УСОВЕРШЕНСТВОВАННЫЙ МНОГОСТУПЕНЧАТЫЙ КОМПРЕССОР Российский патент 2010 года по МПК F04D25/02 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к усовершенствованным компрессорам.

Уровень техники

Известно, что в компрессорах температура газа при сжатии может подниматься до высокого уровня.

В связи с этим большое количество энергии, затрачиваемой на сжатие газа, преобразуется в тепло и, в частности, в скрытое тепло сжатого газа.

Данное преобразование энергии в тепло обычно не используется и поэтому представляет собой потери энергии, оказывая отрицательное влияние на коэффициент полезного действия компрессора.

Обычно для повышения коэффициента полезного действия стараются ограничить выделение тепла с целью получения идеального, т.е. изотермического сжатия.

Однако получение изотермического сжатия на практике является сложной задачей.

Известным техническим решением по ограничению выделения тепла при сжатии газа является впрыскивание в компрессор охлаждающего вещества с высокой теплоемкостью. Например, такое решение применяется в так называемых маслоохлаждаемых и водоохлаждаемых винтовых компрессорах.

Однако в промышленных компрессорах данного типа время взаимодействия с деталями очень мало, в результате чего положительное влияние впрыскивания жидкости на коэффициент полезного действия не очень велико.

Другим известным решением для приближения к изотермическому сжатию является осуществление сжатия в несколько этапов с постоянным повышением давления в последовательно расположенных и соединенных друг с другом компрессорных ступенях и охлаждение сжатого газа между последовательными этапами в промежуточном охладителе.

Альтернативным решением является использование скрытого тепла сжатого газа для других полезных целей или практических задач, например для нагревательных или им подобных установок.

Однако подобное применение не всегда является удобным или необходимым в конкретном месте.

В настоящее время уже известны варианты, в которых тепло газа преобразуется посредством турбины в механическую энергию.

Эта механическая энергия используется, например, для привода электрического генератора или используется для снижения нагрузки на двигатель, применяемый в приводе компрессора, благодаря чему может использоваться двигатель меньшего типоразмера.

В последнем варианте турбина непосредственно механически связана валом с указанным двигателем или с одной или более компрессорных ступеней компрессора.

Поскольку компрессорные ступени и турбина механически связаны, выбор данных агрегатов ограничен, в результате чего отсутствует возможность оптимизации данных агрегатов по отдельности.

Кроме того, хотя за счет использования тепла удается получить более высокий общий коэффициент полезного действия, а коэффициент полезного действия самого компрессора не повышается.

Раскрытие изобретения

Настоящее изобретение относится к компрессору с повышенным коэффициентом полезного действия и большим числом возможных вариантов оптимизации каждого конкретного агрегата и, следовательно, компрессора в целом.

Для достижения этой цели изобретение представляет собой усовершенствованный многоступенчатый компрессор для сжатия газа, состоящий в основном, по меньшей мере, из двух компрессорных ступеней, установленных последовательно одна за другой, по меньшей мере, одна из которых приводится двигателем, а, по меньшей мере, одна другая имеет свой привод, т.е. не имея какой-либо механической связи с указанным двигателем, и приводится посредством детандера, например, в виде турбины, относящегося к устройствам с замкнутым энергетическим циклом, в котором циркулирующая внутри среда нагревается за счет сжатия газа, при этом компрессорная ступень, приводимая от двигателя, является ступенью винтового типа, а компрессорная ступень, приводимая отдельно при помощи детандера замкнутого энергетического цикла, является ступенью центробежного типа.

Тепло, выделяющееся при сжатии газа, таким образом, используется для привода агрегата компрессора с использованием эффективного энергетического цикла, предпочтительно работающего в соответствии с закономерностями так называемого цикла Рэнкайна, в котором горячие газы из компрессорной ступени высокого давления служат источником энергии.

Таким образом, происходит эффективное использование энергии сжатого газа для самого компрессора, в результате чего повышается его собственный коэффициент полезного действия.

Поскольку компрессорная ступень, приводимая отдельно от детандера, не связана с компрессорной ступенью, приводимой от двигателя, компрессорная ступень, приводимая от детандера, может иметь скорость, отличную от скорости компрессорной ступени, приводимой от двигателя.

Это дополнительно позволяет использовать преимущества собственных скоростей двух компрессорных ступеней для отдельной настройки их условий функционирования в соответствии с требуемой производительностью компрессора, атмосферными условиями и т.д.

Кроме того, может использоваться компрессорная ступень, приводимая в движение непосредственно с высокой скоростью детандера без вмешательства коробки передач или какого-либо другого аналогичной трансмиссии.

Поскольку тип компрессорной ступени, приводимой от турбины, отличается от типа компрессорной ступени, приводимой от двигателя, в этом отношении производится оптимальный выбор.

В общем, все это позволяет добиваться повышенного коэффициента полезного действия компрессора как такового.

Среда в замкнутом энергетическом цикле нагнетается посредством насоса, последовательно проходя через следующие ступени: нагреватель, образованный, по меньшей мере, одним теплообменником, через который проходит, по меньшей мере, часть сжатого газа; указанный детандер, который соединен с указанным компрессорной ступенью; и конденсатор.

Среда в нагревателе преобразуется в газ с большой энергией, который приводит в движение детандер, например, в виде турбины и, как следствие, связанную с ним компрессорную ступень, при этом происходит расширение газа в детандере, после чего газообразная среда при низком давлении на выходе из детандера вновь переводится в жидкое состояние для того, чтобы под действием насоса при увеличенном давлении снова пройти через нагреватель, таким образом начать новый замкнутый энергетический цикл.

Таким образом, детандер, например, в виде турбины может приводиться в движение с очень высокими скоростями, что, например, позволяет применять в качестве компрессорной ступени, приводимой от детандера, турбокомпрессор с использованием его преимуществ.

Краткое описание чертежей

Далее приводится описание ряда предпочтительных вариантов осуществления изобретения в качестве не ограничивающего примера со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:

фиг.1 - схематичное изображение усовершенствованного компрессора в соответствии с изобретением;

фиг.2-3 - варианты усовершенствованного компрессора в соответствии с изобретением по фиг.1.

Осуществление изобретения

Компрессор 1 в соответствии с фиг.1 в основном состоит из двух компрессорных ступеней: первой компрессорной ступени 2 с впускным отверстием 3 и выпускным отверстием 4 и второй компрессорной ступени 5, также имеющей впускное отверстие 6 и выпускное отверстие 7.

Компрессорные ступени 2 и 5 последовательно соединены магистралью 8, соединяющей выпускное отверстие 4 первой компрессорной ступени 2 с впускным отверстием 6 второй компрессорной ступени 5.

Первая компрессорная ступень 2 расположена перед второй компрессорной ступенью 5 в направлении движения сжатого газа и работает при более низких давлениях, чем вторая компрессорная ступень 5, в результате чего эти компрессорные ступени 2 и 5 также иногда называют компрессорной ступенью 2 низкого давления и компрессорной ступенью 5 высокого давления, что вовсе не означает, что ступень низкого давления обязательно должна работать при низком давлении.

Компрессорная ступень 5 приводится от мотора 9 и соединяется магистралью 10 с питающей сетью 11 или другой аналогичной сетью.

Компрессорная ступень 2 низкого давления в этом случае является компонентом компрессора 1, которое в соответствии с изобретением приводится в движение в режиме замкнутого энергетического цикла 12 Рэнкайна.

Энергетический цикл 12 представляет собой замкнутую линию 13, в котором среда типа пентана, воды, СО₂ или любой другой подходящей среды прокачивается в заданном направлении 14, например, насосом 15, приводимым двигателем 16.

Замкнутая линия 13 содержит последовательно в направлении потока 14 среды нагреватель в виде теплообменника 17, детандер 18 в данном случае в виде турбины 18 и конденсатор 19.

Через теплообменник 17 проходят горячие газы, выходящие из компрессорной ступени 5 высокого давления, для чего в магистраль 10 давления и включен теплообменник 17.

Турбина 18 расположена напротив впускного отверстия 20 и выпускного отверстия 21 и соединена трансмиссией 22 с входным валом компрессорной ступени 2 низкого давления, что обеспечивает раздельный привод компрессорной ступени 2 низкого давления и компрессорной ступени 5 высокого давления и отсутствие какой-либо механической связи между двумя компрессорными ступенями 2 и 5 или двигателем 9 компрессорной ступени 5.

В приведенном на схеме примере и компрессорная ступень 2 низкого давления, и турбина 18 являются устройствами турбинного типа, в результате чего трансмиссия 22 может представлять собой вал. Однако при этом не исключается возможность использования других типов компрессорных ступеней или детандеров, в частности турбин спирального, винтового и других типов.

Конденсатор 19 является теплообменником для охлаждения проходящей через него среды, которое в данном случае происходит в форме воздушного охлаждения, обеспечиваемого при помощи внешнего вентилятора 23 с приводом 24.

Функционирование усовершенствованного компрессора 1 происходит по простой схеме и осуществляется следующим образом.

Компрессорная ступень 5 высокого давления приводится от двигателя 9 и создает требуемый поток сжатого газа, который подается через магистраль 10 и теплообменник 17 к трубопроводу питающей сети 11.

Параллельно с компрессорной ступенью 5 насос 15 приводится в движение посредством двигателя 16 для прокачки среды по замкнутому циклу 13 в направлении 14, в процессе которой насос 15 повышает давление среды, например, до 10 бар.

Среда в жидком состоянии проходит в теплообменник 17 и переводится в газообразное состояние за счет теплообмена. Образовавшийся газ поступает в турбину 18 при относительно высоких величинах давления и температуры.

В турбине 18 происходит расширение газообразной среды, в результате чего турбина 18 приводится в движение с высокой скоростью и, в свою очередь, приводит в движение компрессорную ступень 2 низкого давления.

В результате газ, который должен быть подвергнут сжатию, поступает через впускное отверстие 3 и сжимается в компрессорной ступени 2 низкого давления до определенного промежуточного давления.

Среда выходит из турбины 18 при существенно пониженных давлении и температуре и охлаждается в конденсаторе 19 для конденсации и переведения обратно в жидкое состояние, в результате чего среда может вновь прокачиваться насосом 15 для осуществления следующего рабочего цикла.

В соответствии с областью применения и номинальной мощностью для получения наилучшего результата могут устанавливаться различные компоненты.

Например, для компрессорной ступени 5 высокого давления с поглощаемой мощностью около 240 кВт, производительностью в районе 1000 литров в секунду и степенью сжатия 4,5 положительные результаты были получены при использовании энергетического цикла на основе пентана и турбины 18 с коэффициентом расширения около 100, но не меньше 50, которая создавала мощность в районе 60 кВт для привода компрессорной ступени 2 низкого давления со степенью сжатия около 1,8.

Вместо пентана при необходимости может применяться другая среда типа воды или СО₂, предпочтительно среда, обладающая относительно низкой температурой кипения, меньшей 150°С.

В качестве компрессорной ступени высокого давления могут применяться все типы компрессоров, такие как винтовые компрессоры, бессмазочные компрессоры и т.д.

Турбина 18 и компрессорная ступень 2 низкого давления также не обязательно должны быть турбинного типа, они могут быть, например, винтового или спирального типа, при этом они могут быть как одинакового типа, так и разного типа.

Если используется турбинная компрессорная ступень 2 высокого давления, ее объем может быть значительно меньше, чем у обычно используемых компрессорных ступеней, которые приводятся в движение с малой скоростью, таким образом, компрессор в соответствии с изобретением, в котором используется такая турбинная компрессорная ступень 2, кроме того, занимает меньше места, чем известные компрессоры.

Поэтому в сочетании с двигателем теплового типа подобный компрессор хорошо подходит для использования в портативных конструкциях компрессоров.

Теплообменник 17 и детандер 18 предпочтительно являются агрегатами с высоким коэффициентом полезного действия, которые могут работать при малой разнице температур.

Не исключается возможность циркуляции среды в энергетическом цикле 12 в результате термодинамических процессов без необходимости применения для этого насоса 15.

На фиг.2 показан вариант усовершенствованного компрессора в соответствии с изобретением, который отличается от варианта осуществления изобретения, приведенного на фиг.1, тем, что нагреватель в замкнутом энергетическом цикле 12 содержит дополнительный теплообменник 25, который включен в теплообменник 17 на входе в энергетический цикл 12.

Данный теплообменник 25 представляет собой промежуточный охладитель, который включен в магистраль 8, соединяющую компрессорную ступень 2 низкого давления с компрессорной ступенью 5 высокого давления.

За счет использования данного промежуточного охладителя 25 газ, сжимаемый в компрессорной ступени 5 высокого давления, предварительно охлаждается, что оказывает положительный эффект на коэффициент полезного действия компрессорной ступени 5 высокого давления и, кроме того, обеспечивает дополнительный источник энергии для среды в энергетическом цикле 12.

Двигатель 9, приводящий компрессорную ступень 5 высокого давления, в этом случае представляет собой тепловой двигатель, выхлопные газы которого подаются через выпускную магистраль 26 и проходят через дополнительный теплообменник 27, который также включается в линию 13 в качестве нагревателя для нагрева среды в данной линии 13.

В остальных аспектах функционирование данного варианта происходит аналогично варианту, приведенному на фиг.1.

Понятно, что поток сжатого газа, который проходит через теплообменники 17, 25 и 27 не обязательно должен представлять собой полный поток, подаваемый компрессорными ступенями 2 и 5.

В альтернативном варианте нагреватель может состоять только из одного из теплообменников 17, 25 и 27.

В зависимости от того, выше или ниже температура выхлопных газов в выходной магистрали 26 температуры сжатых газов в магистрали 10, теплообменник 27 может устанавливаться либо до, либо после теплообменника 17 в цикле 13.

На фиг.3 показан вариант такого компрессора в соответствии с изобретением, в котором теплообменник 27 расположен после теплообменника 17.

На фиг.3 изобретение осуществляется в многоступенчатом компрессоре 1 с дополнительной компрессорной ступенью 28, который установлен последовательно между компрессорной ступенью 2 низкого давления и компрессорной ступенью 5 высокого давления, и теплообменник 25 представляет собой промежуточный охладитель для охлаждения газа, сжимаемого компрессором 28, перед подачей его в компрессорную ступень 5 высокого давления для дальнейшего сжатия.

Кроме того, к компрессору 1 по фиг.3 подсоединен генератор 29, который приводится посредством трансмиссии 30 при помощи турбины 18 и вырабатывает электрический ток для работы других агрегатов компрессора, таких как двигатель 16 и привод 24 насоса 15, а также вентилятор 23 соответственно, или, например, дополнительный осушитель воздуха или дополнительные вентиляторы для теплообменников 17, 25 и/или 27.

В соответствии с альтернативным вариантом осуществления изобретения, который не показан на чертежах, турбина 18 используется только для привода генератора 29.

Хотя на чертежах показаны варианты осуществления компрессора в соответствии с изобретением, в котором компрессорная ступень 2, приводимая от детандера 18, расположена перед компрессорной ступенью 5, которая приводится от двигателя 9, не исключается возможность расположения данной компрессорной ступени 2 после компрессорной ступени 5.

Настоящее изобретение не ограничивается вариантами его осуществления, описанными в качестве примеров и показанными на чертежах, и возможно осуществить изготовление усовершенствованного компрессора в соответствии с изобретением, имеющего разные иные формы и размеры, не выходя за объем данного изобретения.

Усовершенствованный многоступенчатый компрессор (1) для сжатия газа состоит из двух компрессорных ступеней (2-5-28), расположенных последовательно одна за другой, одна из которых (5-28) приводится при помощи двигателя (9). Одна компрессорная ступень (2) из указанных имеет отдельный привод, не имеющий механической связи с указанным двигателем (9), осуществляемый посредством детандера (18), входящего в замкнутый энергетический цикл (12) с циркулирующей внутри средой, нагреваемой сжатым газом. Компрессорная ступень (5-28), которая приводится двигателем (9), является ступенью винтового типа, а компрессорная ступень (2), которая приводится отдельно посредством детандера (18) из замкнутого энергетического цикла (12), является ступенью центробежного типа. Техническим результатом является повышение КПД. 24 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Усовершенствованный многоступенчатый компрессор (1) для сжатия газа, который в основном состоит, по меньшей мере, из двух компрессорных ступеней (2-5-28), расположенных последовательно одна за другой, по меньшей мере, одна из которых (5-28) приводится при помощи двигателя (9), отличающийся тем, что, по меньшей мере, одна компрессорная ступень (2) из указанных имеет отдельный привод, не имеющий механической связи с указанным двигателем (9), осуществляемый посредством детандера (18), входящего в замкнутый энергетический цикл (12) с циркулирующей внутри средой, нагреваемой сжатым газом; а также тем, что компрессорная ступень (5-28), которая приводится двигателем (9), является ступенью винтового типа, а компрессорная ступень (2), которая приводится отдельно посредством детандера (18) из замкнутого энергетического цикла (12), является ступенью центробежного типа.

2. Усовершенствованный многоступенчатый компрессор по п.1, отличающийся тем, что компрессорная ступень (2), которая приводится отдельно при помощи детандера (18) из энергетического цикла, расположена относительно направления потока сжатого газа до компрессорной ступени (5-28), которая приводится двигателем (9).

3. Усовершенствованный многоступенчатый компрессор по одному из пп.1 и 2, отличающийся тем, что двигатель (9) является тепловым двигателем.

4. Усовершенствованный многоступенчатый компрессор по одному из пп.1 и 2, отличающийся тем, что среда в замкнутом энергетическом цикле (12) последовательно прокачивается насосом (15) через: нагреватель, образованный, по меньшей мере, одним теплообменником (17-27-25), через который проходит, по меньшей мере, часть сжатого газа; указанный детандер (18), который соединен с указанной компрессорной ступенью (2); и конденсатор (19).

5. Усовершенствованный многоступенчатый компрессор по п.3, отличающийся тем, что среда в замкнутом энергетическом цикле (12) последовательно прокачивается насосом (15) через: нагреватель, образованный, по меньшей мере, одним теплообменником (17-27-25), через который проходит, по меньшей мере, часть сжатого газа; указанный детандер (18), который соединен с указанной компрессорной ступенью (2); и конденсатор (19).

6. Усовершенствованный многоступенчатый компрессор по п.4, отличающийся тем, что, по меньшей мере, один теплообменник (17) нагревателя из замкнутого энергетического цикла (12) включен в магистраль (10) давления, по меньшей мере, одной компрессорной ступени (5) высокого давления.

7. Усовершенствованный многоступенчатый компрессор по п.5, отличающийся тем, что, по меньшей мере, один теплообменник (17) нагревателя из замкнутого энергетического цикла (12) включен в магистраль (10) давления, по меньшей мере, одной компрессорной ступени (5) высокого давления.

8. Усовершенствованный многоступенчатый компрессор по одному из пп.5-7, отличающийся тем, что, по меньшей мере, один теплообменник (25) нагревателя замкнутого энергетического цикла (12) представляет собой промежуточный охладитель (25) для охлаждения сжатого газа в магистрали (8), которая соединяет две компрессорных ступени (2-5) друг с другом.

9. Усовершенствованный многоступенчатый компрессор по п.4, отличающийся тем, что, по меньшей мере, один теплообменник (25) нагревателя замкнутого энергетического цикла (12) представляет собой промежуточный охладитель (25) для охлаждения сжатого газа в магистрали (8), которая соединяет две компрессорных ступени (2-5) друг с другом.

10. Усовершенствованный многоступенчатый компрессор по одному из пп.5, 6, 7, 9, отличающийся тем, что он имеет привод в виде теплового двигателя (9) с выпускной магистралью (26) для выхлопных газов и тем, что нагреватель из замкнутого энергетического цикла (12) имеет дополнительный теплообменник (27), который включен в указанную выпускную магистраль (26).

11. Усовершенствованный многоступенчатый компрессор по п.4, отличающийся тем, что он имеет привод в виде теплового двигателя (9) с выпускной магистралью (26) для выхлопных газов и тем, что нагреватель из замкнутого энергетического цикла (12) имеет дополнительный теплообменник (27), который включен в указанную выпускную магистраль (26).

12. Усовершенствованный многоступенчатый компрессор по п.8, отличающийся тем, что он имеет привод в виде теплового двигателя (9) с выпускной магистралью (26) для выхлопных газов и тем, что нагреватель из замкнутого энергетического цикла (12) имеет дополнительный теплообменник (27), который включен в указанную выпускную магистраль (26).

13. Усовершенствованный многоступенчатый компрессор по одному из пп.1, 2, 5, 6, 7, 9, 11, 12, отличающийся тем, что средой в замкнутом энергетическом цикле (12) является среда с низкой температурой кипения, предпочтительно не превышающей 150°С.

14. Усовершенствованный многоступенчатый компрессор по п.8, отличающийся тем, что средой в замкнутом энергетическом цикле (12) является среда с низкой температурой кипения, предпочтительно не превышающей 150°С.

15. Усовершенствованный многоступенчатый компрессор по п.10, отличающийся тем, что средой в замкнутом энергетическом цикле (12) является среда с низкой температурой кипения, предпочтительно не превышающей 150°С.

16. Усовершенствованный многоступенчатый компрессор по п.4, отличающийся тем, что средой в замкнутом энергетическом цикле (12) является среда с низкой температурой кипения, предпочтительно не превышающей 150°С

17. Усовершенствованный многоступенчатый компрессор по одному из пп.1, 2, 5, 6, 7, 11, 12, 14, 15, 16, отличающийся тем, что детандер (18) и/или компрессорная ступень (2), приводимая при помощи детандера (18), являются устройствами турбинного типа.

18. Усовершенствованный многоступенчатый компрессор по п.13, отличающийся тем, что детандер (18) и/или компрессорная ступень (2), приводимая при помощи детандера (18), являются устройствами турбинного типа.

19. Усовершенствованный многоступенчатый компрессор по п.10, отличающийся тем, что детандер (18) и/или компрессорная ступень (2), приводимая при помощи детандера (18), являются устройствами турбинного типа.

20. Усовершенствованный многоступенчатый компрессор по одному из пп.1, 2, 5, 6, 7, 11, 12, 14, 15, 16, 18, 19, отличающийся тем, что, по меньшей мере, одна компрессорная ступень (2-5-28) является ступенью бессмазочного типа.

21. Усовершенствованный многоступенчатый компрессор по п.17, отличающийся тем, что, по меньшей мере, одна компрессорная ступень (2-5-28) является ступенью бессмазочного типа.

22. Усовершенствованный многоступенчатый компрессор по одному из пп.1, 2, 5, 6, 7, 11, 12, 14, 15, 16, 18, 19, 21, отличающийся тем, что компрессорная ступень (2), приводимая детандером (18), имеет коэффициент сжатия примерно 1,8.

23. Усовершенствованный многоступенчатый компрессор по одному из пп.1, 2, 5, 6, 7, 11, 12, 14, 15, 16, 18, 19, 21, отличающийся тем, что компрессорная ступень (5) высокого давления имеет коэффициент сжатия примерно 4-5.

24. Усовершенствованный многоступенчатый компрессор по одному из пп.1, 2, 5, 6, 7, 11, 12, 14, 15, 16, 18, 19, 21, отличающийся тем, что он является портативным.

25. Усовершенствованный многоступенчатый компрессор по п.23, отличающийся тем, что он является портативным.