устройство для производства сжатого перегретого воздуха

Формула изобретения

Устройство для производства сжатого перегретого воздуха, состоящее из, по меньшей мере, одного цилиндра, впускного и выпускного клапанов, коленчатого вала и сбрасывающего клапана, отрегулированного на требуемое давление и соединенного с магистральным трубопроводом, отличающееся тем, что коленчатый вал соединен с силовым приводом, выпускной клапан через выпускной патрубок соединен с дополнительным трубопроводом, коаксиально охватывающим магистральный трубопровод, выход которого соединен с рабочим соплом, при этом вход дополнительного трубопровода соединен с цилиндром через выпускной клапан, а выход выполнен в виде воздуходувного окна, охватывающего рабочее сопло магистрального трубопровода.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к поршневым компрессорным машинам и может быть использовано на тех объектах, где необходимо воздействие горячего сжатого воздуха с повышенными температурой и давлением - например, непосредственно для резки твердых легкоплавких материалов (пластмассы, смолы, льда), для выдувания расплавов в процессе резки твердых тугоплавких материалов (металлы, бетон, железобетон), для очистки транспортных сосудов.

Известен вертикальный одноступенчатый поршневой компрессор, включающий цилиндр с нагнетательным и всасывающим патрубками и поршнем, принцип работы которого общеизвестен: при движении поршня из верхнего положения вниз и снижении в цилиндре открывается всасывающий клапан, и газ заполняет цилиндр. Когда поршень придет в нижнее положение, всасывающий клапан закрывается. При последующем движении поршня вверх давление газа в цилиндре увеличивается, и при некотором превышении давления в цилиндре по сравнению с давлением в нагнетательном патрубке - нагнетательный клапан открывается, и сжатый газ через него вытесняется в нагнетательный патрубок. Когда поршень придет в верхнее положение, нагнетательный клапан закрывается. При каждом обороте коленчатого вала такой процесс всасывания, сжатия и нагнетания повторяется (Захаренко С.Е., Анисимов С.А., Дмитриевский В.А. и др. Поршневые компрессоры, М. - Л., Машгиз, 1961, с.7)[1].

Недостатком одноступенчатого поршневого компрессора является то, что степень сжатия воздуха в нем невелика, давление нагнетательного воздуха редко превышает 6-7 ата [1, стр.63], т.к. сжатый воздух имеет предельно допустимую ГОСТом температуру - 160-170°С [1, стр.61]. Невозможно получить сжатый воздух с высокой температурой и в многоступенчатом компрессоре, поскольку после сжатия газа в каждой ступени компрессора газ охлаждается в холодильнике [1, стр.63].

Наиболее близким техническим решением является устройство для производства сжатого перегретого воздуха, состоящее из, по меньшей мере, одного цилиндра, впускного и выпускного клапана, коленчатого вала и сбрасывающего клапана, отрегулированного на требуемое давление и соединенного с магистральным трубопроводом (RU 2178833 C2, 27.01.2002)[2].

Принцип работы такого устройства состоит в следующем. В начале рабочего цикла поршень в цилиндре движется из верхнего положения в нижнее положение, при этом через открытый впускной клапан атмосферный воздух поступает в цилиндр (впуск).

В следующем периоде цикла поршень движется вверх, сжимая воздух в цилиндре, при этом температура воздуха повышается до 500-600°С (сжатие) и происходит воспламенение топлива, впрыскиваемого в цилиндр через форсунку в конце такта сжатия. Воздушно-топливная смесь, сгорая, повышает температуру газов до 1700-2000°С. Сбрасывающий клапан, настроенный на давление, превышающее давление сжатия данного двигателя, открывается и газ по открытому каналу поступает в ресивер и одновременно толкает поршень из верхнего положения в нижнее положение (расширение). Поступление газа в ресивер будет происходить до тех пор, пока давление в цилиндре не достигнет величины давления, на которое отрегулирован сбрасывающий клапан. Далее при движении поршня вверх цилиндр очищается от продуктов сгорания (выпуск) и подготавливается к очередному циклу. При отсутствии расхода газа из ресивера двигатель работает в штатном режиме.

Известное устройство обладает существенными недостатками, заключающимися в сравнительно низкой производительности по сжатому газу с высокими температурой и давлением вследствие частичного отбора мощности двигателя и в невозможности использования сжатых газов в ограниченном открытом пространстве из-за их экологической вредности.

Следовательно, в поршневом компрессоре, описанном в [1], обеспечивается получение сжатого воздуха, но он имеет низкую температуру и недостаточно высокое давление; а в мотор-компрессоре, описанном в [2], обеспечивается получение сжатого газа с высокими температурой и давлением, но его использование неэффективно вследствие сравнительно низкой производительности и экологической вредности отработанных газов (продукта сгорания воздушно-топливной смеси) двигателя внутреннего сгорания.

Задачей изобретения является такое изменение конструкции двигателя внутреннего сгорания, которое позволяет ему работать в качестве поршневого компрессора с полным использованием камер сжатия цилиндров для получения экологически безопасного продукта - горячего сжатого воздуха, обладающего высокими параметрами - температурой и давлением.

Для решения этой задачи наиболее приемлемым является использование дизельного двигателя (дизеля).

Техническим результатом изобретения является отбор из рабочего цилиндра двигателя внутреннего сгорания сжатого воздуха с повышенными температурой и давлением, достаточными для непосредственного воздействия его на объект.

Указанный технический результат достигается тем, что в известном устройстве для производства сжатого перегретого воздуха, состоящего из, по меньшей мере, одного цилиндра, впускного и выпускного клапанов, коленчатого вала и сбрасывающего клапана, отрегулированного на требуемое давление и соединенного с магистральным трубопроводом, коленчатый вал соединен с силовым приводом, выпускной клапан через выпускной патрубок соединен с дополнительным трубопроводом, коаксиально охватывающим магистральный трубопровод, выход которого соединен с рабочим соплом, при этом вход дополнительного трубопровода соединен с цилиндром через выпускной клапан, а выход выполнен в виде воздуходувного окна, охватывающего рабочее сопло магистрального трубопровода.

Указанная совокупность существенных признаков заявляемого устройства позволит превратить известное устройство в компрессор перегретого воздуха. При этом возможно использование двигателей внутреннего сгорания с остаточным моторесурсом (списанных с баланса машин, «отслуживших» свой срок), что обуславливает низкую стоимость заявляемого устройства, а следовательно, и низкую себестоимость производства 1 м³ перегретого воздуха.

Кроме того, введение дополнительного трубопровода, коаксиально охватывающего магистральный трубопровод, повышает эффективность воздействия сжатого перегретого воздуха на объект за счет снижения тепловых потерь в магистральном трубопроводе, а также за счет предварительного нагрева объекта воздействия.

Заявленное устройство поясняется чертежом, на котором представлена его схема.

Устройство включает силовой привод 1 и дизель 2. В качестве привода может быть использован электродвигатель или двигатель внутреннего сгорания. Привод 1 вращает коленчатый вал 3 дизеля 2 (на чертеже показан двухцилиндровый четырехтактный дизель), соединенный с поршнем 4. Вместо топливных форсунок, имеющихся в обычном дизеле, в каждый цилиндр 5 дизеля вмонтирован сбрасывающий клапан 6, соединенный патрубком 7 с магистральным трубопроводом 8. Выпускной клапан 9 дизеля 2 через выпускной патрубок 10 соединен с дополнительным трубопроводом 11, коаксиально охватывающим магистральный трубопровод 8, которому он служит теплоизолирующей рубашкой. К магистральному трубопроводу 8 подсоединены рабочие сопла 12, через которые сжатый перегретый воздух воздействует на объект 13, а дополнительный теплоизолирующий трубопровод 11 соединен с воздуходувными окнами 14 для предварительного нагрева объекта 13. Каждый цилиндр 5 дизеля 2 имеет впускной клапан 15.

На чертеже показаны также зоны воздействия сжатого перегретого воздуха на объект 13: а - зона предварительного нагрева воздухом объекта 13 из дополнительного трубопровода 11 через воздуходувные окна 14; б -зона непосредственного воздействия на объект 13 воздухом из магистрального трубопровода 8 через рабочие сопла 12.

Устройство работает следующим образом.

Привод 1 вращает коленчатый вал 3 дизеля 2, который работает в режиме, соответствующем газораспределительной системе дизеля, т.е. при движении поршня 4 дизеля 2 вниз воздух через впускной клапан 15 поступает в цилиндр 5; при движении поршня 4 вверх воздух в цилиндре 5 сжимается до давления, на которое отрегулирован сбрасывающий клапан 6, и нагревается до соответствующей этому давлению температуры. При достижении в цилиндре 5 давления, на которое отрегулирован сбрасывающий клапан 8, последний открывается, и нагретый воздух через патрубок 7 под давлением поступает в магистральный трубопровод 8 и далее через рабочие сопла 12 воздействует на объект 13 в зоне б (см. чертеж). После того, как давление воздуха в цилиндре 5 упало, сбрасывающий клапан 6 закрывается. Остаток нагретого воздуха при последующем ходе поршня 4 вверх выталкивается из цилиндра 5 через выпускной клапан 9 в выпускной патрубок 10 в дополнительный трубопровод 11, по которому он выдавливается и через воздуходувные окна 14 производит предварительный нагрев объекта воздействия 13 в зоне а (см. чертеж). Таким образом, дизель 2, реконструированный соответствующим образом и приводимый в работу приводом 1, выполняет функцию компрессора перегретого воздуха.

О режиме эксплуатации описываемого устройства необходимо заметить следующее. Если сбрасывающий клапан 6 отрегулировать на максимальное давление, которое заложено в конструкции дизеля, - 34-39 атм, то сжатый воздух будет иметь температуру 500-600°С. Однако при таком режиме в магистральный трубопровод 8 попадает слишком малый объем перегретого воздуха и он будет практически весь выходить через выпускной клапан 9 в дополнительный трубопровод 11. Наиболее оптимальным будет режим работы, при котором сбрасывающий клапан 6 отрегулирован на давление 20-25 атм. В этом случае, с одной стороны, обеспечивается предварительный нагрев объекта воздействия 13 выхлопным воздухом через дополнительный трубопровод 11, а также теплоизоляция магистрального трубопровода 8, а с другой стороны - и объем, и температура воздуха (350-400°С) в магистральном трубопроводе 8 будут достаточными для воздействия на объект 13.

Таким образом, в сравнении с известным мотор-компрессором описываемое устройство имеет следующие преимущества:

- оно обеспечивает получение экологически безопасного рабочего тела (перегретого сжатого воздуха), воздействующего на объект, и более высокую производительность;

- эффективность воздействия сжатого перегретого воздуха на объект (т.е. эксплуатационные качества устройства) повышается вследствие наличия дополнительного трубопровода и воздуходувных окон, поскольку осуществляется предварительный нагрев объекта воздействия и снижаются тепловые потери в магистральном трубопроводе;

- устройство можно смонтировать на базе двигателей внутреннего сгорания с остаточным моторесурсом (списанных с баланса погрузочно-разгрузочных и транспортных машин, «отслуживших» свой срок), имеющихся практически на каждом предприятии, что делает его доступным и дешевым в эксплуатации.