Способ формирования проточного жидкостного поршня для сжатия и перекачки газа или газожидкостных смесей

Изобретение относится к области сжатия и перекачки газа или смеси жидкости с газом с помощью подвижного столба жидкости - проточным жидкостным поршнем (ПЖП) более высокой по сравнению со сжимаемой средой плотности и может быть использовано для получения высокой степени сжатия в одной ступени. Способ сжатия основан на формировании и удержании проточно-жидкостного поршня в рабочей камере роторно-поршневого мультифазного насоса при помощи центробежных сил и вытеснения им газа. Каждый поршень насоса образует с цилиндром две камеры (рабочую и подпорную). На такте всасывания рабочая камера заполняется газом, а подпорная камера - жидкостью, на такте нагнетания газ вытесняется из рабочей камеры в нагнетательную линию, а жидкость из подпорной камеры поступает через обратный клапан в рабочую камеру. Там под действием центробежных сил перед поршнем насоса формируется ПЖП, который вытесняет газ из всего объема рабочей камеры в нагнетательную линию. При этом объем жидкости, вытесняемой из подпорной камеры в рабочую камеру, не меньше количества жидкости, ушедшей на безвозвратные потери в ходе такта нагнетания. Это позволит выполнить устройства без жесткой механической связи между ротором и плунжерами (осуществить силовое замыкание кинематической пары корпус - плунжер), что ведет к отсутствию изменений знака момента вращения на приводном валу. Дополнительно выровняет нагрузку на привод большая инерция вращающихся масс. Возможность изготовления устройств с большим количеством плунжерных пар снизит пульсации давления в линии нагнетания, что выровняет нагрузку на привод. Выровняет нагрузку на привод также большая инерция вращающихся масс. 1 ил.

 

Изобретение относится к области сжатия и перекачки газа или смеси жидкости с газом с помощью подвижного столба жидкости более высокой по сравнению со сжимаемой средой плотности и может быть использовано для получения высокой степени сжатия в одной ступени.

Из предыдущих уровней техники известен способ и устройство для нагнетания газожидкостной смеси, выполненное по авт. св. СССР N 714044, кл. F 04 В 23/10, 1980 г.

Это устройство содержит состоящий из нескольких секций поршневой насос, имеющий в каждой секции рабочий цилиндр с образованной в нем рабочей камерой, всасывающий и нагнетательный клапаны, источник газожидкостной смеси или газа. Характерной особенностью известного устройства является то, что в каждой секции насоса между рабочим цилиндром и его нагнетательным клапаном установлена дополнительная (компрессионная) камера, снабженная впускным клапаном для сообщения этой камеры с источником газожидкостной смеси или газа в период выполнения насосом такта всасывания. При этом объем дополнительной камеры, по меньшей мере, равен рабочему объему цилиндра.

Работает устройство следующим образом. В период выполнения насосом такта всасывания газожидкостную смесь или газ с заданным избыточным давлением вводят непосредственно в рабочую камеру поршневого насоса, в зону, примыкающую к нагнетательному клапану, и одновременно через всасывающий клапан насоса из всасывающего коллектора (с помощью подпорного насоса) вводят перекачиваемую жидкость с избыточным давлением, равным давлению вводимой смеси или газа. При этим газожидкостная смесь или газ накапливается над жидкостью под нагнетательным клапаном (в период выполнения насосом такта всасывания) и при совершении насосом такта нагнетания вытесняется через нагнетательный клапан в коллекторную часть насоса. Для исключения накопления газожидкостной смеси или газа в объеме рабочей камеры при работе насоса количество вводимой газожидкостной смеси иди газа не должно превышать объема части камеры, непосредственно примыкающей к нагнетательному клапану.

Существенным недостатком авт. св. СССР N 714044 является - тихоходность установки. В частности, эффективная работа известных устройств возможна при ограниченных числах двойных ходов насоса (как правило, не выше 100 ход/мин), что предопределяет низкие показатели удельной производительности на единицу массы.

Это обусловлено тем, что при увеличении числа двойных ходов, ускорение подвижного столба жидкости, служащего рабочим органом для сжатия газа (далее по тексту - жидкого поршня), начинается интенсивное проникновение газа в жидкий поршень. Одним из основных факторов, влияющих на интенсивность проникновения газа в жидкий поршень, является инерция последнего. Причина - ускорение движения жидкости может достигать значений выше ускорений естественного опускания жидкости в бустерных камерах, в особенности в начальный момент такта всасывания. При дальнейшем увеличении числах двойных ходов насоса ускорение жидкого поршня начинает превышать ускорение естественного опускания жидкости. Следствием этого является разрушение сплошности жидкого поршня, что способствует "глубокому" проникновению газа в жидкость, а это, в свою очередь, вызывает снижение КПД с возможностью срыва подачи газа.

Существует еще одна причина снижения объемного КПД - диффузное растворение нагнетаемого газа в жидкости (в том числе и на такте сжатия).

Под действием этих факторов верхний слой жидкостного поршня по своим характеристикам близок к состоянию "кипящей" жидкости. Для устранения вредного влияния этих факторов жидкостный поршень выполняется проточным - "кипящий" слой жидкости при каждом такте сжатия удаляется из рабочей камеры. Для восполнения безвозвратных потерь жидкости наряду со сжимаемой средой а камеру вводится некий объем рабочей жидкости с давлением не менее давления сжимаемой среды на входе в рабочую камеру - осуществляется подпор. Объем подпорной жидкости должен быть равен (по крайней мере, быть не менее) объема безвозвратных потерь. Это возмещает потери рабочей жидкости и обеспечивает охлаждение рабочего тела за счет относительно низкой температуры, поступающей подпорной жидкости (далее по тексту именуемой проточным жидкостным поршнем - ПЖП). В то же время для исключения накопления газожидкостной смеси или газа в объеме рабочей камеры при работе насоса количество вводимой газожидкостной смеси или газа не должно превышать объема части камеры, непосредственно примыкающей к нагнетательному клапану.

В прототипе введение подпорной жидкости осуществляется от отдельного подпорного насоса в гидрочасть газобустерного насоса. Причем подача подпорной жидкости идет непосредственно в жидкостной поршень на стадии всасывания сжимаемой среды.

В связи с изложенным основной технической задачей, на решение которой направлено настоящее предлагаемое изобретение, является устранение эффекта интенсивного проникновения газа в жидкостной поршень, отрицательно влияющего на работу приводной части, повышение быстроходности (максимально допустимых частот возвратно-поступательных движений столба жидкости без разрыва столба жидкости), повышение удельной производительности на единицу массы и повышение КПД устройства в целом.

Вышеозначенную задачу можно решить в способе сжатия газа, основанном на формировании и удержании при помощи центробежных сил проточно-жидкостного поршня и вытеснения им газа в рабочей камере роторно-поршневого мультифазного насоса. Способ осуществляется следующим образом: каждый поршень насоса образует с цилиндром две камеры (рабочую и подпорную). На такте всасывания рабочая камера заполняется газом, а подпорная камера - жидкостью, на такте нагнетания газ вытесняется из рабочей камеры в нагнетательную линию, а жидкость из подпорной камеры поступает через обратный клапан в рабочую камеру. Там под действием центробежных сил перед поршнем формируется проточно-жидкостной поршень, который вытесняет газ из всего объема рабочей камеры в нагнетательную линию. При этом объем жидкости, вытесняемой из подпорной камеры в рабочую камеру, не меньше количества жидкости, ушедшей на безвозвратные потери в ходе такта нагнетания.

Первой особенностью данного изобретения состоит в использовании для формирования жидкого поршня не силы тяжести, а центробежных сил. Для этого жидкий поршень должен совершать не только возвратно-поступательные (относительно рабочих камер), но и одновременно вращательные (относительно оси, перпендикулярной поверхности расположения рабочих камер) движения, которые могут совершаться вместе с рабочими камерами. При этом жидкие поршни различных рабочих камер должны быть изолированы друг от друга.

Второй особенностью данного изобретения является осуществление подпора жидкости на стадии сжатия, что более эффективно и позволяет увеличить объемный КПД. В этом случае производить подпор жидкости для компенсации потерь и осуществления охлаждения целесообразно непосредственно в ПЖП

Использование возвратно-поступательных движений ПЖП позволит использовать преимущества сжатия с помощью "жидкого поршня" и полностью вытеснить газ из рабочей камеры, исключая появление тем самым мертвого пространства, а также обеспечить эффективное охлаждение газа за счет постоянного контакта последнего с жидкостью. Использование для формирования ПЖП центробежной силы вместо силы тяжести позволит увеличить скорости и ускорения последнего до значений центробежных скорости и ускорения. Это означает возможность увеличения и числа ходов ПЖП, т.к. центробежные ускорения могут намного превышать ускорение свободного падения.

Следует отметить, что по сравнению с прототипом, где разделение сжимаемой среды на газовую и жидкостную фазы происходят за счет действия гравитации, в предлагаемой заявке сепарация газожидкостной смеси производится за счет центробежных сил. Это намного эффективнее. В результате этого, за счет действия центробежных сил, появляется возможность значительно уменьшить проникновение газа в поверхностный сдой жидкости и снизить содержание жидкости в нагнетаемой среде, тем самым увеличив объемный КПД.

Один из возможных вариантов реализации способа в ступени роторно-поршневого мультифазного насоса показан на чертеже.

В соответствии с настоящим изобретением роторно-поршневая ступень содержит корпус, 1 внутренняя поверхность которого представляет из себя профиль, который задает возвратно-поступательное движение поршню 8 (как частный случай внутренняя поверхность может представлять эксцентрично расположенную к оси ротора 2 цилиндрическую поверхность). Внутри корпуса расположен ротор 2. В роторе 2 расположены поршни 8, образующие с цилиндром две камеры: рабочую 6 и подпорную 7, сообщающиеся между собой через нагнетательный жидкостный клапан 10. В роторе 2 также расположен газовый канал 4, соединенный с рабочей камерой 6 через всасывающий газовый клапан 11 и жидкостный канал 3, соединенный с дозирующей камерой 7 через всасывающий жидкостный клапан 9. Кроме того, в роторе расположен нагнетательный канал 5, соединенный через нагнетательный клапан 12 с рабочей камерой. Нагнетательный канал 5 является выходом роторно-поршневой ступени.

Роторно-поршневая ступень осуществляет способ следующим образом. На такте всасывания в дозирующую камеру 7 из жидкостного канала 3 через всасывающий жидкостной клапан поступает рабочая жидкость. В рабочую камеру 6 из газового канала 4 через всасывающий газовый клапан 11 поступает газ или газожидкостная смесь. На такте нагнетания объем рабочей 6 и дозирующей 7 камер уменьшается, при этом всасывающий жидкостной клапан 9 и всасывающий газовый клапан 11 закрыты. Жидкость из дозирующей камеры 7 через нагнетательный жидкостной клапан 10 поступает в рабочую камеру 6, где под действием сил инерции прижимается к поршню рабочей камеры. За счет уменьшения объема рабочей камеры 6 и заполнения части объема рабочей камеры 6 жидкостью, газ в рабочей камере 6 сжимается и через нагнетательный клапан 12 поступает в нагнетательный канал 5, являющийся выходом ступени компрессора.

Объем дозирующей камеры 7 должен быть таким, чтобы образовавшийся в рабочей камере 6 столб жидкости гарантированно вытеснил весь газ из мертвого пространства рабочей камеры 6 в нагнетательный канал 5.

Подача в рабочую камеру 6 из газового канала 4 через всасывающий газовый клапан 11 газожидкостной смеси позволит регулировать процентное соотношение газа и жидкости в линии нагнетания при подаче потребителю,

Согласно вышеизложенному подпор происходит на такте нагнетания, а не всасывания, что увеличивает полезный объем рабочих (газобустерных) камер.

Данное техническое решение позволит повысить объемный КПД компрессора при высокой степени сжатия в одной ступени.

Возврат плунжеров при обратном ходе осуществляется как центробежной силой, так и за счет давления газа. Газ при этом будет осуществлять работу. Это позволит выполнить устройства без жесткой механической связи между ротором и возвратно-поступательными движениями плунжера (осуществить силовое замыкание кинематической пары корпус - плунжер).

Следует отметить, что силовое замыкание ведет к отсутствию изменений знака момента вращения на приводном валу. Дополнительно выровняет нагрузку на привод большая инерция вращающихся масс.

Возможность изготовления устройств с большим количеством плунжерных пар снизит пульсации давления в линии нагнетания, что выровняет нагрузку на привод. Выровняет нагрузку на привод также большая инерция вращающихся масс.

Отличительные признаки, отраженные в формуле изобретения, необходимы и достаточны для его осуществления, т.к. обеспечивают решение поставленной задачи - устранение интенсивного проникновения газа в жидкостной поршень, отрицательно влияющего на работу приводной части, повышение быстроходности и повышение КПД устройства в целом.

Технические признаки, являющиеся отличительными для заявляемого изобретения, могут быть реализованы с помощью средств, используемых а различных областях техники, в частности в насосо- и компрессоростроении.

Способ формирования проточного жидкостного поршня для сжатия и перекачки газа или газожидкостных смесей, отличающийся тем, что формирование проточного жидкостного поршня происходит при помощи центробежных сил в рабочей камере роторно-поршневого мультифазного насоса, причем впрыск подпорной жидкости в рабочую камеру для восполнения ее (подпорной жидкости) невозвратимых потерь происходит на такте нагнетания газа (вытеснения газа из рабочей камеры в нагнетательную линию) из дополнительной подпорной камеры, которая образована поршнем роторно-поршневого мультифазного насоса вместе с рабочей камерой и сообщается с ней через обратный клапан и которая заполняется жидкостью на такте всасывания во время заполнения рабочей камеры газом, при этом объем жидкости, вытесняемой из подпорной камеры в рабочую, должен быть не меньше количества жидкости, ушедшей на безвозвратные потери в ходе такта нагнетания.