Свободнопоршневая машина

Изобретение относится к устройствам для проведения химического взаимодействия газовых смесей и может быть использовано в технологических установках сжатия смесей компонентов газа с различным тепловым эффектом реакции, а также для получения, например, синтез-газа из газообразного углеводородного сырья. Свободнопоршневая машина содержит корпус, имеющий цилиндрическую камеру, свободный поршень, продувочные отверстия, выполненные в боковой стенке корпуса, в цилиндрической камере размещены подвижные крышки, связанные с регулирующим устройством и выполненные с впускными и выходными отверстиями для изменения объема реакционной секции и формирования перепускного канала для подачи смеси и выпуска газа с измененными параметрами, свободный поршень выполнен двухступенчатым. Свободный поршень и подвижные соединенные между собой крышки могут быть выполнены с возможностью противофазного сбалансированного движения поршня и соединенных между собой крышек в корпусе. Изобретение обеспечивает упрощение конструкции свободнопоршневой машины; повышение эффективности ее работы при высокой степени сжатия газов или их смесей, надежности и безопасности эксплуатации; снижение массивности основных деталей; снижение вибраций. 8 з.п. ф-лы, 4 ил.

 

Изобретение относится к устройствам для проведения химического взаимодействия газовых смесей и может быть использовано в технологических установках сжатия смесей компонентов газа с различным тепловым эффектом реакции, а также для получения, например, синтез-газа из газообразного углеводородного сырья.

Известные генераторы синтез-газа свободнопоршневого типа содержат укрепленный на основании корпус, имеющий цилиндрическую реакционную камеру, установленную вертикально, с размещенным внутри нее свободным поршнем, который делит камеру на две рабочие полости, продувочные отверстия для ввода сырья и вывода конечного продукта (например, синтез-газа), перекрываемые управляемыми клапанами (например, патент РФ №2097121, МПК B01J 12/00, оп. 27.11.1997 г. Для получения синтез-газа используется сжатие метано-воздушной смеси стехиометрического состава, при этом запуск генератора осуществляют посредством разгона поршня сжатым газом от компрессора. Основным недостатком таких генераторов является низкий ресурс их работы при высоких давлениях и жестких режимах функционирования, когда тепловые и вибрационные нагрузки возрастают выше допустимых по прочностным характеристикам. Для снижения вибраций до допустимого уровня генераторы устанавливают на массивное основание и вводят существенные ограничения на скорость нарастания давления во время реакции, чем значительно сужается диапазон возможных типов реакций и составов компонентов реагирующих газовых смесей.

Наиболее близким устройством того же назначения к заявленному техническому решению является устройство импульсного сжатия газов по патенту РФ №2142844, МПК B01J 12/00, оп. 20.12.1999 г., содержащее корпус, имеющий цилиндрическую камеру, разделенную на две полости размещенным внутри нее с возможностью возвратно-поступательного перемещения свободным поршнем, продувочные отверстия, выполненные в боковой стенке корпуса, узел запуска, размещенный в стенке корпуса, при этом узел запуска выполнен в виде быстродействующего импульсного газового клапана.

Недостатками наиболее близкого аналога являются сложная конструкция используемых узлов, что приводит к снижению надежности и безопасности эксплуатации устройства, значительные утечки газа между поршнем и стенками камеры при высокой степени сжатия, снижающие эффективность работы свободнопоршневой машины, и массивность деталей для обеспечения прочности конструкции.

Задачей изобретения является расширение области допустимых режимов работы свободнопоршневой машины при импульсном сжатии газов или их смесей, уменьшение массивности основных деталей и износа поверхностей поршня и внутренней поверхности цилиндрической камеры, повышение эффективности ее работы и упрощение конструкции.

Технические результаты изобретения: упрощение конструкции свободнопоршневой машины за счет объединения в одном устройстве реактора дожимного компрессора и приводного двигателя для получения на выходе газа с заданными параметрами давления и температуры; повышение эффективности работы свободнопоршневой машины при высокой степени сжатия газов или их смесей; снижение массивности основных деталей свободнопоршневой машины; снижение вибраций свободнопоршневой машины за счет противофазного сбалансированного движения поршня и подвижных крышек, соединенных между собой, в корпусе устройства; повышение надежности и безопасности эксплуатации свободнопоршневой машины.

Технические результаты достигаются тем, что свободнопоршневая машина содержит корпус, имеющий цилиндрическую камеру, свободный поршень, продувочные отверстия, выполненные в боковой стенке корпуса, в цилиндрической камере размещены подвижные крышки, связанные с регулирующим устройством и выполненные с впускными и выходными отверстиями для изменения объема реакционной полости и формирования перепускного канала для подачи смеси и выпуска газа с измененными параметрами, соединенные механически между собой с возможностью противофазного сбалансированного движения с поршнем. Свободный поршень выполнен двухступенчатым (дифференциальным). Под двухступенчатым или дифференциальным поршнем в предлагаемом техническом решении понимается поршень с частями разного диаметра.

Кроме того, регулирующее устройство свободнопоршневой машины может состоять из пружинного регулируемого элемента.

Кроме того, пружинный регулируемый элемент может содержать пружину и связанный с ней подвижный рычаг.

Кроме того, пружинный регулируемый элемент может содержать пружину и связанную с ней винтовую пару.

Кроме того, в винтовой паре может быть подвижный винт.

Кроме того, в винтовой паре может быть подвижная гайка.

Кроме того, пружинный регулируемый элемент может содержать пружину и связанный с, по меньшей мере, одной подвижной крышкой компрессор с регулятором выпускного давления.

Кроме того, по меньшей мере, одна из торцевых крышек может быть соединена с поршнем, который вывешивает их в пневматически регулируемой системе.

Кроме того, свободнопоршневая машина может быть размещена внутри пневматически регулируемой системы, а продувочные впускные и выходные отверстия соединены с подводящими и отводящими магистралями, соединяющими вышеупомянутые отверстия с пространством вне пневматически регулируемой системы.

Свободнопоршневая машина схематично представлена на фиг.1. На фиг.2 показана схема свободнопоршневой машины, в которой торцевые крышки вывешены на пружинном регулируемом элементе. На фиг.3 показана схема свободнопоршневой машины, в которой торцевые крышки соединены с одной стороны с пружинным элементом, а с противоположной стороны - с компрессором с регулятором выпускного давления. На фиг.4 показана схема свободнопоршневой машины, в которой торцевые крышки вывешены в пневматически регулируемой системе.

Свободнопоршневая машина (фиг.1) содержит корпус 1, установленный вертикально и имеющий цилиндрическую камеру 2, разделенную на полости 3, 4 и 5 свободным поршнем 6, размещенным внутри нее с возможностью возвратно-поступательного перемещения, подвижные крышки 7, соединенные между собой. В корпусе 1 имеются продувочные отверстия 8 и 9, предназначенные для подачи и выпуска воздуха, отверстие 10 для подачи, например, метано-воздушной смеси, отверстие 11 для выхода, например, синтез-газа из полости 4, клапана 12, 13 для впуска и выпуска, например, синтез-газа (конечного продукта) из полости 5. В подвижных крышках 7, соединенных между собой выполнены окна 14, 15 для подачи и выхода воздуха. Подвижные крышки 7 связаны с регулирующим устройством 16.

Для снижения тепловой напряженности деталей конструкции поршень 6 может быть выполненным из двух разнесенных в осевом направлении частей. Поршень 6 выполнен двухступенчатым, создающим в объеме цилиндрической камеры 2 своей первой рабочей ступенью полость, например, синтеза газа 4, а второй ступенью - компрессорную полость 3, при этом полость 5 образована разностью диаметров частей поршня реактора и компрессора. Подвижные крышки, соединенные между собой 7 свободнопоршневой машины, выполнены полыми с возможностью перемещения между корпусом 1 и свободным поршнем 6 для формирования перепускных каналов входа и выхода газов. Изменяя объем рабочей полости за счет перемещения поршня 6 и подвижных соединенных между собой крышек 1 навстречу друг другу, можно варьировать рабочим объемом свободнопоршневой машины, степенью сжатия, а также работать на различных видах топлива без изменения конструктивных параметров свободнопоршневой машины. Реакция, например, производства синтез-газа при этом протекает в условиях высоких температур и давлений, достигаемых за счет импульсного сжатия соответствующего сырья свободным поршнем в полости синтез-газа 4. Нижняя полость устройства имеет узел запуска свободнопоршневой машины (источник сжатого воздуха), при этом запуск свободнопоршневой машины осуществляется при крайнем положении поршня путем подачи газа и изменения параметров усилия взаимодействия регулирующего устройства 16 на соединенные между собой крышки 7. Таким образом, свободнопоршневая машина объединяет импульсный адиабатический реактор, приводной двигатель и дожимной компрессор. С целью исключения заброса непрореагированных компонентов исходной смеси и уменьшения энергетических затрат может использоваться схема реактора с прямоточной продувкой и полным расширением продуктов реакции. В качестве продувочного двигателя может использоваться газовый двухтактный дизель с петлевой продувкой без охлаждения и подачей топлива в конце продувки. Дожимной компрессор может быть выполнен поршневым, одноступенчатым с автоматическими клапанами и перепускными окнами в начале сжатия.

По варианту свободнопоршневой машины (фиг.2) нижняя торцевая крышка 7 поджата пружиной 17 и связанным с ней подвижным рычагом 18.

По варианту свободнопоршневой машины (фиг.3) нижняя торцевая крышка 7 поджата пружиной 17, а верхняя торцевая крышка 7 соединена с компрессором 19.

По варианту свободнопоршневой машины (фиг.4) верхняя и нижняя торцевые крышки 7 вывешены с помощью пневматической подвески 20 в кожухе 21.

Работа свободнопоршневой машины (фиг.1) представляет циклический процесс и происходит следующим образом. При подаче газа под давлением происходит наполнение полости 3 через отверстие 8. Для запуска устройства подается сжатый газ от компрессора по магистрали. Под давлением поступающего толкающего газа поршень 6 начинает двигаться вверх, а подвижные, соединенные между собой крышки 7 - вниз, отсекая верхнюю полость от отверстий, и сжимает газ в ней. В результате, под давлением сжатого в верхней полости 3 газа поршень 6 отбрасывается вниз - навстречу непрерывно поступающему толкающему газу, сжимая его, останавливается, а затем вновь начинает двигаться вверх и описанный цикл повторяется. Каждый цикл состоит из тактов сжатия и расширения газа в полостях 3 и 4, происходящих при возвратно-поступательном движении свободного поршня 6 в цилиндрической камере 2. Необходимые для протекания процесса параметры достигаются при сжатии газообразных исходных веществ поршнем в период нахождения вблизи соответствующей мертвой точки. Необходимый режим колебаний поршня поддерживается за счет конвертирования выделяющегося вблизи соответствующей мертвой точки тепла в работу подобно тому, что происходит в поршневых двигателях внутреннего сгорания. При достижении поршнем 5 заданного режима колебаний (степени сжатия, необходимой для начала реакции) через отверстие 10 начинается подача, например, метано-воздушной смеси и вывод полученного синтез-газа через отверстие 11. В результате перемещения подвижных, соединенных между собой крышек 7 формируется перепускной канал для выпуска синтез-газа. Таким образом, смесь газообразного углеводородного сырья подвергают парциальному окислению путем сжатия смеси для обеспечения условий реакции в объеме камеры компрессионного типа при движении поршня к верхней мертвой точке, расширению смеси за счет движения поршня к нижней мертвой точке, охлаждению и выводу продуктов процесса, содержащих синтез-газ из реакционного объема. Заданное давление синтез-газа после свободнопоршневой машины получают расширением продуктов реакции до давления продувки, охлаждением и сжатием в компрессорной полости 5 до нужного давления.

Рабочий процесс свободнопоршневой машины по варианту (фиг.2) будет характеризоваться тем, что под действием сжатого воздуха нижняя крышка 7 смещается вниз, преодолевает сопротивление пружины 17, а затем возвращается вверх в противофазе с движением поршня 6, что позволяет улучшить силовые и вибрационные характеристики машины без усложнения ее конструкции.

Рабочий процесс свободнопоршневой машины по варианту (фиг.3) происходит аналогичным предыдущему варианту образом, при этом, исчерпав силовой импульс давления пружины 17, верхняя крышка 7 затормаживает свое движение и останавливается в расчетной точке. Торможение будет нерезким благодаря наличию пневматического компрессора 19, снижающего противодействие со стороны крышки 1, что создает более благоприятные условия для гашения ее движения и вибраций в конструкции.

Работа свободнопоршневой машины по варианту (фиг.4) происходит следующим образом. При подвешивании давлением в кожухе 21 происходит противофазное движение крышек 7 с движением поршня 6 без демпфирования и возбуждением только низких частот колебания конструкции, что способствует гашению вибраций конструкции и уменьшению акустических шумов при работе машины.

Примеры конструктивного выполнения свободнопоршневой машины могут быть разными, при этом рациональное решение выбирается при конструкторском проектировании. Так, несколько свободнопоршневых машин могут располагаться параллельно друг другу в виде кольца или объединяться в пакете заданной формы. Элементы свободнопоршневой машины могут быть выполнены известными способами из известных материалов.

Преимущества предложенной свободнопоршневой машины заключаются в ее малой массе, высоких значениях параметров рабочего процесса (степени повышения давления, температуры), которые существенно улучшают технико-экономические характеристики свободнопоршневых машин, например, для генерации синтез-газа.

Таким образом, предлагаемая свободнопоршневая машина обеспечивает, например, при производстве синтез-газа:

1. значительное расширение диапазона возможных типов реакции и состава компонентов газа, использование в качестве смеси компонентов газов с различным тепловым эффектом реакции (например, аргона для повышения температуры нагрева газа в зоне реакции без предварительного подогрева реагирующих газов);

2. высокий уровень температур в зоне реакции и большие скорости сжатия приводят к полной реакции синтез-газа без образования сажи;

3. многофункциональное использование (генератор синтез-газа и компрессор в одном устройстве);

4. улучшенное качество синтез-газа и большой выход конечного продукта после реакции (от 30 до 90 процентов), при этом не требуется продувки синтез-газа, а оставшаяся часть находится в реакционной камере для повышения нагрева новой порции запускаемого газа;

5. обеспечение плавного запуска, быстрого выхода на установившийся режим и остановки свободнопоршневой машины за счет использования подвижных, соединенных между собой крышек, при этом выпуск газа осуществляется на определенной стадии с заданной степенью конверсии и требуемыми параметрами синтез-газа;

6. подавление колебаний (вибраций) при использовании противофазного сбалансированного движения поршня и подвижных, соединенных между собой крышек в корпусе устройства.

1. Свободнопоршневая машина, содержащая корпус, имеющий цилиндрическую камеру, разделенную на две полости, с размещенным внутри нее свободным поршнем, продувочные отверстия, выполненные в боковой стенке корпуса, подвижные крышки в цилиндрической камере, отличающаяся тем, что свободный поршень выполнен двухступенчатым, подвижные крышки связаны с регулирующим устройством и выполнены с впускными и выходными отверстиями для изменения объема реакционной полости и формирования перепускного канала для подачи смеси и выпуска газа с измененными параметрами, соединенные механически между собой с возможностью противофазного сбалансированного движения с поршнем.

2. Свободнопоршневая машина по п.1, отличающаяся тем, что регулирующее устройство состоит из пружинного регулируемого элемента.

3. Свободнопоршневая машина по п.2, отличающаяся тем, что пружинный регулируемый элемент содержит пружину и связанный с ней подвижный рычаг.

4. Свободнопоршневая машина по п.2, отличающаяся тем, что пружинный регулируемый элемент содержит пружину и связанную с ней винтовую пару.

5. Свободнопоршневая машина по п.4, отличающаяся тем, что в винтовой паре подвижный винт.

6. Свободнопоршневая машина по п.4, отличающаяся тем, что в винтовой паре подвижная гайка.

7. Свободнопоршневая машина по п.2, отличающаяся тем, что пружинный регулируемый элемент содержит пружину и связанный с, по меньшей мере, одной подвижной крышкой компрессор с регулятором выпускного давления.

8. Свободнопоршневая машина по п.1, отличающаяся тем, что, по меньшей мере, одна из торцевых крышек соединена с поршнем, который вывешивает их в пневматически регулируемой системе.

9. Свободнопоршневая машина по п.8, отличающаяся тем, что последняя размещена внутри пневматически регулируемой системы, а продувочные, впускные и выходные отверстия соединены с подводящими и отводящими магистралями, соединяющими вышеупомянутые отверстия с пространством вне пневматически регулируемой системы.