Тепловой насос-испаритель

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК я 15 Е 04 В 17/00 ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ ивной ап. Изобретение отн паратуре газовых д сгорания, использу образное топливо с высоким давлением зовано в топливных гателей. осится к топвигателей внющих сжиженподачей в ци и может бы системах газ утреннего ное газо- индр под ь испольовых двиАВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛ ЬСТВУ(71) Специальное конструкторско-технологическое бюро Института проблем машиностроения АН УССР и Институт проблеммашиностроения АН УССР(57) Изобретение относится к двигателестроению, а именно: к топливной аппаратурегазовых двигателей внутреннего сгорания,Цель изобретения - повышение КПД теплоИзвестен тепловой насос-испаритель, содержащий корпус с горячим и холодным цилиндрами, первый из которых выполнен большего диаметра, расположенные в цилиндрах поршни, соединенные между собой подпружиненным штоком с образованием в цилиндрах штоковых и бесштоковых полостей, канал с испарителем, сообщенный со штоковой полостью горячего цилиндра, а в поршне последнего установлен перепускной клапан с возможностью перепуска среды из штоковой полости горячего цилиндра в бесштоковую полость. ЯО 1756608 А вого насоса-испарителя и увеличение максимального давления, Насос-испаритель имеет корпус с горячим и холодным цилиндрами, расположенные в цилиндрах поршни, соединенные между собой штоком с образованием в цилиндрах штоковых и бесштоковых полостей, клапаны и источник пускового давления. Насос-испаритель снабжен гидроаккумулятором и золотником. Последний жестко связан со штоком и установлен в линии, соединяющей штоковые полости холодного и горячего цилиндров, на участке между испарителем и установленным на выходе из штоковой полости холодного цилиндра обратным клапаном, который дополнительного соединен с гидроаккумулятором. 1 ил,Недостатком известного насоса является наличие массивных штока, соединяющего поршни, и втулки, соединяющей цилиндры, что обеспечивает большой тепловой поток от теплового к холодному цилиндру и значительное испарение криопродукта как в полостях насоса, так и в криобаке при установке насоса непосредственно в криобак. Кроме того, большое количество клапанов й теплообменников усложняет конструкцию насоса, а увеличеннйе мертвые объемы теплообменников, работающих в циклическом режиме. ограничивают степень повйшения давления газообразного продукта.Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является тепловой насос-испаритель, содержащий корпус с горячим и холодным цилйндрами, первый иэ которых выполнен большего диаметра. расположенные в цилиндрах поршни, соеди10 15 20 25 30 35 40 45 50 ненныю междусобой подпружиненным штоком с образованием в цилиндрах штоковых и бесштоковых полостей, всасывающий клапан, установленный в холодном цилиндре со стороны его штоковой полости, нагнетательный клапан, установленный в горячем цилиндре со стороны его бесштоковой полости, при этом штоковая полость холодного цилиндра соединена со штоковой полостью горячего цилиндра посредством линии, в которой последовательно установлены обратный клапан на выходе из штоковой полости холодного цилиндра, испаритель и второй обратный клапан на. входе в штоковуЮ полость горячего цилиндра, а в поршне последнего установлен перепускной клапан с переключателем его положения при взаимодействии с корпусом и фиксатором, расположенным со стороны штоковой полости горячего цилиндра, а также источник пускового давления, сообщенный через обратный клапан со штоковой полостью горячего цилиндра. Недостатком насоса является ограничение максимального давления, обусловленное затяжкой испарения в нагревателе до возврата поршней в нижнее положение, так как подача жидкого продукта в испаритель происходит во время движения поршня вверх и к моменту остановки поршня и возврата его вниз интенсивно испаряющийся криопродукт поступает через открытый клапан поршня теплого цилиндра к потребителю без отдачи энергии на работу холодного цилиндра, Кроме того, насосу характерен длительный выстой поршней в нижней мертвой точке из-за недостаточного количества испаряющего продукта, что снижает цикличность и производительность насоса,Цель изобретения - повышение КПД и увеличение максимального давления теплового насоса-испарителя,Указанная цель достигается тем, что тепловой насос-испаритель, Содержащий корпус с горячим и холодным цилиндрами, первый из которых выполнен большего диаметра;расположенные в цилиндрах поршни, соединенные между собой подпружиненным штоком с образованием в цилиндрах штоковых и бесштоковых полостей,всасывающий клапан, установленный в холодном цилиндре со стороны его штоковой полости, нагнетательнцй клапан, установленный в горячем цилиндре со стороны его бесштоковой полости, при этом штоковая полость холодного цилиндра связана со штоковой полостью горячего цилиндра посредством линии, которая включает испаритель и два обратных клапана, первый из которых установлен на выходе из штоковой полости холодного цилиндра, а второй срединяет испаритель со штоковой полостью горячего цилиндра, а в поршне последнего установлен перепускной клапан с переключением его положения при взаимодействии с корпусом и фиксатором,расположенным со стороны штоковой полости горячего цилиндра, дополнительно содержит гидроаккумулятор и золотник, который жестко связан со штоком и установлен в линии, соединяющей между собой штоковые полости холодного и горячего цилиндров, на участке между испарителем и установленным на выходе из штоковой полости холодного цилиндра обратным клапаном, причем последний дополнительно соединен с гидро- аккумулятором, .На чертеже представлена принципиальная схема теплового насоса-испарителя,Тепловой насос-испаритель содержит корпус 1 с горячим 2 и холодным 3 цилйндрами, первый из которых выполнен большего диаметра. В цилиндрах 2 и 3 расположены поршни 4 и 5, жестко соединенные между собой штоком 6 с образованием в цилиндрах 2 и 3 штоковых 7, 8 и бесштоковых 9, 10 полостей соответственно, Бесштоковая полость 10 холодного цилиндра 3 сообщена с полостью емкости 11, которая заполнена жидким криопродуктом, Через обратный клапан 12 со штоковой полостью горячего цилиндра 2 сообщен источник 13 пускового давления,В поршне 4 горячего цилиндра установлен подпружиненный перепускной клапан 14 с возможностью перепуска для среды из штоковой полости 7 горячего цилиндра 2 в бесштоковую полость 9,Перепускной клапан 14 выполнен с концевыми переключателями 15 и 16 его положения при воздействии с корпусом 1 и фиксатором 17, например, магнитного типа, расположенным со.стороны штоковой полости 7 горячего цилиндра 2.Всасывающий клапан 18 насоса установлен в холодном цилиндре 3 со стороны его штоковой полости 8, а подпружиненный нагнетательный клапан 19 насоса - в горячем цилиндре 2 со стороны его бесштоковой полости 9,Шток 6 герметизирован кольцевыми уплотнениями 20 и 21 и подпружинен совместно с поршнями 4 и 5 пружиной 22, размещенной в бесштоковой полости 9 горячего цилиндра 2,Штоковая полость 8 холодного цилиндра 3 связана со штоковой полостью 7 горячего цилиндра посредством линии 23, которая включает испаритель 24 и два обратных клапана 25 и 26. Обратный клапан 25установлен на выходе штоковой полости 8 ющий торец поршня 4 горячего цилиндра, вхолодного цилиндра, а обратный клапан 26 результате чего оба поршня 4 и 5 перемещасоединяет испаритель 24 со штоковой поло- - ются вверх вне зависимости от наличия пустью 7 горячего цилиндра 2, скового давления.Тепловой насос-испаритель дополни При перемещении штока 6 с поршнямительно содержит гидроаккумулятор 27 и зо- вверх нижняя (по чертежу) кромка К золотлотник 28, который жестко связан со ника 28, приближаясь к уплотнительномуштоком и установлен в линии 23 на участке пояску ЗО выступа 29, отсекает линию 23 отмежду испарителем 24 и обратным клапа- клапана 25, в результате чего прекращаетсяном 25, 10 поступление жидкого криопродукта из поОбратный клапан 25 дополнительйо лости 8 в линию 23, а в результате повышесоединен с гидроаккумулятором 27; на- ния давления в полости 8 жидкийпример, выполненными в виде пневмогид- криопродукт из последней через клапан 25роаккумулятора без разделителя, у которого поступает в аккумулятор 27, сжимая находяверхняя газовая часть размещена в зоне 15 щуюся в еговерхней части, расположеннойразмещения испарителя 24 горячей зоне), в горячей зоне, газовую подушку, образоГидроаккумулятор 27 можетбытьтакже пру- ванйую испаренным в аккумуляторе криопжинного типа (не показано), родуктом. Дальнейшее перемещениеЗолотник 28 может быть образован час- поршней вверх происходит за счет давлетью штока 6, содержащей проточку как по ния испаряющегося криопродукта, ранееказано на чертеже. В этом случае шток 6 накопленного в испарителе. При этом имеустановлен в отверстии корпуса 1 с кольце- -ющийся в полости 9 гаэ поршнем 4 вытеснявым зазором а на участке между уплотнени- ется к потребителю, При подходе к верхнейями 20 и 21, а корпус 1 содержит кольцевой мертвой точке поршней переключатель 16,выступ 29 с уплотнительным цилиндриче взаимодействуя с верхней крышкой цилинским пояском 30, взаимодействующим с уп- . дра 2, открывая клапан 14, сообщает штоко-лотнительными поясками золотника 28 вую полость 7 с бесштоковой полостью 9.являющегося одновременно наружной уп- Перепад давлений между полостями 7 и 9лотнительной поверхностью штока 6, при при этом исчезает. Перепускной клапан 14перемещении йоследнего относительно вы удерживается к открытом состоянии своейступа 29;пружиной, сообщая между собой полоси 7Кольцевой зазор а выполняет роль час- и 9,ти трубопровода линии 23, связывающей Давление газа в полостях цилиндра 2,между собой штоковые полости 8 и 7. взаимодействуя на площадь поперечногоПри расположении проточкизолотника 35 сечения штока 6, перемещает поршни 4 и 528 напротив выступа 29 между поверхностя- . со штоком 6 вниз. При.этом происходит всами пояска 30 и проточки золотника. имеется сывание жидкого криопродукта через кла.зазор Ь. пан 18 в полость 8 холодного цилиндра 3,Тепловой насос-испаритель работает При подходе поршней к нижней мертследующим образом, .40 вой точке нижняя кромка К золотника 28При запуске насоса в работу от источйи- отходит от пояска ЗО выступа 29, открывая вка 13 пускового давления подает импульс линии 23 проток по зазору Ь, При этом надавления через обратный клапан 12 в што- копленный в аккумуляторе 27 жидкий криковую полость 7 горячего цилиндра, что при- опродукт под давлением газовой подушки вводит к повышению давления в полости 7 и 45 верхней части аккумулятора вытесняетсявызывает совместное перемещение порш- через. зазор Ь в испаритель 24, проходя ченей 4 и 5 со штоком 6 вверх с одновремен- рез который криопродукт нагревается и, исным сжатием пружины 22. паряясь в газ. повышает давление в линиюПриходепоршней вверх поршень 5 вы. а следовательно, и в связанной к нейтесняет жидкий криопродукт из полости 8 50 через клапан 26 полости 7, Одновременночерез клапан 26, зазоры а и Ь и далее через повышается давление и в полости 9. сообиспаритель 24 и клапан 26 в штоковую по- щенной через открытый перепускной клалость 7 горячего цилиндра. пан 14 с полостью 7.При прохождении криопродукта через Из полости 7 под давлением часть газоиспаритель 24 происходит испарение кри образного криопродукта через клапан 19опродукта влинии 23, в результатечего по- поступает потребителю. Движение поршвышается давление в линии 23 и штоковой ней 4 и 5 вниз продолжается до моментаполости 7 горячего цилиндра 2. взаимодействия переключателя 15 перепуПовышение давления в полости 7 при- скного клапана 14 с нижним торцом цилинводит к увеличению усилид на соответству- дра 2. В результате этого клапан 14закрывается, полость 7 разобщается с полостью 9,После закрытия клапана 14 давление газа в полости 7 возрастает в результате дальнейшего испарения жидкого криопродукта, находящегося в испарителе 24,Под действием возросшего перепада давлений между полостями 7 и 9 поршни 4 и 5 перемещаются вверх, и циклповторяется,Благодаря тому, что криопродукт из аккумулятора 27 под давлением интенсивно поступает в испаритель 24 еще до момента подхода поршня к нижней мертвой точке, испаритель 24 к моменту нэчалэ движения поршней 4 и 5 вверх обеспечивает выдачу большего количества газа в полость 7, что повышает начальную скорость движения поршней изнижней мертвой точки, э следо. вательно, увеличивает цикличность и производительность,Прекращение подачи криопродукта за счет перекрытия зазора Ь телом золотника 28 в конце первой половины хода поршней 4 и 5 вверх обесйечйвает повышение КПД теплового насоса-испарителя благодаря более полному использованию давления испэ. ренного криопродуктэ, Этот эффект .аналогичен эффекту, проявляемому при отсечке пара в поршневых паровых машинах, однэко достигается иными средствами. Формула изобретения Тепловой нэсос-испаритель, содержащий корпус с горячим и холодным цилиндрами, первый из которых выполнен большего диаметра, расположенные в цилиндрах поршни, соединенные между собой штоком с образованием а цилиндрах штоковых и бесштоковых полостей, всасывающий 5 клапан, установленный в холодном цилиндре со стороны его штоковой полости, нагнетэтельный клапан, установленный в горячем цилиндре со стороны его бесштоковой полости, при этом штоковая полость холодного 10 цилиндра связана со штоковой полостью горячего цилиндра посредством линии, которая включает испаритель и двэ обратных клапана, первый из которых установлен нэ выходе из штоковой полости холодного ци линдра, э второй соединяет испаритель соштоковой полостью горячего цилиндра, в поршне последнего установлен перепускной клапэн с переключателем его положения при взаимодействии с корпусом и 20 фиксатором, расположенным со стороныштоковой полости горячего цилиндра, э также источник пускового давления, сообщенный через обратный клапэн со штоковой полостью горячего цилиндра. о т л и ч э ю щ и й ся тем, что, с целью повышения КПДтепловоо насосэ-испэрителя и увеличения максимального давления, насос снабжен гидроаккумулятором и золотником, последний жестко связан со штоком и установлен 30 в линии, соединяющей штоковые полостихолодного и горячего цилиндров на участке между испарителем и установленным на выходе из штоковой полости холодного цилиндра обратным клапаном, который 35 дополнительно соединен с гидроаккумулятором.1756608 Составитель В,Зеркалийэориэ Техред М,Моргентал Корректор С,Лисин А СССР роизаодстеенно.издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, Уо, Гагарина,акаэ 3075Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открцтиям при 113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5