Пристрій об’ємного витискання робочого тіла

Пристрій об'ємного витискання робочого тіла, який має робочі органи зі змінною робочою площею, які забезпечують послідовну зміну об'єму однієї порції робочого тіла, який відрізняється тим, що має конструкцію, яка передбачає певну кількість однакових робочих органів, які одночасно 3 принципово однакова. Це відбувається тому, що ідеальний процес стискування робочого тіла у робочому органі поршневого компресору потребує змінного зусилля, яке прикладається до поршня у відповідності до зміни тиску робочого тіла. Тобто, якщо зростатиме тиск, то буде зростати, відповідно, і зусилля яке прикладається. Якщо не враховувати сили тертя, то потрібна механічна робота, яка прикладається, буде відповідати повній роботі газу (цієї порції робочого тіла). Але якщо розглянути реальний процес стискування, то за причиною постійно однакового (на протязі усього оберту вала) розвиваємого зусилля приводом компресора (наприклад, електродвигуном), величина усієї прикладаємої механічної роботи буде значно більша ніж це потрібно. Це збільшення відбувається тому, що постійне розвиваєме зусилля приводу компресора, як мінімум, дорівнює потрібному зусиллю лише наприкінці процесу стискування робочого тіла. Таким чином, навіть без урахування сил тертя фактично прикладаєма механічна робота у реальному будь якому компресорі є значно більша за мінімально необхідну - повну роботу цієї порції робочого тіла. (cтop.98 «Основы гидравлики и теплотехники» В.Е. Егорушкин, Б.И» Цеплович, М.: Машиностроение, 1981. 268с.). Деякі покращення ефективності процесу стиснення є у роторних та спіральних компресорах. Це покращення досягається за рахунок поступової зміни робочої площі їх робочих органів. Тобто при збільшені тиску порції робочого тіла і відповідно зменшені її об'єму, робоча площа теж зменшується. Цим досягається зменшення величини прикладаємого зусилля (обертового моменту) та відповідно зменшення загальної потрібної механічної роботи, що витрачається у приводі компресора. За таким принципом проведення процесу стискування працюють деякі поршневі компресори, у яких порція робочого тіла стискується послідовно у кількох робочих органах - циліндрах. При цьому кожний наступний циліндр, в який потрапляє порція робочого тіла, має меншу робочу площу та, відповідно, менший свій робочий об'єм. Або наприклад, у шиберному роторному компресорі зміна робочої площі досягається завдяки тому, що осі статора та ротора зміщені і шиберна перетинка то входить, то виходить з ротору, Конструкційним недоліком компресорів, де використовується такий спосіб збільшення ефективності, можна вважати те, що фактично конструктивно майже неможливо здійснити дотримання певної оптимальної залежності між зміною об'єму порції робочого тіла та зміною площі робочого органу, тобто того потрібного оптимального їх співвідношення при якому відбудеться зменшення прикладаємої механічної роботи до величини повної роботи цієї порції робочого тіла (газу). Це співвідношення полягає у тому, що: наприклад при збільшенні тиску робочого тіла у два рази робоча площа повинна зменшитись відповідним чином теж у два рази. Таким чином, без дотримання цієї певної залежності, в усіх існуючих компресорах, зменшення прикладаємої механічної роботи є несуттєвим. Загальним недоліком усіх існуючих компресо 49722 4 рів є те, що процеси стиснення в них відбуваються з великим запасом витрат електрики або палива у двигунах привода. До недоліків існуючих компресорів також можна віднести і те, що відсутність еквівалентного наростання прикладаємого механічного зусилля зміни тиску робочого тіла призводить до великих ударних напружень у всьому механізмі компресора, А це, в свою чергу, призводить до додаткових витрат за для збільшення міцності усіх його деталей. Все це значно зменшує питому продуктивність (на 1кг ваги) компресора та призводить до подорожчання процесу виготовлення і в результаті збільшенню собівартості компресора в цілому. Аналогічні недоліки мають і існуючі двигуни. Тільки з тією різницею, що фактично отримана механічна робота є значно меншою від тієї потенціальної роботи, що має порція введеного робочого тіла. Розглянемо принцип роботи двигунів. А саме поршневого двигуна, при цьому не важливо буде він двигуном внутрішнього згорання (ДВС) чи паровою, чи пневматичною машиною. Принцип роботи таких двигунів полягає у тому, що у внутрішній об'єм робочого органу (циліндру з поршнем) подається стиснуте робоче тіло (у ДВС порція робочого тіла утворюється шляхом згорання введеного палива), яка розширюючись переміщує рухому частину робочого органу (наприклад, поршень), що призводить до виконання механічної роботи. Недоліком роботи такого двигуна є те, що отримана в ньому механічна робота значно менша за ту потенційно можливу, що має введена порція стиснутого робочого тіла. Це відбувається тому, що при поступовому падінні тиску, у процесі розширення порції робочого тіла, завдяки постійній робочій площі робочого органу (поршня) відбувається поступове зменшення розвиваємого зусилля. Відносно до цього у двигунобудуванні є таке поняття як робота за один цикл, яка розраховується з застосуванням середнього індикаторного тиску. Це таке умовне постійне значення тиску під дією якого під час робочого ходу виконувалась би робота, яка дорівнює роботі двигуна за один цикл. (cтop.19 «Двигатели внутреннего сгорания» Ю.Б. Моргулис изд. «Машиностроение», Москва Б-66). Тобто, сила, що діє на поршень, дорівнює середньому індикаторному тиску помноженому на площу поршня, а робота дорівнює силі помноженої на шлях пройдений поршнем, Тобто робота газу за один цикл по всяк час є меншою за повну роботу цієї ж порції газу. Деякі покращення, а саме зменшення різниці ніж роботою за один цикл та повною роботою, досягаються шляхом застосування змінливої робочої площі робочих органів. Наприклад, є роторні двигуни з шиберними перетинками тієї ж самої конструкції, що розглядалася вище за текстом при описі роботи компресорів, У цих двигунах покращення їх ефективності досягається за рахунок поступового збільшення робочої площі. Чим менше тиск робочого тіла тим більша стає робоча площа. Таким чином досягається збільшення розвиваємого зусилля наприкінці ходу рухомої частини робочого органу та, як слідство, збільшення отриманої механічної роботи. Також, наприклад, є 5 такі двигуни - парові машини кратного розширення, в яких мінливість робочої площі досягалось у кількох робочих органах (циліндрах). Тобто принцип їх дії полягає у тому, що спочатку порція стиснутого робочого тіла (пари) вводиться у перший циліндр з малою робочою площею, де вона розширюється, виконуючи механічну роботу, до певних своїх параметрів, потім вона вводиться у інший (другий) робочий орган з більшою робочою площею, де теж виконує роботу до певних параметрів. Кількість таких послідовних робочих органів з різними робочими площами, як правило, становить три або чотири, тобто це машини трьох кратного або чотирьох кратного розширення. Наведені типи двигунів є прототипом пристрою, що передбачається корисною моделлю. Якщо проаналізувати ефективність роботи двигунів зі змінливою робочою площею, то як і у компресорів їх ефективність змінюється дуже не значно. Це відбувається за тієї ж самої причині, що і у компресорів, а саме - принцип їх роботи, тобто конструкція, не забезпечує виконання певного оптимального співвідношення між зміною робочої площі та зміною тиску - при зменшені тиску робочого тіла у два рази, площа робочого органу повинна збільшитись теж у два рази. Тільки таким чином можна досягнути постійно однакового розвиваємого зусилля і відповідно збільшити кількість отриманої механічної роботи. Загальним недоліком існуючих пристроїв об'ємного витискання робочого тіла є низька ефективність проведення процесів перетворень енергії стиснутого робочого тіла та механічної роботи. У основу корисної моделі поставлена задача розробити нову конструкцію пристрою яка би забезпечувала спосіб збільшення ефективності процесу перетворення механічної роботи та енергії стиснутого робочого тіла. Поставлене завдання вирішується шляхом створення нової конструкції пристрою об'ємного витискання робочого тіла, який передбачає певну кількість однакових робочих органів, які одночасно та окремо один від одного виконують процес зміни робочого об'єму - розширення або стиснення, при цьому на кожен момент часу об'єм кожного робочого органу відрізняється від об'ємів всіх робочих органів не певну однакову величину, яка забезпечується послідовним, один за одним, впуском порції робочого тіла у кожен з них. При цьому конструкція компресору забезпечує постійне утворення однакової різниці між внутрішніми об'ємами всіх робочих органів, а точніше між об'ємами однакових по масі порцій робочого тіла, кожна з яких окремо від всіх інших знаходиться у одному з робочих органів. Корисна модель визначає, що кількість робочих органів у пристрої повинна бути якомога більшою, а значить величина різниці між об'ємами робочих органів (порцій робочого тіла) повинна бути як можна меншою. Для розрахунку оптимальної та мінімальної кількості робочих органів у пристрої застосовується саме такий принцип. Для подальшого опису треба зробити деякі пояснення. У внутрішньому об'ємі робочого органу компресору порція робочого тіла має такі пограни 49722 6 чні стани: у момент закінчення процесу впуску порції робочого тіла її об'єм буде максимальним, а тиск мінімальним. Назвемо такий стан порції робочого тіла - порція робочого тіла з мінімальним тиском процесу (Vмін). У момент закінчення процесу стиснення и початку процесу виводу стиснутої порції з робочого органу, об'єм порції у цей момент буде мінімальним а тиск максимальним. Назвемо такий стан порції - порція робочого тіла з максимальним тиском процесу (Vмакс). Розрахунок оптимальної кількості робочих органів у компресорі ведеться наступним чином, Величина Vмін ділиться на Vмакс. Отримане числове значення і буде становити оптимальну кількість робочих органів у компресор;. Наприклад: Vмін=1000см3; Vмакс=100см3; тоді: Vмін/Vмакс=1000/100=10шт. Оптимальна кількість робочих органів визначає оптимальну складність конструкції пристрою, яка забезпечить перетворення механічної роботи та енергії стиснутого робочого тіла з максимальною ефективністю. Розраховувати мінімально необхідну кількості робочих органів треба таким же чином як і оптимальну, лише з тією різницею, що об'єм порції з мінімальний тиском потрібно ділити на об'єм, який рекомендується не збільшувати більше ніж у два рази від об'єму порції з максимальним тиском процесу. Наприклад: Vмін=1000см3; Vмакс=100см3, тоді Vмін /2*Vмакс=1000/2*100=5шт. У цьому прикладі мінімальна кількість циліндрів (робочих органів) становить 5 шт., оптимальна - 10 шт., а максимальна - необмежено. У відповідності до цих розрахунків буде змінюватись і ефективність роботи пристрою - чим більше число робочих органів тим вище його ефективність. Розрахунок конструкції пристрою проводиться за умови наперед заданої, тобто потрібної його ефективності. У зв'язку з тим, що конструкція пристрою може бути, в принципі, будь якої складності, то при її створенні потрібно опиратися на доцільність, яка обумовлює загальні витрати і потрібну продуктивність. Пристрій - компресор працює наступним чином. Розглянемо роботу шиберного роторного компресора коли вже відбулося заповнення всіх його робочих органів порціями робочого тіла, компресора у якому, як приклад, є 10 окремих одна від одної порожнин ніж статором та ротором, кожна з яких розділена двома перетинками, які розташовані у одній площині, але по різні боки від осевої лінії ротора. Така конструкція компресору дозволяє у кожний момент його роботи, за кожні півоберта його валу послідовно виводити десять стиснутих порцій робочого тіла. Тобто у цьому компресорі постійно та одночасно приймають участь у процесі стиснення тільки 10 робочих органів» Завдяки тому, що кожен робочий орган компресору є по суті окремим, самостійним компресором, то впуски та випуски порцій робочого тіла відбуваються таким самим чином як, наприклад, було описано на початку цього опису. Для визначення порядку роботи запропонованого компресору треба вказати тільки наступне: конструкція запропонованого компресору призводить до того, що 7 49722 при кожному оберті валу компресору на 1/20 відбувається виведення стиснутої порції робочого тіла з одного робочого органу, та одночасне зменшення об'ємів всіх порцій робочого тіла на 1/10 у порівнянні з об'ємом порції робочого тіла з мінімальним тиском процесу. Тобто у якомусь робочому органі об'єм порції робочого тіла, що до цього наприклад мав мінімальний тиск процесу, зменшиться на 1/10 і буде становити 1/9 від первинного свого об'єму. Ще у іншому робочому органі об'єм порції, що вже був на 1/10 менше за об'єм порції з мінімальним тиском, зменшиться ще на таку ж саму величину і буде становить 1/8 від того ж первинного свого об'єму. І така сам відміна буде між об'ємами усіх інших робочих органів, які одночасно приймають участь у процесі стиснення, У тих робочих органах, які не приймають участь у процесі стиснення відбувається процес впуску робочого тіла, при чому одночасно. Таким чином, у винайденому компресорі окрім зменшення прикладаємого зусилля (обертового моменту), та відповідно і зменшення усієї прикладаємо! механічної роботи привода компресору, досягається і зменшення ударних напруг у механізмі усього компресору. Досягнення такого зменшення призводить до таких можливостей, як застосування матеріалів з меншими потребами до фізико-механічних властивостей, навіть до застосуванняне металевих матеріалів (поліамідів, пла Комп’ютерна верстка А. Рябко 8 стмаси та таке інше), а це призводить до зниження собівартості компресору. Крім того треба зазначити, що якщо провести зрівняння на різницю у силах тертя між запропонованим компресором та будь яким існуючим компресором при однокових їх продуктивностях, сили тертя у запропонованому компресорі збільшаться зовсім незначно, а в деяких видах конструкцій поршневих компресорів навіть і зменшаться. Зменшення сил тертя може відбутися завдяки тому, що при зменшенні розмірів робочих органів відбувається ї відповідне зменшення їх рухомих частин. Наприклад, як що поршень (великий) має якісь певні розміри (діаметр, висоту), то при поділенні його робочої площі на визначену кількість частин (малих поршнів), відбудеться зменшення як діаметру кожного такого поршня, так і висоти, що призведе до зменшення загальної площі тертя усіх цих (малих) робочих органів компресору у порівнянні з одним великим робочим органом. Майже ті ж самі покращення відбуваються і у двигунах. Конструкція двигуна, що створена для здійснення такого принципу зміни об'єму робочого тіла (роботи) дозволяє збільшити ефективність перетворення енергії стиснутого робочого тіла у механічну роботу. Відповідно до корисної моделі створена діюча експериментальна модель пристрою, на якій отримана механічна робота значно більша ніж у існуючих двигунах. Підписне Тираж 26 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601