжатием газа за счет использования тепла окружающей среды (или внешнего теплового источника) и осуществления охлаждения холодной части термокомпрессора за счет тепла испарения и теплоемкости самого рабочего тела при его газификации из криогенного состояния.The objective is to create an economical thermocompressor for gasification of cryogenic liquids with subsequent gas compression by using the heat of the environment (or an external heat source) and cooling the cold part of the thermocompressor due to the heat of evaporation and heat capacity of the working fluid itself when it is gasified from the cryogenic state.

Поставленная задача решается за счет того, что в термокомпрессоре, содержащем цилиндр, внутри которого находиться подвижный регенератор, соединенный через шток с приводом и делящий внутреннюю полость цилиндра на холодную и горячую части, впускной и выпускной клапаны, рубашку охлаждения, установленную на холодную часть термокомпрессора, согласно изобретению привод выполнен в виде цилиндра, снабженного поршнем, который соединен через шток со стороны горячей части термокомпрессора с регенератором, выпускные клапаны связаны магистралью с термокомпрессором через ресивер, впускные клапаны цилиндра привода связаны магистралью с рубашкой охлаждения, со стороны холодной части термокомпрессора находиться цилиндр, имеющий поршень, который соединен через шток с регенератором, выпускные клапаны, связанные с рубашкой охлаждения, а сама рубашка охлаждения через магистрали - с впускными клапанами привода, и впускные клапаны, соединенные с емкостью, рубашка охлаждения выполнена в виде цилиндрического стакана с внутренними проточками, при этом проточки и поверхность холодной части термокомпрессора образуют каналы охлаждения.The problem is solved due to the fact that in the thermocompressor containing the cylinder, inside which there is a movable regenerator connected through the rod to the drive and dividing the internal cavity of the cylinder into cold and hot parts, inlet and outlet valves, a cooling jacket installed on the cold part of the thermocompressor, according to the invention, the actuator is made in the form of a cylinder equipped with a piston, which is connected through the rod from the side of the hot part of the thermocompressor to the regenerator, the exhaust valves are connected by a line with a thermocompressor through the receiver, the inlet valves of the drive cylinder are connected by a line to the cooling jacket, on the cold side of the thermocompressor there is a cylinder having a piston that is connected through the rod to the regenerator, exhaust valves connected to the cooling jacket, and the cooling jacket itself through the lines to the inlet valves drive, and inlet valves connected to the tank, the cooling jacket is made in the form of a cylindrical cup with internal grooves, while the grooves and the surface of the cold part and the thermocompressor form cooling channels.

Изобретение поясняется чертежом.The invention is illustrated in the drawing.

Термокомпрессор содержит цилиндр привода 1, имеющий поршень 2, его выпускные 3, 4 и впускные 5, 6 клапаны и который работает как поршневой двигатель, а также магистраль 7, которая соединяет выпускные клапана полости поршневого двигателя с ресивером 8. Сам ресивер 8 соединяется с впускным клапаном 9 термокомпрессора. В цилиндре 10 термокомпрессора находится регенератор 11, разделяющий его на холодную часть А и горячую часть В полости. Шток 12 соединяет регенератор 11 термокомпрессора с поршнем 2 и с поршнем 13, выполняющим роль плунжера нагнетающего насоса. Термокомпрессор снабжен впускным 9 и выпускным 14 клапанами, рубашкой охлаждения 15. Горячая часть В термокомпрессора и цилиндр двигателя располагаются в единой полости подогревателя 16. Цилиндр 17, имеющий выпускные 18, 19 и впускные 20, 21 клапаны, а также поршень 13, работает как нагнетающий насос. Клапаны соединены магистралями с емкостью 22, в которой находиться криогенная жидкость.The thermocompressor contains a drive cylinder 1 having a piston 2, its exhaust 3, 4 and intake 5, 6 valves and which works as a piston engine, as well as a line 7, which connects the exhaust valves of the piston engine cavity to the receiver 8. The receiver 8 itself is connected to the inlet valve 9 of the thermocompressor. In the cylinder 10 of the thermocompressor is a regenerator 11, dividing it into the cold part A and the hot part B of the cavity. The rod 12 connects the regenerator 11 of the thermocompressor with the piston 2 and with the piston 13, which acts as a plunger of the injection pump. The thermocompressor is equipped with inlet 9 and outlet 14 valves, a cooling jacket 15. The hot part B of the thermocompressor and the engine cylinder are located in a single cavity of the heater 16. The cylinder 17, having exhaust 18, 19 and inlet 20, 21 valves, as well as the piston 13, works as a pump pump. The valves are connected by highways with a capacity of 22, in which there is a cryogenic liquid.

Устройство работает следующим образом.The device operates as follows.

Впускной клапан 21 насоса во время всасывания открывается, и в С-полость насоса поступает криогенная жидкость. В это же время открывается выпускной клапан 19, и из D-полости насоса выталкивается порция жидкости в соответствущий канал охлаждающей рубашки термокомпрессора 15, где она газифицируется, одновременно открывается впускной клапан 5 двигателя, и при ходе всасывания в надпоршневую полость поступает рабочее тело в газообразном состоянии. За счет подвода тепла к рабочему телу в двигателе происходит его расширение. Поршень 2 начинает движением с одновременным перемещением регенератора 11 термокомпрессора и плунжера насоса 13. Выпускной клапан 3 полости двигателя открывается, и газ подается в ресивер 8 и далее к впускному клапану 9 термокомпрессора. Параллельно с этим процессом в термокомпрессоре из его холодной части А полости газ начинает проходить через регенератор 11, при этом он нагревается в пределе до температуры горячей части В и его давление повышается. При достижении регенератором 11 крайнего верхнего положения и вытеснении газа в нижнею горячую часть полости В его давление достигает максимума, при этом клапан термокомпрессора 14 открывается и часть сжатого газа поступает потребителю. К концу процесса перемещения системы поршень - регенератор - плунжер в верхнее положение давление в полости Х двигателя понижается, а давление в другом канале рубашки охлаждения 15 термокомпрессора за счет подвода тепла увеличивается, что приводит к открытию впускного клапана 6 двигателя и система поршень - регенератор - плунжер начинает двигаться вниз, при этом жидкость из С-полости насоса вытесняется в соответствующий канал рубашки охлаждения 15 термокомпрессора, а в D-полость насоса начинает поступать новая порция криогенной жидкости. Регенератор 11 начинает перемещаться вниз, вытесняя газ из горячей части В полости термокомпрессора в холодную его часть А, при этом давление газа в термокомпрессоре падает и открывается впускной клапан 9 подачи газа из ресивера 8. При достижении системой поршень - регенератор - плунжер нижнего положения процесс повторяется. The pump inlet valve 21 opens during suction and a cryogenic liquid enters the pump C-cavity. At the same time, the exhaust valve 19 opens, and a portion of the liquid is pushed out of the D-cavity of the pump into the corresponding channel of the cooling jacket of the thermocompressor 15, where it is gasified, at the same time the engine inlet valve 5 is opened, and during the suction process, the working fluid enters the gallium cavity . Due to the supply of heat to the working fluid in the engine, it expands. The piston 2 starts by moving while the regenerator 11 of the thermocompressor and the plunger of the pump 13 are moved. The exhaust valve 3 of the engine cavity opens and gas is supplied to the receiver 8 and then to the inlet valve 9 of the thermocompressor. In parallel with this process, in the thermocompressor from its cold part A of the cavity, the gas begins to pass through the regenerator 11, while it is heated in the limit to the temperature of the hot part B and its pressure rises. When the regenerator 11 reaches its extreme upper position and the gas is displaced into the lower hot part of the cavity B, its pressure reaches a maximum, while the valve of the thermocompressor 14 opens and part of the compressed gas enters the consumer. By the end of the process of moving the piston - regenerator - plunger system to the upper position, the pressure in the engine cavity X decreases, and the pressure in the other channel of the cooling jacket 15 of the thermocompressor increases due to heat supply, which leads to the opening of the engine intake valve 6 and the piston - regenerator - plunger system begins to move downward, while the liquid from the C-cavity of the pump is displaced into the corresponding channel of the cooling jacket 15 of the thermocompressor, and a new portion of cryogenic liquid begins to flow into the D-cavity of the pump. The regenerator 11 begins to move downward, displacing the gas from the hot part B of the thermocompressor cavity to its cold part A, while the gas pressure in the thermocompressor drops and the gas inlet valve 9 opens from the receiver 8. When the piston - regenerator - plunger reaches the lower position, the process repeats .

Использование заявляемого изобретения позволит осуществить охлаждение термокомпрессора и отвод тепла цикла двигателя за счет использования холода, запасенного в криогенной жидкости; подводить тепло не только от специального источника тепла, но и использовать тепло окружающей среды; исключить потребление механической (электрической) энергии на привод термокомпрессора; увеличить степень повышения давления в термокомпрессоре и его производительность.Using the claimed invention will allow cooling the thermocompressor and heat removal of the engine cycle through the use of cold stored in a cryogenic liquid; supply heat not only from a special source of heat, but also use the heat of the environment; eliminate the consumption of mechanical (electrical) energy to drive the thermocompressor; increase the degree of pressure increase in the thermocompressor and its performance.

Claims (1)

Термокомпрессор, содержащий цилиндр, внутри которого находится подвижный регенератор, соединенный через шток с приводом и делящий внутреннюю полость цилиндра на холодную и горячую части, впускной и выпускной клапаны, рубашку охлаждения, установленную на холодную часть термокомпрессора, отличающийся тем, что привод выполнен в виде цилиндра, имеющего впускные и выпускные клапаны, и снабжен поршнем, который соединен через шток со стороны горячей части термокомпрессора с регенератором, причем выпускные клапаны связаны магистралью с термокомпрессором через рессивер, а впускные клапаны цилиндра привода связаны магистралью с рубашкой охлаждения, со стороны холодной части термокомпрессора расположен цилиндр, имеющий впускные и выпускные клапаны, снабженный поршнем, который соединен через шток с регенератором, выпускные клапаны связаны с рубашкой охлаждения, а сама рубашка охлаждения через магистрали — с впускными клапанами привода, впускные клапаны соединены с емкостью, а рубашка охлаждения выполнена в виде цилиндрического стакана с внутренними проточками, при этом проточки и поверхность холодной части термокомпрессора образуют каналы охлаждения.Thermocompressor comprising a cylinder, inside which is movable the regenerator, is connected through a rod with the drive and dividing the inner cavity of the cylinder into the hot and cold side, the intake and exhaust valves, cooling jacket installed on the cold part of the thermocompressor, characterized in that the drive is designed as a cylinder having inlet and outlet valves, and is equipped with a piston, which is connected through the rod from the side of the hot part of the thermocompressor to the regenerator, and the exhaust valves are connected by a line with thermo the compressor through the receiver, and the inlet valves of the drive cylinder are connected by a line to the cooling jacket, on the cold side of the thermocompressor there is a cylinder having inlet and outlet valves, equipped with a piston that is connected through the rod to the regenerator, the exhaust valves are connected to the cooling jacket, and the cooling jacket itself through the mains - with the intake valves of the actuator, the intake valves are connected to the tank, and the cooling jacket is made in the form of a cylindrical cup with internal grooves, while Cold and glasses surface portion thermo forming cooling channels.