КОМПРЕССОРНАЯ УСТАНОВКА Российский патент 2004 года по МПК F04D29/58 

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

Известна компрессорная установка (см. а.с. 1746078, МКИ F 04 D 29/58, 1992, Бюл. №15), содержащая компрессор, установленные на линии нагнетания теплообменник-утилизатор, концевой холодильник, воздухосборник, соединенные между собой основным 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, льдом и инеем при снегопаде и метелях, переходящими в жидкость в процессе 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, в виде влагоотделителей.

Известна компрессорная установка (см. патент РФ №2184247, МПК F 04 D 29/58, 2002, Бюл. №18), содержащая компрессор, установленные на линии нагнетания теплообменник-утилизатор, концевой холодильник, воздухосборник, соединенные между собой основным и дополнительными трубопроводами, которые снабжены клапаном, электрически связанным с блоком управления, причем компрессор посредством всасывающего трубопровода соединен с воздушным 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 выходного его отверстия установлена отражательная перегородка, выполненная из биметалла и состоящая из жестко соединенных пластин, при этом первая пластина со стороны выходного отверстия суживающегося сопла выполнена пористой, а вторая - сплошной, при этом фильтр выполнен в виде резонатора, а отражательная перегородка посредством шарнира подвижно укреплена в верхней части корпуса фильтра и разделяет внутреннюю полость корпуса на камеры, сообщающиеся соответственно со всасывающим трубопроводом и суживающимся соплом, а поплавок-конденсатор через рычаг связан с отражательной перегородкой посредством жестко соединенной тяги.

Недостатком компрессорной установки является энергоемкость производства сжатого воздуха, обусловленная возникновением в эксплуатационных условиях вибрации воздушного фильтра, что приводит к изменяющемуся массовому поступлению атмосферного воздуха во всасывающий трубопровод компрессора.

Технической задачей изобретения является снижение энергоемкости производства сжатого воздуха путем поддержания максимальной массовой производительности компрессора в условиях вибрационного воздействия на воздушный фильтр.

Технический результат достигается тем, что на компрессорной установке увеличение массовой производительности компрессора осуществляется за счет выполнения его воздушного фильтра в виде резонатора, поддерживающего резонансные колебания воздушного столба в корпусе фильтра и во всасывающем трубопроводе компрессора, при этом 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, причем компрессор посредством всасывающего трубопровода соединен с воздушным 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 выходного его отверстия установлена отражательная перегородка, выполненная из биметалла и состоящая из жестко соединенных пластин, при этом первая пластина со стороны выходного отверстия суживающегося сопла выполнена пористой, а вторая - сплошной, фильтр выполнен в виде резонатора, при этом отражательная перегородка посредством шарнира подвижно укреплена в верхней части корпуса фильтра и разделяет внутреннюю полость корпуса на камеры, сообщающиеся соответственно со всасывающим трубопроводом и суживающимся соплом, а поплавок-конденсатор через рычаг связан с отражательной перегородкой посредством жестко соединенной тяги.

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

Компрессорная установка состоит из компрессора 1, установленных на нагнетательной линии 2, посредством основного трубопровода 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 22, выполненный в виде резонатора и состоящий из корпуса с крышкой 23 и коническим днищем 24, в нижней части которого установлен поплавок-конденсатор 25, а 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 30, состоящая из жестко соединенных пластин, при этом первая пластина 31 со стороны выходного отверстия суживающегося сопла 26 выполнена пористой, а вторая 32 - сплошной, кроме того, всасывающий трубопровод 20 соединен с крышкой 23 корпуса воздушного фильтра 22.

Отражательная перегородка 30 подвижно закреплена посредством шарнира 33 к крышке 23 и разделяет внутреннюю полость корпуса фильтра 22 на камеру 34, сообщающуюся с суживающимся соплом 26, и камеру 35, сообщающуюся со всасывающим трубопроводом 20; поплавок-конденсатор 25 через рычаг 36 связан с отражательной перегородкой 30 посредством жестко соединенной тяги 37.

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. Закручивание в суживающемся сопле 26 атмосферного воздуха с каплеобразными частичками способствует их коагуляции и частичной конденсации соприкасающихся с укрупненными каплями паров влаги. Смесь атмосферного воздуха с каплеобразной влагой окружающей среды, скоагулированной как в суживающемся сопле 26, так и при внезапном расширении на выходе из отверстия 29, внезапно расширяясь, ударяется об отражательную биметаллическую перегородку 30. Внезапное расширение сопровождается снижением скорости обрабатываемого потока атмосферного всасываемого воздуха, т.е. происходит эффект Джоуля Томпсона. Термодинамически расслоенный в суживающемся сопле 26 атмосферный всасываемый воздух представляет собой два потока: “холодный” - осевой, насыщенный мелкодисперсной влагой процесса конденсации паров атмосферной влаги, за счет более низкой температуры его по сравнению с окружающей средой, и “горячий” - периферийный, насыщенный твердыми загрязнениями (например, пылью) и крупнодисперсной жидкостью в случае наличия в окружающей фильтр среде дождя или тумана.

“Холодный” поток, представляющий собой ядро влажного атмосферного всасываемого воздуха, выходящего из суживающегося сопла 26, ударяется о пористую перегородку 31 биметаллической отражательной перегородки 30, и мелкодисперсная жидкость, имеющая температуру “холодного” потока, заполняет поры пластины 31, задерживаясь пластиной 32, и образует пятно жидкости. Последующий контакт пятна жидкости с влажным воздухом, имеющим усредненную температуру (происходит частичное смешивание в корпусе фильтра 22 перед отражательной перегородкой 30 “горячего” и “холодного” потоков), превышающую температуру жидкости в порах пластины 31 биметаллической отражательной перегородки 30, приводит к ее испарению. В результате наблюдается дополнительный отбор тепла (при испарении жидкости необходим подвод тепла) от атмосферного всасываемого воздуха в корпусе фильтра 22.

Известно, что в процессе производства сжатого воздуха (например, см. Алексеев В.В., Брюховецкий О.С. Горная механика. М.: Недра, 1995 - 413 с., ил.) наблюдаются продольные и поперечные вибрации компрессора и соответственно его воздушного фильтра в диапазоне от 1 до 30 Гц/см. При наличии продольных и поперечных колебаний воздушного фильтра и скорости всасываемого атмосферного воздуха до 10 м/с во внутреннем объеме воздушного фильтра может возникнуть резонанс и вследствие этого повышение давления всасываемого воздуха, т.е. увеличение массовой производительности компрессора. Применяем воздушный фильтр в качестве резонатора аналогично тому, как в качестве резонатора используют всасывающий воздуховод, который обеспечивает повышение массовой производительности компрессора на 20-25% (см. например, Курчавин В.М., Мезенцев А.П. Экономия тепловой и электрической энергии поршневых компрессоров. М., 1985, 80 с., ил.)

В результате пульсирующего ударного воздействия атмосферного всасываемого воздуха на отражательную перегородку 30 наблюдается ее вибрационное перемещение (вследствие подвижного укрепления на шарнире 33) в сторону полости 35, объем которой является резонатором в корпусе фильтра 22. Вибрационные колебания компрессора 1 и воздушного потока атмосферного всасываемого воздуха, поступающего в суживающееся сопло 26, создают резонансные колебания столба всасываемого воздуха в полости 35 фильтра 22 под действием возбудителей: уровня жидкости с поплавком-конденсатором 25 и отражательной перегородки 30, взаимосвязанных между собой посредством тяги 37 и рычага 36, обеспечивающих суммарное действие как поперечных, так и продольных вибрационных перемещений.

Надежность автоматизированного поддержания режима резонанса обеспечивается тем, что, например, уменьшение массы твердых и каплеобразных частиц в полости 34 (по условиям эксплуатации компрессорной установки - отсутствие дождя, снега, действия ветра в сторону суживающегося сопла 26 фильтра 22) снижает силу удара их об отражательную перегородку 30 и соответственно ее отклонение в полость 35 уменьшается. В то же время количество выпавших частиц в коническое днище 24 также уменьшается, в результате возрастают вибрации в поперечном направлении поплавка-конденсатора 25 (чем меньше масса конденсата в днище 24, тем интенсивнее колебания поплавка-конденсатора 25 и, соответственно, чем больше масса конденсата в днище 24 фильтра 22, тем с меньшей амплитудой колеблется поплавок-конденсатор 25), который через тягу 37 и рычаг 36 воздействует на отражательную перегородку 30, поддерживая столб атмосферного всасываемого воздуха в полости 35 в режиме резонанса с воздухом, поступающим в компрессор 1 по всасывающему трубопроводу 20.

При увеличении массы твердых и жидких частиц в полости 34, по сравнению с отрегулированным значением резонансного явления, возрастает сила их удара об отражательную перегородку 30 и, соответственно, ее отклонение в направлении полости 35 увеличивается. Одновременно возрастает количество выпавших твердых и каплеобразных частиц в коническом днище 24, поплавок-конденсатор 25 поднимается и через тягу 37 и рычаг 36 воздействует на отражательную перегородку 30, возвращая ее в исходное положение (положение, обеспечивающее резонансные колебания столба всасываемого воздуха в полости 35 воздушного фильтра 22.

Следовательно, данное конструктивное решение обеспечивает автоматизацию процесса поддержания резонанса и, соответственно, максимального массового поступления атмосферного всасываемого воздуха в компрессор.

Соотношение между параметрами резонатора (размерами пололсти 35 воздушного фильтра компрессора) находится, например, из выражения

где F - площадь (м²) поверхности отражательной перегородки 30 со стороны сплошной пластины 32;

h - расстояние (м) от уровня конденсата в коническом днище 24 фильтра 22 до входного отверстия всасывающего трубопровода 21;

k - постоянная величина (1/с) данной колебательной системы: компрессор - воздушный фильтр (определяется по условиям эксплуатации).

После удара об отражательную перегородку поток атмосферного всасываемого воздуха огибает ее и неиспарившиеся капли мелкодисперсной жидкости под воздействием силы тяжести выпадают из движущегося потока в коническое днище 24, где накапливаются и, воздействуя на поплавок-конденсатор 25, выбрасываются из корпуса воздушного фильтра 22.

Очищенный от каплеобразной влаги атмосферный всасываемый воздух, огибая отражательную перегородку 30, по всасывающему трубопроводу 20 поступает в компрессор 1, где осуществляется его сжатие с меньшими энергозатратами потому, что снижение атмосферы всасываемого атмосферного воздуха на 3°С уменьшает энергозатраты на производство сжатого воздуха на 1%. 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°С направляется по нагнетательной линии 2, основному трубопроводу 3 и через клапан 4 в концевой холодильник 5, где охлаждается до температуры около 100°С. 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°С, 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 давления и температуры 21, поступает в пневмосеть потребителя. Регулирование работой компрессора 1 осуществляется на основании известных схем блоком управления 18 по соотношению температуры и давления, фиксируемых датчиками давления и температуры 19 на всасывающем трубопроводе 20 и датчиками давления и температуры 21, установленными на пневмосети 8.

При минусовых температурах окружающей среды и высокой относительной влажности атмосферного воздуха, особенно часто наблюдаемой в зимне-весеннем периоде и фиксируемой датчиками температуры и давления 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 укреплению 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 потока атмосферного всасываемого воздуха переходит на отражательной биметаллической перегородке 30 в теплоту и частично замерзшую влагу превращает в каплеобразную с последующим заполнением пор пластины 31, где и осуществляется ее испарение.

В связи с тем, что отражательная перегородка 30 выполнена из биметалла, под действием разности температур пористой пластины 31, где осуществляется процесс испарения с отбором тепла, и сплошной пластины 32 осуществляется термовибрация отражательной перегородки 30 и неиспарившаяся влага сбрасывается для накапливания в коническое днище 24, где 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°С в концевой холодильник 5 для частичного охлаждения и далее в воздухосборник 6.

В воздухосборнике 6 осуществляется процесс конденсации паров влаги, не отделенной в воздушном фильтре 22. Сжатый воздух с температурой, на 10-20°С 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 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°С 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 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°С (отбирая тепло 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 выпадения конденсата по длине пневмосети. В результате в пневмосеть 8 поступает сжатый воздух заданного нормированного давления и с несколько повышенной температурой, что фиксируется датчиками давления и температуры 21 и контролируется блоком управления 18.

Преимущество предлагаемого изобретения состоит в том, что за счет лишь конструктивного выполнения воздушного фильтра в виде резонатора оно позволит без дополнительных энергозатрат увеличить подачу сжатого воздуха к потребителю.

Оригинальность технического решения заключается в том, что снабжение компрессорной установки воздушным фильтром в виде резонатора с отражательной перегородкой из биметалла и состоящей из двух жестко соединенных пластин, одна из которых пористая, обеспечивает снижение энергозатрат на производство сжатого воздуха в изменяющихся погодно-климатических условиях эксплуатации путем поддержания максимального массового поступления атмосферного всасываемого воздуха в компрессор при нормированном температурном режиме, обеспечиваемом дополнительным процессом испарения атмосферной влаги.

Изобретение относится к управлению компрессорными установками, эксплуатируемыми в различных отраслях народного хозяйства, находящихся в климатических условиях с длительным воздействием минусовых температур и особенно для шахтных предприятий горной промышленности. Технической задачей изобретения является снижение энергоемкости производства сжатого воздуха путем поддержания максимальной массовой производительности компрессора в условиях вибрационного воздействия на воздушный фильтр. Технический результат достигается тем, что компрессорная установка содержит компрессор, который посредством всасывающего трубопровода соединен с воздушным 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 выходного его отверстия установлена отражательная перегородка, выполненная из биметалла и состоящая из жестко соединенных пластин, при этом первая пластина со стороны выходного отверстия суживающегося сопла выполнена пористой, а вторая - сплошной, фильтр выполнен в виде резонатора, при этом отражательная перегородка посредством шарнира подвижно укреплена в верхней части корпуса фильтра и разделяет внутреннюю полость корпуса на камеры, сообщающиеся соответственно со всасывающим трубопроводом и суживающимся соплом, а поплавок-конденсатор через рычаг связан с отражательной перегородкой посредством жестко соединенной тяги. 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, причем компрессор посредством всасывающего трубопровода соединен с воздушным 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 выходного его отверстия установлена отражательная перегородка, выполненная из биметалла и состоящая из жестко соединенных пластин, при этом первая пластина со стороны выходного отверстия суживающегося сопла выполнена пористой, а вторая - сплошной, отличающаяся тем, что фильтр выполнен в виде резонатора, причем отражательная перегородка посредством шарнира подвижно укреплена в верхней части корпуса фильтра и разделяет внутреннюю полость корпуса на камеры, сообщающиеся соответственно со всасывающим трубопроводом и суживающимся соплом, а поплавок-конденсатор через рычаг связан с отражательной перегородкой посредством жестко соединенной тяги.