КОМПРЕССОРНАЯ УСТАНОВКА Российский патент 2002 года по МПК F04D29/58 

Изобретение относится к управлению компрессорными установками, эксплуатируемыми в различных отраслях народного хозяйства, находящимися в климатических условиях с длительным воздействием минусовых температур и особенно на шахтных предприятиях горной промышленности.

Известна компрессорная установка (см. авт. св. 1746078, М.Кл. F 04 D 29/58, 1992, бюл. 25), содержащая компрессор, установленные на линии нагнетания теплообменник-утилизатор, концевой холодильник, воздухосборник, соединенные между собой основными и дополнительными трубопроводами, которые снабжены клапанами, электрически связанными с блоком управления, и пневмосеть.

Недостатком является поступление значительного количества каплеобразной влаги со всасываемым воздухом в компрессор, особенно в зимне-весенний и осенне-зимний периоды, когда атмосферный воздух с высокой относительной влажностью дополнительно насыщается влагой при дожде, туманах, при снегопаде и метелях - льдом и инеем, переходящими в жидкость в процессе охлаждения после сжатия, что приводит к низкой эксплуатационной надежности работы компрессорной установки и повышению энергозатрат на производство сжатого воздуха, обусловленных необходимостью последующего удаления влаги из пневмосети энергоемкими устройствами, например влагоотделителями.

Известна компрессорная установка (см. RU 2169294 С1, МПК 7 F 04 D 29/58, 20.06.2001), содержащая компрессор, установленные на линии нагнетания теплообменник-утилизатор, концевой холодильник, воздухосборник, соединенные между собой основными и дополнительными трубопроводами, которые снабжены клапанами, электрически связанными с блоком управления, и пневмосеть, причем компрессор посредством всасывающего трубопровода соединен через крышку с фильтром, представляющим собой корпус с крышкой и коническим днищем, в нижней части которого установлен поплавок-конденсатор, в верхней части корпуса выполнено устройство в виде суживающегося сопла, к входному отверстию которого прикреплена сетка, а после его выходного отверстия установлена отражательная перегородка.

Недостатком является энергоемкость производства сжатого воздуха, обусловленная изменением массовой производительности компрессора, определяемой плотностью всасываемого атмосферного воздуха, зависящей от температуры окружающей среды, в погодно-климатических условиях которой эксплуатируется компрессорная установка промышленного предприятия.

Технической задачей изобретения является снижение энергоемкости производства сжатого воздуха путем поддержания нормированной массовой производительности компрессорной установки, которая зависит от температурного режима всасываемого воздуха, регулируемого в процессе испарения атмосферной влаги с отражательной перегородки воздушного фильтра.

Технический результат достигается тем, что компрессорная установка содержит компрессор, установленные на линии нагнетания теплообменник-утилизатор, концевой холодильник, воздухосборник, соединенные между собой основными и дополнительными трубопроводами, которые снабжены клапанами, электрически связанными с блоком управления, и пневмосеть, причем компрессор посредством всасывающего трубопровода соединен через крышку с фильтром, представляющим собой корпус с крышкой и коническим днищем, в нижней части которого установлен поплавок-конденсатор, в верхней части корпуса выполнено устройство в виде суживающегося сопла, к входному отверстию которого прикреплена сетка, а после его выходного отверстия установлена отражательная перегородка, которая выполнена из биметалла и состоит из двух жестко соединенных пластин, причем первая пластина отражательной перегородки со стороны выходного отверстия суживающегося сопла выполнена пористой, а вторая - сплошной, т.е. без пор.

На фиг. 1 представлена принципиальная схема компрессорной установки, на фиг.2 - общий вид воздушного фильтра компрессора.

Компрессорная установка состоит из компрессора 1 и установленных на нагнетательной линии 2 посредством основного трубопровода 3 и клапана 4 концевого холодильника 5 и воздухосборника 6, причем последний через клапан 7 соединен с пневмосетью 8. Теплообменник-утилизатор 9 дополнительным трубопроводом 10 и клапаном 11 соединен с нагнетательной линией 2, а дополнительным трубопроводом 12 и клапаном 13 соединен с концевым холодильником 5, кроме того, теплообменник-утилизатор 9 дополнительным трубопроводом 14 и клапаном 15 соединен с воздухосборником 6, а дополнительным трубопроводом 16 и клапаном 17 соединен с пневмосетью 8. Блок управления 18 электрически соединен с датчиками давления и температуры 19, установленными на всасывающем трубопроводе 20, и датчиками давления и температуры 21, установленными на пневмосети 8. На всасывающем трубопроводе 20 укреплен воздушный фильтр, состоящий из корпуса с крышкой 23 и конического днища 24 в нижней части которого установлен поплавок-конденсатор 25, a в верхней части корпуса выполнено устройство в виде суживающегося сопла 26, к входному отверстию 27 которого прикреплена сетка 28, при этом после выходного отверстия 29 суживающегося сопла 26 установлена отражательная перегородка из биметалла 30, кроме того, всасывающий трубопровод 20 соединен с крышкой 23 корпуса воздушного фильтра. Отражательная перегородка 30 выполнена из биметалла и представляет собой две жестко соединенные пластины, первая из них, расположенная со стороны выходного отверстия 29 суживающегося сопла 26, выполнена пористой 31, вторая - сплошной 32.

Компрессорная установка работает следующим образом.

При положительных температурах окружающей среды в осенне-зимний период с высокой относительной влажностью и соответствующими параметрами по давлению и температуре, фиксируемыми датчиками 19, установленными на всасывающем трубопроводе 20, атмосферный воздух поступает через сетку 28 во входное отверстие 27 суживающегося сопла 26, где в результате образования воронки закручивается и поступает к выходному отверстию 29.

После выходного отверстия 29 суживающегося сопла 26 наблюдается поджатие струи закрученного потока атмосферного всасываемого воздуха, что приводит к дополнительной коагуляции мелкодисперсных капелек, сконденсировавшихся в процессе завихрения атмосферной влаги. После поджатия перед отражательной перегородкой 30 происходит внезапное расширение с эффектом Джоуля-Томсона. Внезапное расширение сопровождается снижением скорости обрабатываемого потока воздуха и образованием факела (определяемого углом распыла, т.е. расстоянием до отражательной перегородки), оптимальные размеры которого обеспечивают эффективное использование теплоты испарения.

Термодинамически расслоенный в суживающемся дозвуковом сопле 26 атмосферный воздух представляет собой два потока: холодный, насыщенный мелкодисперсной влагой, появившейся в процессе конденсации паров атмосферной влаги за счет более низкой температуры его по сравнению с окружающей средой (см., например, Меркулов П.И. Вихревой эффект и его применение в промышленности. - М., 1996, с. 363), и горячий, насыщенный твердыми частицами пыли и крупнодисперсной жидкостью в случае наличия в окружающей фильтр-среде дождя или тумана. Холодный поток, представляющий собой ядро влажного всасываемого воздуха, насыщенный твердыми и каплеобразными частицами, ударяется об отражательную перегородку 30 и мелкодисперсная жидкость, имеющая температуру холодного потока, заполняет капилляры пористой пластины 31, образуя "пятно" жидкости. Последующий контакт "пятна" жидкости с влажным воздухом, имеющим усредненную температуру (происходит смешивание в корпусе фильтра 22 на отражательной перегородке 30 горячего и холодного потоков), превышающую температуру жидкости в капиллярах пористой пластины 31, приводит к ее испарению. В результате отбора некоторого количества тепла от влажного воздуха на процесс испарения жидкости в капиллярах пористой пластины 31, а как известно (см. , например, Курчавин А. Г. и др. Экономия тепловой и электрической энергии. - М. , 1980 г.), чем ниже температура всасываемого атмосферного воздуха, тем выше его плотность и соответственно большее количество всасываемого воздуха поступает в компрессор, т.е. наблюдается снижение энергозатрат на производство сжатого воздуха. Поскольку всасываемый атмосферный воздух, ударяющийся об отражательную перегородку 30, наряду с каплеобразными частицами насыщен и твердыми пылеобразными частицами, то последние закупоривают часть капилляров пористой пластины 31, резко снижая эффект испарительного охлаждения в месте контакта воздуха и "пятна" жидкости. Выполнение отражательной перегородки 30 из биметалла приводит к образованию под действием температурного напора (разность температур между температурой "пятна" испаряющейся жидкости и температурой потока всасываемого атмосферного воздуха) колебания термовибрации (см., например, Дмитриев A.M. и др. Биметаллы. - Пермь, 1991 г.) пористой пластины 31 и сплошной пластины 32. В результате наблюдается "стряхивание" с отражательной перегородки 30 твердых пылеобразных частиц и капель неиспарившейся атмосферной влаги, поступившей со всасываемым воздухом в коническое днище 24, где данная масса накапливается и, воздействуя по мере накопления на поплавок-конденсатор 25, выбрасывается из корпуса воздушного фильтра 22.

Очищенный от каплеобразной влаги атмосферный воздух, огибая отражательную перегородку 30, по всасывающему трубопроводу 20 поступает в компрессор 1, где осуществляется его сжатие с меньшими энергозатратами, чем если бы наряду с воздухом в компрессор поступала каплеобразная влага, требующая дополнительных затрат на сжатие пара (температура при сжатии воздуха резко возрастает и каплеобразная влага превращается в пар). Под воздействием блока управления 18 клапаны 11, 13, 15 и 17 закрываются, а клапаны 4 и 7 открываются После сжатия воздух с температурой свыше 120^oС направляется по нагнетательной линии 2, основному трубопроводу 3 и через клапан 4 в концевой холодильник 5, где охлаждается до температуры около 100^oC. Далее процесс охлаждения сжатого воздуха продолжается в воздухосборнике 6, здесь происходит конденсация паров влаги, находящихся в сжатом воздухе. Из воздухосборника 6 через открытый клапан 7 сжатый воздух с температурой, превышающей температуру окружающей среды на 20-40^oС, поступает в трубопровод 8 пневмосети. По длине пневмосети 8 не наступает теплового равновесия, т.е. равенства температур сжатого воздуха и окружающей среды. В результате практически не происходит конденсации оставшихся паров влаги и сжатый воздух с заданной температурой и давлением, фиксируемыми датчиками 21, поступает в пневмосеть потребителя. Управление работой компрессора 1 осуществляется на основании известных схем блоком управления 18 по соотношению температуры и давления, фиксируемому датчиками 19 на всасывающем трубопроводе 20, и датчиком давления и температуры 21, установленными на пневмосети 8.

При минусовых температурах окружающей среды и высокой относительной влажности атмосферного воздуха, особенного часто наблюдаемых в зимне-весенний период и фиксируемых датчиками 19, всасываемый поток, насыщенный твердыми частицами жидкости в виде снега, инея и/или каплеобразной влаги, через сетку 28 и входное отверстие 27 поступает в суживающееся сопло 22. Воронкообразное движение всасываемого воздуха в суживающемся сопле 22 приводит к укрупнению и коагуляции замерзшей влаги в виде льда и снега и/или каплеобразной влаги, которая после выходного отверстия 29, внезапно расширяясь, ударяется об отражательную перегородку 30.

Энергия удара всасываемого воздуха при контакте с отражательной перегородкой 30 переходит в тепловую, частично переводя мелкодисперсные частицы твердой фразы атмосферной влаги в капельки жидкости, которые заполняют капилляры пористой пластины 31, соприкасаясь со сплошной пластиной 32. В результате отбора теплоты от потока высасываемого воздуха на испарение атмосферной влаги в капиллярах пористой пластины 31 его температура снижается, что регистрируется датчиком 19, и данная охлажденная масса направляется в компрессор 1. Часть неиспарившейся капельной влаги и твердые частицы как пыли, так и частицы фазового превращения атмосферной влаги (лед, снег, иней) в результате колебаний термовибрации (разность температур "пятна" испаряющейся жидкости и потока всасываемого воздуха, контактируемого с отражательной перегородкой 30) биметаллической отражательной перегородки 30 "стряхиваются" и скапливаются в коническом днище 24.

По мере накопления влаги в коническом днище 24 она воздействует на поплавок-конденсатор 25 и выбрасывается из воздушного фильтра 22. Очищенный от влаги всасываемый воздух по всасывающему трубопроводу 20 поступает в компрессор 1, где сжимается и по нагнетательному трубопроводу 2, основному трубопроводу 3 через открытый клапан 4 поступает с температурой около 120^oС в концевой холодильник 5 для частичного охлаждения и далее в воздухосборник 6.

В воздухосборнике 6 осуществляется процесс конденсации паров влаги, неотделенной в воздушном фильтре 22. Сжатый воздух, с температурой на 10-20^oС превышающей температуру окружающей среды, через открытый клапан 7 поступает в пневмосеть 8. В результате воздействия на пневмосеть 8 окружающей среды с минусовыми температурами осуществляется интенсивное охлаждение сжатого воздуха с конденсацией паров влаги, а появившаяся в трубопроводах жидкость, охлаждаясь, замерзает. Это приводит к резкому увеличению гидравлического сопротивления трубопроводов пневмосети 8. В этом случае, наряду с изменением температуры сжатого воздуха, изменяется его давление, что фиксируется датчиками 21 давления и температуры 19 и передается на блок управления 18.

В результате воздействия блока управления 18 на электрически связанные с ним клапаны осуществляются следующие операции: открываются клапаны 11, 13, 15 и 17, закрываются клапаны 4 и 7. Тогда сжатый воздух из компрессора 1 с температурой около 120^oС через открытый клапан 11 по вспомогательному трубопроводу 10 поступает в теплообменник-утилизатор 9, где отдает часть тепла и по вспомогательному трубопроводу 12 через открытый клапан 13 направляется в концевой холодильник 5. Совместное охлаждение в теплообменнике-утилизаторе 9 и в воздухосборнике 6 обеспечивает дополнительное снижение температуры сжатого воздуха до значений, близких к температуре окружающей среды, т.е. в воздухосборнике 6 осуществляется практически полная конденсация паров влаги. Из воздухосборника 6 сжатый воздух по дополнительному трубопроводу 14 через клапан 15 поступает в теплообменник-утилизатор 9, где нагревается на 10-20^oС (отбирается теплота от потока сжатого воздуха, движущегося непосредственно от компрессора 1) и по дополнительному трубопроводу 16 через клапан 17 направляется в пневмосеть 8.

Поступление в наземную пневмосеть 8 подогретого воздуха с уменьшенным количеством парообразной влаги обеспечивает надежность прохождения потока без охлаждения до температуры окружающей среды и соответственно без выпадания конденсата по длине пневмосети. В результате в пневмосеть 8 поступает сжатый воздух заданного нормированного давления и несколько повышенной температуры, что фиксируется датчиками 21 и контролируется блоком управления 18.

Оригинальность предлагаемого изобретения заключается в том, что снабжение компрессорной установки воздушным фильтром с отражательной перегородкой из биметалла, состоящей из двух пластин, одна из которых - пористая и расположена со стороны входа всасываемого воздуха, обеспечивает снижение энергозатрат на производство сжатого воздуха путем поддержания нормированного температурного режима всасываемого воздуха за счет использования процесса испарения атмосферной влаги.

Эффективность охлаждения всасываемого воздуха за счет отбора теплоты на испарение жидкости из капилляров пористой пластины заключается в дополнительном аккумулировании объема жидкости по длине капилляров, что предотвращает отрыв жидкости потоком воздуха без испарения (скорость всасываемого воздуха на выходе из суживающегося сопла достигает 10 м/с), т.е. отсутствие пористой пластины не позволило бы испарить в более полном объеме жидкость, ударяющуюся об отражательную перегородку и образующую "пятно" испарения. Кроме того, испаряющаяся в пористой пластине отражательной перегородки атмосферная влага, наряду с твердыми частицами, под воздействием колебаний термовибраций не сбрасывается в днище, что уменьшает частоту удаления конденсата с загрязнениями из корпуса воздушного фильтра, а это приводит к экономии сжатого воздуха, используемого в процессе продувки полости слива конденсата, и в конечном итоге дополнительно снижает энергоемкость компрессорной установки.

Установка предназначена для использования в горной промышленности на шахтных предприятиях, в народном хозяйстве при длительном воздействии минусовых температур. Установка содержит отражательную перегородку, выполненную из биметалла. Отражательная перегородка состоит из двух жестко соединенных пластин. Первая пластина со стороны выходного отверстия суживающегося сопла выполнена пористой. Вторая пластина сплошная. Обеспечивается снижение энергоемкости производства сжатого воздуха. 2 ил.

Компрессорная установка, содержащая компрессор, установленные на линии нагнетания теплообменник-утилизатор, концевой холодильник, воздухосборник, соединенные между собой основными и дополнительными трубопроводами, которые снабжены клапанами, электрически связанными с блоком управления, и пневмосеть, причем компрессор посредством всасывающего трубопровода соединен через крышку с фильтром, представляющим собой корпус с крышкой и коническим днищем, в нижней части которого установлен поплавок-конденсатор, в верхней части корпуса выполнено устройство в виде суживающегося сопла, к выходному отверстию которого прикреплена сетка, а после его выходного отверстия установлена отражательная перегородка, отличающаяся тем, что отражательная перегородка выполнена из биметалла и состоит из двух жестко соединенных пластин, при этом первая пластина отражательной перегородки со стороны выходного отверстия суживающегося сопла выполнена пористой, а вторая - сплошной.